現(xiàn)代通信需求解析 - 全文

多年以來，軍事應(yīng)用一直需要寬帶通信鏈路以及擁有與之帶寬相同的天線。通常，天線必須工作在多個倍頻程的范圍上。因此，人們設(shè)計(jì)制造了容量為多個倍頻程的天線架構(gòu)。事實(shí)證明，這些技術(shù)在設(shè)計(jì)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的天線產(chǎn)品時(shí)十分有效。本文回顧了商用通信系統(tǒng)的進(jìn)化過程，尤其是對新頻帶不斷增長的需求，然后集中討論了兩種值得精細(xì)研究的天線類型—螺旋和雙錐型天線。

現(xiàn)代通信需求

許多通信系統(tǒng)需要覆蓋900MHz頻段。隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化，人們將其他一些1700到2200MHz內(nèi)的頻段用于DCS，PCS和UMTS。除了這些頻率以外，通常需要覆蓋的范圍還包括TETRA（大約400MHz），無線局域網(wǎng)和無線本地環(huán)路（大約2500，3500和5500MHz）。為了滿足所有這些需求，天線必須提供400MHz到6GHz的有效覆蓋。

在某些應(yīng)用中可以采用一系列獨(dú)立天線來滿足要求，這些天線中的每一個都工作于一個特定頻帶。然而，為了避免使用多種類型天線使外形更合理，通常最好的選擇是用一個單天線提供對整個頻段的覆蓋。另外，僅使用一個天線有一些額外的好處。除了通常的審美問題，還有助于確定天線安裝的設(shè)計(jì)方案，避免天線引起新建筑內(nèi)其它干凈的走線發(fā)生混亂，從而滿足建筑上的需要。

對天線的要求包括多頻帶能力，其頻帶可能是固定或移動接入點(diǎn)以及基站的頻帶，這是因?yàn)槎鄶?shù)現(xiàn)代的設(shè)備被設(shè)計(jì)為多功能的。這種多功能性正是許多現(xiàn)代系統(tǒng)所具有的吸引力的一部分。專業(yè)用戶需要設(shè)備不用調(diào)整工作模式就能工作。因此，無論是接入點(diǎn)還是用戶，其工作頻帶的切換必須是無縫的。如果給定系統(tǒng)中的某個用戶需要移動，那么天線的輻射圖樣就要是全向的，這樣無論用戶相對于鄰近接入點(diǎn)的移動方向如何都能確保覆蓋。在固定系統(tǒng)中，用戶天線可能需要是方向性的，其方向?qū)?zhǔn)最近的基站以獲得最佳性能。基站的配置可以有多種方式。有時(shí)需要使用一個全向基站并將其放在覆蓋區(qū)域的中心。其它一些情況下，可以將一群扇形天線配置在一處，每個覆蓋環(huán)繞基站的一個扇形區(qū)域。系統(tǒng)通常使用的扇形角度包括到。系統(tǒng)中使用的極化情況也多種多樣?？赡苁蔷€性垂直極化，水平或傾斜極化，甚至是圓極化。極化方式根據(jù)系統(tǒng)協(xié)議和結(jié)構(gòu)變化，每種各有優(yōu)點(diǎn)。通過使用附加天線系統(tǒng)可以獲得額外的好處。通過配置空間分集，極化分集，自適應(yīng)天線，或多輸入多數(shù)出（MIMO）天線都可以提高鏈接正常工作下保持可接受信噪比的統(tǒng)計(jì)概率。本文的內(nèi)容是討論單天線系統(tǒng)性能，而不是研究如何連接多個天線獲得更高的性能。

螺旋天線

螺旋天線很早以前就開始用于軍事應(yīng)用中的測向和通常的威脅識別。圖1給出了一種典型的2到18GHz腔基螺旋天線，圖2給出了使用這種天線進(jìn)行的一次電磁仿真，顯示了此構(gòu)造不同部分上的場強(qiáng)。在這些應(yīng)用中，通常要求天線的幅度和相位每一個都是統(tǒng)一樣式。還要求主瓣應(yīng)該擁有平滑的曲線，沒有任何拐點(diǎn)，即為單調(diào)的。這種天線典型輻射圖樣如圖3所示。通常這些應(yīng)用中更重要的是控制波束形狀并使各個天線元的性能匹配，而不是使天線增益最大化。對于許多商業(yè)通信系統(tǒng)，更重要的是給某個區(qū)域有效地填充信號而不是產(chǎn)生非常精確的波束形狀。本例中使用的螺旋輻射結(jié)構(gòu)非常適于此種工作模式，但是不再需要與帶有吸收體的腔體連接使用。使用這種結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造兩種類型的天線：雙向結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許螺旋天線自由地向空間中其平面法線的兩個方向輻射；或增益更高的單向結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中反射極緊靠螺旋天線使一個方向的輻射被反射回來，因此使前向增益增強(qiáng)。圖4給出了一個雙向螺旋天線。注意到其獨(dú)有特征可以擴(kuò)展頻率覆蓋范圍。圖5給出某同類型天線的電磁仿真。圖6給出類似這種雙向螺旋天線的輻射特性。可以看到當(dāng)極化方式在前向?yàn)樽笫謭A極化時(shí)，在反方向?yàn)橛沂謭A極化。因此，在其間的傳輸區(qū)域中為線性極化。這種方式在許多布設(shè)中具有優(yōu)勢。例如，如果要在走廊或大廳放置天線，那么這種類型的雙向天線可以完美地適合這種情況。有時(shí)，需要更多方向的天線而且需保持其寬帶特性。典型情況為天線布置在其覆蓋范圍的角落，例如大廳或中庭。這種情況下，反射極起到增加前向增益的作用。圖7給出了這種單向小型螺旋天線的輻射圖樣。根據(jù)螺旋尺寸選擇，可能提供400MHz到6GHz頻段上的覆蓋范圍。這些天線應(yīng)用系統(tǒng)，無論原先安裝的時(shí)候還是將來，都要求收發(fā)通信頻帶使用單一天線。

圖1 2到18GHz腔基螺旋天線

圖2 腔基螺旋天線電磁仿真

圖3 腔基螺旋天線典型輻射圖樣

圖4 雙向螺旋天線

圖5 雙向螺旋天線電磁仿真

圖6 雙向螺旋天線典型輻射圖樣

圖7 單向螺旋天線典型輻射圖樣

雙錐型天線

雙錐型天線被設(shè)計(jì)用來在大頻率范圍內(nèi)有效地工作。這種天線產(chǎn)生線性極化信號同時(shí)表現(xiàn)出極低的方位角波動，這意味著其多方向特征優(yōu)秀。這種結(jié)構(gòu)的有效帶寬處于兩倍頻程間，取決于可以容忍的輸入反射損耗。輸入反射損耗的影響受此結(jié)構(gòu)小型化程度決定，小型化的原因是選擇了圓錐到圓柱的傳輸區(qū)間，或完全使用圓錐區(qū)間。圖8和圖9分別給出了某雙錐天線及其電磁仿真結(jié)果。圖10給出了其測試性能，可以清晰地看到其方向角圖樣波動非常小。雖然在商業(yè)通信系統(tǒng)中，這些構(gòu)造的高功率處理能力并不總是很重要，但小巧的尺寸卻使其充滿吸引力。例如一種能覆蓋整個從800MHz到2.2GHz頻段的產(chǎn)品可以封裝在一個直徑32mm，長225mm的結(jié)構(gòu)中。雖然可以獲得更寬的帶寬，但必須在帶寬和直徑上折中選擇。較大的直徑會展寬天線工作頻率。這些天線構(gòu)造在非常寬的頻率范圍內(nèi)保持了其輻射圖樣特性，使它們適合微小區(qū)和微微小區(qū)的應(yīng)用。這樣的小區(qū)中使用天線放大信號（例如火車站）。擁有這種輻射圖樣的天線對于星形天線配置最有效。

圖8 雙錐型天線

圖9 雙錐型天線電磁仿真

圖10 雙錐型天線典型輻射圖樣

結(jié)論

對于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中加入新頻段的要求不斷增強(qiáng)。當(dāng)這些新頻段出現(xiàn)在商業(yè)應(yīng)用中，就需要升級系統(tǒng)天線覆蓋這些額外頻段。如果現(xiàn)有天線原始設(shè)計(jì)帶寬不足，那么在更寬的頻率范圍內(nèi)就無法保持其性能。然而，利用原本為軍事應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)可以用傳統(tǒng)螺旋和雙錐寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)出滿足上述要求的商業(yè)產(chǎn)品。