微波全向天線較多應用于一點多址通信中，廣泛地應用于軍事、航天、遙控、遙測領域。在較低頻段中，微波全向天線主要有螺旋天線、交叉饋電式天線、波導縫隙天線；而隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，通信頻率向更高的波段發(fā)展已是必然趨勢，在C波段或更高的頻段，波長很短，以上提到的天線由于結構復雜，導致加工費用高，調試困難，并且饋電結構也難于設計，使得天線的帶寬較窄；同時這些類型的天線高度均超過半波長或者四分之一波長，天線高度太大導致其占用的體積空間較大，并且天線RCS（雷達散射截面）也較大，對各類載體平臺的電磁隱身特性也帶來較大影響。

考慮到上述情況，有必要為實際通信平臺開發(fā)一種全向天線，即新型C波段寬帶小型化全向天線，它能夠提供比現(xiàn)有天線更理想的電磁特性，本文將詳細討論該天線的性能及主要結構參數(shù)對天線性能的影響，并對天線的阻抗及輻射特性進行分析。

2? 天線基本結構及輻射原理

新型C波段寬帶小型化全向天線共形全向天線示意如圖1、圖2所示，圖1為天線本身的外形結構，圖2為天線剖面圖。從圖中可以看出，該天線是由金屬圓盤、金屬單極子、介質墊片、方形金屬地板以及同軸饋電連接器共同構成。

圖1 ?天線示意圖

圖2 ?天線剖面圖

金屬圓盤半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂，它們加工為一個整體；金屬單極子中部有螺紋孔；聚四氟乙烯介質墊片為一個類似“瓶蓋”的腔體結構，半徑r₃、厚度h₃，中間有通孔使得同軸內芯通過，其下部腔體尺寸可使得同軸連接器剛好深入其內部；方形金屬地板中間有通孔使得連接器外導體通過；同軸連接器為市售產品，選用的是N型同軸連接器N-50KF-C，其特殊之處在于伸出的內芯有螺紋，它可以直接穿過介質墊片上的通孔與金屬單極子中部的螺紋孔旋擰在一起，從而使得整個天線成為一個整體。

在本設計中，天線金屬圓盤及金屬單極子是起輻射作用的最主要部件，用于向空間輻射電磁波。當發(fā)射信號時，同軸連接器通過連接的同軸電纜輸入外接發(fā)射機的發(fā)射信號，同軸接頭輸出的能量激起金屬圓盤及金屬單極子上的表面電流，從而產生輻射；由于所采用的金屬單極子直徑較大，使得天線可以發(fā)射較寬帶寬范圍內的垂直極化電磁波；由于金屬單極子頂端接入了金屬圓盤，這使得天線頂端的電流不為零，有效的實現(xiàn)了天線的小型化；由于介質墊片為腔體結構，分隔開天線的輻射結構與金屬地板，使得同軸電纜能夠有效的激勵天線電流；金屬圓盤、金屬單極子及介質墊片在結構上均成中心軸對稱分布，可以使得天線在水平面360度范圍內輻射場均勻分布。

3? 主要結構參數(shù)對于天線阻抗特性的影響

反射損耗是天線的一個重要性能參數(shù)，它決定了天線的阻抗特性。在設計過程中發(fā)現(xiàn)，影響該天線反射損耗性能的主要結構參數(shù)為金屬圓盤半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂。通過多組建模仿真，可以得到各個參數(shù)對于天線反射損耗的影響規(guī)律，以便于實際天線的設計實現(xiàn)。

3.1? 金屬圓盤半徑r₁對反射損耗的影響

作為最主要的輻射結構，金屬圓盤的尺寸在很大程度上決定了天線的諧振頻率，圖3是針對不同的金屬圓盤半徑r₁反射損耗隨頻率的變化曲線。隨著半徑的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與一般的單偶極子天線類似，輻射體尺寸與天線頻率呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖3 ?反射損耗與r₁的關系 3.2? 金屬圓盤厚度h₁對反射損耗的影響

圖4是針對不同的金屬圓盤厚度h₁反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬圓盤的厚度同樣會影響天線的諧振頻率，隨著厚度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與金屬圓盤半徑類似，該尺寸的大小與天線頻率高低呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖4 ?反射損耗與h₁的關系

3.3? 金屬單極子半徑r₂對反射損耗的影響

金屬單極子不僅是該天線的輻射結構，同時它還作為過渡部件連接金屬圓盤及饋入電流的同軸連接器。圖5是針對不同的金屬單極子半徑r₂反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，該半徑不僅影響諧振點位置，還在很大程度上影響反射損耗的大小，如果該半徑過大，則反射損耗很大，即C波段在同軸接頭饋入天線的能量大部分都被反射，使得天線無法正常工作；從安裝角度考慮，若該半徑過小，則輻射結構沒有辦法與同軸連接器的螺紋內芯連接，所以在天線尺寸的設計上要綜合考慮天線性能及安裝結構。

圖5 ?反射損耗與r₂的關系

3.4? 金屬單極子高度h₂對反射損耗的影響

圖6是針對不同的金屬單極子高度h₂反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬單極子的高度會在很大程度上影響天線的諧振頻率，隨著高度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與普通單極子尺寸與頻率的對應關系一致。

圖6 ?反射損耗與h₂的關系

4? 天線性能分析

在上述分析的基礎上，應用仿真軟件HFSS對天線參數(shù)進行了逐一的調整，最后得出了性能最優(yōu)結構參數(shù)，最終天線地板以上的總體高度h₁+h₂+h₃僅為最低工作頻率f_L所對應波長的八分之一左右，現(xiàn)對其性能進行如下分析。

4.1? 天線的阻抗特性

前面已經提到過，天線的反射損耗是一個重要性能參數(shù)，它反映了天線的阻抗特性。圖7給出了該C波段寬帶小型化全向天線反射損耗的結果。在f_L?~?f_H的頻率范圍內，天線反射損耗的仿真結果均小于-10dB，這種全向天線阻抗特性良好，它具有45%左右的阻抗帶寬。

圖7 ?天線的反射損耗

4.2? 天線的輻射特性

對于全向天線，增益特性是衡量其性能好壞的重要指標，圖8是該天線的增益隨頻率的變化關系（f_L?~?f_H）。頻率在f_L?~?f_H范圍內，增益變化范圍是3.5~6dB，變化幅度小于2.5dB，增益在頻帶內較為穩(wěn)定；天線的方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關系的圖形，圖9表示該天線在頻率分別為f_L、(f_L+f_H)/2、f_H時水平面方向圖的結果。在各個頻率上，該天線水平面近似全向輻射，不圓度小于2dB，方向圖穩(wěn)定性較好。

圖8 ?天線的增益

圖9 ?天線的方向圖 天線的拓展應用

本文設計的天線結構可采用方形金屬地板，且尺寸可根據應用需求適當調整；同時，也可根據實際需求在一定尺寸范圍內采用圓形地板或者異形地板，參見圖10，地板形狀改變，基本不會影響天線性能。此外，本天線應用場合靈活，它可單獨作天線用，也可用作反射面天線的饋源或者陣列的單元，尤其適用于作八木天線的有源振子，參見圖11，該天線本身前后適當位置加入引向金屬棍和反射金屬棍即可以有效縮小八木天線的總體高度。

圖10 ?地板為圓形時的天線結構

圖11 ?天線作為八木天線有源振子的結構

6? 結論

本文所論述天線與現(xiàn)有技術相對照，其效果是積極和明顯的。天線的工作頻段為C波段，本身高度僅為最低工作頻率所對應波長的1/8左右；天線相對帶寬約為45%，在頻段內可以良好的與50Ω同軸電纜匹配；天線在水平面360度的范圍內輻射場均勻全向分布，不圓度小于2dB；此外，本天線結構靈活，除了可采用方形地板，還可在一定尺寸范圍內采用圓形或者異形地板，并且天線可以作為八木天線的有源振子使用，有效縮小八木天線的總體尺寸。

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這種概念要求基站部署極大規(guī)模的天線陣列，可能包含成百上千的收發(fā)器。此概念稱為大規(guī)模MIMO。的確，大規(guī)模MIMO 脫離了當前的網絡拓補，可能是解決我們所面對的無線數(shù)據挑戰(zhàn)的關鍵；然而，在認知大規(guī)模MIMO 廣泛部署的效能和/ 或可行性的過程中，出現(xiàn)了一個值得關注的問題，有人會創(chuàng)建一個原型，只為確定它是否真正行之有效嗎？畢竟，創(chuàng)建一個具有上千天線的原型會帶來若干工程上的挑戰(zhàn)，另外還有其他不可忽視的問題，即成本和時間。

圖1. 2 天線MIMO 收發(fā)器。

MIMO背景

MIMO 依賴多路來提高無線數(shù)據鏈路的可靠性以及有效數(shù)據率，通常使用數(shù)根獨立天線獲得多個數(shù)據流。多路傳播是通信系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)，實踐中采用MIMO，運用空間- 時間編碼和/ 或空間分集等多種技術。4G 移動通信標準LTE-A 規(guī)定MIMO 組態(tài)最多使用8 根天線。IEEE 802.11n/ac 標準以及這些標準的實際商業(yè)化均普遍使用MIMO。

基本上，更多天線會給傳播通道帶來更高的自由度，從而在數(shù)據率和/ 或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數(shù)據率仍然受到香農理論的限制。在多個用戶組成的網絡中，增大總體網絡吞吐量的一種方法是多用戶MIMO（MU-MIMO），其中，多個用戶可以同時訪問同一時頻資源，但是通過多根天線產生的多“空間維度”實現(xiàn)隔離。

更多天線，更大容量，更高的可靠性

增大MU-MIMO 的規(guī)模， 稱為大規(guī)模MIMO，可以提供更大的網絡容量、更高的可靠性，并通過降低一個蜂窩或服務地區(qū)的總發(fā)射功率而提高大規(guī)模MIMO 基站的能量效率。理論上，每根天線的發(fā)射功率能夠低于以相同數(shù)據率為指定蜂窩或者地區(qū)服務的單根天線的發(fā)射功率。即，總功率為：

PTotMM ~ PT NT

其中，PTotMM 是每個地區(qū)的總傳輸功率，PT 是每根天線的功率，NT 是發(fā)射天線的數(shù)目。其中，PTotMM 低于單天線系統(tǒng)的PTot。與單天線系統(tǒng)相比，為了達到相同的可靠性和/ 或吞吐量，由于大規(guī)模MIMO 基站能夠憑借其更高的自由度而將發(fā)射的能量聚焦于目標用戶，所以大規(guī)模MIMO 蜂窩拓補能夠降低分區(qū)地域的總發(fā)射功率。另外，當使用多根天線時，從發(fā)射器至接收器的正確位發(fā)射概率會增大，因為鏈路中斷概率~ 1 / SNR NT NR。

其中，SNR 是信噪比，NR 是接收天線的數(shù)目，NT 是發(fā)射天線的數(shù)目。由于此關系，當系統(tǒng)中的天線數(shù)目增加時，鏈路中斷概率會降低，從而提高了通信鏈路可靠性。[1]

大規(guī)模MIMO 天線陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數(shù)百倍規(guī)模的天線部署將獲得比當前MIMO 點對點部署更高的效率。具體來說，憑借數(shù)百根天線，天線孔徑和部署網格均有精細的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細地控制天線波瓣，以降低通道中的能量。

大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)也有其挑戰(zhàn)。一個挑戰(zhàn)是尋找從接收器到發(fā)射器的通道狀態(tài)信息通信方法，以進行預編碼。鑒于有數(shù)百根天線，通過導頻信號來推論通道狀態(tài)在實踐中是不可行的。因此，目前實現(xiàn)的大規(guī)模MIMO只能實際使用依賴于通道互易的時分雙工（TDD）系統(tǒng)，然而要確定此方法的可行性，還需要進行更多研究。另外，一些初步研究提出，系統(tǒng)中的熱噪聲對于如此之多的天線來說不必過于關注，并且干擾器的影響成為更大的問題。這些挑戰(zhàn)以及其他挑戰(zhàn)，可以在開發(fā)出有效的原型之后使用實際波形來進行研究。

2. M 用戶N 天線大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)。

圖3. 典型1×1 軟件定義無線電體系結構。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的原型制作

制作大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的原型需要預先進行許多工作，以便仔細、恰當?shù)卦O計實際運作系統(tǒng)。大多數(shù)研究人員會發(fā)現(xiàn)，甚至制作只有2 天線的最低組態(tài)MIMO 收發(fā)器系統(tǒng)也是極具挑戰(zhàn)性的（參見圖1）。為設計大規(guī)模MIMO 原型，首先繪制系統(tǒng)草圖（參見圖2）。在本練習中，基站處的天線數(shù)目N 為128，從而獲得128×128 MIMO 組態(tài)。組態(tài)假設M個移動用戶使用SISO 天線。

在設計大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)時，需要考慮許多事項，包括發(fā)射功率、相鄰通道干擾、頻譜罩等RF 系統(tǒng)參數(shù)。然而，大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)需要考慮的一個關鍵參數(shù)是每根天線的數(shù)字數(shù)據吞吐量。從圖中可知，系統(tǒng)最具挑戰(zhàn)性的一個方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統(tǒng)內。與使用SISO 無線電的簡單發(fā)射和接收通信不同，大規(guī)模MIMO 要求發(fā)射和接收元件之間擁有高速數(shù)據吞吐，以及高基帶，并且其數(shù)量級高于目前部署的系統(tǒng)。

可以選擇在靠近天線處的節(jié)點，以分布方式處理數(shù)據流，但是為了恢復從不同用戶處收到的信號，或者有效地為不同用戶進行信號預編碼，必須將從各個天線接收到的數(shù)據流聚集在一個公共位置，以獲得最優(yōu)性能。通過仔細觀察吞吐量和數(shù)據要求，我們將系統(tǒng)分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實際構建中量化數(shù)據率，并在系統(tǒng)設計、集成、功率和成本之間取得平衡。

基線系統(tǒng)參數(shù)

典型SISO 無線電如圖3 所示。在該圖中，RF 信號下變頻或混合，濾波，放大，然后轉化為數(shù)字數(shù)據。發(fā)射過程的次序則相反。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含數(shù)百個這種基本SISO 元。為了使用現(xiàn)貨供應設備，以降低成本和加快原型開發(fā)，假設每個同相正交樣本均為16 位。位數(shù)決定了動態(tài)范圍，實際上對于原型來說過好了。減少分辨率位數(shù)會顯著降低數(shù)據吞吐量，特別是在聚集極多通道的時候。雖然16 位會增加數(shù)據路徑，并最終增加數(shù)據吞吐量要求——位數(shù)更多會導致數(shù)據路徑加寬和數(shù)據吞吐量要求增加——然而，現(xiàn)貨供應組件和編程體系結構不需要進行自定義就能夠輕

松處理16 位樣本。

接下來考慮采樣率。接收鏈中的每個模數(shù)轉換器（ADC）均必須以高于尼奎斯特通道帶寬的速率對下變頻波形進行采樣。本例以LTE 作為基線，普通移動通信場景，每個轉換器均以30.72 MS/s 的采樣率對接收到的波形進行采樣。實際上，轉換器可以對信號進行過采樣，以提高分辨率，但是這會增加信號處理量，以便將數(shù)據率轉換到標準信號處理模塊可以接受的數(shù)據流。數(shù)據吞吐量使用下述方程得到：（2 個樣本）（16 位/ 樣本或者2字節(jié)/ 秒）（采樣率）

對于上例：

（2 個樣本）（2 字節(jié)/ 秒）（30.72）= 122.88 MB/s對于上例系統(tǒng)，一個通道的聚集數(shù)據吞吐量等于122.88 MB/s。為擴大到大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)，可以按照下文所述計算有效速率：總系統(tǒng)吞吐量（TST）=（吞吐率/ 通道）（天線數(shù)目）TST =（122.88 MB/s）（128）TST = 15.7 GB/s

這樣，如果所有通道均同時發(fā)射或接收，那么中央處理系統(tǒng)的數(shù)據吞吐量將為15.7 GB/s。另外，將所有這些數(shù)據聚集到中央處理系統(tǒng)中，還要求處理引擎能夠接受此龐大的數(shù)據量，并且能夠進一步處理數(shù)據，以便生成通信鏈路。上述簡要分析揭示了兩個挑戰(zhàn)。首先，極少（如果有的話）低成本市售技術能夠滿足這些要求。其次，原型的數(shù)據量要求開發(fā)備選信號處理鏈分割技術，包括分布式實現(xiàn)和并行實現(xiàn)。

通過審查可用的原型制作技術，我們提出了一種可以用作大規(guī)模MIMO 原型構建數(shù)據框架的高速串行總線的簡要研究。

表1 概述了目前的一些市售高速總線技術。當然還有其他總線，然而上表提供的是目前常用的許多標準而非專有總線技術的指南。另外，這些總線技術已經用于許多模塊化體系結構，例如PXIe，基本上基于PCIe 標準。應該考慮的一個規(guī)格是潛伏時間。潛伏時間是指發(fā)射與接收操作之間的周轉時間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時間不是特別重要。然而，對于真正的TDD 大規(guī)模MIMO 原型，必須考慮潛伏時間，因為周期時間比無線通道的相干時間更短，從而下行鏈路預編碼不是基于已經過時的通道信息，這是至關重要的。上文給出的潛伏時間規(guī)格為近似值。然而，一般來說，以太網的潛伏時間并非決定性的，可能會發(fā)生極大的變化。另一方面，以太網的實現(xiàn)一般成本較低。

應該指出，PCIe Gen 3 實現(xiàn)剛剛在市場上出現(xiàn)，實際吞吐數(shù)據測量值并不可用。另外應該指出，雖然基本提供了最大/ 峰值數(shù)據率，然而由于成本、IP 核的尺寸，以及功率等原因，實際實現(xiàn)了總線的典型實現(xiàn)是不同的。所提供的典型數(shù)目僅供參考，因為極少的（如果有的話）實現(xiàn)達到了所發(fā)布的最大速率。

圖4 所示是一個使用PXIe 的系統(tǒng)配置實例。在此組態(tài)中，總共使用了10 塊底板來實現(xiàn)128 根天線的大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)。系統(tǒng)用2 塊“主”底板來聚集數(shù)據，用8 塊底板來安裝128 個能夠在蜂窩帶進行發(fā)射和接收的收發(fā)器（NI 5791 RF 收發(fā)器）。數(shù)據基干使用PCI Express Gen 2 ×8，通過合適的分割輕松采集和發(fā)射20MHz RF 帶寬數(shù)據。[2,3]

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本文將介紹一種FM收音機接收機解決方案，它將天線集成或嵌入在便攜式設備內部，使得耳機線成為可選件。我們首先從最大化接收靈敏度講起，然后介紹取得最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率，最大化天線尺寸，以及利用可調諧匹配網絡最大化整個調頻帶寬上的效率。最后，本文還將給出可調諧匹配網絡的實現(xiàn)方法。

最大化靈敏度

靈敏度可以被定義為調頻接收系統(tǒng)可以接收到的、同時能達到一定程度信噪比（SNR）的最小信號。這是調頻接收系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)，它與信號和噪聲都有關系。接收信號強度指示器（RSSI）只是指出了特定調諧頻率點的射頻信號強度，它并不提供有關噪聲或信號質量的任何信息。在比較不同天線下接收機性能時，音頻信噪比（SNR）也許是一個更好的參數(shù)。因此，想為聆聽者帶來高質量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。

天線是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調頻接收而言，天線就是一個變換器，即將能量從電磁波轉換成電子電路（如低噪聲放大器（LNA））可以使用的電壓。調頻接收系統(tǒng)的靈敏度直接與內部LNA接收的電壓相關。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這個電壓。

市場上有各種各樣的天線，包括耳機、短鞭、環(huán)路和芯片型天線等，但所有天線都可以用等效電路進行分析。圖1給出了一種通用的等效天線電路模型：

在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓撲，其電抭（感抗或容抗）值與天線幾何形狀有關。損耗電阻Rloss與天線中以熱能形式散發(fā)的功耗有關。幅射電阻Rrad與從電磁波產生的電壓有關。為了便于說明，后文將以環(huán)路天線模型作為分析對象，同樣的計算也可以用于其他類型的天線，如短的單極天線和耳機天線。

圖1：天線等效電路模型。

使諧振頻率點的效率最大化

為了盡量提高天線轉換出來的能量，可以使用一個諧振網絡來抵消天線的電抗性阻抗，而這種阻抗會衰減天線傳導到內部LNA的電壓值。對電感性環(huán)路天線來說，電容Cres用來使天線在想要的頻率點發(fā)生諧振：

（1）

諧振頻率是指天線將電磁波轉換成電壓的效率最高的頻率點。天線效率是Rrad上的功率與天線收到的總功率的比值，可以表示為Rrad/Zant，其中Zant是帶天線諧振網絡的天線阻抗。Zant表示為：

（2）

當天線處于諧振狀態(tài)時，效率η可以表示為：

（3）

在其他頻率點時效率為：

（4）

非諧振頻率點的天線效率η要低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

最大化天線尺寸

為了恢復所傳輸?shù)纳漕l信號，天線必須從電磁波里收集到盡可能多的能量，并高效地將電磁波能量轉換成通過Rrad的電壓。收集到的能量多少受制于便攜式設備所使用天線的可用空間和大小。對于傳統(tǒng)的耳機天線來說，它的長度可達到調頻信號的四分之一波長，能收集到足夠的能量并轉換成內部LNA可用的電壓。在這種情況下，最大化天線效率就不那么重要。

不過，由于便攜式設備正變得更小更薄，留給嵌入式調頻天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此在既不犧牲性能、又要使用較小的天線的情況下，提高天線效率η就變得非常重要。

利用可調匹配網絡，使調頻頻段上的效率最大化

大多數(shù)國家的調頻廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的調頻廣播頻段是76MHz到90MHz。在一些東歐國家，調頻廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應全球所有的調頻頻段，調頻接收系統(tǒng)需要有40MHz的帶寬。傳統(tǒng)解決方案通常是將天線調諧在調頻頻段的中心頻率。然而就如上述公式表明的那樣，天線系統(tǒng)的效率是頻率的函數(shù)。效率在諧振點達到最大值，當頻率偏離諧振頻率時，效率將下降。值得注意的是，由于全球調頻頻段的帶寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率點時天線效率將有顯著下降。

例如，設定一個固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點可取得很高的效率，但其他頻率點的效率將有顯著下降，從而劣化了遠離諧振頻率點時的調頻性能。

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最近幾年，非接觸式智能卡已越來越多地應用于支付和識別領域。除了當前智能卡使用最為廣泛的公交行業(yè)之外，越來越多的國家開始考慮將非接觸式應用推廣至其他全國性項目。鑒于非接觸式智能卡應用的全球性增長，同時考慮到不同產品的技術要求以及終端客戶的不同需求，設計滿足不同應用需求的智能卡天線則成了一項極富挑戰(zhàn)性的工作。本文將討論智能卡天線設計過程中需要考慮的各種因素，以及在不同應用領域中面臨的挑戰(zhàn)。

智能卡天線設計需要考慮的因素

智能卡天線是一種電氣組件，可通過讀卡器產生的射頻（RF）磁場的電磁感應，向智能卡集成電路（IC）供電。它同時也是智能卡IC與讀卡器之間的通訊媒介。設計不當?shù)奶炀€會極大地降低IC卡的性能，而設計合理的天線則會幫助IC卡實現(xiàn)其設計的最佳性能，實現(xiàn)以下特性：

符合ISO/IEC 14443/10373-6規(guī)定的工作場域和負載調制要求

符合PayPass-ISO/IEC 14443執(zhí)行規(guī)范- V1.1 和EMV非接觸式通訊協(xié)議規(guī)范V2.0相關要求, 兼容現(xiàn)有通過認證的讀寫器優(yōu)化工作距離：為指定應用帶來最佳工作距離，而不影響智能卡功能支持多卡，即使這些卡相互疊放

天線在卡中的準確定位：為了保證智能卡與采用小型天線的讀卡器協(xié)同應用，天線必須設計在卡上的一個特定的區(qū)域內。因為只有這樣，智能卡和讀卡器的天線才能實現(xiàn)預定的磁耦合。

圖題：雙接口非接觸式智能卡的典型構造

additional overlay-coating foil, thickness 50-100um：附加覆蓋層，厚度50-100微米

printed overlay foil, thickness 100-150um：印刷覆蓋層，厚度100-150微米

basic foil with coil: 200-300um, PVC, surface glueless：帶線圈的基層：200-300微米，PVC材質，脫膠表面

Module: 540um total thickness：模塊：總厚度540微米

在智能卡天線設計中需要考慮三個會影響卡諧振頻率的主要元器件。為了使智能卡的工作距離和RF通訊穩(wěn)定性等性能指標達到最佳狀態(tài)，必須充分考慮到這些元器件的影響。

集成電路(IC)

這是核心部分，芯片的輸入電容和最小工作電壓將決定智能卡的最大工作距離和多卡同時工作等特性。

IC模塊

智能卡IC置于模塊之內。模塊使得IC易于處理，同時保護IC免受到外來壓力（如過度彎折等）和紫外線的損害。另外模塊設計擴大了天線連接區(qū)域，為采用不同的天線連接方式提供了方便。在智能卡封裝工序中，模塊比裸裝的IC更常使用。從電氣角度看，模塊給IC卡的諧振電路增加了額外的電容。

智能卡封裝材料

由于其介電性能，封裝材料也為最終IC卡的諧振電路增加了額外的電容。智能卡天線設計及其對特定應用領域的影響良好設計的智能卡天線是否就可以適合所有的應用領域而不會發(fā)生任何小故障？事實并非如此。仔細設計的天線對非接觸應用產品的綜合性能具有極其重要的作用，但是不同的應用其技術要求完全不同。因此，要設計出一款通用天線，是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。以下內容將簡要描述一些典型應用中面臨的挑戰(zhàn)。

支付應用

卡和讀卡系統(tǒng)之間的臨界耦合效應當讀卡器比智能卡小時，RF 通訊就遇到了挑戰(zhàn)。出于簡化和設計方便的考慮，目前流行的標準是將非接觸式讀卡器設計得盡可能小，盡可能緊湊。這意味著讀卡器的天線要小于一般常見的ID1 的尺寸。然而，由于業(yè)內普遍接受的大多數(shù)支付卡（例如Visawave, Paywave, JCB）仍然執(zhí)行ISO/IEC 7810 標準(ID1,85mm*54mm)的規(guī)定制式，使用較小尺寸的讀卡器就對RF 通訊提出了挑戰(zhàn)。

以上情形導致卡和讀卡器系統(tǒng)之間產生臨界耦合效應，這種臨界耦合效應通常會使卡和讀卡器之間的RF 通訊變得極不穩(wěn)定。盡管看似不合理，但這種耦合效應確實有違基本的邏輯，即，卡離讀卡器越近，耦合效應就越強！

但是，采用如下一些方法，可以最大限度減輕這個問題的影響：

為了克服因卡片天線和讀卡器天線的尺寸不匹配而造成的負面影響，一種方法是設計者可以調整卡片天線和讀卡器天線的尺寸，使得讀卡器天線的尺寸比卡片天線的大。根據支付系統(tǒng)的限制條件，可對讀卡器天線加以調整或者改變智能卡天線的設計。事實上，尺寸只有ID1 一半的支付卡在市場上已經越來越普遍。這種方法雖然解決了上述難題，但它也帶來了其他問題。這些尺寸只有ID1 一半的卡很難滿足ISO14443 規(guī)定的關于最小負載的調制要求。盡管如此，業(yè)內已經找到一些采用較小外形尺寸（ID1/2 和ID1/3），并滿足ISO14443 規(guī)定的負載調制限制的設計方案。

改變卡片天線的設計（例如感應系數(shù)、線圈材料等）以達到調整Q 值或諧振頻率的目的。如果線圈的Q 值較低，它傳遞給卡的能量耦合就比較小，將卡去諧以獲得較高的諧振頻率也會取得同樣效果。這兩種方法都可以減少卡片天線和讀卡器天線之間的相互影響，進而降低他們之間的耦合效應。這種方法的好處是不需要改變讀卡器的設計，可以避免因讀卡器系統(tǒng)升級而帶來的高昂成本。當然，這種方法的缺陷是不能完全滿足某些項目對于工作距離的要求。盡管不能完全解決問題，但這種方法仍然可以大幅降低耦合效應的負面影響。

電磁干擾（EMD）

設計者面臨的另外一個問題是電磁干擾（EMD）。作為一種無源設備，非接觸式智能卡從讀卡器產生的RF 場獲取全部能量。IC 在進行內部操作期間，例如進行密碼計算、EEPROM 編程等操作時，會對向其供應能量的RF 場產生電磁干擾（EMD），這種干擾會使讀卡器的接收電路偵測到“虛假的”通訊信息，從而在卡和讀卡器系統(tǒng)之間引起通訊問題。卡離讀卡器越近，這種影響就越大。雖然通過對卡片天線系統(tǒng)的微調可以部分減輕干擾(例如調整線圈的調諧電感)，但是不能完全解決問題。通過對IC 時鐘技術的改進，包括內置硬件EMD 抑制機制，這個問題現(xiàn)在已經基本得到解決。

公交應用

公交行業(yè)是最早采用非接觸式技術的行業(yè)之一，但因其大多數(shù)讀卡設施都是六七年前安裝的，有些甚至是在ISO14443 標準制訂之前安裝的，因此設施都相當陳舊。該領域面臨的主要挑戰(zhàn)是不符合相關標準。公交行業(yè)的部分陳舊的讀卡器生成的調制參數(shù)不能完全符合ISO14443 標準，從而在卡和讀卡器之間產生業(yè)內所稱的通訊“漏洞”。ISO14443 標準分別為卡和讀卡器規(guī)定了相應的RF 參數(shù)。這些參數(shù)給出了指定RF 信號的工作范圍，保證卡和讀卡器在滿足這些參數(shù)要求時可以達到互通性。因此，如果讀卡器產生的調制RF 參數(shù)超出了ISO 標準規(guī)定的范圍，就很難實現(xiàn)讀卡器和卡之間的互通性。上面所討論的參數(shù)與ISO 標準不相符的問題，通常與ISO14443 標準所定義的“暫停形態(tài)”的生成相關，一般表現(xiàn)為讀卡器波形的上升時間、下降時間、過沖信號和殘余載波等指標不符合規(guī)定。優(yōu)化卡片天線的設計并不能完全解決這些問題，因此更可靠的解決辦法是更換那些過時的讀卡器，代之以新的符合ISO 標準的設備，但這種選擇不一定能夠實現(xiàn)，因為更換所有正在使用的設施代價高昂，在某些情況下也不一定可行。

因此，可行的解決方案是改善非接觸式智能卡IC 的設計，使其具有超強的容錯能力，以適應這些與ISO 標準不相符的讀卡系統(tǒng)。

身份識別應用

近些年來，政府實施的身份識別工程已成為非接觸式技術發(fā)展的主要推動力，也促使業(yè)內更加關注ISO 標準的實施，強調卡與讀卡器系統(tǒng)的互通性。

前面討論過的有關支付應用的問題在身份識別應用中也同樣存在，政府的身份識別系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于，政府已經與業(yè)內的主要機構一起開發(fā)出基于該應用的標準，例如ICAO LDS，RF 協(xié)議測試等，并且在整個產業(yè)鏈中得到嚴格的遵循和推廣。電子護照的鑲嵌設計的總體框架由ICAO “電子護照RF 協(xié)議與應用測試標準-第2 部分”（1 類天線）加以規(guī)范。

這些標準與美國有關電子護照的強制性規(guī)定一起，有效地保證了卡與讀卡器系統(tǒng)之間的互通性和一致性，迫使那些參與的國家加速實施其電子護照工程。幾年以來，參加美國“簽證互免計劃”（Visa Waiver Program）的大多數(shù)國家都一直在積極參與ICAO 電子護照互通性測試和跨國界的試驗性項目，這就為非接觸式讀卡器、inlay 以及芯片的制造商提供了一個平臺，使他們可以一起制訂共同的標準，并解決該特殊領域中面臨的互通性問題。

皇捷通訊的gsm天線、wifi天線、uhf天線、vhf天線、電視天線、電子連接器生產線引進日本、中國臺灣高端生產設備，保證產品具有穩(wěn)定、優(yōu)良的品質。公司生產設備包括注塑成型設備、五金沖壓設備、自動組裝設備、模具制造設備、RF剝線設備及品質檢驗設備等。我們擁有高端的技術研發(fā)和制造能力，可以根據客戶需求定制產品，并調整和提高生產效率。保證穩(wěn)定、精確的交貨期和快速的樣品確認。

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目前的無線局域網標準主要有：IEEE 802.11a(5.15～5.35／5.47～5.725／5.725～5.875 GHz)，IEEE 802.1lb和802.1lg(2.4—2.5 GHz)。

WLAN天線是無線局域網通信系統(tǒng)中的一個關鍵部件，其性能的好壞直接影響到無線通信的質量。國內外對于WLAN天線已經進行了廣泛的研究，提出了很多工作在雙頻段的天線形式，例如偶極天線(Dipole Anten-na), PIFA天線(Planar Inverted-F Antenna)，平面單極子天線(Planarl Monopole Antenna)，準八木天線(Quari-Yagi antenna)等。這些天線結構簡單、制作成本低，因而非常適合WLAN裝置使用。

本文設計了一種適用于WLAN系統(tǒng)的印刷偶極子天線。它通過印制在FR4介質板上而成，尺寸為90 mm×80 mm。

1 天線結構

天線水平放置在x-z平面，圖1（a）中灰色部分為天線輻射部分，白色部分為介質。圖1（b）中灰色部分為巴倫饋線，白色部分為介質。天線由偶極子陣列組成，振子通過印制在相對介電常數(shù)為4.4、厚度0.8 mm的介質板上實現(xiàn)。偶極子的長度和諧振頻率有關，長振子對應低端頻段，短振子對應高端頻段，因此該天線可以工作在2.4／5.8 GHz的雙頻段。一般常用的設計使用半波長或1／4波長作為天線的長度。

通過在Ansoft HFSS中建模、仿真優(yōu)化之后，得出天線的結構尺寸(單位：mm)為：W1=4，W2=1，W3=7.4，W4=7，Ll=49，L2=9，L3=18.5，La=15.5，Lb=5。

2 仿真結果

天線駐波的仿真結果，如圖2所示。天線諧振于2.4 GHz和5.8 GHz，實現(xiàn)雙頻工作。低端頻段(駐波<2)為2.35～2.47 GHz，帶寬約有120 MHz，覆蓋了IEEE802.1lb／g的工作頻段；高端頻段為5.56～6.07 GHz，帶寬約為510 MHz，覆蓋了IEEE802.11 a的工作頻段。

由方向圖可以看出該天線在y～z平面內的波束具有雙指向性，主極化好，交叉極化小。

相比文獻中的準八木天線，方向圖具有雙指向性，可以滿足一些對波束指向有要求的應用。

3 結束語

本文設計了一種WLAN雙頻偶極子印刷天線，通過對雙頻印刷天線的仿真、優(yōu)化，實現(xiàn)了WLAN標準的工作頻段，方向圖有一定的指向性，適用于對波束指向有一定要求的應用。該天線尺寸小，便于集成；性能好，滿足無線局域網通信應用的要求。

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GPS是圓極化天線，用于衛(wèi)星通信，頻率為1575.42 +/-10 MHz L2:1227.60 +/-10 MHz。

GSM是線極化天線，用于移動通信，中國移動GSM頻率：上行890-909MHZ;下行935-954MHZ.

GPS天線

GPS天線是一種導航天線，通過接受衛(wèi)星的信號來進行定位或者導航;衛(wèi)星信號分為L1和L2，頻率分別為1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1為開放的民用信號，信號為圓形極化。信號強度為166-DBM左右，屬于比較弱的信號。其組成部分為：陶瓷天線、低噪音信號模塊、線纜、接頭。如今車載GPS天線的應用越來越普遍了，但有些汽車防爆膜會對GPS天線信號造成影響，所以一個帶磁鐵(能吸附到車頂)的外接天線對于車載GPS來說是非常有必要的。

GSM天線

GSM天線是一種廣泛應用于歐洲及世界其他地方的數(shù)字移動電話系統(tǒng)。GSM天線使用的是時分多址的變體，并且它是目前三種數(shù)字無線電話技術中使用最為廣泛的一種。它包括GSM900:900MHz、GSM1800:1800MHz及GSM1900:1900MHz等幾個頻段;GSM天線能夠將資料數(shù)字化，并將數(shù)據進行壓縮，然后與其它的兩個用戶數(shù)據流一起從信道發(fā)送出去，另外的兩個用戶數(shù)據流都有各自的時隙。因為許多GSM天線網絡操作員與其他國外操作員有漫游協(xié)議，所以當用戶到其他國家之后，仍然可以繼續(xù)使用他們的移動電話。

另外，GPS天線和GSM天線上的接口也是不同的，GPS天線的接口要與導航儀或GPS藍牙衛(wèi)星模塊的外接天線接口匹配;而GSM手天線，一般是車載手機免提系統(tǒng)通過藍牙方式與你的手機連接，選擇外接天線要與你的車載手機免提系統(tǒng)的外接天線接口相匹配。

皇捷通訊是一家專業(yè)的天線和射頻同軸連接器制造商，我們主營GSM天線，VHF天線和射頻同軸連接器系列，我們的產品均有一年質保，達到國際環(huán)保要求，如果您對我們的產品感興趣，歡迎聯(lián)系我們。

本文來源：http://www.bgdkw.com/baike/2450/

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增益是天線系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，天線增益的定義與全定向天線或半波振子天線有關。全向輻射器是假設在所有方向上都輻射等功率的輻射器，在某一方向的天線增益是該方向上的場強。dBi表示天線增益的方向天線相對于全向輻射器的參考值，dBd是相對于半波振子天線參考值。

極化是描述電磁波場強矢量空間指向的一個輻射特性，通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向，而且是指在該天線的最大輻射方向上的電場矢量來說。電場矢量在空間的取向在任何時間都保持不變的電磁波叫直線極化波，以地面做參考時，將電場矢量方向與地面平行的波叫水平極化波，與地面垂直的波是垂直極化波。

GSM天線按照方向性分類可分為定向天線和全向天線，按照極化形式可以分為單極化和雙極化，不同場合，不同用途時會采用不同種類的天線。不同類型的天線和不同的安裝環(huán)境對天線支架的設計要求不同，安裝方法也不同，這些也值得我們注意。

隨著全球通訊業(yè)務的發(fā)展，作為未來個人通信的主要手段，無線移動通信技術引起人們的極大關注，如何消除同信道干擾和衰落是值得人們關注和思考的。

皇捷通訊在GSM天線上有著多年的生產制造和經營經驗，我們的產品均達到ISO質量認證，符合國際環(huán)保要求，如果您想了解更多的天線咨詢，可以訪問我們的其他欄目。

本文來源: http://www.bgdkw.com/baike/2382/

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GSM天線是移動通訊中常用的一種天線。這里的GSM是指全球移動系統(tǒng)（Global system for mobile），是一種全球通用的移動設備通訊標準。 GSM天線主要應用于GSM手機，它允許移動手機與蜂窩塔上的另一個GSM天線通信，然后通過衛(wèi)星通信技術將信號傳送到另一個蜂窩塔或移動設備。

GSM技術的應用為我們的生活提供了非常多的便利，主要包括：

• 支持全球漫游和短信發(fā)送
• 方便的更換移動服務商而不需要更換手機
• 實現(xiàn)多地通用的緊急電話號碼，可以在不知道當?shù)靥柎a情況下?lián)艽蛉虻木o急服務電話

全球各個國家和地區(qū)使用的GSM服務有多種不同的無線電頻率，常用的包括850/900/1800/1900MHz。為了適應各個國家的GSM通訊標準，許多移動手機在設計階段就支持各種不同的頻率，以滿足人們的出國切換需求。

世界上主要的公共頻段包括：

GSM天線規(guī)格

以下是我們GSM天線的主要規(guī)格供參考：

頻率范圍（MHz）：850/900/1800/1900

帶寬（MHz）90/280

駐波比≤1.6

增益（dBi）：2.0 / 2.5 / 3.5

最大輸入功率（W）60

輸入阻抗（Ω）50

極化類型垂直

天線長度（mm）根據客戶要求

電纜長度/電纜類型 ??根據客戶要求

連接器類型SMA / SMB / SMC / BNC / FME / TNC / MCX / MMCX / UFL或其他

類型：磁性GSM天線/ 膠棒GSM天線

住房：黑色/白色

存儲/操作溫度 -45℃ to+ 75℃

GSM天線應用

• 手機端GSM天線

GSM手機一開始設計時，部分制造商會采用外部拉出式天線設計，或者在手機頂部制作天線的小凸點。目前最新的移動智能手機大多數(shù)都使用內置GSM天線以確保手機外觀美觀，且天線通常位于手機底部或附近。事實上，外置gsm天線和內置gsm天線的工作原理基本相同。

• 除了通話功能外，更多的智能手機天線還有一些其他額外的功能，例如無線互聯(lián)網連接和數(shù)據傳輸，主要用于手機端發(fā)送電子郵件或網頁瀏覽。用于蜂窩基站的GSM天線

手機運營商一般會使用更大的天線作為他們的基站的一部分。這些可以安裝在高塔或結構上。手機通常位于多個小區(qū)的范圍內，并根據信號強度和擁塞情況選擇一個用于呼叫或數(shù)據傳輸。運營商有時會隱藏一個大的GSM天線或將其偽裝，使其看起來更具吸引力，這種天線也可稱為美化天線。

• USB設備/電腦的GSM天線

GSM天線還可以在筆記本電腦，上網本或通用串行總線（USB）設備中找到。在這些情況下，天線僅用于數(shù)據傳輸。它通常會使用3G/4G技術通過GSM網絡提供快速無線互聯(lián)網服務。

• GSM天線的其他應用

在覆蓋范圍較小的地區(qū)，特殊設備旨在增加或延長手機信號，通常在更可靠的室內使用。這些可稱為毫微微蜂窩，微蜂窩或GSM增強天線的設備使用比手機GSM天線更大的天線，但比傳統(tǒng)蜂窩基站小。該設備使用其較大的天線鏈接遠處的蜂窩基站，并向附近的手機提供更強信號，以改善信號不良或無信號的問題。

皇捷科技提供不同類型的GSM天線和VHF天線，如膠棒GSM天線，磁性安裝GSM天線等，以滿足您的不同應用需求。

本文來源：http://www.bgdkw.com/baike/2333/

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以上是gsm天線廠家皇捷通訊組織結構圖，供您查閱。需要采購gsm天線相關產品，撥打我們的電話：0769-83328111 / 0769-83225578，專業(yè)工程師輔助您的gsm天線采購工作。最后，祝所有天線行業(yè)相關從業(yè)人員工作順利，生活順心。

本文來源：http://www.bgdkw.com/baike/2317/

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皇捷通訊是一家集研發(fā)，生產，銷售于一體的移動通信設備專業(yè)制造商，致力于為客戶提供無限通信覆蓋和傳輸?shù)慕鉀Q方案.皇捷通訊已有13年的天線設計，研發(fā)，生產經驗，具備了無線通訊天線的研發(fā)、設計、上下游產業(yè)鏈制造的全產業(yè)鏈控制能力。產品有嚴格的質量控制及天線生產工藝，一直以來以一流品牌的品質嚴格要求自己。經過幾年來的發(fā)展和努力，皇捷通訊的產品市場占有率提高，產品質量越來越受到客戶的好評，在國內外市場中皇捷通訊已成功的和多家知名廠家成功進行合作，以品質為中心，鑄造品牌!

我們主要專注的產品有GSM天線/CDMA天線/3G天線/4G天線/2.4GHz(wi-fi,wlan)/3.5GHz(wimax)/5.8GHz/無線擴頻通訊天線系列(包括：全向天線、八木天線、壁掛天線、吸頂天線、柵格拋物面天線、板狀天線、雙極化及寬頻天線、橡皮天線、車載吸盤天線等)、DVB-T/DMB-T/CMMB移動數(shù)字電視天線。低頻天線：315MHz/433MHz無線數(shù)傳/無線監(jiān)控/無線抄表天線、GSP導航天線、功分器、信號增強器等器件等通訊設備的研制生產;目前，皇捷通訊已形成了多達幾百款的產品鏈，覆蓋無線上網，無線電力負控，無線配變終端，無線公話，無線數(shù)傳，衛(wèi)星定位，無線廣播廣電等民用通信系統(tǒng)應用領域。

皇捷通訊自成立以來，以發(fā)展民族為己任創(chuàng)造品牌、擠居行業(yè)前茅為追求，我們始終堅持：以科技為動力，以質量為核心!

本文來源：http://www.bgdkw.com/baike/2311/

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