PCB天線與微帶天線

天線是作無(wú)線電波的發(fā)射或接收用的一種金屬裝置。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來(lái)傳遞信息的，都依靠天線來(lái)進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號(hào)的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。

射頻天線設(shè)計(jì)2.2微帶貼片天線微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的,如圖3所示.根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀.通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長(zhǎng),假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒有變化,僅沿約為半波長(zhǎng)(λg/2)的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化.則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中.為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻(xiàn)[5,6]設(shè)計(jì)了一種工作在24GHz的單縫隙天線和5.9GHz的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻(xiàn)[7,8]開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來(lái)對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼.圖3微帶天線2.3偶極子天線在遠(yuǎn)距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中,最常用的是偶極子天線(又稱對(duì)稱振子天線).偶極子天線及其演化形式如圖4所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成,信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入,在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場(chǎng).利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場(chǎng)方程:

式中Iz為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù),r是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離,θ為振子軸到r的夾角,l為單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度.同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù).圖4偶極子天線(a)偶極子天線;(b)折合振子天線;(c)變形偶極子天線當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度l=λ/4時(shí)(半波振子),輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻.在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下,簡(jiǎn)單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度l為λ/4的整數(shù)倍,如工作頻率為2.45GHz的半波偶極子天線,其長(zhǎng)度約為6cm.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí),可采用圖4b的折合振子.3RFID\o"射頻"射頻天線的設(shè)計(jì)從RFID技術(shù)原理和RFID天線類型介紹上看,RFID具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID天線的特點(diǎn)和性能.目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)很成熟,雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識(shí)別、貨物標(biāo)簽等RFID應(yīng)用系統(tǒng)中,但是對(duì)于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場(chǎng)合,采用線圈型天線則難以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo).同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實(shí)現(xiàn)工藝較復(fù)雜,成本較高,一時(shí)還無(wú)法被低成本的RFID應(yīng)用系統(tǒng)所選擇.偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn),且可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID應(yīng)用系統(tǒng),因此,下面我們來(lái)具體設(shè)計(jì)一個(gè)工作于2.45GHz(國(guó)際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段)的RFID偶極子天線.半波偶極子天線模型如圖4a所示.天線采用銅材料(電導(dǎo)率:5.8e7s/m,磁導(dǎo)率:1),位于充滿空氣的立方體中心.在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界.輸入信號(hào)由天線中心處饋入,也就是RFID芯片的所在位置.對(duì)于2.45GHz的工作頻率其半波長(zhǎng)度約為61mm（利用公式波長(zhǎng)，波的傳播速度，以及頻率的關(guān)系λf=v）,設(shè)偶極子天線臂寬w為1mm,且無(wú)限薄,由于天線臂寬的影響,要求實(shí)際的半波偶極子天線長(zhǎng)度為57mm.在AnsoftHFSS工具平臺(tái)上,采用有限元算法對(duì)該天線進(jìn)行仿真,獲得的輸入回波損耗S11分布圖如圖5a所示,輻射場(chǎng)E面(即最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面)方向圖如圖5b所示.天線輸入阻抗約為72Ω,電壓駐波比(VSWR)小于2.0時(shí)的阻抗帶寬為14.3%,天線增益為1.8.圖5偶極子天線(a)回波損耗S11;(b)輻射方向圖從圖5b可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無(wú)輻射.如果此時(shí)讀寫器處于該方向上,應(yīng)答器將不會(huì)做出任何反應(yīng).為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點(diǎn),可以對(duì)天線做適當(dāng)?shù)淖冃?如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長(zhǎng)λ/4成圖4c所示.這樣天線總長(zhǎng)度修改為(57.0mm+2×28.5mm),天線臂寬仍然為1mm.天線臂延長(zhǎng)λ/4后,整個(gè)天線諧振于1個(gè)波長(zhǎng),而非原來(lái)的半個(gè)波長(zhǎng).這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計(jì)算結(jié)果約為2kΩ.其輸入回波損耗S11如圖6a所示.圖6b為E面(天線平面)上的輻射場(chǎng)方向圖,其中實(shí)線為仿真結(jié)果,黑點(diǎn)為實(shí)際樣品測(cè)量數(shù)據(jù),兩者結(jié)果較為吻合說(shuō)明了該設(shè)計(jì)是正確的.從圖6b可以看到在原來(lái)弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經(jīng)近似為全方向的了.電壓駐波比(VSWR)小于2.0時(shí)的阻抗帶寬為12.2%,增益為1.4,對(duì)于大部分RFID應(yīng)用系統(tǒng),該偶極子天線可以滿足要求.寬帶無(wú)線通信的天線設(shè)計(jì)許多無(wú)線服務(wù)供應(yīng)商采用SDMA技術(shù)對(duì)可用頻譜進(jìn)行優(yōu)化利用，在360度覆蓋區(qū)域內(nèi)它一般被限制在三個(gè)區(qū)間。但采用多束天線系統(tǒng)，其覆蓋的區(qū)間可被增加至多達(dá)48個(gè)。因系統(tǒng)的波束成型網(wǎng)絡(luò)可重復(fù)利用可用頻率并降低了干擾，所以，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域來(lái)說(shuō)，它可服務(wù)更多用戶且具有更好的服務(wù)質(zhì)量。該系統(tǒng)可在多個(gè)方向長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻信號(hào)且不需中繼站。這樣，就把網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本降至最低且顯著提升了可靠性、質(zhì)量并增加了用戶數(shù)。用長(zhǎng)距離(高增益)窄束定向天線取代短距離(低增益)全向天線。通常，長(zhǎng)距離天線會(huì)增加單一方向上的用戶數(shù)，但不允許其它方向上的用戶使用該系統(tǒng)。本文建議的系統(tǒng)通過(guò)采用既可同時(shí)又可順序重復(fù)利用高增益窄束天線的多束技術(shù)解決了該問題，該技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了全向天線的球面型覆蓋范圍從而顯著增加了各個(gè)方向的用戶數(shù)。采用頻率再用技術(shù)可進(jìn)一步增加容量。多束系統(tǒng)是基于相控陣天線和ElectromagneTIc\o"TECHNOLOGIES"TECHNOLOGIESIndustries(ETI,)公司開發(fā)的Optibeam專有波束成型網(wǎng)絡(luò)的硬件方案。因該硬件方案不需要軟件編程和外接電源，所以很適合惡劣環(huán)境使用。這里討論的多束天線系統(tǒng)的主要部件是天線和波束成型網(wǎng)絡(luò)。天線包含諸如偶極子或貼片(patch)天線等小的天線元素，它們被組合成陣列。波束成型器為全部天線貼片提供所需的信號(hào)相位用以在各方向上生成波束。多束天線系統(tǒng)為得到期望的性能，兩種要素的設(shè)計(jì)參數(shù)都很關(guān)鍵。在本文討論的系統(tǒng)內(nèi)采用的天線基于組成矩陣的貼片天線。貼片天線以經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的微帶高頻印刷電路技術(shù)為基礎(chǔ)。在這樣一個(gè)矩陣安排中采用貼片部件的優(yōu)點(diǎn)有：體積小、制造成本低、重量輕、易于安裝且可靠性高。根據(jù)期望的電磁輻射方向，把不同信號(hào)幅值和相位的激勵(lì)饋送至每個(gè)貼片。輻射部件的不同相位會(huì)與天線遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合以形成窄束。本文所論述的天線被設(shè)計(jì)成線性相控陣天線系統(tǒng)，其中，各貼片間等距并在整個(gè)矩陣采用遞進(jìn)相移技術(shù)。每個(gè)貼片的間距被保持為中心頻點(diǎn)波長(zhǎng)的一半(λ/2)。貼片的中心線被初選為饋送點(diǎn)，但饋送點(diǎn)的實(shí)際準(zhǔn)確位置是由用高頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行的對(duì)輸入反射的測(cè)量結(jié)果實(shí)施經(jīng)驗(yàn)化處理決定的。除饋送點(diǎn)外，為在相關(guān)的頻率范圍內(nèi)獲得小于1.50:1的電壓駐波比(VSWR)，還對(duì)每個(gè)貼片的形狀進(jìn)行了仔細(xì)選擇。為改進(jìn)感興趣頻率范圍內(nèi)的性能，饋送點(diǎn)選得比中心點(diǎn)略高。該貼片天線部件的其它設(shè)計(jì)參數(shù)包括：諧振頻率=3.7GHz；基板高=0.030英寸；基板電介常數(shù)=2.2；貼片天線長(zhǎng)=1.575英寸；貼片天線寬=0.710英寸；饋送點(diǎn)位置略高于貼片中心點(diǎn)；極化=垂直。許多貼片天線都是在單一電介質(zhì)基板上以線性方式對(duì)貼片元素進(jìn)行排列以分別獲得15度的方位束寬和7度的垂直束寬。四束天線設(shè)計(jì)需要最少四個(gè)貼片天線部件。采用本建議技術(shù)的四束系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成具有26dB天線增益、前-后比率高于30dB、副瓣水平20dB(小于主瓣水平)等指標(biāo)。采用商用微波VNA對(duì)一個(gè)四束天線設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行了測(cè)量，采用的全掃頻范圍是2.0到4.5GHz、結(jié)果顯示在圖1中。天線系統(tǒng)的工作范圍在3.2到4.2GHz、VSWR小于1.50:1。波束成型器設(shè)計(jì)波束成型器是由無(wú)源微波器件組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。它用于在天線和系統(tǒng)收發(fā)器間提供所需的相位和幅值。波束成型網(wǎng)絡(luò)從天線矩陣形成波束，并采用無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電控方式控制波束方向?？赏ㄟ^(guò)采用對(duì)天線元素和相關(guān)電氣元件的時(shí)間或頻率域分析來(lái)設(shè)計(jì)這樣一種電控波束成型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)論及的多束天線系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)用于寬帶應(yīng)用的波束成型網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用的是頻域分析。為最小化RF信號(hào)損耗并保持諸如相位和幅值等信號(hào)屬性，一般要將波束成型網(wǎng)絡(luò)緊挨著天線組件放置或?qū)⑵湔线M(jìn)天線組件。在本例中，波束成型器被挨著天線放置并采用相位匹配電纜匹配跨接矩陣的相位(圖2)。這些相位匹配電纜在期望的頻帶范圍提供±1度的相位匹配精度。每36英寸電纜長(zhǎng)度貢獻(xiàn)的插入損耗小于0.5dB。

在本例中，波束成型器的設(shè)計(jì)采用了組合了正交耦合子、微波混合和相移器等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)在60度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生四個(gè)波束的相位要求?？衫猛耆珜?duì)稱的90度混合接合以實(shí)現(xiàn)矢量增加來(lái)生成預(yù)期的相位權(quán)重。借助其與生俱來(lái)的阻抗轉(zhuǎn)換能力并通過(guò)把匹配變換器的使用最少化來(lái)減小整個(gè)插入損耗，從而可將該混合整合進(jìn)組件。為展示該設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于3.4到3.6GHz頻段的四束天線波束成型器。用安捷倫(Aglient)科技的N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)量，N5230A在工作時(shí)與同樣來(lái)自安捷倫的也工作在3.4到3.6GHz范圍的U3042A多口測(cè)試裝置連接。圖3、圖4和圖5顯示的是基于該設(shè)計(jì)方法的典型八波束波束成型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果。在3.4到3.6GHz頻段的開放環(huán)境對(duì)多束天線系統(tǒng)的輻射模式進(jìn)行了測(cè)量。采用相位匹配RF電纜連接波束成型器與天線。波束成型器的輸入端口接3.440、3.480、3.520和3.580GHz這四個(gè)不同的中心頻率、每個(gè)頻道的帶寬是7MHz。測(cè)試所用的RF功率是+5dBm，來(lái)自天線和波束成型器的聯(lián)合接收功率的測(cè)量是利用頻譜分析儀在距離200m處進(jìn)行的。接收到信號(hào)的功率在以200ｍ為半徑的圓周每隔1.0度測(cè)量一次，其中把四束天線作為圓周中心。圖７顯示了該實(shí)際輻射樣式。圖６也給出了采用MATLAB軟件模擬得到的理論輻射樣式。基于對(duì)制造四束天線系統(tǒng)的分析可以看出，有可能采用六個(gè)這樣的天線系統(tǒng)提供全360度無(wú)線通信覆蓋范圍。多束天線技術(shù)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是微波接入全球互通(WiMAX)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)。該方法可極大增加此類通信網(wǎng)絡(luò)的用戶容量和頻譜效率。諸如本文討論的基于SDMA的多束天線系統(tǒng)通過(guò)頻率再用可極大增加通信網(wǎng)絡(luò)的容量和吞吐率。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)捷明白且借助商用測(cè)試設(shè)備在戶外環(huán)境對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)測(cè)結(jié)果與得自MATLAB軟件模擬的結(jié)果吻合得相當(dāng)好。能捕捉GPS/WLAN信號(hào)的天線設(shè)計(jì)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IEEE802.11a/b/gWLAN應(yīng)用，天線必須在\o"2.4GHZ"2.4GHZ和5GHz的兩個(gè)頻段上工作，并且?guī)挶仨氈С?1Mbps和54Mbps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，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2.25GHz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)。天線周圍的大框限定的范圍是EM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1.8GHz和2.25GHz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1.8GHz和2.25GHz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)并沒有對(duì)所有天線都進(jìn)行測(cè)量。

除了“常規(guī)”的天線要求之外，衛(wèi)星有效載荷在發(fā)射前的地面測(cè)試中，還需要一個(gè)通道來(lái)測(cè)試衛(wèi)星上部機(jī)艙內(nèi)的通信鏈路，并且在不向上部機(jī)艙輻射的條件下，提供與衛(wèi)星有效載荷的通信。最終，要求天線在非?？拷l(wèi)星的各種其它子系統(tǒng)的條件下有效地工作，包括太陽(yáng)能電池陣列板。為了提供一種方法，使天線不往上部機(jī)艙中輻射，而又提供一個(gè)與天線通信的通道，需要一些特殊的考慮?？紤]過(guò)使用波導(dǎo)的方法，但是結(jié)構(gòu)上卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。對(duì)各種天線盒和天線帽進(jìn)行EM仿真以確定截止特性和熱點(diǎn)，最終開發(fā)出一種將濾波器和天線結(jié)合在一起的設(shè)計(jì)方案，稱作為“濾波天線”。這種新設(shè)計(jì)的部分難點(diǎn)在于腔內(nèi)或波導(dǎo)中存在天線諧振。在經(jīng)歷了一些不成功的實(shí)驗(yàn)之后，將濾波器理論和天線理論結(jié)合在一起，并對(duì)耦合諧振器模型進(jìn)行仔細(xì)優(yōu)化，用來(lái)設(shè)計(jì)濾波天線。該設(shè)計(jì)包括一個(gè)類似蓋子的天線帽，其對(duì)濾波損耗的影響最小(圖8)，增加這個(gè)帽只是為了測(cè)試(在衛(wèi)星應(yīng)用中并不需要)。EM仿真結(jié)果顯示，諧振點(diǎn)的位置非常敏感，其位置隨著所加天線帽的位置而變化，特別是低端諧振點(diǎn)。回波損耗和插入損耗的仿真結(jié)果如圖9所示，而圖10則顯示了測(cè)試出來(lái)的雙端口插入損耗(上半部分)和雙端口回波損耗(下半部分)。除了實(shí)驗(yàn)室中為了改進(jìn)低邊帶的回波損耗而進(jìn)行的某些調(diào)節(jié)后的測(cè)量之外，仿真數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)極其一致。圖11顯示了濾波天線的仿真EM場(chǎng)的側(cè)視圖，以及端口間的耦合機(jī)制。本設(shè)計(jì)還適用于另外兩個(gè)用途，一個(gè)是作為雙頻Wi-Fi天線，適用于目前正處熱點(diǎn)的頻率為2.4GHz和5GHz的IEEE802.11a/b/gWLAN，另一個(gè)則適用于雙頻GPS。圖12顯示了Wi-Fi天線的仿真結(jié)果，圖中顯示了線性極化設(shè)計(jì)的高增益，但是該設(shè)計(jì)要求在低端增加帶寬，以滿足2.4GHz的IEEE802.11g的要求。而雙頻GPS天線的仿真性能與測(cè)試數(shù)據(jù)一致，在此沒有給出。設(shè)計(jì)中還包括退化振蕩模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)支持兩種非常接近且具有90度相移的模。實(shí)際上，整個(gè)天線設(shè)計(jì)都是根據(jù)這一設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化的。即便是天線在幅度特性和相位特性檢驗(yàn)完成型之后，為了能夠映射天線的場(chǎng)，它仍然是有用的。通過(guò)以光學(xué)方式映射場(chǎng)向量并將其與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，則將使得調(diào)整各次模的相位變?yōu)榭赡?。這種工具會(huì)進(jìn)一步減少天線工程設(shè)計(jì)中的推測(cè)工作。這種設(shè)計(jì)工具目前已經(jīng)可以得到，但迄今為止，對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)而言成本仍然過(guò)高。LTE無(wú)線系統(tǒng)的天線技術(shù)分析多輸入、多輸出(MIMO)空間分集天線配置專門針對(duì)3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)移動(dòng)通信系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。實(shí)際上，LTE系統(tǒng)規(guī)定了三類天線技術(shù)：MIMO、波束成形和分集方法。對(duì)提升信號(hào)魯棒性、實(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)能力來(lái)說(shuō)，這三種技術(shù)都非常關(guān)鍵。理解這些不同天線技術(shù)是如何工作的，將對(duì)采用這些方法的測(cè)試系統(tǒng)有幫助。圖1對(duì)各種天線技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述。每種技術(shù)的名稱顯示出系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器是如何接入無(wú)線信道的。具有單個(gè)發(fā)射器和單個(gè)接收器的單輸入、單輸出(SISO)方法是最基本的無(wú)線信道接入模式。多輸入、單輸出(MISO)模式略復(fù)雜些，它采用兩或多個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線。在MISO系統(tǒng)(通常也被稱為發(fā)射分集系統(tǒng))，相同數(shù)據(jù)被送至兩個(gè)發(fā)射天線，但數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了編碼以使接收器能辨認(rèn)出數(shù)據(jù)來(lái)自哪個(gè)發(fā)射器。發(fā)射分集使信號(hào)具有更強(qiáng)的衰減抵抗力，并且能低信噪比(SNR)條件下改進(jìn)性能。該技術(shù)不直接增加數(shù)據(jù)速率，但它以更低功耗支持現(xiàn)有速率?？山柚鷣?lái)自接收器對(duì)指示相位均衡和各天線功率的反饋來(lái)強(qiáng)化發(fā)射分集。單輸入、多輸出(SIMO)方法(也常被稱為接收分集技術(shù))采用一個(gè)發(fā)射天線和兩或多個(gè)接收天線。與發(fā)射分集方法一樣，它也很適合工作在低SNR條件下，當(dāng)采用兩個(gè)接收器時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn)3dB增益。因?yàn)橹话l(fā)射一個(gè)數(shù)據(jù)流，所以數(shù)據(jù)速率不變。MIMO方法要求兩或多個(gè)發(fā)射天線和兩或多個(gè)接收天線。該模式并非MISO和SIMO的簡(jiǎn)單疊加，因?yàn)槎鄠€(gè)數(shù)據(jù)流在相同頻率和時(shí)間被同時(shí)發(fā)射，所以充分利用了無(wú)線信道內(nèi)不同路徑的優(yōu)勢(shì)。MIMO系統(tǒng)內(nèi)的接收器數(shù)必須不少于被發(fā)射的數(shù)據(jù)流數(shù)。請(qǐng)注意，不要混淆了被發(fā)射的數(shù)據(jù)流數(shù)與發(fā)射天線數(shù)。例如，在發(fā)射分集(MISO)的場(chǎng)合中，有兩個(gè)發(fā)射天線，但只有一個(gè)發(fā)射流。把SIMO疊加在MISO上不會(huì)得到MIMO系統(tǒng)，即使疊加后存在兩個(gè)發(fā)射和接收天線。系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)射器數(shù)比擬被發(fā)射的數(shù)據(jù)流數(shù)多總是可能的，但反之不然。若N個(gè)數(shù)據(jù)流通過(guò)少于N個(gè)的發(fā)射天線發(fā)射，則無(wú)論有多少接收器，數(shù)據(jù)都不會(huì)被完全解擾。不借助空間分集的數(shù)據(jù)流交疊只會(huì)產(chǎn)生干擾。但如果N個(gè)數(shù)據(jù)流在空間上最少分發(fā)給N個(gè)天線，則在無(wú)線信道內(nèi)的交叉干擾和噪聲足夠低，以至不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失的情況下，N個(gè)接收器就可完全重構(gòu)原始數(shù)據(jù)流。對(duì)MIMO操作來(lái)說(shuō)，出自每個(gè)天線的發(fā)射都必須具有唯一身份以便各接收器能確定它所接收到的都是哪些發(fā)射組合。身份識(shí)別一般是借助先導(dǎo)信號(hào)完成的，該信號(hào)對(duì)每一天線都采用正交模式。在這種情況下，對(duì)無(wú)線信道的空間分集使MIMO有可能增加數(shù)據(jù)速率。MIMO的一個(gè)基本形態(tài)是為每個(gè)天線分配一個(gè)數(shù)據(jù)流(圖2)。然后信道將兩個(gè)發(fā)射進(jìn)行混合，這樣，就接收器來(lái)看，每個(gè)天線收到的是各個(gè)數(shù)據(jù)流的組合。解碼接收到的信號(hào)需要技巧，其中接收器分析表征每個(gè)發(fā)射器的樣式以確定它代表哪些組合。采用反向?yàn)V波器并累加接收到的數(shù)據(jù)流將重構(gòu)原始數(shù)據(jù)。MIMO的一個(gè)更先進(jìn)形式包括特殊的預(yù)編碼以把發(fā)射與信道的Eigen模式匹配起來(lái)。該優(yōu)化將把每一待發(fā)數(shù)據(jù)流分送至不止一個(gè)發(fā)射天線。為使該技術(shù)高效工作，發(fā)射器必須把握信道條件且在某種場(chǎng)合，這些條件必須由用戶設(shè)備(UE)實(shí)時(shí)反饋回送。這種優(yōu)化使系統(tǒng)更復(fù)雜，但可提升性能。MIMO系統(tǒng)的理論增益是如下因素的函數(shù)：發(fā)射和接收天線的數(shù)量、射頻衍播條件、發(fā)射器適應(yīng)變化條件的能力以及SNR。理想情況是：無(wú)線信道內(nèi)的路徑是不相關(guān)的，就像是獨(dú)立、物理上由電纜連接的通路且在發(fā)射器和接收器間沒有交叉干擾。因這樣的條件在現(xiàn)實(shí)空間幾乎不存在，所以，在不指明環(huán)境條件的情況下，引用MIMO增益既沒意義又不可能。理想條件下的MIMO增益更容易確定，對(duì)一個(gè)有兩個(gè)同時(shí)數(shù)據(jù)流的2×2系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雙倍容量和數(shù)據(jù)速率都是可能的。在高SNR、短視距條件下，MIMO技術(shù)性能最好。視距等同于信道交叉干擾，視距越長(zhǎng)則提升增益的可能性越小。因此，MIMO特別適合一般來(lái)說(shuō)具有多路徑但視距有限的室內(nèi)環(huán)境。雖然圖1中的簡(jiǎn)單描述并沒明確MIMO系統(tǒng)內(nèi)是否采用多個(gè)發(fā)射器和接收器，但圖3所示的幾個(gè)樣例細(xì)節(jié)或許有助于解釋不同的MIMO設(shè)置。第一種情況是單用戶MIMO(SU-MIMO)系統(tǒng)，它是MIMO的最通用形態(tài)且可被用于無(wú)線系統(tǒng)的上行或下行鏈路。SU-MIMO的基本目標(biāo)是增加針對(duì)一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)然，它也相應(yīng)增加了蜂窩的容量。圖3顯示的是2×2SU-MIMO系統(tǒng)的下行鏈路形式，其中，一個(gè)用戶設(shè)備配有兩個(gè)數(shù)據(jù)流。樣例中，數(shù)據(jù)流被編碼成紅和藍(lán)色；且在本例中，被進(jìn)一步以這樣一種方式進(jìn)行了預(yù)編碼：每個(gè)流在每個(gè)天線上用不同功率和相位進(jìn)行表述。數(shù)據(jù)流的顏色在發(fā)射天線處改變，意味著給數(shù)據(jù)流的混合發(fā)信令。發(fā)射的信號(hào)在信道內(nèi)被進(jìn)一步混合。預(yù)編碼的目的是針對(duì)無(wú)線信道的特性而對(duì)發(fā)射進(jìn)行優(yōu)化，以便當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，可更容易地將其分割回原始數(shù)據(jù)流。

第二個(gè)例子是2×2多用戶MIMO(MU-MIMO)，它只用于無(wú)線系統(tǒng)的上行鏈路。(MUMIMO，如在WiMAX規(guī)范中描述的，被稱為協(xié)同空間復(fù)用或協(xié)同MIMO；但LTE不采用該術(shù)語(yǔ))。MU-MIMO不增加單一用戶的數(shù)據(jù)速率，但的確會(huì)提供蜂窩容量增益，它相等或好于SU-MIMO所能提供的增益。在圖3中，這兩個(gè)數(shù)據(jù)流源自不同用戶設(shè)備。兩個(gè)發(fā)射器比單用戶情況相隔更遠(yuǎn)，而缺少物理連接意味著沒機(jī)會(huì)通過(guò)混合兩個(gè)數(shù)據(jù)流來(lái)把編碼優(yōu)化至信道的Eigen模式。但，額外的空間隔離的確使基站更有機(jī)會(huì)——更具體地說(shuō)就是無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中的演進(jìn)型節(jié)點(diǎn)B(eNB)元素——把具有非關(guān)聯(lián)路徑的用戶設(shè)備“撮合”在一起。這使得容量的可能增益最大化，這與天線靠近會(huì)引發(fā)問題的預(yù)編碼SUMIMO情況不同，特別是在小于1GHz頻率下。MUMIMO具有額外的重要優(yōu)點(diǎn)：用戶設(shè)備不需要兩個(gè)發(fā)射器的開支和功耗，但蜂窩仍得益于增加的容量。為使MUMIMO的增益最大化，當(dāng)用戶設(shè)備被安裝在基站時(shí)，必須對(duì)時(shí)間和功率很好地組織。圖3中的第三種情況是合作MIMO(Co-MIMO)。別把該名稱與前述WiMAX的協(xié)同MIMO混在一起。Co-MIMO在發(fā)射端牽涉兩個(gè)獨(dú)立實(shí)體。本例是下行鏈路情況，其中，兩個(gè)eNB通過(guò)共享數(shù)據(jù)流“協(xié)同”對(duì)空間分離的天線進(jìn)行預(yù)編碼以實(shí)現(xiàn)最少與其中一個(gè)用戶設(shè)備的優(yōu)化通信。當(dāng)該技術(shù)用于下行鏈路時(shí)，它有時(shí)被稱為網(wǎng)絡(luò)MIMO。當(dāng)用戶設(shè)備處在蜂窩邊沿時(shí)，使用下行鏈路Co-MIMO具有最佳效能。在此，SNR會(huì)最差，但無(wú)線路徑將不相關(guān)，從而有很大潛力提升性能。Co-MIMO也可被用于無(wú)線系統(tǒng)的上行鏈路，但因用戶設(shè)備間沒有共享數(shù)據(jù)流的物理連接，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)從根本上說(shuō)更困難。用戶設(shè)備間沒有物理連接的上行鏈路Co-MIMO“陷落”為不采用預(yù)編碼的MUMIMO。上行鏈路Co-MIMO還被稱為虛擬MIMO。Co-MIMO不是用于LTE的3GPPRelease8的一部分，但正對(duì)其研究，從而有可能在Release9或Release10中成為可能的LTE加強(qiáng)。與MIMO不同(它在無(wú)線信道呈現(xiàn)出沒有相關(guān)發(fā)射器路徑特征時(shí)，得到最高吞吐量)，波束成形會(huì)嘗試關(guān)聯(lián)以使發(fā)射器的發(fā)射模式直接傾向于接收器。它是通過(guò)對(duì)經(jīng)校準(zhǔn)的相陣天線施加少量時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)的。波束成形的效能隨天線數(shù)而異。當(dāng)僅有兩個(gè)天線時(shí)，增益會(huì)小有增長(zhǎng)，但若采用四個(gè)天線，則可能顯著提升增益。理論上，改變其預(yù)編碼矩陣，可把MIMO系統(tǒng)變成波束成形系統(tǒng)。但實(shí)際上，必須考慮天線設(shè)計(jì)，且事情也并非如此簡(jiǎn)單?？砂烟炀€設(shè)計(jì)成相關(guān)或非相關(guān)的；例如，通過(guò)改變極化方向。但在設(shè)計(jì)天線時(shí)，若已針對(duì)相關(guān)或非相關(guān)模式對(duì)其實(shí)施了優(yōu)化，則在這兩種模式間的切換會(huì)有問題。因波束成形對(duì)應(yīng)于用戶設(shè)備的物理位置，所以天線相控所需的刷新速率要遠(yuǎn)比支持MIMO預(yù)編碼所需的速率低。因此，波束成形的信令開銷比MIMO的低。多天線技術(shù)的最高級(jí)形態(tài)也許是波束成形和MIMO的結(jié)合。在此模式，MIMO技術(shù)可被用于一系列天線，其中每個(gè)都包含波束成形矩陣。鑒于僅有兩個(gè)天線的波束成形系統(tǒng)的增益有限，所以除非有許多天線，否則把波束成形和MIMO結(jié)合起來(lái)的好處就得不到充分發(fā)揮。就LTE系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，業(yè)已描述的四個(gè)多天線技術(shù)中的三個(gè)——發(fā)射分集(MISO)、接收分集(SIMO)和空間復(fù)用(MIMO)——可被用于LTE下行鏈路。開環(huán)發(fā)射分集是其中第一個(gè)也是最簡(jiǎn)單的。該技術(shù)在概念上與在3GPPUMTSRelease99中介紹的方法相同。LTE沒采用專用于UMTS的更復(fù)雜的閉環(huán)發(fā)射分集技術(shù)。LTE代之以更先進(jìn)的MIMO，它不是Release99的一部分。LTE支持兩或四天線的發(fā)射分集配置。圖4顯示的是兩個(gè)發(fā)射器的例子，其中，數(shù)據(jù)的單一流被指配給不同層并采用空頻分組碼(SFBC)技術(shù)進(jìn)行編碼。因該發(fā)射分集形態(tài)沒有數(shù)據(jù)速率增益，所以代碼字CW0和CW1一樣。通過(guò)在不同天線上采用不同的副載頻重復(fù)發(fā)射數(shù)據(jù)，借助頻率分集，SFBC實(shí)現(xiàn)了魯棒性。第二種下行鏈路方法——發(fā)射分集，是用戶設(shè)備強(qiáng)制要求的。它是性能要求得以確認(rèn)的基線接收器的能力。典型應(yīng)用是把接收到數(shù)據(jù)流組合的比例最大化以改善惡劣條件下的SNR。在良好條件下，接收分集可提供的增益很小。第三種下行鏈路方法是空間復(fù)用，或稱MIMO，它也支持兩或四個(gè)天線配置。假定一個(gè)兩信道用戶設(shè)備的接收器，該方法允許2×2或4×2MIMO。4×4配置所需的四信道用戶設(shè)備接收器業(yè)已被定義，但似乎難以在近期實(shí)現(xiàn)。最常用的配置應(yīng)是2×2SU-MIMO。在此情況，有效載荷數(shù)據(jù)將被分為——CW0和CW1兩個(gè)編碼字流，并按照?qǐng)D4中描述的步驟處理。LTE采用數(shù)據(jù)流帶預(yù)編碼的閉環(huán)形式MIMO，所以對(duì)頻分復(fù)用(FDD)版本的LTE來(lái)說(shuō)，發(fā)射器必須了解信道情況。信道信息由上行鏈路控制信道的用戶設(shè)備提供。信道反饋采用編碼書方法為預(yù)先確定的一組預(yù)編碼矩陣提供索引。因信道一直變化，該信息必須在整個(gè)信道帶寬的多個(gè)點(diǎn)以規(guī)則間隔提供，刷新速率可達(dá)每秒幾百次。此時(shí)，確切細(xì)節(jié)仍待定；但，對(duì)信道條件估算得最準(zhǔn)、然后能通知所用的最優(yōu)編碼的用戶設(shè)備無(wú)疑將從信道獲得最佳性能。雖然采用編碼書進(jìn)行預(yù)編碼限制了與信道的最佳匹合，但它顯著簡(jiǎn)化了用戶設(shè)備實(shí)施信道估算的過(guò)程以及傳遞期望預(yù)編碼所需的上行信令的工作量。LTE的預(yù)編碼矩陣支持MIMO和波束成形。2×2SU-MIMO和4×4SU-MIMO分別需要4和16個(gè)代碼書條目。除MIMO預(yù)編碼外，還有一個(gè)稱為循環(huán)延遲分集(CDD)的選項(xiàng)。該技術(shù)增加了針對(duì)天線的循環(huán)時(shí)間偏移以人工在接收到的信號(hào)上生成多路徑并阻止由挨近的發(fā)射天線導(dǎo)致的信號(hào)抵消。通常，一般不期望產(chǎn)生多路徑，但通過(guò)為一個(gè)原本平坦的信道創(chuàng)生多路徑，eNB用戶設(shè)備調(diào)度器可在那些具有有利衍播條件的資源塊中選擇性進(jìn)行發(fā)射并針對(duì)每個(gè)用戶設(shè)備實(shí)施循環(huán)延遲分集處理。對(duì)LTE來(lái)說(shuō)，基線用戶設(shè)備配置有一個(gè)發(fā)射器。在手持設(shè)備中采用它是為了節(jié)約成本、延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，它還支持MU-MIMO——也即，兩個(gè)不同的用戶設(shè)備在相同頻率和時(shí)間向eNB發(fā)射數(shù)據(jù)。圖5顯示的是對(duì)發(fā)射的MIMO信號(hào)的分析。在MIMO編碼前，分析軟件先檢查不同的天線端口以驗(yàn)證物理層格式并執(zhí)行單獨(dú)的發(fā)射器測(cè)試，如：向量誤差幅度(EVM)。軟件還能解碼發(fā)射分集編碼信號(hào)并通過(guò)分析來(lái)自多發(fā)射天線端口的組合信號(hào)輸出執(zhí)行復(fù)合EVM。X頻段Vivaldi天線設(shè)計(jì)本文將說(shuō)明Vivaldi天線如何在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，本研究目標(biāo)的Vivaldi天線針對(duì)X頻段應(yīng)用，即8～12GHz頻段。天線對(duì)發(fā)射和接收電磁(EM)能量的高頻通信和電子系統(tǒng)很關(guān)鍵。雖然有許多不同種類的天線，但都是根據(jù)同一基本電磁原理工作的。天線的基本行為可以用其波場(chǎng)強(qiáng)度、極化及傳播方向來(lái)描述。在如機(jī)載雷達(dá)和通訊系統(tǒng)中的關(guān)鍵要求包括效率高、帶寬大、重量輕、體積小及簡(jiǎn)單。漸變式槽縫天線(TSA)是Gibson在1973年提出的，非常適合滿足這些要求。\o"1986"1986年第一次分析了無(wú)襯底TSA的簡(jiǎn)單例子，隨后出現(xiàn)了更先進(jìn)的分析方法。許多早期TSA實(shí)驗(yàn)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件設(shè)計(jì)和分析工具進(jìn)行，如Ansoft()公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)和ComputerSimulationTechnology()公司的CSTMicrowaveStudio。但對(duì)所有此項(xiàng)探討，以前對(duì)實(shí)際TSA設(shè)計(jì)的研究都不夠，因此本文將給出一款高頻單端指數(shù)Vivaldi天線。為本研究設(shè)計(jì)的Vivaldi天線針對(duì)X頻段應(yīng)用，即8～12GHz頻段。天線采用安捷倫科技公司()的\o"ADVANCED"ADVANCEDDesignSystem(ADS)EDA軟件工具模型化并仿真，采用矩量法(MoM)分析。此方法基于精確的格林函數(shù)；用于ADS中的基于MoM的過(guò)程計(jì)算反射系數(shù)和天線中的未知電流。隨后計(jì)算反射系數(shù)，基本函數(shù)的收斂和電流分布以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射行為。通過(guò)用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和譜分析儀進(jìn)行高頻測(cè)量來(lái)驗(yàn)證部分參數(shù)。在計(jì)劃設(shè)計(jì)Vivaldi天線之前，應(yīng)該仔細(xì)了解其特性。在設(shè)計(jì)和制造Vivaldi天線之前，其基本組成、工作原理、輻射形式、TSA類型、極化以及饋電技術(shù)必須仔細(xì)考慮并研究。要了解這種天線的設(shè)計(jì)，首先采用現(xiàn)代高頻EDA工具仿真，然后制作并測(cè)量，以將性能與仿真結(jié)果相比較。Vivaldi天線是一種有用的配置，原因是其簡(jiǎn)單性、寬帶寬和在微波頻率下的高增益?？偟膩?lái)說(shuō)，為端射輻射圖，使其成為連續(xù)一種比例、漸進(jìn)彎曲、慢泄漏端射行波天線。在不同頻率下，Vivaldi天線的不同部分在輻射，而輻射部分的大小在波長(zhǎng)上是常數(shù)。就其本身而言，Vivaldi天線理論上為無(wú)限工作頻率范圍，在此范圍波束寬度為常數(shù)。文獻(xiàn)上諸如“漸變開槽”、“槽式”、“漸變槽式”這樣的術(shù)語(yǔ)在Vivaldi天線中一直是互用的。這些天線包括蝕刻到薄金屬膜的漸變槽，在薄膜一側(cè)有或者沒有電介基板。除效率和重量輕的特點(diǎn)之外，像Vivaldi天線這樣的TSA很吸引人，因?yàn)榭梢栽趯拵捁ぷ?，產(chǎn)生對(duì)稱端射束流，增益可觀，側(cè)瓣低。圖1示意了一個(gè)Vivaldi天線的基本結(jié)構(gòu)，WE為輸入槽寬度，WA為輻射區(qū)槽寬度，WO為輸出槽寬度。Vivaldi天線有兩個(gè)傳播和輻射區(qū)：1.由WE<W<WA定義的區(qū)域。2.由WA<W{<WO定義的區(qū)域。Vivaldi天線是一種“表面形”行波天線。電磁波沿天線彎曲槽路徑傳輸。與自由空間波長(zhǎng)相比，導(dǎo)體之間的分割區(qū)很小，波受到嚴(yán)格限制。隨著分割的增加，限制越來(lái)越弱，波從天線發(fā)射出去。這發(fā)生在邊緣分割大于一半波長(zhǎng)時(shí)。行波沿Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)傳輸，因?yàn)殡姶挪ㄏ嗨傩∮谧杂煽臻g光速。因此，Vivaldi天線特點(diǎn)是端射式輻射，如圖2所示。相速限制情況與空氣電介質(zhì)情況有關(guān)，因此束寬和副瓣水平比現(xiàn)有電介基板的情況大得多。此外，相速和導(dǎo)波長(zhǎng)隨厚度、電介常數(shù)和漸變?cè)O(shè)計(jì)而變。點(diǎn)擊查看大圖TSA可以設(shè)計(jì)為多種漸變形式。平面TSA有兩個(gè)共同特征：輻射槽作為天線地平面及天線由平衡槽線饋電。設(shè)計(jì)平面TSA中的難題包括采用在天線中采用低介電常數(shù)基板材料和達(dá)到適當(dāng)?shù)牟劬€阻抗匹配。通過(guò)采用低介電常數(shù)基板材料，能得到相對(duì)高的槽線阻抗。這樣，如果采用微帶饋電，要達(dá)到阻抗匹配就很難。因此，從微帶到槽的轉(zhuǎn)換將會(huì)限制TSA的工作帶寬。已進(jìn)行過(guò)支撐材料彎曲對(duì)不同類型TSA的影響的試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，漸變形式的彎曲對(duì)增益、束寬和TSA帶寬影響巨大。實(shí)際上，饋電一般決定了高頻限，而孔徑尺寸決定了低頻限。因此，要使TSA帶寬最大化，合理設(shè)計(jì)饋電結(jié)構(gòu)很關(guān)鍵。雖然微波集成電路(MIC)一般用微帶實(shí)現(xiàn)，但槽線仍是TSA饋電的最佳傳輸媒介。從微帶到槽線的轉(zhuǎn)換應(yīng)緊湊并有損失，以便將來(lái)自天線的微波信號(hào)耦合到平面微帶電路?？梢圆捎枚喾N饋電技術(shù)，最常用的方法是同軸饋電線和微帶饋電線。

這一部分說(shuō)明了Vivaldi天線如何在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，下面將介紹Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)所在。與其它饋電機(jī)制相比，從微帶到槽線的轉(zhuǎn)換具有許多優(yōu)點(diǎn)。這一轉(zhuǎn)換可以簡(jiǎn)單地用常規(guī)光刻工藝制造。此外，雙面印刷電路板(PCB)的制作可以一側(cè)用微帶，另一側(cè)用槽線，以達(dá)到緊湊轉(zhuǎn)換。本報(bào)告中Vivaldi天線就采用了這種轉(zhuǎn)換類型(圖3)。微波PCB中廣泛采用的微帶線為非平衡線，雖然Vivaldi天線要求用槽線傳輸線饋電，槽線傳輸線為平衡線。非平衡到平衡傳輸所需要的不平衡變壓器必須工作在至少兩倍頻程，甚至高達(dá)多倍頻程。最好是，不平衡變壓器與頻率無(wú)關(guān)。為說(shuō)明TSA設(shè)計(jì)的有效性，從其它可能的設(shè)計(jì)中選擇Vivaldi天線，因?yàn)閷?duì)這一配置已經(jīng)進(jìn)行過(guò)大量的研究。無(wú)論設(shè)計(jì)哪種天線，電介質(zhì)基板材料的選擇都很關(guān)鍵。有很多基板材料可選，而其特性和介電常數(shù)差異很大。本實(shí)驗(yàn)性Vivaldi天線更適合在低電介常數(shù)基板上制作轉(zhuǎn)換和Vivaldi天線，避免采用短鉆孔。本實(shí)驗(yàn)天線用Rogers公司()的RO4003C基板材料制作，此材料的介電常數(shù)為3.38。采用安捷倫的ADS軟件優(yōu)化用于8GHz～12GHz的設(shè)計(jì)。Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉(zhuǎn)換，因?yàn)榕c其它方法相比，此方法有許多優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是這種轉(zhuǎn)換可以方便地用常規(guī)照相蝕刻工藝制作，可以做成一側(cè)用微帶而另一側(cè)用槽線的雙面PCB。Kayani等在2005年提出了一種簡(jiǎn)單的集成Vivaldi天線。其單面設(shè)計(jì)采用了帶線到槽線耦合，如圖4。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是，與對(duì)踵Vivaldi天線相比，可以更小。此外，因?yàn)樘炀€尺寸小，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE)軟件工具時(shí)，仿真時(shí)間相對(duì)要短。圖4為工作在8GHz～12GHz頻率的雙面Vivaldi天線示意圖，長(zhǎng)度為7.48cm，寬為2.08cm。微帶線的寬度為0.29cm。圓形槽端的直徑為1cm，槽線間隙為0.08cm。點(diǎn)擊查看大圖采用Agilent的ADS軟件套件MomentumEM分析工具設(shè)計(jì)和仿真的過(guò)程有很多步驟：1.構(gòu)建高頻Vivaldi天線物理層設(shè)計(jì)2.選擇理想的Momentum運(yùn)行模式進(jìn)行Vivaldi天線仿真3.確定需要的基板材料和其特性4.通過(guò)前期計(jì)算采用的基板材料求基板參數(shù)5.設(shè)計(jì)天線口并定義其特性6.建立并生成電路網(wǎng)7.建立并仿真Vivaldi天線的性能8.查看S參數(shù)和輻射圖結(jié)果。用Momentum軟件構(gòu)建并仿真Vivaldi天線的實(shí)際步驟將在本系列文章的下一部分詳細(xì)說(shuō)明，下一部分將發(fā)表在《微波與射頻》(Microwaves&RF)雜志的2008年8月刊上。在第三部分，將給出針對(duì)Vivaldi天線，對(duì)用商用測(cè)試設(shè)備在9GHz頻段進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果和用安捷倫?司的AgilentMomentum平面EM仿真軟件進(jìn)行的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

Vivaldi天線可以在微波頻段提供優(yōu)秀的定向傳播性能。正如本文前兩部分介紹的那樣，Vivaldi天線可以是基于漸變開槽天線(TSA)架構(gòu)的一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。作為第三部分，這篇文章比較了對(duì)這一設(shè)計(jì)制造的X波段天線的實(shí)際測(cè)量結(jié)果和利用安捷倫科技公司()提供的\o"ADVANCED"ADVANCEDDesignSystem(ADS)軟件做的仿真結(jié)果。利用安捷倫?司ADS軟件套件中的AgilentMomentumEM分析工具所做的八點(diǎn)設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程在第一部分有詳細(xì)描述。該天線在RO4003C材料上制造，SMA邊緣連接器與天線的微帶線相粘連，SMA插座的外部地氣引腳短路到天線的槽線地平面，SMA的中心引腳則被焊接到微帶傳輸線。圖5給出了以這種方式制造的Vivaldi天線板，該天線板可直接用于測(cè)試和評(píng)估。測(cè)量包括產(chǎn)生S參數(shù)和輻射方向圖。圖6是用于評(píng)估Vivaldi天線S11參數(shù)的測(cè)試設(shè)置實(shí)例。在進(jìn)行測(cè)量之前，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)必須先完成校準(zhǔn)。然后將Vivaldi天線的50Ω連接器和VNA的端口1連接器通過(guò)一根50Ω的低損耗同軸電纜連接起來(lái)。VNA測(cè)量頻率范圍被設(shè)為8到12GHz。一旦從VNA獲得S11logmagnitude值，就能與Momentum分析得到的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)用于輻射方向圖測(cè)量的最佳頻率是9.20GHz。用于輻射方向圖測(cè)量的測(cè)試設(shè)置如圖7所示。為了完成這些測(cè)量，需要將微波信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一根高質(zhì)量的50Ω同軸電纜連接到Vivaldi天線的SMA連接器。信號(hào)HYPERLINK"/product/se