可同時處理GPS與WLAN雙頻信號的天線設計

作者:天盛科技 來源:轉載 日期:2016/7/9 16:27:42

  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(GPS)和無線局域網(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,并且帶寬必須支持11 Mbps和54 Mbps的數據速率。

  其它應用還包括已規劃的1.8GHz 和2.25GHz頻段的空軍衛星系統。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。

  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),用于發射、接收及同一頻譜范圍內的復用,以增加系統容量。盡管大多數WLAN系統要求線性極化,但最終圓形極化的使用會變成移動系統的優勢。

  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(衛星)的應用,要求天線與一定的波形系數相適配,該天線極化方向為圓形極化,工作在1.8GHz的上行鏈路(衛星的接收頻率)和2.25GHz的下行鏈路(衛星的發射頻率)上。

  波束成形能力也是一個關鍵要求,它允許衛星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅固,以便能夠經受沖擊和振動、溫度環境(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)軟件仿真結果體現了在較小物理尺寸上實現所需性能的困難程度。

  在考慮了幾種非傳統的方法之后,環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(實現高增益),而天線卻減小了25%至35%。

  該技術能夠滿足波形系數要求,而且能實現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,環狀天線的設計和分析需要非常的經驗設計(和經驗推測)。值得慶幸的是,通過執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5.1dBi增益。經過一些改進之后,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,就可以實現高增益和波束成形。在大多數情況下,這些結構可能實現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設計方法。