-
天线是作无线电波的发射或接收用的一种
金属装置
。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、
遥感、射电天文等工程系统，凡
是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波
传送能量方面，
非信号的能量辐射也需要天线。
一般天线都具有
可逆性
，
即同一副天线既可用作发射天线，
也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。< /p>
射频天线设计
2.2
微带贴片天线
微带贴片天线是由
贴在带有金属地板
的
介质基片
上的
辐射贴片导体
所构成的
,
如图
3
所示
.
根据天线
辐射特性的需要
,
可以设计贴片导体为各种形状
.
通常
贴片天线的辐射导体
与
金属地板
距离
为
几十分之一波
长
,
假设
辐射电场
沿导体的横向与纵向两个方向没有变化
,
仅沿
约为
半波长
< br>(λg/ 2)
的导体长度方向变化
.
则
微带贴片天线的
辐射
基本
上是由贴片导体
开路边沿的边缘场
引起的
,
辐射方向基本确定
,
因此
,
一般适用于通
讯方向变化不大的
RFID
应用系统中
.
为了提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题
,
人们还提出了各
种不
同的微带缝隙天线
,
如文献
[5,6]
设计了一种工作在
24 GHz
的单缝隙天线和
5.9 GHz
的双
缝隙天线
,
其辐射
波为线极化波
;
文献
[7,8]
开
发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线
,
它是可以采用左旋圆极化和
右旋圆极化来对
二进制数据中的
‘1’
和
‘0’
进行编码
.
图
3
微带天线
2. 3
偶极子天线
在远距离耦合的
RFID
应用系统中
,
最常用的是偶极子天线
(
又称对称振子天线
) .
偶极子天线及其演化
形式如图
4
所示
,
其中
偶极子
天线
由
两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成
,
信号从
中间的两个端
点
馈入
,
在偶极子的两臂上
将产生一定的电流
分布
,
这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场
.
利用麦克斯韦方程就可以求出其
辐射场方程
:
式中
Iz
为沿振子臂分布的电流
,α
为相位常数
, r
< br>是振子中点到观察点的距离
,θ
为振子轴到
r
的夹角
,l
为单个振子臂的长度
.
同样
,
也可以得到天线的输入阻抗、
输入回波损耗<
/p>
S11
、
阻抗带宽和天线增益等等特<
/p>
性参数
.
图
4
偶极子天线
(a)
偶极子天线
; (b)
折合振子天线
;(c)
变形偶极子天线
当单个振子臂的长度
l =λ/ 4
时
(
半波振子
)
,
输入阻抗
的
电抗
分量为
零
,
< br>天线输入阻抗可视为一个纯电阻
.
在忽略天线粗细的横
向影响下
,
简单的偶极子天线设计可以取振子的长度
l
为
λ/ 4
的整数
倍
,
如工作频率为
2. 45 GHz
的半波偶极子天线
,
其长度约为
6 cm.
当要求偶极子天线有较
大的输入阻
抗时
,
可采用图
4b
< br>的折
合振子
.
3
RFID
射频
天线的设计
从
RFID
技术原理和
RFID
天线类型介绍上看
,RFID
具体应用的关键在于
RFID
天线的
特点和性能
.
目前
线圈型天线
的实现技术很成熟
,
虽然都已广泛地应用在如身
份识别、
货物标签等
RFID
应用系
统中
,
但是
对于那些要求
频率高、
信息量大
、
工作距
离和方向不确定的
RFID
应用场合
,
采用线圈型天线则难以设计实
现相应的性能指标
.
同样
,
如果采
用微带贴片天
线的话
,
由于实现工艺
较复杂
,
成本较高
,
一时还无法被低成本
的
RFID
应用系统所选择
.
偶
极子天线
具有辐射能力较强、制造简单和成本低等优点
,
且可
以设计成适用于
全方向通讯的
RFID
应用系统
,
因
此
,
下面我们来具体设计一个工作于
2
. 45 GHz
(
国际工业医疗研究自由频
段
)
的
RFID
偶极子天线
.
半波偶极子天线模
型如图
4a
所示
.
天线采用
铜材料
(
电导率
:5.8e7
s/ m ,
磁导率
:1) ,
位于<
/p>
充满
空气的
立
方
体中心
.
在立方体外表面设定
辐射吸收边界
.
输入信号
由
天线中心
< br>处
馈入
,
也就是
RFID
芯片的所在位置
.
对于
2. 45 GHz
的工作频率
其半波长度约为
61mm
（利用公式波长，
波的传播速度，
以及频率的关系
λ
f=v
）
,
设偶极子天线臂宽
w
为
1 mm
,
且无限薄
,
由于天线臂宽的影响
,<
/p>
要求实际的半波偶极子天线长度为
57mm.
在
Ansoft HFSS
工具平台上
,
采用有限元算法对该天
线进行仿真
,
获得的输入回波损耗
S1
1
分布图如图
5a
所示
,
辐射场
E
面
(
即最大辐射方向和电场矢量所在的平面
)
方向图如图
5b
所示
.
天线输入阻抗约为
72 Ω
,
电压驻波比
(VSWR)
小于
2.0
时的阻抗带宽为
14. 3 %
,
天线增益为
1.8.
图
5
偶极子天线
(a)
回波损耗
S11 (b)
辐射方向图
从图
5b
可以看到在
天线轴方向
上
,
天线几乎无辐射
.
如果此时读写器处于该方向上
,
应答器将不会做出
任何反应
.
为了获得全方位辐射的天线以克服该缺点
,
可以对天线做适当的变形
,
如在将偶极
子天线臂末端
垂直方向
上延长
λ/ 4
成图
4c
所示
.
这样天线总长度修改为
(57. 0 mm + 2
×
28. 5 mm)
,
天线臂宽仍然为
1
mm.
天线臂延长
λ/ 4
后
,
整个天线谐振于
1
个波
长
,
而非原来的半个波长
.
这就使得天线的输入阻抗大大
地增加
,
仿真计算结果约为
2 kΩ.
其输入回波损耗
S11
如图
6a
所示
.
图
6b
为
E
面
(
天线平面
)
上的辐射
场方向图
,
其中实线为仿真结果
,
黑点为实际样品测量数据
,
两者结果较为吻合说明了该设计是正确的
.
从图
6b
可以看到在原来弱辐射
的方向上得到了很大的改善
,
其辐射已经近似为全方向的了
.
电压驻波比
(
VSWR)
小于
2. 0
时的阻抗带宽为
12.2 %
,
增益为
1.4
,
对于大部分
RFID
应用系统
,
该偶极子天线可以满
足要求
.
宽带无线通信的天线设计
许多无线服务供应商采用
SDMA
技术对可用频
谱进行优化利用，
在
360
度覆盖区域
内它一般被限制在三个
区间。
但采用多束天线系统，
其覆盖的区间可被增加至多达
48
个。
因系统的波束成型网络可重复利用可用
频率并降低了干扰，所以，对无线网
络服务区域来说，它可服务更多用户且具有更好的服务质量。
该系统可在多个方向长距离传输数据、语音和视频信号且不需中继站。这样，就把网络的
运营成本降至最
低且显著提升了可靠性、质量并增加了用户数。用长距离
(
高增益
)
窄束定向天线取代
短距离
(
低增益
)
全向天
线。通常，长距离天线会增加单一方向上的用户数，但不允许其它方向上的用
户使用该系统。本文建议的
系统通过采用既可同时又可顺序重复利用高增益窄束天线的多
束技术解决了该问题，该技术有效实现了全
向天线的球面型覆盖范围从而显著增加了各个
方向的用户数。采用频率再用技术可进一步增加容量。
多束系统是基于相控阵天线和
ElectromagneTIc
TECHNOLOGIES Industries(ETI, )
公
< br>司开发的
Optibeam
专有波束成型网络的硬件方案
。因该硬件方案不需要软件编程和外接电源，所以很适
合恶劣环境使用。
这里讨论的多束天线系统的主要部件是天线和波束
成型网络。天线包含诸如偶极子或贴片
(patch)
天线等小
的天线元素，它们被组合成阵列。波束成型器为全部天线贴片提供所需的信号相位用以在
各方向上生成波
束。多束天线系统为得到期望的性能，两种要素的设计参数都很关键。<
/p>
在本文讨论的系统内采用的天线基于
组成矩阵的贴片天线。贴片天线以经过验证的微带高频印刷电路技术
为基础。在这样一个
矩阵安排中采用贴片部件的优点有：体积小、制造成本低、重量轻、易于安装且可靠
性高
。根据期望的电磁辐射方向，把不同信号幅值和相位的激励馈送至每个贴片。辐射部件的不同相位会
与天线远场结合以形成窄束。本文所论述的天线被设计成线性相控阵天线系统，其中，各贴片间等距并
在
整个矩阵采用递进相移技术。
<
/p>
每个贴片的间距被保持为中心频点波长的一半
(λ/2)
。贴片的中心线被初选为馈送点，但馈送点的实际准确
位置是由用高频矢
量网络分析仪
(VNA)
进行的对输入反射的测量结果实施经验
化处理决定的。除馈送点外，
为在相关的频率范围内获得小于
1
.50:1
的电压驻波比
(VSWR)
，还对每个贴片的形状进行了仔细选择。为
改进感兴趣频率范围内的性能，馈送点选得比
中心点略高。该贴片天线部件的其它设计参数包括：谐振频
率
=
3.7GHz
；
基板高
=0.030<
/p>
英寸；
基板电介常数
=2.2
；
贴片天线长
=1.575
英寸；
贴片天线宽
=0.710
英
寸；
馈送点位置略高于贴片中心点；极化
=
垂直。
许多贴片天线都是在单
一电介质基板上以线性方式对贴片元素进行排列以分别获得
15
度的方位束宽和
7
度的垂直束宽。
四束
天线设计需要最少四个贴片天线部件。
采用本建议技术的四束系统被设计成具有
26dB
天线增益、前
-
后比率高于
30dB
、副瓣水平
20
dB(
小于主瓣水平
)
等指标。采用商
用微波
VNA
对一个四束
天线设计的性
能进行了测量，采用的全扫频范围是
2.0
到
4.5 GHz
、结果显示在图
1
中。天线系统的工作
范围在
3.2
到
4.2 GHz
、
VSWR
小于
1.50:1
。
波束成型器设计
< br>波束成型器是由无源微波器件组成的复杂网络。它用于在天线和系统收发器间提供所需的相位和幅值。波< /p>
束成型网络从天线矩阵形成波束，并采用无需机械运动的电控方式控制波束方向。可通过采
用对天线元素
和相关电气元件的时间或频率域分析来设计这样一种电控波束成型网络。对
论及的多束天线系统，在设计
用于宽带应用的波束成型网络时采用的是频域分析。
为最小化
RF<
/p>
信号损耗并保持诸如相位和幅值等信号属性，一般要将波束成型网络紧挨着天线组件放置或
将其整合进天线组件。在本例中，波束成型器被挨着天线放置并采用相位匹配电缆匹配跨
接矩阵的相位
(
图
2)
。这些相位匹配电缆在期望的频带范围提供
±
1
度的相位匹配精度。每
36
英寸电缆长度贡献
的插入损耗
小于
0.5
dB
。
在本例中，波束成型器的设计采用了组合了正交耦合子、微
波混合和相移器等技术以实现在
60
度
区间内
产生四个波束的相位要求。
可利
用完全对称的
90
度混合接合以实现矢量增加来生成预期的相位
权重。
借助
其与生俱来的阻抗转换能力并通过把匹配变换器的使
用最少化来减小整个插入损耗，从而可将该混合整合
进组件。
为展示该设计方法，
设计了一个用于
3.4
到
3.6GHz
频段的四束天线波束成型器。
用安捷伦
(Aglien
t)
科技的
N5230A
矢量网络分析
仪对其性能进行了测量，
N5230A
在工作时与同样来自安捷
伦的也工作在
3.4
到
3.6GHz<
/p>
范围的
U3042A
多口测试装置连接。
图
3
、图
4
和
图
5
显示的是基于该设计方法的典型八波束波
< br>束成型网络的结果。
在
3.4
到
3.6GHz
频段的开放环境对多束天线系统的辐射模式进行了测量。
采用相位匹配
RF
电缆连接波束
成型器与天线。波束成型器的输入
端口接
3.440
、
3.480
、
3.520
和
<
/p>
3.580GHz
这四个不同的中心频率、每
个频道的带宽是
7MHz
。测试所用的
RF
功率是
+5dBm
，来自天线
和波束成型器的联合接收功率的测量是
利用频谱分析仪在距离
2
00m
处进行的。
接收到信号的功率在以
200
ｍ为半径的圆周每隔
1.0
度
测量一次，
其中把四束天线作为圆周中心。图７显示了该实际辐射样式。图６也给出了采
用
MATLAB
软件模拟得到
的理论辐射样式。
基于对制造四束天线系统的分析可以看出，有可能采用六个这样的天线系统提供全
360
度无线通信覆盖范
围。多束天线技术潜在的
应用领域是微波接入全球互通
(WiMAX)
和蜂窝网络。该方
法可极大增加此类通信
网络的用户容量和频谱效率。
诸如本文讨论的基于
SDMA
的多束天线系统通过频率再用可极大增加通信网络的容量和吞吐率。
该
设计方
法简捷明白且借助商用测试设备在户外环境对其性能进行了验证。
实测结果与得自
MATLAB
软件模拟的结
果吻合得相当好。
能捕捉
GPS/WLAN
信号的天线设计
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
< br>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)<
/p>
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。
< br>
例如，对于
GPS
应用，可能要求一根天线能同时处理
1.226GHz
< br>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
1.8GH
z
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
< br>(
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
(<
/p>
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，<
/p>
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<
/p>
)
和
17%
的<
/p>
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
13d
B
，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<
/p>
)
。
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
< br>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< /p>
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<
/p>
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。
<
/p>
除了
“
常规
”<
/p>
的天线要求之外，卫星有效载荷在发射前的地面测试中，还需要一个通道来测试卫星上部机
舱
内的通信链路，并且在不向上部机舱辐射的条件下，提供与卫星有效载荷的通信。最终
，要求天线在非常
靠近卫星的各种其它子系统的条件下有效地工作，包括太阳能电池阵列
板。为了提供一种方法，使天线不
往上部机舱中辐射，而又提供一个与天线通信的通道，
需要一些特殊的考虑。考虑过使用波导的方法，但
是结构上却无法实现。对各种天线盒和
天线帽进行
EM
仿真以确定截止特性和热点，最终开发出一种将
滤
波器和天线结合在一起的设计方案，称作为
“
滤波天线
”
。
这种新设计的部分难点在于腔内或波导中存在天线谐振。在经
历了一些不成功的实验之后，将滤波器理论
和天线理论结合在一起，并对耦合谐振器模型
进行仔细优化，用来设计滤波天线。该设计包括一个类似盖
子的天线帽，其对滤波损耗的
影响最小
(
图
8)
，增加这个帽只是为了测试
(
在卫星应用中并不需要
)
。
EM
仿
真结果显示，谐振点的位置非常敏感，其位置随着所加天线帽的位置而变化，特别是低端谐振点。
回波损
耗和插入损耗的仿真结果如图
9
所示，
而图
10
则显示了测试出来的双
端口插入损耗
(
上半部分
)
和双端口回
波损耗
(
下半
部分
)
。除了实验室中为了改进低边带的回波损耗而进行的某些
调节后的测量之外，仿真数据
和测量数据极其一致。图
11
显示了滤波天线的仿真
EM
场的侧视图，以
及端口间的耦合机制。
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