寬帶軍用天線(xiàn)在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用

多年以來(lái)，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(xiàn)。通常，天線(xiàn)必須工作在多個(gè)倍頻程的范圍上。因此，人們?cè)O(shè)計(jì)制造了容量為多個(gè)倍頻程的天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)程，尤其是對(duì)新頻帶不斷增長(zhǎng)的需求，然后集中討論了兩種值得精細(xì)研究的天線(xiàn)類(lèi)型—螺旋和雙錐型天線(xiàn)。

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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路（大約2500，3500和5500MHz）。為了滿(mǎn)足所有這些需求，天線(xiàn)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(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足要求，這些天線(xiàn)中的每一個(gè)都工作于一個(gè)特定頻帶。然而，為了避免使用多種類(lèi)型天線(xiàn)使外形更合理，通常最好的選擇是用一個(gè)單天線(xiàn)提供對(duì)整個(gè)頻段的覆蓋。另外，僅使用一個(gè)天線(xiàn)有一些額外的好處。除了通常的審美問(wèn)題，還有助于確定天線(xiàn)安裝的設(shè)計(jì)方案，避免天線(xiàn)引起新建筑內(nèi)其它干凈的走線(xiàn)發(fā)生混亂，從而滿(mǎn)足建筑上的需要。

對(duì)天線(xiàn)的要求包括多頻帶能力，其頻帶可能是固定或移動(dòng)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(zhuān)業(yè)用戶(hù)需要設(shè)備不用調(diào)整工作模式就能工作。因此，無(wú)論是接入點(diǎn)還是用戶(hù)，其工作頻帶的切換必須是無(wú)縫的。如果給定系統(tǒng)中的某個(gè)用戶(hù)需要移動(dòng)，那么天線(xiàn)的輻射圖樣就要是全向的，這樣無(wú)論用戶(hù)相對(duì)于鄰近接入點(diǎn)的移動(dòng)方向如何都能確保覆蓋。在固定系統(tǒng)中，用戶(hù)天線(xiàn)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?；镜呐渲每梢杂卸喾N方式。有時(shí)需要使用一個(gè)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(xiàn)配置在一處，每個(gè)覆蓋環(huán)繞基站的一個(gè)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。可能是線(xiàn)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(guò)使用附加天線(xiàn)系統(tǒng)可以獲得額外的好處。通過(guò)配置空間分集，極化分集，自適應(yīng)天線(xiàn)，或多輸入多數(shù)出（MIMO）天線(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)性能，而不是研究如何連接多個(gè)天線(xiàn)獲得更高的性能。

螺旋天線(xiàn)

螺旋天線(xiàn)很早以前就開(kāi)始用于軍事應(yīng)用中的測(cè)向和通常的威脅識(shí)別。圖1給出了一種典型的2到18GHz腔基螺旋天線(xiàn)，圖2給出了使用這種天線(xiàn)進(jìn)行的一次電磁仿真，顯示了此構(gòu)造不同部分上的場(chǎng)強(qiáng)。在這些應(yīng)用中，通常要求天線(xiàn)的幅度和相位每一個(gè)都是統(tǒng)一樣式。還要求主瓣應(yīng)該擁有平滑的曲線(xiàn)，沒(méi)有任何拐點(diǎn)，即為單調(diào)的。這種天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)元的性能匹配，而不是使天線(xiàn)增益最大化。對(duì)于許多商業(yè)通信系統(tǒng)，更重要的是給某個(gè)區(qū)域有效地填充信號(hào)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(lèi)型的天線(xiàn)：雙向結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許螺旋天線(xiàn)自由地向空間中其平面法線(xiàn)的兩個(gè)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(xiàn)使一個(gè)方向的輻射被反射回來(lái)，因此使前向增益增強(qiáng)。圖4給出了一個(gè)雙向螺旋天線(xiàn)。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(lèi)型天線(xiàn)的電磁仿真。圖6給出類(lèi)似這種雙向螺旋天線(xiàn)的輻射特性?？梢钥吹疆?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(xiàn)性極化。這種方式在許多布設(shè)中具有優(yōu)勢(shì)。例如，如果要在走廊或大廳放置天線(xiàn)，那么這種類(lèi)型的雙向天線(xiàn)可以完美地適合這種情況。有時(shí)，需要更多方向的天線(xiàn)而且需保持其寬帶特性。典型情況為天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)，無(wú)論原先安裝的時(shí)候還是將來(lái)，都要求收發(fā)通信頻帶使用單一天線(xiàn)。

圖1 2到18GHz腔基螺旋天線(xiàn)

圖2 腔基螺旋天線(xiàn)電磁仿真

圖3 腔基螺旋天線(xiàn)典型輻射圖樣

圖4 雙向螺旋天線(xiàn)

圖5 雙向螺旋天線(xiàn)電磁仿真

圖6 雙向螺旋天線(xiàn)典型輻射圖樣

圖7 單向螺旋天線(xiàn)典型輻射圖樣

雙錐型天線(xiàn)

雙錐型天線(xiàn)被設(shè)計(jì)用來(lái)在大頻率范圍內(nèi)有效地工作。這種天線(xiàn)產(chǎn)生線(xiàn)性極化信號(hào)同時(shí)表現(xiàn)出極低的方位角波動(dòng)，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(xiàn)及其電磁仿真結(jié)果。圖10給出了其測(cè)試性能，可以清晰地看到其方向角圖樣波動(dòng)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(mǎn)吸引力。例如一種能覆蓋整個(gè)從800MHz到2.2GHz頻段的產(chǎn)品可以封裝在一個(gè)直徑32mm，長(zhǎng)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(huì)展寬天線(xiàn)工作頻率。這些天線(xiàn)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(xiàn)放大信號(hào)（例如火車(chē)站）。擁有這種輻射圖樣的天線(xiàn)對(duì)于星形天線(xiàn)配置最有效。

圖8 雙錐型天線(xiàn)

圖9 雙錐型天線(xiàn)電磁仿真

圖10 雙錐型天線(xiàn)典型輻射圖樣

結(jié)論

對(duì)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(jí)系統(tǒng)天線(xiàn)覆蓋這些額外頻段。如果現(xiàn)有天線(xiàn)原始設(shè)計(jì)帶寬不足，那么在更寬的頻率范圍內(nèi)就無(wú)法保持其性能。然而，利用原本為軍事應(yīng)用開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以用傳統(tǒng)螺旋和雙錐寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足上述要求的商業(yè)產(chǎn)品。