宽带军用天线在现代通信中的应用

多年以来，军事应用一直需要宽带通信链路以及拥有与之带宽相同的天线。通常，天线必须工作在多个倍频程的范围上。因此，人们设计制造了容量为多个倍频程的天线架构。事实证明，这些技术在设计现代通信系统的天线产品时十分有效。本文回顾了商用通信系统的进化过程，尤其是对新频带不断增长的需求，然后集中讨论了两种值得精细研究的天线类型—螺旋和双锥型天线。

现代通信需求

许多通信系统需要覆盖900MHz频段。随着网络的进化，人们将其他一些1700到2200MHz内的频段用于DCS，PCS和UMTS。除了这些频率以外，通常需要覆盖的范围还包括TETRA（大约400MHz），无线局域网和无线本地环路（大约2500，3500和5500MHz）。为了满足所有这些需求，天线必须提供400MHz到6GHz的有效覆盖。

在某些应用中可以采用一系列独立天线来满足要求，这些天线中的每一个都工作于一个特定频带。然而，为了避免使用多种类型天线使外形更合理，通常最好的选择是用一个单天线提供对整个频段的覆盖。另外，仅使用一个天线有一些额外的好处。除了通常的审美问题，还有助于确定天线安装的设计方案，避免天线引起新建筑内其它干净的走线发生混乱，从而满足建筑上的需要。

对天线的要求包括多频带能力，其频带可能是固定或移动接入点以及基站的频带，这是因为多数现代的设备被设计为多功能的。这种多功能性正是许多现代系统所具有的吸引力的一部分。专业用户需要设备不用调整工作模式就能工作。因此，无论是接入点还是用户，其工作频带的切换必须是无缝的。如果给定系统中的某个用户需要移动，那么天线的辐射图样就要是全向的，这样无论用户相对于邻近接入点的移动方向如何都能确保覆盖。在固定系统中，用户天线可能需要是方向性的，其方向对准最近的基站以获得最佳性能。基站的配置可以有多种方式。有时需要使用一个全向基站并将其放在覆盖区域的中心。其它一些情况下，可以将一群扇形天线配置在一处，每个覆盖环绕基站的一个扇形区域。系统通常使用的扇形角度包括到。系统中使用的极化情况也多种多样。可能是线性垂直极化，水平或倾斜极化，甚至是圆极化。极化方式根据系统协议和结构变化，每种各有优点。通过使用附加天线系统可以获得额外的好处。通过配置空间分集，极化分集，自适应天线，或多输入多数出（MIMO）天线都可以提高链接正常工作下保持可接受信噪比的统计概率。本文的内容是讨论单天线系统性能，而不是研究如何连接多个天线获得更高的性能。

螺旋天线

螺旋天线很早以前就开始用于军事应用中的测向和通常的威胁识别。图1给出了一种典型的2到18GHz腔基螺旋天线，图2给出了使用这种天线进行的一次电磁仿真，显示了此构造不同部分上的场强。在这些应用中，通常要求天线的幅度和相位每一个都是统一样式。还要求主瓣应该拥有平滑的曲线，没有任何拐点，即为单调的。这种天线典型辐射图样如图3所示。通常这些应用中更重要的是控制波束形状并使各个天线元的性能匹配，而不是使天线增益最大化。对于许多商业通信系统，更重要的是给某个区域有效地填充信号而不是产生非常精确的波束形状。本例中使用的螺旋辐射结构非常适于此种工作模式，但是不再需要与带有吸收体的腔体连接使用。使用这种结构可以创造两种类型的天线：双向结构，这种结构允许螺旋天线自由地向空间中其平面法线的两个方向辐射；或增益更高的单向结构，这种结构中反射极紧靠螺旋天线使一个方向的辐射被反射回来，因此使前向增益增强。图4给出了一个双向螺旋天线。注意到其独有特征可以扩展频率覆盖范围。图5给出某同类型天线的电磁仿真。图6给出类似这种双向螺旋天线的辐射特性。可以看到当极化方式在前向为左手圆极化时，在反方向为右手圆极化。因此，在其间的传输区域中为线性极化。这种方式在许多布设中具有优势。例如，如果要在走廊或大厅放置天线，那么这种类型的双向天线可以完美地适合这种情况。有时，需要更多方向的天线而且需保持其宽带特性。典型情况为天线布置在其覆盖范围的角落，例如大厅或中庭。这种情况下，反射极起到增加前向增益的作用。图7给出了这种单向小型螺旋天线的辐射图样。根据螺旋尺寸选择，可能提供400MHz到6GHz频段上的覆盖范围。这些天线应用系统，无论原先安装的时候还是将来，都要求收发通信频带使用单一天线。

图1 2到18GHz腔基螺旋天线

图2 腔基螺旋天线电磁仿真

图3 腔基螺旋天线典型辐射图样

图4 双向螺旋天线

图5 双向螺旋天线电磁仿真

图6 双向螺旋天线典型辐射图样

图7 单向螺旋天线典型辐射图样

双锥型天线

双锥型天线被设计用来在大频率范围内有效地工作。这种天线产生线性极化信号同时表现出极低的方位角波动，这意味着其多方向特征优秀。这种结构的有效带宽处于两倍频程间，取决于可以容忍的输入反射损耗。输入反射损耗的影响受此结构小型化程度决定，小型化的原因是选择了圆锥到圆柱的传输区间，或完全使用圆锥区间。图8和图9分别给出了某双锥天线及其电磁仿真结果。图10给出了其测试性能，可以清晰地看到其方向角图样波动非常小。虽然在商业通信系统中，这些构造的高功率处理能力并不总是很重要，但小巧的尺寸却使其充满吸引力。例如一种能覆盖整个从800MHz到2.2GHz频段的产品可以封装在一个直径32mm，长225mm的结构中。虽然可以获得更宽的带宽，但必须在带宽和直径上折中选择。较大的直径会展宽天线工作频率。这些天线构造在非常宽的频率范围内保持了其辐射图样特性，使它们适合微小区和微微小区的应用。这样的小区中使用天线放大信号（例如火车站）。拥有这种辐射图样的天线对于星形天线配置最有效。

图8 双锥型天线

图9 双锥型天线电磁仿真

图10 双锥型天线典型辐射图样

结论

对于现代通信网络中加入新频段的要求不断增强。当这些新频段出现在商业应用中，就需要升级系统天线覆盖这些额外频段。如果现有天线原始设计带宽不足，那么在更宽的频率范围内就无法保持其性能。然而，利用原本为军事应用开发的技术可以用传统螺旋和双锥宽带天线结构设计参数设计出满足上述要求的商业产品。