新型小型化GPS天線設(shè)計(jì)*

趙紅梅1，牛艷娟1，劉 藤

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州450002;2.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都610054)

1 引 言

隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)在全球的快速發(fā)展，對(duì)GPS天線要求越來越高，不僅要滿足其圓極化的特性，對(duì)其外觀及與系統(tǒng)集成度方面的要求也進(jìn)一步增多，特別是對(duì)小型化的研究，顯得越來越重要。

微帶天線由于其具有剖面薄、體積小、重量輕、便于獲得圓極化且易制成與衛(wèi)星等載體表面相共形的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，在許多實(shí)際應(yīng)用中常被采用。而表面開槽(曲流技術(shù))是微帶天線小型化的一種重要方式，其體積小、易于加工等優(yōu)點(diǎn)在微帶天線的工程應(yīng)用中有一定的潛力[1～4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì)方案，采用矩形貼片，在接地板開出兩對(duì)長短不同的長方形槽，引導(dǎo)貼片中的電流，從而增大電流路徑的有效長度，降低天線的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。

但是，文獻(xiàn)[5]在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，使天線的增益、軸比帶寬、頻帶寬度以及效率等參數(shù)指標(biāo)降低，所以必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)才能獲得良好的性能。本文結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種基于橢圓輻射貼片及接地板開槽的小型圓極化微帶天線，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

2 天線結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometry of the proposed antenna

本天線采用厚度為1.6 mm、介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基片，接地板大小為60 mm×60 mm；采用接近于圓形的橢圓形輻射貼片及同軸線饋電。

采用接地板開槽技術(shù)，在接地板上開出兩對(duì)不等長的槽，在貼片下的空腔區(qū)域形成一對(duì)輻射正交的模，當(dāng)兩者輻射長之比為±j時(shí)，形成圓極化輻射；同時(shí)，接地板上開槽可以引導(dǎo)貼片中的電流發(fā)生彎曲，從而增大電流路徑的有效長度，降低天線的諧振頻率，進(jìn)而達(dá)到小型化的目的。這種小型化的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工等優(yōu)點(diǎn)。橢圓形貼片基本接近圓形，由于工作于TM11模，則有公式

(1)

式中,a是計(jì)入邊緣效應(yīng)后的等效半徑；εr是介質(zhì)基片的介電常數(shù)。因?yàn)楣ぷ饔赥M11模，取χ11=1.841；c=3×108m/s；f11=1.575 GHz，求得a大約為25.5 mm。

在三維電磁仿真軟件HFSS輔助下，經(jīng)過各個(gè)參數(shù)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到天線結(jié)構(gòu)參數(shù)：橢圓形貼片長軸為25.5 mm,長短軸之比為1.003 8。

采用單饋法且引入幾何微擾實(shí)現(xiàn)圓極化，由圓極化條件可知，一般情況下，輻射左旋或右旋圓極化波的饋電軌跡各有兩條，通過計(jì)算及軟件優(yōu)化可找出恰當(dāng)?shù)酿侟c(diǎn),通過調(diào)節(jié)饋點(diǎn)的位置可以很容易地實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的匹配，獲得右旋圓極化輻射，最后得出饋電點(diǎn)為(-9，-9)mm。單饋法圓極化微帶天線無需任何外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就能實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適合小型化。

3 數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用軟件Ansoft HFSS 進(jìn)行仿真，通過仿真分析及優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種工作于1.575 GHz的右旋圓極化天線。天線在要求頻率處的駐波比VSWR≤1.10(即S11<-26 dB)，如圖2所示。圖4中，由天線在中心工作頻率點(diǎn)右旋圓極化軸比空域分布特性可知，在主輻射方向上，天線軸比為0.35 dB，軸比小于3 dB覆蓋空域達(dá)140°；同時(shí)，如圖3所示，軸比AR≤3 dB的圓極化帶寬達(dá)19.2 MHz。圖5為天線方向圖特性。圖6展示了天線E面和H面的方向圖，該天線增益可達(dá)2.42 dB,3 dB波束寬度約為106°，而且在波束范圍內(nèi)都有很好的圓極化特性。

圖2 天線駐波比仿真結(jié)果Fig.2 Simulated VSWR of the proposed antenna

圖3 天線軸比仿真結(jié)果Fig.3 Simulated axial ratio of the proposed antenna

圖4 天線在工作頻段軸比空域分布特性Fig.4 The airspace distribution characteristics of the axial ratio in the working frequency band of the proposed antenna

圖5 天線方向圖特性Fig.5 The radiation pattern characteristic of the proposed antenna

圖6 天線 E面和H面方向圖仿真結(jié)果Fig.6 The E-plane and H-plane radiation pattern characteristic of the proposed antenna

接地板開槽可以改變天線的輻射特性，與普通天線遠(yuǎn)場方向圖相比，方向圖的后瓣稍有增加，但是由圖5可以看出，接地板開槽天線較好地保持了原天線的輻射特性，前后比可通過增加金屬背腔進(jìn)一步減小背向輻射，提高天線增益。由E面和H面方向圖一致性可知，該天線具有良好的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱輻射特性。

此天線與傳統(tǒng)圓極化微帶天線相比，尺寸減小32%，可以實(shí)現(xiàn)小型化的目的。并且，橢圓輻射貼片與同結(jié)構(gòu)矩形貼片[5]相比，其增益高35%，軸比帶寬寬出3.4 MHz，頻帶寬度寬出15.8 MHz，具有更好的性能指標(biāo)。結(jié)果比較如表1所示。

表1 兩種不同形狀貼片的仿真結(jié)果比較Table 1 The detailed comparison of the simulated results for two different patch shapes

4 結(jié) 論

本文使用HFSS電磁仿真軟件，采用單層橢圓貼片輻射單元及接地板開槽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了GPS天線的小型化。同時(shí)，仿真結(jié)果表明，該天線的增益、軸比帶寬和頻帶寬度均優(yōu)于同結(jié)構(gòu)的矩形貼片，完全滿足GPS天線的性能要求，天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)。將天線小型化與多頻段、抗干擾等技術(shù)有效結(jié)合起來是未來天線設(shè)計(jì)的趨勢，這有待進(jìn)一步的研究，相信它將會(huì)具有更廣泛的應(yīng)用前景。

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