GPS與WLAN雙頻信號(hào)處理天線設(shè)計(jì)

本文討論的高增益、多頻段天線設(shè)計(jì)雖然尺寸小、重量輕，卻能接收和發(fā)射GPS和WLAN信號(hào)，并且能夠覆蓋WLAN的三個(gè)頻段。對(duì)于尺寸小的天線而言，通常無(wú)法獲得高增益。

但是在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，天線卻必須設(shè)計(jì)得小而輕，并且能夠提供波束成型、寬頻帶及極化純度。在用于多頻段全球定位系統(tǒng)(GPS)和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的天線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一個(gè)帶有極化分集和高增益且寸小、重量輕的天線是可能的。

例如，對(duì)于GPS應(yīng)用，可能要求一根天線能同時(shí)處理1.226GHz的低頻段和1.575GHz的高頻段。對(duì)于IEEE 802.11a/b/g WLAN應(yīng)用，天線必須在2.4GHz和5GHz的兩個(gè)頻段上工作，并且?guī)挶仨氈С?1 Mbps和54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

其它應(yīng)用還包括已規(guī)劃的1.8GHz 和2.25GHz頻段的空軍衛(wèi)星系統(tǒng)。對(duì)于一根覆蓋多個(gè)無(wú)線頻段的單個(gè)天線而言，還應(yīng)該考慮將1.8GHz 至2.1GHz的覆蓋范圍用于第三代(3G)蜂窩系統(tǒng)。

對(duì)于一個(gè)成功的天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，極化是一個(gè)重要特性。對(duì)于空間應(yīng)用，通常使用圓形極化(CP)，如右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)，用于發(fā)射、接收及同一頻譜范圍內(nèi)的復(fù)用，以增加系統(tǒng)容量。盡管大多數(shù)WLAN系統(tǒng)要求線性極化，但最終圓形極化的使用會(huì)變成移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

某些理論上的限制決定了天線在提供所需的增益和帶寬時(shí)能夠做到多小。對(duì)于基于空間(衛(wèi)星)的應(yīng)用，要求天線與一定的波形系數(shù)相適配，該天線極化方向?yàn)閳A形極化，工作在1.8GHz的上行鏈路(衛(wèi)星的接收頻率)和2.25GHz的下行鏈路(衛(wèi)星的發(fā)射頻率)上。

波束成形能力也是一個(gè)關(guān)鍵要求，它允許衛(wèi)星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅(jiān)固，以便能夠經(jīng)受沖擊和振動(dòng)、溫度環(huán)境(溫度變化范圍通常在-40℃至+70℃之間)和功率閃爍沖擊。

設(shè)計(jì)考慮了幾種選擇，包括螺旋式天線、四葉螺旋式天線(QFHA)以及各種微帶貼片結(jié)構(gòu)。初始分析和電磁(EM)軟件仿真結(jié)果體現(xiàn)了在較小物理尺寸上實(shí)現(xiàn)所需性能的困難程度。

在考慮了幾種非傳統(tǒng)的方法之后，環(huán)狀輻射體技術(shù)被選作可能的解決方案。相對(duì)于其它方案而言，該方案采用諧振結(jié)構(gòu)來(lái)有效地加長(zhǎng)了輻射電流的通路長(zhǎng)度(實(shí)現(xiàn)高增益)，而天線卻減小了25%至35%。

該技術(shù)能夠滿足波形系數(shù)要求，而且能實(shí)現(xiàn)比尺寸更大的微帶貼片天線或諧振腔式螺旋天線更高的增益。

與用于微帶貼片天線的更易于理解的設(shè)計(jì)和分析方法來(lái)比，環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)和分析需要非常的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)(和經(jīng)驗(yàn)推測(cè))。值得慶幸的是，通過(guò)執(zhí)行詳細(xì)的初始設(shè)計(jì)和分析過(guò)程，并且仔細(xì)研究EM仿真結(jié)果，可以減少環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，而不管它的復(fù)雜程度。

在一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形貼片天線中，可以把貼片兩端的兩個(gè)槽口當(dāng)作輻射源，間隔大約為二分之一波長(zhǎng)。如果其中的每個(gè)槽口的長(zhǎng)度約為二分之一波長(zhǎng)，則可獲得2.1dBi增益。任何作為二元陣列工作的這樣的兩個(gè)天線，在理論上都可以提供額外3dB的增益。

因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的貼片天線應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)5.1dBi增益。經(jīng)過(guò)一些改進(jìn)之后，甚至可能獲得更好的增益或波形圖，這取決于接地平面類(lèi)型或諧振模式。

對(duì)于環(huán)狀天線，可以設(shè)計(jì)成多諧結(jié)構(gòu)，這些諧振器可以被隔開(kāi)，也可以耦合，以適用于多頻或?qū)掝l場(chǎng)合。

通過(guò)對(duì)各次模進(jìn)行相位調(diào)整，使它們以預(yù)定的方式工作，這樣，在適當(dāng)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)，通過(guò)相位的疊加和相消，就可以實(shí)現(xiàn)高增益和波束成形。在大多數(shù)情況下，這些結(jié)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)9dBic的增益(理論值)和17%的帶寬。

理論上，對(duì)應(yīng)于分別為1.50:1, 2.0:1和3.0:1的電壓駐波比(VSWR)，可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)15%、20%和30%的帶寬。遺憾的是，不可能找到一種能夠滿足所有頻率上的所需的物理和電氣性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

本文討論的高增益、多頻段天線設(shè)計(jì)雖然尺寸小、重量輕，卻能接收和發(fā)射GPS和WLAN信號(hào)，并且能夠覆蓋WLAN的三個(gè)頻段。對(duì)于尺寸小的天線而言，通常無(wú)法獲得高增益。

但是在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，天線卻必須設(shè)計(jì)得小而輕，并且能夠提供波束成型、寬頻帶及極化純度。在用于多頻段全球定位系統(tǒng)(GPS)和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的天線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一個(gè)帶有極化分集和高增益且寸小、重量輕的天線是可能的。

例如，對(duì)于GPS應(yīng)用，可能要求一根天線能同時(shí)處理1.226GHz的低頻段和1.575GHz的高頻段。對(duì)于IEEE 802.11a/b/g WLAN應(yīng)用，天線必須在2.4GHz和5GHz的兩個(gè)頻段上工作，并且?guī)挶仨氈С?1 Mbps和54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

其它應(yīng)用還包括已規(guī)劃的1.8GHz 和2.25GHz頻段的空軍衛(wèi)星系統(tǒng)。對(duì)于一根覆蓋多個(gè)無(wú)線頻段的單個(gè)天線而言，還應(yīng)該考慮將1.8GHz 至2.1GHz的覆蓋范圍用于第三代(3G)蜂窩系統(tǒng)。

對(duì)于一個(gè)成功的天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，極化是一個(gè)重要特性。對(duì)于空間應(yīng)用，通常使用圓形極化(CP)，如右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP)，用于發(fā)射、接收及同一頻譜范圍內(nèi)的復(fù)用，以增加系統(tǒng)容量。盡管大多數(shù)WLAN系統(tǒng)要求線性極化，但最終圓形極化的使用會(huì)變成移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

某些理論上的限制決定了天線在提供所需的增益和帶寬時(shí)能夠做到多小。對(duì)于基于空間(衛(wèi)星)的應(yīng)用，要求天線與一定的波形系數(shù)相適配，該天線極化方向?yàn)閳A形極化，工作在1.8GHz的上行鏈路(衛(wèi)星的接收頻率)和2.25GHz的下行鏈路(衛(wèi)星的發(fā)射頻率)上。

波束成形能力也是一個(gè)關(guān)鍵要求，它允許衛(wèi)星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅(jiān)固，以便能夠經(jīng)受沖擊和振動(dòng)、溫度環(huán)境(溫度變化范圍通常在-40℃至+70℃之間)和功率閃爍沖擊。

設(shè)計(jì)考慮了幾種選擇，包括螺旋式天線、四葉螺旋式天線(QFHA)以及各種微帶貼片結(jié)構(gòu)。初始分析和電磁(EM)軟件仿真結(jié)果體現(xiàn)了在較小物理尺寸上實(shí)現(xiàn)所需性能的困難程度。

在考慮了幾種非傳統(tǒng)的方法之后，環(huán)狀輻射體技術(shù)被選作可能的解決方案。相對(duì)于其它方案而言，該方案采用諧振結(jié)構(gòu)來(lái)有效地加長(zhǎng)了輻射電流的通路長(zhǎng)度(實(shí)現(xiàn)高增益)，而天線卻減小了25%至35%。

該技術(shù)能夠滿足波形系數(shù)要求，而且能實(shí)現(xiàn)比尺寸更大的微帶貼片天線或諧振腔式螺旋天線更高的增益。

與用于微帶貼片天線的更易于理解的設(shè)計(jì)和分析方法來(lái)比，環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)和分析需要非常的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)(和經(jīng)驗(yàn)推測(cè))。值得慶幸的是，通過(guò)執(zhí)行詳細(xì)的初始設(shè)計(jì)和分析過(guò)程，并且仔細(xì)研究EM仿真結(jié)果，可以減少環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，而不管它的復(fù)雜程度。

在一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形貼片天線中，可以把貼片兩端的兩個(gè)槽口當(dāng)作輻射源，間隔大約為二分之一波長(zhǎng)。如果其中的每個(gè)槽口的長(zhǎng)度約為二分之一波長(zhǎng)，則可獲得2.1dBi增益。任何作為二元陣列工作的這樣的兩個(gè)天線，在理論上都可以提供額外3dB的增益。

因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的貼片天線應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)5.1dBi增益。經(jīng)過(guò)一些改進(jìn)之后，甚至可能獲得更好的增益或波形圖，這取決于接地平面類(lèi)型或諧振模式。

對(duì)于環(huán)狀天線，可以設(shè)計(jì)成多諧結(jié)構(gòu)，這些諧振器可以被隔開(kāi)，也可以耦合，以適用于多頻或?qū)掝l場(chǎng)合。

通過(guò)對(duì)各次模進(jìn)行相位調(diào)整，使它們以預(yù)定的方式工作，這樣，在適當(dāng)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)，通過(guò)相位的疊加和相消，就可以實(shí)現(xiàn)高增益和波束成形。在大多數(shù)情況下，這些結(jié)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)9dBic的增益(理論值)和17%的帶寬。

理論上，對(duì)應(yīng)于分別為1.50:1, 2.0:1和3.0:1的電壓駐波比(VSWR)，可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)15%、20%和30%的帶寬。遺憾的是，不可能找到一種能夠滿足所有頻率上的所需的物理和電氣性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

不過(guò)，通過(guò)一些努力，找到一種滿足某些特定工作模式上的技術(shù)需求的設(shè)計(jì)方法是可能的。

圖1給出了一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線的EM仿真預(yù)測(cè)掃頻結(jié)果。該圖顯示了多個(gè)諧振點(diǎn)，不過(guò)并非所有的諧振點(diǎn)都用于衛(wèi)星天線。最低的1.8GHz諧振點(diǎn)處的回波損耗優(yōu)于13dB，而在2.25GHz的高諧振點(diǎn)，回波損耗優(yōu)于17dB。

如果結(jié)合各種因素，實(shí)現(xiàn)大約15%的10dB回波損耗帶寬是可能的。這將是一個(gè)出色的且適合于許多用途的寬帶天線。2.1GHz諧振點(diǎn)的回波損耗甚至更好，將近20dB。由于該天線的多諧振點(diǎn)，使得它能被用作為單個(gè)頻點(diǎn)的寬帶天線，也可適用于3個(gè)離散頻率的場(chǎng)合。

圖 2給出了右旋圓極化(RHCP)天線的預(yù)測(cè)輻射方向圖。在1.8GHz的低端諧振點(diǎn)，增益約為5.5dBic(圖2的左上角)，而其頂點(diǎn)處的軸比約為 13dB(圖2的左下角)。在2.25GHz的高端諧振點(diǎn)，增益大約為8dBic(圖2的右上角)，在該頻率上，軸比約為12dB(圖2的右下角)。

圖3顯示天線環(huán)上的表面電流密度的仿真結(jié)果。與預(yù)期相一致，最高電流密度(紅色，表示這種構(gòu)造的輻射機(jī)制)出現(xiàn)在邊緣部分。頂部插圖為上部環(huán)在2.25 GHz的高端諧振點(diǎn)的仿真結(jié)果，而底部插圖則是下部環(huán)在此諧振點(diǎn)的仿真結(jié)果。

輻射機(jī)制在低端諧振點(diǎn)處稍微有些變化，該點(diǎn)的增益要低一點(diǎn)，不過(guò)這可以根據(jù)衛(wèi)星鏈路預(yù)算進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償。

從側(cè)視圖(圖4)上，可以觀察到使用同軸輸入連接器的天線輻射結(jié)構(gòu)。天線周?chē)拇罂蛳薅ǖ姆秶荅M仿真程序的常規(guī)仿真區(qū)域，其中，被仿真的設(shè)備被限定在有限的邊界(框)內(nèi)。合理選擇這個(gè)外圍邊界，使其對(duì)天線性能的影響減到最小。

根據(jù)上述這些分析和仿真，制造出了幾個(gè)天線，其中兩個(gè)如圖5所示(左圖為天線A，而右圖為天線B)。這些天線基本上都一次性滿足了所有電氣方面的要求和空間質(zhì)量要求，這在很大程度上歸功于良好的設(shè)計(jì)過(guò)程控制、仿真和驗(yàn)證的廣泛使用以及卓越的機(jī)械設(shè)計(jì)和加工經(jīng)驗(yàn)。

圖6顯示了天線A和天線B的回波損耗，其頻響曲線與圖1中期望的仿真結(jié)果非常相近。仿真和實(shí)際硬件之間的差異可能由于實(shí)驗(yàn)室中一些調(diào)整所引起，盡管這些調(diào)整很小。

所測(cè)的兩個(gè)天線的輻射圖和增益如圖7所示。其中，圖7的左上部分和左下部分是天線A分別在1.8 GHz和2.25 GHz的測(cè)量結(jié)果，而圖7的右上部分和右下部分則分別是天線B分別在1.8 GHz和2.25 GHz的測(cè)量結(jié)果。

每個(gè)輻射圖都包括0、45、90和135度方位圖截面。注意這些所測(cè)輻射圖與圖2中的仿真結(jié)果的相似之處。測(cè)量的后瓣性能與仿真相似，不過(guò)并沒(méi)有對(duì)所有天線都進(jìn)行測(cè)量。