中心議題：
- 現代通信系統的天線需求
- 螺旋天線的系統性能
- 雙錐型天線的系統性能
多年以來，軍事應用一直需要寬帶通信鏈路以及擁有與之帶寬相同的天線。通常，天線必須工作在多個倍頻程的范圍上。因此，人們設計制造了容量為多個倍頻程的天線架構。事實證明，這些技術在設計現代通信系統的天線產品時十分有效。本文回顧了商用通信系統的進化過程，尤其是對新頻帶不斷增長的需求，然后集中討論了兩種值得精細研究的天線類型—螺旋和雙錐型天線。
現代通信需求
許多通信系統需要覆蓋900MHz頻段。隨著網絡的進化，人們將其他一些1700到2200MHz內的頻段用于DCS，PCS和UMTS。除了這些頻率以外，通常需要覆蓋的范圍還包括TETRA（大約400MHz），無線局域網和無線本地環路（大約2500，3500和5500MHz）。為了滿足所有這些需求，天線必須提供400MHz到6GHz的有效覆蓋。
在某些應用中可以采用一系列獨立天線來滿足要求，這些天線中的每一個都工作于一個特定頻帶。然而，為了避免使用多種類型天線使外形更合理，通常最好的選擇是用一個單天線提供對整個頻段的覆蓋。另外，僅使用一個天線有一些額外的好處。除了通常的審美問題，還有助于確定天線安裝的設計方案，避免天線引起新建筑內其它干凈的走線發生混亂，從而滿足建筑上的需要。
對天線的要求包括多頻帶能力，其頻帶可能是固定或移動接入點以及基站的頻帶，這是因為多數現代的設備被設計為多功能的。這種多功能性正是許多現代系統所具有的吸引力的一部分。專業用戶需要設備不用調整工作模式就能工作。因此，無論是接入點還是用戶，其工作頻帶的切換必須是無縫的。如果給定系統中的某個用戶需要移動，那么天線的輻射圖樣就要是全向的，這樣無論用戶相對于鄰近接入點的移動方向如何都能確保覆蓋。在固定系統中，用戶天線可能需要是方向性的，其方向對準最近的基站以獲得最佳性能。基站的配置可以有多種方式。有時需要使用一個全向基站并將其放在覆蓋區域的中心。其它一些情況下，可以將一群扇形天線配置在一處，每個覆蓋環繞基站的一個扇形區域。系統通常使用的扇形角度包括到。系統中使用的極化情況也多種多樣。可能是線性垂直極化，水平或傾斜極化，甚至是圓極化。極化方式根據系統協議和結構變化，每種各有優點。通過使用附加天線系統可以獲得額外的好處。通過配置空間分集，極化分集，自適應天線，或多輸入多數出（MIMO）天線都可以提高鏈接正常工作下保持可接受信噪比的統計概率。本文的內容是討論單天線系統性能，而不是研究如何連接多個天線獲得更高的性能。
[page]
螺旋天線
螺旋天線很早以前就開始用于軍事應用中的測向和通常的威脅識別。圖1給出了一種典型的2到18GHz腔基螺旋天線，圖2給出了使用這種天線進行的一次電磁仿真，顯示了此構造不同部分上的場強。在這些應用中，通常要求天線的幅度和相位每一個都是統一樣式。還要求主瓣應該擁有平滑的曲線，沒有任何拐點，即為單調的。這種天線典型輻射圖樣如圖3所示。通常這些應用中更重要的是控制波束形狀并使各個天線元的性能匹配，而不是使天線增益最大化。對于許多商業通信系統，更重要的是給某個區域有效地填充信號而不是產生非常精確的波束形狀。
圖1 2到18GHz腔基螺旋天線
圖2 腔基螺旋天線電磁仿真
圖3 腔基螺旋天線典型輻射圖樣
[page]
本例中使用的螺旋輻射結構非常適于此種工作模式，但是不再需要與帶有吸收體的腔體連接使用。使用這種結構可以創造兩種類型的天線：雙向結構，這種結構允許螺旋天線自由地向空間中其平面法線的兩個方向輻射；或增益更高的單向結構，這種結構中反射極緊靠螺旋天線使一個方向的輻射被反射回來，因此使前向增益增強。圖4給出了一個雙向螺旋天線。注意到其獨有特征可以擴展頻率覆蓋范圍。圖5給出某同類型天線的電磁仿真。圖6給出類似這種雙向螺旋天線的輻射特性。
圖4 雙向螺旋天線
圖5 雙向螺旋天線電磁仿真
圖6 雙向螺旋天線典型輻射圖樣
可以看到當極化方式在前向為左手圓極化時，在反方向為右手圓極化。因此，在其間的傳輸區域中為線性極化。這種方式在許多布設中具有優勢。例如，如果要在走廊或大廳放置天線，那么這種類型的雙向天線可以完美地適合這種情況。有時，需要更多方向的天線而且需保持其寬帶特性。典型情況為天線布置在其覆蓋范圍的角落，例如大廳或中庭。這種情況下，反射極起到增加前向增益的作用。圖7給出了這種單向小型螺旋天線的輻射圖樣。根據螺旋尺寸選擇，可能提供400MHz到6GHz頻段上的覆蓋范圍。這些天線應用系統，無論原先安裝的時候還是將來，都要求收發通信頻帶使用單一天線。
圖7 單向螺旋天線典型輻射圖樣
[page]
雙錐型天線
雙錐型天線被設計用來在大頻率范圍內有效地工作。這種天線產生線性極化信號同時表現出極低的方位角波動，這意味著其多方向特征優秀。這種結構的有效帶寬處于兩倍頻程間，取決于可以容忍的輸入反射損耗。輸入反射損耗的影響受此結構小型化程度決定，小型化的原因是選擇了圓錐到圓柱的傳輸區間，或完全使用圓錐區間。圖8和圖9分別給出了某雙錐天線及其電磁仿真結果。圖10給出了其測試性能，可以清晰地看到其方向角圖樣波動非常小。雖然在商業通信系統中，這些構造的高功率處理能力并不總是很重要，但小巧的尺寸卻使其充滿吸引力。例如一種能覆蓋整個從800MHz到2.2GHz頻段的產品可以封裝在一個直徑32mm，長225mm的結構中。雖然可以獲得更寬的帶寬，但必須在帶寬和直徑上折中選擇。較大的直徑會展寬天線工作頻率。這些天線構造在非常寬的頻率范圍內保持了其輻射圖樣特性，使它們適合微小區和微微小區的應用。這樣的小區中使用天線放大信號（例如火車站）。擁有這種輻射圖樣的天線對于星形天線配置最有效。
圖8 雙錐型天線
圖9 雙錐型天線電磁仿真
圖10 雙錐型天線典型輻射圖樣
結論
對于現代通信網絡中加入新頻段的要求不斷增強。當這些新頻段出現在商業應用中，就需要升級系統天線覆蓋這些額外頻段。如果現有天線原始設計帶寬不足，那么在更寬的頻率范圍內就無法保持其性能。然而，利用原本為軍事應用開發的技術可以用傳統螺旋和雙錐寬帶天線結構設計參數設計出滿足上述要求的商業產品。
