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天线的发展现状及趋势
  为适应现代通信设备的需求,天线的研发主要朝几个方面进行,即小尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高,通信设备的体积也越来越小,这就需要天线减小自身尺寸。在不影响天线的增益和效率的同时减小天线的尺寸是一项艰巨的工作。电子设备集成度的提高,经常需要一个天线在较宽的频率范围内支持两个或更多的无线服务,宽带和多波段天线能满足这样的需要。
一、小尺寸与嵌入式天线
  手提电话越来越小,收发机已经集成到一个芯片中,小尺寸天线已经必不可少。在天线的尺寸、带宽和效率之间有一个基本的联系,天线尺寸变小,工作频段和效率就会降低;增益是与天线的尺寸紧密相关的,小尺寸的天线相对于大尺寸的来说提供的增益也小。所以,天线设计师必须权衡天线的尺寸和性能,使两者的关系达到最优。许多类型的高频、小尺寸、紧凑型天线都适用于小型终端设备。
  除了移动终端设备需要小尺寸天线外,固定无线系统也同样需要这样的天线。许多地区为了社区美观,对天线塔和天线都有严格的限制,小尺寸天线正好可以满足这样的要求。另外,小尺寸天线的风力载荷也较小,这意味着天线的支撑结构也可以做得较小,这样不但安装费用较低,也增强了天线在恶劣环境中的耐用性。
  短加载螺旋天线(SLH)是适用于固定设备的高性能小尺寸天线,它是从轴式螺旋天线演化而来的,极化方式为圆极化且增益较高。SLH使用了独特的几何结构,能够提供比轴式螺旋天线大得多的增益,而尺寸却缩到其四分之一。这种小尺寸和高性能的结合使得SLH天线对不影响环境美观的点对点连接和点对多覆盖应用有很强的吸引力。SLH天线已经在2.4GHz的WLAN系统中得到了应用,工作在2.4GHz的8英寸长的SLH天线增益一般可以达到10dB。
二、宽带和多频带天线
  多频带天线通常要在两个或两个以上特定的窄频带上提供较好的阻抗匹配和性能。随着各种服务和频率的要求日益增多,多频带天线是一种比较经济的解决方法。宽带天线在一个频率范围之内的性能都保持不变。目前有一种全新的可调天线可以在很宽的频带上进行调谐,这个频带要比天线的瞬时带宽大得多。
  Motorola公司推出了一种典型的多频带天线产品,这是一种螺旋天线,它利用天线各段螺距的不同实现不同的频段谐振,主要工作在15O.8MHz-174MHz和765MHz-870MHz这两个频段。这种天线的方向图与偶极子天线的方向图是等效的,天线在160MHz附近和800MHz附近的回波损耗较小,而增益相对要大得多。
  最近有一些更小的宽带天线问世,比如正方形天线和四角天线。正方形天线在1.8:1的带宽上的驻波比为2:1,四角天线在同样带宽上的驻波比可以达到3:1。这两种天线都能提供双正交线性极化,天线上的正方形贴片的长度是最低工作波长的0.3或0.4倍。背部有接地平面的正方形天线在工作带宽上的增益是7-9dB,还可以利用更多的单元得到更高的增益和更窄的波束。
三、阵列天线和智能天线
  未来的无线通信系统将更广泛地使用阵列天线,智能天线也是阵列天线的一种,它是智能无线电和天线的结合。几十年来阵列天线在军事中得到了广泛的应用并逐渐用于民用。阵列天线就是用多个天线单元来提高包括高增益在内的天线性能。由于军舰和军用飞机上面的空间有限,这就需要阵列天线在较宽频带内支持通信、雷达、情报交换和导航。民用的交通工具也需要这样的天线泵支持通信、导航和娱乐服务,但是设计这些宽频带多功能的阵列天线却并不简单。宽频带的天线单元是阵列天线的构成基础,这些单元耍合理布局以使天线的主波束能在带宽范围内的每个频率上进行宽角度扫描。如果单元间距过大,在调制天线主波束的时候就会出现较大的副瓣,同时这个间距也要保证天线单元在最低的工作频率上正常工作.临近单元之间的电磁干扰会破坏单元的方向图,从而影响整个阵列天线的方向图,在设计阵列天线的时候必须考虑互耦和频率之间的影响。
  当一个阵列天线结构不能满足实际应用时,就可以使用可调的阵列天线。较早应用的是Wullenweber阵列天线,它可以使用呈向外辐射状分布的全向或是有方向性的天线单元,这些单元数一般为30-100个,且均匀分布,利用其中相邻的大约1/3的单元数可以形成从天线阵向外辐射的波束。一种称为天线方向性调制器的开关网络用来把对应的天线单元和通信设备连接起来,它也可能包括用来控制天线方向图的附加幅度。较新的方法是利用 PIN二极管或微电机系统开关在特定的频段或工作模式下调整天线结构或天线单元。
  阵列天线可以与空间或空?时自适应处理的信号处理技术结合起来,从而通过动态控制天线的方向图来优化接收信号.对于空?时处理,可以结合信道均等来控制方向图以抑制宽带信号在多路通道传输时出现的信号间的干扰。另一个比较先进的利用阵列天线的技术是空?时编码。在发射和接收设备使用阵列天线,空?时编码的通信系统能有效地利用多信道来支持以超过单一信道香农限制所预计的传输速率进行数据传输。
  天线单元不但可以结合起来以形成单一波束,并能分别在有多路干扰而衰减的信道中提供不同的增益。阵列天线可以用在移动基站,在进行发射和接收的时候提供不同的增益,这是为了增强蜂窝单元的覆盖和可靠性。为了减小不同天线间信号衰减包烙的互相影响,基站上使用的天线单元间距通常较大(10-20个波长)这对于提高增益相异性也是很有必要的。最近的研究表明在一个手持无线电设备上将几个天线靠得很近可以实现不等增益。由于工作在复杂环境中的手持终端设备的多路元件的宽角度分布不同,这样做是可行的。
  智能基站天线试验台可以对空间、极化和角度的相异性进行直接测量。除了多通道的基站接收器和数据分析仪,试验台还配有可以手持或装在车上的发射机,能在距离基站天线665-267Om的市区或郊区测量不等增益,使用空间分布、极化和角度可调的天线结构可以得到 1%概率水平的4.6-10.9dB的不等增益。
四、结论
  新型高性能天线的出现是为了满足无线设备对小型化、嵌入式以及支持多种服务的宽带和多频带天线的日益迫切的需求。阵列天线可以调整无线通信所需的波束和零信号.与信号处理结合起来的阵列天线可以实现多样性组合、自适应波束成形或空?时处理,从而抑制多路传播和干扰的影响。多天线还可以通过空?时编码来增加信道容量。可调天线、馈电网络和整个天线阵可以在传统天线或天线阵不能适用的情况下使用。通过使用PIN二极管或微电机系统,这些结构的天线可以实现动态自适应并提供较强的自适应性。自马可尼和波波夫的第一次无线电试验以来,支持无线通信的天线研发领域一直都相当活跃,为满足新的性能指标而进行的工作也将不断继续。


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