GPS與WLAN雙頻信號處理天線設計

本文討論的高增益、多頻段天線設計雖然尺寸小、重量輕，卻能接收和發(fā)射GPS和WLAN信號，并且能夠覆蓋WLAN的三個頻段。對于尺寸小的天線而言，通常無法獲得高增益。

但是在衛(wèi)星通信應用中，天線卻必須設計得小而輕，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)和無線局域網(wǎng)(WLAN)的天線設計中，設計出一個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，對于GPS應用，可能要求一根天線能同時處理1.226GHz的低頻段和1.575GHz的高頻段。對于IEEE 802.11a/b/g WLAN應用，天線必須在2.4GHz和5GHz的兩個頻段上工作，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)。對于一根覆蓋多個無線頻段的單個天線而言，還應該考慮將1.8GHz 至2.1GHz的覆蓋范圍用于第三代(3G)蜂窩系統(tǒng)。

對于一個成功的天線設計來說，極化是一個重要特性。對于空間應用，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的復用，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變成移動系統(tǒng)的優(yōu)勢。

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能夠做到多小。對于基于空間(衛(wèi)星)的應用，要求天線與一定的波形系數(shù)相適配，該天線極化方向為圓形極化，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關鍵要求，它允許衛(wèi)星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅固，以便能夠經(jīng)受沖擊和振動、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。

設計考慮了幾種選擇，包括螺旋式天線、四葉螺旋式天線(QFHA)以及各種微帶貼片結構。初始分析和電磁(EM)軟件仿真結果體現(xiàn)了在較小物理尺寸上實現(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)狀輻射體技術被選作可能的解決方案。相對于其它方案而言，該方案采用諧振結構來有效地加長了輻射電流的通路長度(實現(xiàn)高增益)，而天線卻減小了25%至35%。

該技術能夠滿足波形系數(shù)要求，而且能實現(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計和分析方法來比，環(huán)狀天線的設計和分析需要非常的經(jīng)驗設計(和經(jīng)驗推測)。值得慶幸的是，通過執(zhí)行詳細的初始設計和分析過程，并且仔細研究EM仿真結果，可以減少環(huán)狀天線的設計風險，而不管它的復雜程度。

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

因此，一個簡單的貼片天線應該可以實現(xiàn)5.1dBi增益。經(jīng)過一些改進之后，甚至可能獲得更好的增益或波形圖，這取決于接地平面類型或諧振模式。

對于環(huán)狀天線，可以設計成多諧結構，這些諧振器可以被隔開，也可以耦合，以適用于多頻或寬頻場合。

通過對各次模進行相位調整，使它們以預定的方式工作，這樣，在適當方向的遠場，通過相位的疊加和相消，就可以實現(xiàn)高增益和波束成形。在大多數(shù)情況下，這些結構可能實現(xiàn)9dBic的增益(理論值)和17%的帶寬。

理論上，對應于分別為1.50:1, 2.0:1和3.0:1的電壓駐波比(VSWR)，可以相應實現(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)設計方法。

本文討論的高增益、多頻段天線設計雖然尺寸小、重量輕，卻能接收和發(fā)射GPS和WLAN信號，并且能夠覆蓋WLAN的三個頻段。對于尺寸小的天線而言，通常無法獲得高增益。

但是在衛(wèi)星通信應用中，天線卻必須設計得小而輕，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)和無線局域網(wǎng)(WLAN)的天線設計中，設計出一個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，對于GPS應用，可能要求一根天線能同時處理1.226GHz的低頻段和1.575GHz的高頻段。對于IEEE 802.11a/b/g WLAN應用，天線必須在2.4GHz和5GHz的兩個頻段上工作，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)。對于一根覆蓋多個無線頻段的單個天線而言，還應該考慮將1.8GHz 至2.1GHz的覆蓋范圍用于第三代(3G)蜂窩系統(tǒng)。

對于一個成功的天線設計來說，極化是一個重要特性。對于空間應用，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的復用，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變成移動系統(tǒng)的優(yōu)勢。

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能夠做到多小。對于基于空間(衛(wèi)星)的應用，要求天線與一定的波形系數(shù)相適配，該天線極化方向為圓形極化，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關鍵要求，它允許衛(wèi)星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅固，以便能夠經(jīng)受沖擊和振動、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。

設計考慮了幾種選擇，包括螺旋式天線、四葉螺旋式天線(QFHA)以及各種微帶貼片結構。初始分析和電磁(EM)軟件仿真結果體現(xiàn)了在較小物理尺寸上實現(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)狀輻射體技術被選作可能的解決方案。相對于其它方案而言，該方案采用諧振結構來有效地加長了輻射電流的通路長度(實現(xiàn)高增益)，而天線卻減小了25%至35%。

該技術能夠滿足波形系數(shù)要求，而且能實現(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計和分析方法來比，環(huán)狀天線的設計和分析需要非常的經(jīng)驗設計(和經(jīng)驗推測)。值得慶幸的是，通過執(zhí)行詳細的初始設計和分析過程，并且仔細研究EM仿真結果，可以減少環(huán)狀天線的設計風險，而不管它的復雜程度。

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

因此，一個簡單的貼片天線應該可以實現(xiàn)5.1dBi增益。經(jīng)過一些改進之后，甚至可能獲得更好的增益或波形圖，這取決于接地平面類型或諧振模式。

對于環(huán)狀天線，可以設計成多諧結構，這些諧振器可以被隔開，也可以耦合，以適用于多頻或寬頻場合。

通過對各次模進行相位調整，使它們以預定的方式工作，這樣，在適當方向的遠場，通過相位的疊加和相消，就可以實現(xiàn)高增益和波束成形。在大多數(shù)情況下，這些結構可能實現(xiàn)9dBic的增益(理論值)和17%的帶寬。

理論上，對應于分別為1.50:1, 2.0:1和3.0:1的電壓駐波比(VSWR)，可以相應實現(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)設計方法。

不過，通過一些努力，找到一種滿足某些特定工作模式上的技術需求的設計方法是可能的。

圖1給出了一個經(jīng)過優(yōu)化設計的天線的EM仿真預測掃頻結果。該圖顯示了多個諧振點，不過并非所有的諧振點都用于衛(wèi)星天線。最低的1.8GHz諧振點處的回波損耗優(yōu)于13dB，而在2.25GHz的高諧振點，回波損耗優(yōu)于17dB。

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

圖 2給出了右旋圓極化(RHCP)天線的預測輻射方向圖。在1.8GHz的低端諧振點，增益約為5.5dBic(圖2的左上角)，而其頂點處的軸比約為 13dB(圖2的左下角)。在2.25GHz的高端諧振點，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果。與預期相一致，最高電流密度(紅色，表示這種構造的輻射機制)出現(xiàn)在邊緣部分。頂部插圖為上部環(huán)在2.25 GHz的高端諧振點的仿真結果，而底部插圖則是下部環(huán)在此諧振點的仿真結果。

輻射機制在低端諧振點處稍微有些變化，該點的增益要低一點，不過這可以根據(jù)衛(wèi)星鏈路預算進行優(yōu)化補償。

從側視圖(圖4)上，可以觀察到使用同軸輸入連接器的天線輻射結構。天線周圍的大框限定的范圍是EM仿真程序的常規(guī)仿真區(qū)域，其中，被仿真的設備被限定在有限的邊界(框)內。合理選擇這個外圍邊界，使其對天線性能的影響減到最小。

根據(jù)上述這些分析和仿真，制造出了幾個天線，其中兩個如圖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量要求，這在很大程度上歸功于良好的設計過程控制、仿真和驗證的廣泛使用以及卓越的機械設計和加工經(jīng)驗。

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中期望的仿真結果非常相近。仿真和實際硬件之間的差異可能由于實驗室中一些調整所引起，盡管這些調整很小。

所測的兩個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的測量結果，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的測量結果。

每個輻射圖都包括0、45、90和135度方位圖截面。注意這些所測輻射圖與圖2中的仿真結果的相似之處。測量的后瓣性能與仿真相似，不過并沒有對所有天線都進行測量。