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微波器件的最新技术发展

上网日期: 2012年09月03日 ?? 作者: Jack Browne,Franklin Zhao ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:微波器件? 天线? 混频器? 功放?

作者:Jack Browne

Franklin Zhao

常见的微波器件包括功率放大器、混频器天线等等。由于军事交通、航空航天和无线广播等应用对微波系统提出了尺寸和重量限制,要求系统能够提供更好的抗干扰性能、灵活性和可靠性,以及能够适应恶劣的工作环境和以更高的数据速率进行传输,微波系统设计人员面临着许多的系统改进技术挑战。例如,宽带应用一直是天线设计人员需面对的难题,对于超宽带(UWB)通信系统中的新兴应用来说,天线不仅必须覆盖很宽的频率范围,还必须具有一致、全向的辐射图案。而密封性对混频器的应用非常重要,特别是在高湿环境中和不允许发生故障的条件下。此外,传统的无源功率合成器的高插损在增加大量放大器的输出作用时限制了它们的使用,因为高合成数量的损耗已经接近附加放大器提供的额外功率。

近年来,面对这些技术挑战,业界已成功地开发出许多先进的微波产品。本文将针对天线、混频器和功放探讨微波器件的最新技术进展,并为这些微波器件的测试测量提供解决方案。

先进天线技术应对多种频段需求

天线是通信系统中最明显的器件。它们有许多种形式,包括指向太空的大型抛物面天线和蜂窝铁塔上的矩形扇区天线。但在一些情况下,它们必须被设计得看不见,比如用在蜂窝电话内部和其他无线产品中。

在天线的先进性方面,很少有商业公司能够比得上位于美国新泽西州蒙默斯堡的美国陆军通信与电子研究、开发和工程中心(CERDEC)最近的研究成果,包括人体可佩戴的天线(BWA)和分布式天线阵列(DAA)。可佩戴天线包括嵌入士兵防弹衣的板状结构以及制作成头盔一部分的天线。这两种方法已在工作频率达1GHz的宽带无线电台上作了成功演示。

设计这种天线的挑战之一是将它们的体积做得足够小,以能够工作在甚高频(VHF)和超高频(UHF)频段范围内的军用波长,这是因为在那些较低频率点的波长较长,而天线的物理尺寸是工作频率波长的函数。将天线作为士兵制服一部分的另一个问题是对人体的电磁(EM)辐射效应。

CERDEC也在研究分布式天线阵列(DAA),并准备将它们用来干扰现场的简易爆炸装置(IED)。在一份研究报告中,方向性DAA被安装在军用汽车的两边,并且在两根天线之间保持净区用于自身通信。通过发射圆极化的宽带信号,到UED的远程通信将得到有效阻止。由于大多数IED装配的是可能采用垂直或水平极化的鞭状天线,圆极化有助于增强基于DAA的干扰发射机的干扰效应。

用于监控目的的小型宽带天线的增长性需求推动业界开发出了一些极宽带的天线,例如ETS-Lindgren公司型号为3164-05的开边界四脊喇叭状天线,这种天线能够工作在2GHz至18GHz频率范围。这种天线的独特外观是由于缺少侧板以及类似于将一对Vivaldi印刷电路板(PCB)天线成正交放置的配置造成的。这种天线的正交输入馈给允许它在整个频率范围内同时产生线性和圆极化的图案。由于物理体积小,该天线的相位中心在很宽频率范围内的变化都很小。

除新型天线外,ETS-Lindgren公司还提供了型号为AMS-8050的天线测量系统。这是一种便携式的无回波室,可以提供小型无线设备和移动手机的空中(OTA)性能测量。为了方便使用,这套系统建造在可移动的推车上,拥有一个尺寸为30×30英寸(76.2×76.2cm)的完全无回波测试室,并配有射频屏蔽门。这个屏蔽室在室内顶部安装了一个双极化天线,工作频率范围为700MHz至10GHz。该天线用于连接外部测试设备,包括矢量网络分析仪(VNA)和频谱分析仪。测量室可以用来分析二维(2D)和三维(3D)天线图案、总辐射功率(TRP)和有效全向辐射功率(EIRP)。同时交付的还有型号为EMQ-100的天线图案测量软件,可用来简化测量过程。

有些天线像辐射电缆一样简单,尤其是针对要求覆盖又长又窄范围的特定应用,例如飞机和工矿内。这一门类中特别著名是W.L. Gore & Associates公司为飞机和采矿应用开发的基于GORE电缆的天线。这些轻量级的辐射电缆能以小弯曲半径安装,可以长距离铺设,支持65米或更长的天线长度,频率范围为400MHz至6GHz。

对于大多数产品来说,微波天线是为明确的工作频段设计,而且通常是针对特别窄的频段而设计的。例如,PCTEL公司就为军用和政府服务应用提供各种类型的天线,包括型号为2225NW的全球定位系统(GPS)/航空天线。这是一种广域增强系统(WAAS)天线,可以承受100mph的风速。该天线采用右手圆极化,可用在1575.42MHz的L1频段、1227.60MHz的L2频段和1176.45MHz的L3频段,每个频段在90°仰角方向都有-3dBic增益。

在广播应用方面,安弗施无线射频系统(RFS)公司通过注重机械设计取得了重大的天线改进。该公司最近披露了其PCP、PHP和PVP宽带平面阵列天线的“R型变种”,与传统平面天线相比,这种天线使用圆柱天线罩将风荷载减少了一半(图1)。由于具有较小的横截面和较低的风荷载,这些天线可以降低对广播铁塔的结构要求,并能承受冰雪聚积。

(电子工程专辑)
图1:较小横截面和圆柱天线罩设计有助于显著降低这些广播天线的风荷载(照片由RFS公司提供,www.rfsworld.com)。

PCP平面天线支持数字电视(DTV)、模拟电视和多入多出(MIMO)系统配置。这些天线支持水平、垂直、圆形和椭圆极化,工作频率范围为500MHz至700MHz。PVP平面天线使用垂直极化技术,设计用于从470MHz至860MHz的数字电视应用。PHP平面天线也工作在470MHz至860MHz,但采用的是水平极化。


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