GPS与WLAN双频信号处理天线设计

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)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。

例如，对于GPS应用，可能要求一根天线能同时处理1.226GHz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1.8GHz 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(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(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，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)和17%的带宽。

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。

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)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。

例如，对于GPS应用，可能要求一根天线能同时处理1.226GHz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1.8GHz 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)，