GPS与WLAN双频信号处理天线设计

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本文讨论的高增益、多频段天线设计虽然尺寸小、重量轻,却能接收和发射GPS和WLAN信号,并且能够覆盖WLAN的三个频段。对于尺寸小的天线而言,通常无法获得高增益。

但是在卫星通信应用中,天线却必须设计得小而轻,并且能够提供波束成型、宽频带及极化纯度。在用于多频段全球定位系统(GPS)和无线局域网(WLAN)的天线设计中,设计出一个带有极化分集和高增益且寸小、重量轻的天线是可能的。

例如,对于GPS应用,可能要求一根天线能同时处理1.226GHz的低频段和1.575GHz的高频段。对于IEEE 802.11a/b/g WLAN应用,天线必须在2.4GHz和5GHz的两个频段上工作,并且带宽必须支持11 Mbps和54 Mbps的数据速率。

其它应用还包括已规划的1.8GHz 和2.25GHz频段的空军卫星系统。对于一根覆盖多个无线频段的单个天线而言,还应该考虑将1.8GHz 至2.1GHz的覆盖范围用于第三代(3G)蜂窝系统。

对于一个成功的天线设计来说,极化是一个重要特性。对于空间应用,通常使用圆形极化(CP),如右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP),用于发射、接收及同一频谱范围内的复用,以增加系统容量。尽管大多数WLAN系统要求线性极化,但最终圆形极化的使用会变成移动系统的优势。

某些理论上的限制决定了天线在提供所需的增益和带宽时能够做到多小。对于基于空间(卫星)的应用,要求天线与一定的波形系数相适配,该天线极化方向为圆形极化,工作在1.8GHz的上行链路(卫星的接收频率)和2.25GHz的下行链路(卫星的发射频率)上。

波束成形能力也是一个关键要求,它允许卫星在不同位置和角度保持通信。天线必须足够坚固,以便能够经受冲击和振动、温度环境(温度变化范围通常在-40℃至+70℃之间)和功率闪烁冲击。

设计考虑了几种选择,包括螺旋式天线、四叶螺旋式天线(QFHA)以及各种微带贴片结构。初始分析和电磁(EM)软件仿真结果体现了在较小物理尺寸上实现所需性能的困难程度。

在考虑了几种非传统的方法之后,环状辐射体技术被选作可能的解决方案。相对于其它方案而言,该方案采用谐振结构来有效地加长了辐射电流的通路长度(实现高增益),而天线却减小了25%至35%。

该技术能够满足波形系数要求,而且能实现比尺寸更大的微带贴片天线或谐振腔式螺旋天线更高的增益。

与用于微带贴片天线的更易于理解的设计和分析方法来比,环状天线的设计和分析需要非常的经验设计(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,并且仔细研究EM仿真结果,可以减少环状天线的设计风险,而不管它的复杂程度。

在一个简单的矩形贴片天线中,可以把贴片两端的两个槽口当作辐射源,间隔大约为二分之一波长。如果其中的每个槽口的长度约为二分之一波长,则可获得2.1dBi增益。任何作为二元阵列工作的这样的两个天线,在理论上都可以提供额外3dB的增益。

因此,一个简单的贴片天线应该可以实现5.1dBi增益。经过一些改进之后,甚至可能获得更好的增益或波形图,这取决于接地平面类型或谐振模式。

对于环状天线,可以设计成多谐结构,这些谐振器可以被隔开,也可以耦合,以适用于多频或宽频场合。

通过对各次模进行相位调整,使它们以预定的方式工作,这样,在适当方向的远场,通过相位的叠加和相消,就可以实现高增益和波束成形。在大多数情况下,这些结构可能实现9dBic的增益(理论值)和17%的带宽。

理论上,对应于分别为1.50:1, 2.0:1和3.0:1的电压驻波比(VSWR),可以相应实现15%、20%和30%的带宽。遗憾的是,不可能找到一种能够满足所有频率上的所需的物理和电气性能的系统设计方法。

本文讨论的高增益、多频段天线设计虽然尺寸小、重量轻,却能接收和发射GPS和WLAN信号,并且能够覆盖WLAN的三个频段。对于尺寸小的天线而言,通常无法获得高增益。

但是在卫星通信应用中,天线却必须设计得小而轻,并且能够提供波束成型、宽频带及极化纯度。在用于多频段全球定位系统(GPS)和无线局域网(WLAN)的天线设计中,设计出一个带有极化分集和高增益且寸小、重量轻的天线是可能的。

例如,对于GPS应用,可能要求一根天线能同时处理1.226GHz的低频段和1.575GHz的高频段。对于IEEE 802.11a/b/g WLAN应用,天线必须在2.4GHz和5GHz的两个频段上工作,并且带宽必须支持11 Mbps和54 Mbps的数据速率。

其它应用还包括已规划的1.8GHz 和2.25GHz频段的空军卫星系统。对于一根覆盖多个无线频段的单个天线而言,还应该考虑将1.8GHz 至2.1GHz的覆盖范围用于第三代(3G)蜂窝系统。

对于一个成功的天线设计来说,极化是一个重要特性。对于空间应用,通常使用圆形极化(CP),如右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP),用于发射、接收及同一频谱范围内的复用,以增加系统容量。尽管大多数WLAN系统要求线性极化,但最终圆形极化的使用会变成移动系统的优势。

某些理论上的限制决定了天线在提供所需的增益和带宽时能够做到多小。对于基于空间(卫星)的应用,要求天线与一定的波形系数相适配,该天线极化方向为圆形极化,工作在1.8GHz的上行链路(卫星的接收频率)和2.25GHz的下行链路(卫星的发射频率)上。

波束成形能力也是一个关键要求,它允许卫星在不同位置和角度保持通信。天线必须足够坚固,以便能够经受冲击和振动、温度环境(温度变化范围通常在-40℃至+70℃之间)和功率闪烁冲击。

设计考虑了几种选择,包括螺旋式天线、四叶螺旋式天线(QFHA)以及各种微带贴片结构。初始分析和电磁(EM)软件仿真结果体现了在较小物理尺寸上实现所需性能的困难程度。

在考虑了几种非传统的方法之后,环状辐射体技术被选作可能的解决方案。相对于其它方案而言,该方案采用谐振结构来有效地加长了辐射电流的通路长度(实现高增益),而天线却减小了25%至35%。

该技术能够满足波形系数要求,而且能实现比尺寸更大的微带贴片天线或谐振腔式螺旋天线更高的增益。

与用于微带贴片天线的更易于理解的设计和分析方法来比,环状天线的设计和分析需要非常的经验设计(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,并且仔细研究EM仿真结果,可以减少环状天线的设计风险,而不管它的复杂程度。

在一个简单的矩形贴片天线中,可以把贴片两端的两个槽口当作辐射源,间隔大约为二分之一波长。如果其中的每个槽口的长度约为二分之一波长,则可获得2.1dBi增益。任何作为二元阵列工作的这样的两个天线,在理论上都可以提供额外3dB的增益。

因此,一个简单的贴片天线应该可以实现5.1dBi增益。经过一些改进之后,甚至可能获得更好的增益或波形图,这取决于接地平面类型或谐振模式。

对于环状天线,可以设计成多谐结构,这些谐振器可以被隔开,也可以耦合,以适用于多频或宽频场合。

通过对各次模进行相位调整,使它们以预定的方式工作,这样,在适当方向的远场,通过相位的叠加和相消,就可以实现高增益和波束成形。在大多数情况下,这些结构可能实现9dBic的增益(理论值)和17%的带宽。

理论上,对应于分别为1.50:1, 2.0:1和3.0:1的电压驻波比(VSWR),可以相应实现15%、20%和30%的带宽。遗憾的是,不可能找到一种能够满足所有频率上的所需的物理和电气性能的系统设计方法。

 

不过,通过一些努力,找到一种满足某些特定工作模式上的技术需求的设计方法是可能的。

图1给出了一个经过优化设计的天线的EM仿真预测扫频结果。该图显示了多个谐振点,不过并非所有的谐振点都用于卫星天线。最低的1.8GHz谐振点处的回波损耗优于13dB,而在2.25GHz的高谐振点,回波损耗优于17dB。

如果结合各种因素,实现大约15%的10dB回波损耗带宽是可能的。这将是一个出色的且适合于许多用途的宽带天线。2.1GHz谐振点的回波损耗甚至更好,将近20dB。由于该天线的多谐振点,使得它能被用作为单个频点的宽带天线,也可适用于3个离散频率的场合。

 

图 2给出了右旋圆极化(RHCP)天线的预测辐射方向图。在1.8GHz的低端谐振点,增益约为5.5dBic(图2的左上角),而其顶点处的轴比约为 13dB(图2的左下角)。在2.25GHz的高端谐振点,增益大约为8dBic(图2的右上角),在该频率上,轴比约为12dB(图2的右下角)。

 

图3显示天线环上的表面电流密度的仿真结果。与预期相一致,最高电流密度(红色,表示这种构造的辐射机制)出现在边缘部分。顶部插图为上部环在2.25 GHz的高端谐振点的仿真结果,而底部插图则是下部环在此谐振点的仿真结果。

辐射机制在低端谐振点处稍微有些变化,该点的增益要低一点,不过这可以根据卫星链路预算进行优化补偿。

 

从侧视图(图4)上,可以观察到使用同轴输入连接器的天线辐射结构。天线周围的大框限定的范围是EM仿真程序的常规仿真区域,其中,被仿真的设备被限定在有限的边界(框)内。合理选择这个外围边界,使其对天线性能的影响减到最小。

 

根据上述这些分析和仿真,制造出了几个天线,其中两个如图5所示(左图为天线A,而右图为天线B)。这些天线基本上都一次性满足了所有电气方面的要求和空间质量要求,这在很大程度上归功于良好的设计过程控制、仿真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,其频响曲线与图1中期望的仿真结果非常相近。仿真和实际硬件之间的差异可能由于实验室中一些调整所引起,尽管这些调整很小。

 

所测的两个天线的辐射图和增益如图7所示。其中,图7的左上部分和左下部分是天线A分别在1.8 GHz和2.25 GHz的测量结果,而图7的右上部分和右下部分则分别是天线B分别在1.8 GHz和2.25 GHz的测量结果。

 

每个辐射图都包括0、45、90和135度方位图截面。注意这些所测辐射图与图2中的仿真结果的相似之处。测量的后瓣性能与仿真相似,不过并没有对所有天线都进行测量。

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