半波偶极子:两根导体组成,每根为1/4波长,即天线总长度近似为半个波长。 半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线,也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。如图所示,半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成,每根导线的长度为1/4个工作波长。但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度,目的就是实现谐振使输入阻抗接近纯电阻,很多时候都是用工作波长的0.48。导线的直径远小于工作波长,天线的激励是等幅反向的电压信号,加在天线中间的两个相邻端点上,且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长,可以忽略不计 实际应用中,我们常见的RFID,WIFI等天线都是采用了该设计形。
鞭状(Whiple)天线:单极子单极子:利用无线大的地平面取代原对称的平面,其由长为h 的直立振子和无限大地板组成(地板以下没有辐射场)
倒F天线单极子天线的高度为四分之一波长,但是不适合现在消费类产品,因此需要减小天线的高度,便于适应更加紧凑的结构设计,于是便将单极子折倒形成倒L天线。倒L天线剖面较低,也有着比较好的全向辐射特性。但由于将振子折倒从而形成了对地电容分量,其输人阻抗呈现低阻值高阻抗的特性,难以进行阻抗匹配。为了平衡倒L天线由于振子折倒而形成的对地容抗分量,在振子弯折处加载短路结构。该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯折所形成的对地容性分量,从而在不改变天线谐振频率的同时,达到变换阻抗目的。由于整个天线的形状像个倒写的英文字母F,故得名 演变过程:单极—>高度限制—>倒L—>输入阻抗小—>倒F(PIFA)—>带宽—>倒F平面化
PIFA天线但是当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想(辐射电阻小),所以为了增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载的技术,演变为PIFA天线(Planar Inverted F-shaped Antenna)。PIFA天线看做是由线性倒F天线(即IFA)天线衍变而来的。对于IFA天线而言,其辐射单元、接地线都是细导体线,这样等效的射频分布电感较大,而分布电容较小,这就意味着天线具有较高的Q值和较窄的频带,倒F天线频带通常不到中心频率的百分之一。根据电小天线Q值和带宽的关系,增大带宽的途径就是降低Q值,因此将IFA天线的细导线用具有一定宽度的金属片取代,这样可以增大分布电容和减少分布电感,平面部分相当于许多线形天线阻抗的并联,因此平面型天线比线形天线的输入阻抗要低一些,产生了宽带的谐振特性,从而增大天线带宽。这样就形成了PIFA天线。PIFA天线的基本结构包括四个部分:接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线,其典型的结构如下图所示。其中,接地平面可以作为反射面,辐射单元是与接地平面平行的金属片,短路金属片用于连接辐射单元和接地平面,同轴馈线用于信号传输。 现实中,常见PIFA天线
螺旋天线(helical antenna) 它是一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线组成,通常用同轴线馈电,同轴线的心线和螺旋线的一端相连接,同轴线的外导体则和接地的金属网(或板)相连接。
陶瓷(Ceramic)天线 陶瓷天线因体积小的特点,被用在越来越多的场合。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上; 而多层天线烧制采用低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结,所以天线的金属导体可以根据设计需要印在每一层陶瓷介质层上,如此一来可以有效缩小天线尺寸,并能达到隐藏天线目的。由于陶瓷本身介电常数比pcb电路板的要高,所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸。 在实际使用过程中,经常会有人问“为什么实际测试出来的天线效率和增益,与规格书上面的数值存在较大差异?”因为实际的产品应用中,产品的“地”与规格书所给的“地”的尺寸、形状都有所区别,导致应用中天线环境变化,使得测试的数据产生差异。上面我们有提过“天线附近物体的天线或“地”的变化,会导致天线输入阻抗的变化,从而引起天线的失谐”,再加上不同“地”长对天线反射的影响。所以如果想要减小两者的差异,实际的布板尺寸和位置尽可能的规格书一样。现实中,常见陶瓷天线
金属天线(因没有仔细研究过该类型的天线,暂时不做深入讨论)为了满足用户对审美要求, 目前市场上越来越多的产品开始采用金属边框工艺,甚至很多背部是塑料的机壳也开始完全被金属后盖所取代。虽然金属工艺可以提升产品的质感与美感,但是采用金属工艺也确实大大增加了天线的调试难度。电磁环境的恶化,使得天线设计越来越具有挑战。目前比较常见的金属天线有缝隙(Slot) 天线和边框天线
缝隙(Slot) 天线 缝隙天线即在金属臂上增加缝隙来改变电流路径,加载缝隙后,贴片电流就绕过缝隙增加贴片电流路径长度,降低了天线的谐振频率,天线的尺寸相应减小。
边框天线,天线设计融入金属边框,而将金属边框纳入作为天线的一部分,主要是利用金属边框进行辐射延伸, 这种方式一般包含以下几种天线形式:IFA、Monopole、Loop。
On Board板载式:采用PCB蚀刻一体成型,性能受限,极低成本,应用于蓝牙、WIFI模组集成;
SMT贴装式:材质有陶瓷、金属片、PCB,性能成本适中,适用于大批量的嵌入式射频模组
IPEX外接式:使用PCB或FPC+Cable的组合,性能优秀,成本适中,广泛应用于OTT、终端设备;
External外置类:塑胶棒状天线,高性能,独立性,成本高,应用于终端设备,无须考虑EMC等问题;
Slot缝隙天线:利用外壳金属体设计天线,低剖面,性能适中,完全与外壳共形。