本文討論的高增益、多頻段天線設(shè)計(jì)雖然尺寸小、重量輕，卻能接收和發(fā)射GPS和WLAN信號(hào)，并且能夠覆蓋WLAN的三個(gè)頻段。對(duì)于尺寸小的天線而言，通常無(wú)法獲得高增益。

　　但是在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，天線卻必須設(shè)計(jì)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(tǒng)(GPS)和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的天線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一個(gè)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(duì)于GPS應(yīng)用，可能要求一根天線能同時(shí)處理1.226GHz的低頻段和1.575GHz的高頻段。對(duì)于IEEE 802.11a/b/g WLAN應(yīng)用，天線必須在2.4GHz和5GHz的兩個(gè)頻段上工作，并且?guī)挶仨氈С?1 Mbps和54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

　　其它應(yīng)用還包括已規(guī)劃的1.8GHz 和2.25GHz頻段的空軍衛(wèi)星系統(tǒng)。對(duì)于一根覆蓋多個(gè)無(wú)線頻段的單個(gè)天線而言，還應(yīng)該考慮將1.8GHz 至2.1GHz的覆蓋范圍用于第三代(3G)蜂窩系統(tǒng)。

　　對(duì)于一個(gè)成功的天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，極化是一個(gè)重要特性。對(duì)于空間應(yīng)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(fā)射、接收及同一頻譜范圍內(nèi)的復(fù)用，以增加系統(tǒng)容量。盡管大多數(shù)WLAN系統(tǒng)要求線性極化，但最終圓形極化的使用會(huì)變成移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

　　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(shí)能夠做到多小。對(duì)于基于空間(衛(wèi)星)的應(yīng)用，要求天線與一定的波形系數(shù)相適配，該天線極化方向?yàn)閳A形極化，工作在1.8GHz的上行鏈路(衛(wèi)星的接收頻率)和2.25GHz的下行鏈路(衛(wèi)星的發(fā)射頻率)上。

　　波束成形能力也是一個(gè)關(guān)鍵要求，它允許衛(wèi)星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅(jiān)固，以便能夠經(jīng)受沖擊和振動(dòng)、溫度環(huán)境(溫度變化范圍通常在-40℃至+70℃之間)和功率閃爍沖擊。

　　設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。初始分析和電磁(EM)軟件仿真結(jié)果體現(xiàn)了在較小物理尺寸上實(shí)現(xiàn)所需性能的困難程度。

　　在考慮了幾種非傳統(tǒng)的方法之后，環(huán)狀輻射體技術(shù)被選作可能的解決方案。相對(duì)于其它方案而言，該方案采用諧振結(jié)構(gòu)來(lái)有效地加長(zhǎng)了輻射電流的通路長(zhǎng)度(實(shí)現(xiàn)高增益)，而天線卻減小了25%至35%。

　　該技術(shù)能夠滿(mǎn)足波形系數(shù)要求，而且能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)和分析方法來(lái)比，環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)和分析需要非常的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)(和經(jīng)驗(yàn)推測(cè))。值得慶幸的是，通過(guò)執(zhí)行詳細(xì)的初始設(shè)計(jì)和分析過(guò)程，并且仔細(xì)研究EM仿真結(jié)果，可以減少環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，而不管它的復(fù)雜程度。

　　在一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形貼片天線中，可以把貼片兩端的兩個(gè)槽口當(dāng)作輻射源，間隔大約為二分之一波長(zhǎng)。如果其中的每個(gè)槽口的長(zhǎng)度約為二分之一波長(zhǎng)，則可獲得2.1dBi增益。任何作為二元陣列工作的這樣的兩個(gè)天線，在理論上都可以提供額外3dB的增益。

　　因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的貼片天線應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)5.1dBi增益。經(jīng)過(guò)一些改進(jìn)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(lèi)型或諧振模式。

　　對(duì)于環(huán)狀天線，可以設(shè)計(jì)成多諧結(jié)構(gòu)，這些諧振器可以被隔開(kāi)，也可以耦合，以適用于多頻或?qū)掝l場(chǎng)合。

　　通過(guò)對(duì)各次模進(jìn)行相位調(diào)整，使它們以預(yù)定的方式工作，這樣，在適當(dāng)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)，通過(guò)相位的疊加和相消，就可以實(shí)現(xiàn)高增益和波束成形。在大多數(shù)情況下，這些結(jié)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)9dBic的增益(理論值)和17%的帶寬。

　　理論上，對(duì)應(yīng)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(yīng)實(shí)現(xiàn)15%、20%和30%的帶寬。遺憾的是，不可能找到一種能夠滿(mǎn)足所有頻率上的所需的物理和電氣性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

　　本文討論的高增益、多頻段天線設(shè)計(jì)雖然尺寸小、重量輕，卻能接收和發(fā)射GPS和WLAN信號(hào)，并且能夠覆蓋WLAN的三個(gè)頻段。對(duì)于尺寸小的天線而言，通常無(wú)法獲得高增益。

　　但是在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，天線卻必須設(shè)計(jì)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(tǒng)(GPS)和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的天線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一個(gè)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(duì)于GPS應(yīng)用，可能要求一根天線能同時(shí)處理1.226GHz的低頻段和1.575GHz的高頻段。對(duì)于IEEE 802.11a/b/g WLAN應(yīng)用，天線必須在2.4GHz和5GHz的兩個(gè)頻段上工作，并且?guī)挶仨氈С?1 Mbps和54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

　　其它應(yīng)用還包括已規(guī)劃的1.8GHz 和2.25GHz頻段的空軍衛(wèi)星系統(tǒng)。對(duì)于一根覆蓋多個(gè)無(wú)線頻段的單個(gè)天線而言，還應(yīng)該考慮將1.8GHz 至2.1GHz的覆蓋范圍用于第三代(3G)蜂窩系統(tǒng)。

　　對(duì)于一個(gè)成功的天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，極化是一個(gè)重要特性。對(duì)于空間應(yīng)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(fā)射、接收及同一頻譜范圍內(nèi)的復(fù)用，以增加系統(tǒng)容量。盡管大多數(shù)WLAN系統(tǒng)要求線性極化，但最終圓形極化的使用會(huì)變成移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

　　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(shí)能夠做到多小。對(duì)于基于空間(衛(wèi)星)的應(yīng)用，要求天線與一定的波形系數(shù)相適配，該天線極化方向?yàn)閳A形極化，工作在1.8GHz的上行鏈路(衛(wèi)星的接收頻率)和2.25GHz的下行鏈路(衛(wèi)星的發(fā)射頻率)上。

　　波束成形能力也是一個(gè)關(guān)鍵要求，它允許衛(wèi)星在不同位置和角度保持通信。天線必須足夠堅(jiān)固，以便能夠經(jīng)受沖擊和振動(dòng)、溫度環(huán)境(溫度變化范圍通常在-40℃至+70℃之間)和功率閃爍沖擊。

　　設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。初始分析和電磁(EM)軟件仿真結(jié)果體現(xiàn)了在較小物理尺寸上實(shí)現(xiàn)所需性能的困難程度。

　　在考慮了幾種非傳統(tǒng)的方法之后，環(huán)狀輻射體技術(shù)被選作可能的解決方案。相對(duì)于其它方案而言，該方案采用諧振結(jié)構(gòu)來(lái)有效地加長(zhǎng)了輻射電流的通路長(zhǎng)度(實(shí)現(xiàn)高增益)，而天線卻減小了25%至35%。

　　該技術(shù)能夠滿(mǎn)足波形系數(shù)要求，而且能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)和分析方法來(lái)比，環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)和分析需要非常的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)(和經(jīng)驗(yàn)推測(cè))。值得慶幸的是，通過(guò)執(zhí)行詳細(xì)的初始設(shè)計(jì)和分析過(guò)程，并且仔細(xì)研究EM仿真結(jié)果，可以減少環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，而不管它的復(fù)雜程度。

　　在一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形貼片天線中，可以把貼片兩端的兩個(gè)槽口當(dāng)作輻射源，間隔大約為二分之一波長(zhǎng)。如果其中的每個(gè)槽口的長(zhǎng)度約為二分之一波長(zhǎng)，則可獲得2.1dBi增益。任何作為二元陣列工作的這樣的兩個(gè)天線，在理論上都可以提供額外3dB的增益。

　　因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的貼片天線應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)5.1dBi增益。經(jīng)過(guò)一些改進(jìn)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(lèi)型或諧振模式。

　　對(duì)于環(huán)狀天線，可以設(shè)計(jì)成多諧結(jié)構(gòu)，這些諧振器可以被隔開(kāi)，也可以耦合，以適用于多頻或?qū)掝l場(chǎng)合。

　　通過(guò)對(duì)各次模進(jìn)行相位調(diào)整，使它們以預(yù)定的方式工作，這樣，在適當(dāng)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)，通過(guò)相位的疊加和相消，就可以實(shí)現(xiàn)高增益和波束成形。在大多數(shù)情況下，這些結(jié)構(gòu)可能實(shí)現(xiàn)9dBic的增益(理論值)和17%的帶寬。

　　理論上，對(duì)應(yīng)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(yīng)實(shí)現(xiàn)15%、20%和30%的帶寬。遺憾的是，不可能找到一種能夠滿(mǎn)足所有頻率上的所需的物理和電氣性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

　　不過(guò)，通過(guò)一些努力，找到一種滿(mǎn)足某些特定工作模式上的技術(shù)需求的設(shè)計(jì)方法是可能的。

　　圖1給出了一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線的EM仿真預(yù)測(cè)掃頻結(jié)果。該圖顯示了多個(gè)諧振點(diǎn)，不過(guò)并非所有的諧振點(diǎn)都用于衛(wèi)星天線。最低的1.8GHz諧振點(diǎn)處的回波損耗優(yōu)于13dB，而在2.25GHz的高諧振點(diǎn)，回波損耗優(yōu)于17dB。

　　如果結(jié)合各種因素，實(shí)現(xiàn)大約15%的10dB回波損耗帶寬是可能的。這將是一個(gè)出色的且適合于許多用途的寬帶天線。2.1GHz諧振點(diǎn)的回波損耗甚至更好，將近20dB。由于該天線的多諧振點(diǎn)，使得它能被用作為單個(gè)頻點(diǎn)的寬帶天線，也可適用于3個(gè)離散頻率的場(chǎng)合。

　　圖2給出了右旋圓極化(RHCP)天線的預(yù)測(cè)輻射方向圖。在1.8GHz的低端諧振點(diǎn)，增益約為5.5dBic(圖2的左上角)，而其頂點(diǎn)處的軸比約為13dB(圖2的左下角)。在2.25GHz的高端諧振點(diǎn)，增益大約為8dBic(圖2的右上角)，在該頻率上，軸比約為12dB(圖2的右下角)。

　　圖3顯示天線環(huán)上的表面電流密度的仿真結(jié)果。與預(yù)期相一致，最高電流密度(紅色，表示這種構(gòu)造的輻射機(jī)制)出現(xiàn)在邊緣部分。頂部插圖為上部環(huán)在2.25 GHz的高端諧振點(diǎn)的仿真結(jié)果，而底部插圖則是下部環(huán)在此諧振點(diǎn)的仿真結(jié)果。

　　輻射機(jī)制在低端諧振點(diǎn)處稍微有些變化，該點(diǎn)的增益要低一點(diǎn)，不過(guò)這可以根據(jù)衛(wèi)星鏈路預(yù)算進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償。

　　從側(cè)視圖(圖4)上，可以觀察到使用同軸輸入連接器的天線輻射結(jié)構(gòu)。天線周?chē)拇罂蛳薅ǖ姆秶荅M仿真程序的常規(guī)仿真區(qū)域，其中，被仿真的設(shè)備被限定在有限的邊界(框)內(nèi)。合理選擇這個(gè)外圍邊界，使其對(duì)天線性能的影響減到最小。

　　根據(jù)上述這些分析和仿真，制造出了幾個(gè)天線，其中兩個(gè)如圖5所示(左圖為天線A，而右圖為天線B)。這些天線基本上都一次性滿(mǎn)足了所有電氣方面的要求和空間質(zhì)量要求，這在很大程度上歸功于良好的設(shè)計(jì)過(guò)程控制、仿真和驗(yàn)證的廣泛使用以及卓越的機(jī)械設(shè)計(jì)和加工經(jīng)驗(yàn)。

　　圖6顯示了天線A和天線B的回波損耗，其頻響曲線與圖1中期望的仿真結(jié)果非常相近。仿真和實(shí)際硬件之間的差異可能由于實(shí)驗(yàn)室中一些調(diào)整所引起，盡管這些調(diào)整很小。

　　所測(cè)的兩個(gè)天線的輻射圖和增益如圖7所示。其中，圖7的左上部分和左下部分是天線A分別在1.8 GHz和2.25 GHz的測(cè)量結(jié)果，而圖7的右上部分和右下部分則分別是天線B分別在1.8 GHz和2.25 GHz的測(cè)量結(jié)果。

　　每個(gè)輻射圖都包括0、45、90和135度方位圖截面。注意這些所測(cè)輻射圖與圖2中的仿真結(jié)果的相似之處。測(cè)量的后瓣性能與仿真相似，不過(guò)并沒(méi)有對(duì)所有天線都進(jìn)行測(cè)量。