2.3 通用天线简介

在现代无线通信中，天线是必不可少的部件。根据工作频段和应用领域的不同，天线可以划分为很多类。例如，根据天线工作频段的不同，可以分为长波天线、中波天线、短波天线和微波天线等。根据天线工作领域的不同，可以分为基站天线、手机天线、无线公话天线等。根据天线结构形式的不同，可以分为偶极子天线、微带天线、反射面天线等。根据天线与波长之间的关系，可以分为全波天线、半波天线等。根据天线是否组阵可以分为单个天线和阵列天线。根据阵列天线的辐射形式和方向可以分为端射天线、边射天线等。根据天线辐射形式又可以分为行波天线和驻波天线。对于一款天线，其可以被划分到不同的类别，但是不论如何划分，理解各种天线的辐射原理都是非常重要的。

本节简单介绍几种常见的天线，以期读者能够对常用的通信天线建立直观的认识，并且这些天线对于电子标签天线的设计有很好的参考作用。

2.3.1 偶极子天线

偶极子天线是无线通信中最常用的天线之一。偶极子天线可以演化出许多不同形式的天线，如套筒天线、倒F天线等。

图2-17描述了偶极子天线。偶极子天线可以是中心对称的，也可以是不对称的。

典型的偶极子天线为半波偶极子天线，即天线长度L为半波长。对于半波偶极子而言，当半波偶极子天线的长度和天线直径之比大于500时，偶极子上的电流分布与均匀无耗开路双线传输线上的电流分布几乎没有差别，即偶极子天线上的电流为理想的正弦分布。

如图2-18所示的偶极子天线，其天线E面和H 面的方向图函数为

其中，θ为P点与天线z轴所夹的角度；φ为P点在xy面上的投影与x轴所夹的角度；β为相移常数；l为L/2。如果天线长度l为半波长，那么半波长天线的方向图函数为

圆形偶极子天线的输入阻抗是

其中，Z为圆柱形偶极子天线的平均特性阻抗，可以表示为

根据以上的方向图、输入阻抗等参数就可以简单地描述一个偶极子天线。

在实际的工程中，直接使用偶极子天线的情况并不多，而许多源自偶极子天线的变形形式在实际的工程中使用得更多，如无绳电话天线（套筒天线）、拉杆天线（单极子天线）、车载天线（单极子天线）等。图2-19是工程中常用的基于偶极子天线的变形天线。

偶极子天线是电子标签天线设计中的重要形式。当然，在电子标签中也很少用到单纯的偶极子天线，大多是在其基础上进行了一定的变化和改进之后形成的特定形式，并且电子标签天线由于尺寸的限制，往往采用折线形的偶极子天线。

2.3.2 微带天线

微带天线也是常用的通信天线之一，它是基站等无线通话技术的首选天线。微带天线的形式多种多样，很难做一个完整的定义。常用的微带天线是在一个介质基板上，一面附上金属薄层作为接地板；另一面是金属层做出的一定形状的金属贴片，利用微带线或者同轴探针对贴片进行馈电，这样就构成了微带天线。当贴片是一条细长的金属条时，称为微带振子天线；当天线是一个面积单元时，称为微带贴片天线。

利用微带线模型分析微带天线是一种比较简单的方法。图2-20描述了传输线法的物理模型。

假设：

（1）微带贴片和接地板构成一段传输线，传输准TEM波，波的传输方向取决于馈电点。线段常数L≈λg/2, λg为准TEM波的波长，场在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向（即与长度方向相对应的宽度方向）是常数。

（2）传输线的两个开口端等效为两个辐射缝隙，长为W，宽为h，缝口径场强即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带贴片两端的延伸面上，即将开口面向上折90°，而开口场强随之转折。

那么，两个缝隙上切向电场均为x方向，且等幅同相。它们等效为磁流，由于接地板的作用，相当于被磁流向上半空间辐射。由于假设中已经将缝隙放平，我们在计算上半空间辐射场时，可以按自由空间处理。

图2-21是同轴线馈电的微带天线等效电路。其中，Ys为缝隙辐射导纳；Yp为同轴线探针引入的感抗；Y0为微带贴片的特性导纳。

根据图2-20，微带天线的辐射等效为二元缝隙阵的辐射，并且缝隙上的磁流是均匀的。那么天线的辐射场为

其中，k0为传播常数；r为空间点到天线的距离；θ为空间点与z轴之间的夹角；φ为天线在xy面上投影与x轴所夹的角度。

与前文提到的偶极子天线相比，微带天线具有以下优点：

（1）体积小。由于微带天线的特殊构造，在对介质基板的介电常数进行一定要求和设计的时候，在同样谐振频率下，要达到同样的辐射效率，微带天线的尺寸可以比偶极子天线尺寸更小。

（2）电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，也可得到各种极化，特殊设计的微带元还可以在双频和多频工作。

（3）能和有源器件、无源器件、电路等组成为统一的组件，适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。

当然，除了这些优点之外，微带天线也有一些缺点，例如：

（1）带宽较窄。

（2）损耗较大，效率较低。

（3）单个微带天线的功率容量较小。

（4）介质基片对性能影响较大。

上述微带天线的优点和缺点在电子标签天线的设计中会得到验证。

在实际的工程应用中，微带天线以其低剖面、高增益、可共形等特性，在诸如飞机、基站、导航、手持机等很多方面都得到了广泛的使用。图2-22表示了一些典型的微带天线。

微带天线是在电子标签天线设计中的重要参考样式，金属电子标签大多是采用微带天线的形式来设计的，在分析这类电子标签的时候也可以借鉴微带天线的分析方法。当然分析方法不是固定不变的，在这种天线的分析中也有可能会引入倒L天线的一些分析方法。

2.3.3 倒L天线

倒L天线以及由其演化而来的倒F天线在很多移动设备上经常使用，如手机、POS机等，它们是非常经典和成功的小天线。倒L天线由作为垂直单元的短单极子和附加在单极子末端的水平单元组成。如果天线的垂直单元和水平单元是有一定面积的平面形式，则称为平面倒L天线；如果是线型的，则称为线型倒L天线。倒F天线也同样如此。平面倒L天线有利于展宽天线的带宽。

倒L天线其实是从单极子天线演化而来，通常使用倒L天线的场景都是对天线的高度有限制的，因此倒L天线是一种低轮廓结构，水平单元不一定要非常短，通常可以是1/4波长。图2-23为典型的倒L型天线示意图。

由于倒L天线一般是放置在金属面上的，因此在分析倒L天线的方向图时，需要用到前面提到过的镜像原理。图2-24根据镜像原理重新描绘了倒L天线。根据图2-24，倒L天线被分成三部分——平行于z轴的分别是1、2部分，垂直于z轴的是3部分，电流I也按照这个分成相同的部分。

P点位于倒L天线的远场，那么由倒L天线的1、2两部分产生的电场为

由3部分产生的电场为

其中，

在实际的应用中，可以根据实际情况假设h值很小，从而得到简化的形式。

倒L天线本身是一个低阻抗值的天线，因为它基本上是在单极子末端加了一段长水平线的垂直单极子，天线的输入阻抗几乎等于短单极子天线的阻抗加上与地面平行的水平线的阻抗，为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端另外增加一段倒L型线段，这样就将天线变成了倒F天线。这种变形很重要，在倒L天线上不另外再增加任何匹配电路的情况下，调整天线的位置和几何尺寸就可以得到与负载相匹配的阻抗值。

倒L天线和倒F天线以其低剖面、小尺寸、易加工、成本低等特点，已经成为手持无线通信设备优先考虑的天线类型。图2-25显示了一些无线通信设备中使用的倒L和倒F天线。

倒L天线的分析方法在金属电子标签天线的设计中是具有一定的指导意义，很多金属电子标签都可以采用倒L或者倒F天线的方式进行理解和设计。上面分析的空气介质的倒L形式的标签比较少，大部分需要依附在一定的介质基板上。

通用天线的种类很多，这里很难全部罗列出来，但是很多的通用天线都会对我们进行电子标签天线设计起到很好的引导作用，如加载的偶极子天线、八木天线、夹角反射面天线等，只要我们能够对这些常用的天线有很好的理解，就能够更好地设计电子标签天线。