关于射频技术中高增益、多频段天线的设计

关于射频技术中高增益、多频段天线的设计

在射频技术中，天线设计是一个非常重要的模块。 它有广泛的应用。 我们今天要讨论的高增益、多频段天线设计，尽管尺寸小、重量轻，但仍可以接收和发射 GPS 和 WLAN 信号。 ，可覆盖WLAN的三个频段。 小天线尺寸通常无法实现高增益。

但在卫星通信应用中，天线必须设计得又小又轻，并提供波束成形、宽带宽和偏振纯度。 在多频段全球定位系统 (GPS) 和无线局域网 (WLAN) 的天线设计中，可以设计出具有极化分集和高增益的小型轻量天线。

例如，对于 GPS 应用，天线可能需要同时处理低频段 1 和高频段 1。对于 IEEE 802.11a/b/g WLAN 应用，天线必须在两个频段上运行。频段为 2.4GHz 和 5GHz，带宽必须支持 11 Mbps 和 54 Mbps 的数据速率。

其他应用包括计划中的 1.8GHz 和 2.25GHz 频段的空军卫星系统。 对于覆盖多个无线频段的单个天线，第三代（3G）蜂窝系统还应考虑1.8GHz至2.1GHz的覆盖范围。

极化是成功天线设计的一个重要特性。 对于空间应用，圆极化（CP），例如右旋圆极化（RHCP）或左旋圆极化（LHCP），通常用于同一频谱范围内的发射、接收和复用，以增加系统容量。 尽管大多数 WLAN 系统需要线性极化，但最终使用圆极化将成为移动系统的优势。

某些理论限制决定了天线在提供所需增益和带宽的同时可以有多小。 对于天基（卫星）应用，天线需要适应特定的外形尺寸。 天线极化方向为圆极化，工作在上行1.8GHz（卫星接收频率）、下行2.25GHz。 在链路上（卫星的发射频率）。

波束成形能力也是一项关键要求，使卫星能够在不同的位置和角度保持通信。 天线必须足够坚固，能够承受冲击和振动、温度（通常范围为 -40°C 至 +70°C）和电源闪烁。

该设计考虑了多种选择，包括螺旋天线、四叶螺旋天线 (QFHA) 和各种微带贴片结构。 初步分析和电磁 (EM) 软件仿真结果表明，在较小的物理尺寸下实现所需性能的难度。

在考虑了几种非传统方法后，选择环形散热器技术作为可能的解决方案。 与其他方案相比，该方案采用谐振结构，有效延长辐射电流的路径长度（实现高增益），同时天线尺寸减小25%~35%。

该技术能够满足外形尺寸要求，并实现比较大的微带贴片天线或谐振腔螺旋天线更高的增益。

与微带贴片天线所使用的更容易理解的设计和分析方法相比，环形天线的设计和分析需要大量的经验设计（和经验推测）。 值得庆幸的是，通过执行详细的初始设计和分析过程以及仔细研究电磁仿真结果，无论其复杂程度如何，都可以降低环形天线设计风险。

在简单的矩形贴片天线中，贴片两端的两个槽口可用作辐射源，间隔约二分之一波长。 如果其中每个凹口的长度约为二分之一波长，则您将获得 2.1dBi 增益。 理论上，任何两个这样的天线作为二进制阵列运行都可以提供额外的 3dB 增益。

因此，一个简单的贴片天线应该能够实现5.1dBi的增益。 经过一些改进后，甚至可以获得更好的增益或波形模式，具体取决于接地层类型或谐振模式。

对于环形天线，可以设计成多谐波结构。 这些谐振器可以分离或耦合，以适合多频或宽带应用。

通过调整各模式的相位，使其按预定方式工作，通过远场适当方向上的相位叠加和抵消，可以实现高增益和波束形成。 在大多数情况下，这些结构可以实现9dBic的增益（理论值）和17%的带宽。

理论上，对应电压驻波比（VSWR）分别为1.50:1、2.0:1和3.0:1，可相应实现15%、20%和30%的带宽。 不幸的是，不可能找到一种能够满足所有频率下所需的物理和电气性能的系统设计方法。

然而，通过一些努力，可以找到一种满足某些工作模式的技术要求的设计方法。

图 1 显示了优化设计天线的 EM 仿真预测频率扫描结果。 该图显示了多个谐振点，尽管并非所有谐振点都用于卫星天线。 最低谐振点1.8GHz回波损耗优于13dB，高谐振点2.25GHz回波损耗优于17dB。

如果综合各种因素，可以实现约 15% 的 10dB 回波损耗带宽。 这将是一种适用于多种用途的优秀宽带天线。 2.1GHz谐振点的回波损耗更好，接近20dB。 由于该天线具有多个谐振点，因此可以作为单频点的宽带天线，也可以应用于三个离散频率的情况。

图 2 显示了右旋圆极化 (RHCP) 天线的预测辐射方向图。 在低端谐振点1.8GHz处，增益约为5.5dBic（图2左上角），而其顶点处的轴比约为13dB（图2左下角）。 在2.25GHz高端谐振点，增益约为8dBic（图2右上角），在此频率轴比约为12dB（图2右下角）。

图3显示了天线环上表面电流密度的仿真结果。 正如预期的那样，最高电流密度（红色，表示该配置的辐射机制）出现在边缘。 顶部插图是上环在 2.25 GHz 高端谐振点的仿真结果，而底部插图是下环在该谐振点的仿真结果。

辐射机制在低端谐振点略有变化，增益稍低，但这可以根据卫星链路预算进行最佳补偿。

从侧视图（图4）可以观察到采用同轴输入的天线的辐射结构。 天线周围的大盒子定义的范围是电磁仿真程序的常规仿真区域，其中被仿真的设备被限制在有限的边界（盒子）内。 明智地选择此外围边界，以尽量减少其对天线性能的影响。

根据以上分析和仿真，制作了多款天线，其中两种如图5所示（左图为天线A，右图为天线B）。 这些天线基本上可以同时满足所有电气和空间质量要求，这在很大程度上归功于良好的设计过程控制、模拟和验证的广泛使用以及卓越的机械设计和加工经验。

图 6 显示了天线 A 和天线 B 的回波损耗。频率响应曲线与图 1 中的预期仿真结果非常相似。仿真硬件和实际硬件之间的差异可能是由于实验室中的一些调整造成的，尽管这些调整很小。

实测两种天线的辐射方向图和增益如图7所示。其中，图7的左上部分和左下部分分别是天线A在1.8GHz和2.25GHz的测量结果，而右上部分是天线A在1.8GHz和2.25GHz的测量结果。图7的上半部分和右下部分分别是天线B在1.8GHz和2.25GHz的测量结果。

每个辐射方向图包括0、45、90和135度方位角方向图部分。 请注意这些测得的辐射方向图与图 2 中的仿真结果之间的相似性。测得的后瓣性能与仿真类似，尽管并未测量所有天线。