新型小型化GPS天线设计*

赵红梅1，牛艳娟1，刘 藤

(1.郑州轻工业学院，郑州450002;2.电子科技大学 物理电子学院，成都610054)

1 引 言

随着全球定位系统(GPS)在全球的快速发展，对GPS天线要求越来越高，不仅要满足其圆极化的特性，对其外观及与系统集成度方面的要求也进一步增多，特别是对小型化的研究，显得越来越重要。

微带天线由于其具有剖面薄、体积小、重量轻、便于获得圆极化且易制成与卫星等载体表面相共形的结构等优点，在许多实际应用中常被采用。而表面开槽(曲流技术)是微带天线小型化的一种重要方式，其体积小、易于加工等优点在微带天线的工程应用中有一定的潜力[1～4]。文献[5]提出了一种实现小型化的设计方案，采用矩形贴片，在接地板开出两对长短不同的长方形槽，引导贴片中的电流，从而增大电流路径的有效长度，降低天线的谐振频率，实现了天线的小型化。

但是，文献[5]在实现小型化的同时，使天线的增益、轴比带宽、频带宽度以及效率等参数指标降低，所以必须恰当地设计才能获得良好的性能。本文结合实际需求，设计了一种基于椭圆辐射贴片及接地板开槽的小型圆极化微带天线，并进行了实验测试。

2 天线结构及性能指标

天线结构如图1所示。

图1 天线结构示意图Fig.1 Geometry of the proposed antenna

本天线采用厚度为1.6 mm、介电常数为4.4的介质基片，接地板大小为60 mm×60 mm；采用接近于圆形的椭圆形辐射贴片及同轴线馈电。

采用接地板开槽技术，在接地板上开出两对不等长的槽，在贴片下的空腔区域形成一对辐射正交的模，当两者辐射长之比为±j时，形成圆极化辐射；同时，接地板上开槽可以引导贴片中的电流发生弯曲，从而增大电流路径的有效长度，降低天线的谐振频率，进而达到小型化的目的。这种小型化的方法具有结构简单、易加工等优点。椭圆形贴片基本接近圆形，由于工作于TM11模，则有公式

(1)

式中,a是计入边缘效应后的等效半径；εr是介质基片的介电常数。因为工作于TM11模，取χ11=1.841；c=3×108m/s；f11=1.575 GHz，求得a大约为25.5 mm。

在三维电磁仿真软件HFSS辅助下，经过各个参数反复优化设计，最终得到天线结构参数：椭圆形贴片长轴为25.5 mm,长短轴之比为1.003 8。

采用单馈法且引入几何微扰实现圆极化，由圆极化条件可知，一般情况下，辐射左旋或右旋圆极化波的馈电轨迹各有两条，通过计算及软件优化可找出恰当的馈点,通过调节馈点的位置可以很容易地实现输入阻抗的匹配，获得右旋圆极化辐射，最后得出馈电点为(-9，-9)mm。单馈法圆极化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射，结构简单，成本低，适合小型化。

3 数值分析与实验结果

本文使用软件Ansoft HFSS 进行仿真，通过仿真分析及优化，设计了一种工作于1.575 GHz的右旋圆极化天线。天线在要求频率处的驻波比VSWR≤1.10(即S11<-26 dB)，如图2所示。图4中，由天线在中心工作频率点右旋圆极化轴比空域分布特性可知，在主辐射方向上，天线轴比为0.35 dB，轴比小于3 dB覆盖空域达140°；同时，如图3所示，轴比AR≤3 dB的圆极化带宽达19.2 MHz。图5为天线方向图特性。图6展示了天线E面和H面的方向图，该天线增益可达2.42 dB,3 dB波束宽度约为106°，而且在波束范围内都有很好的圆极化特性。

图2 天线驻波比仿真结果Fig.2 Simulated VSWR of the proposed antenna

图3 天线轴比仿真结果Fig.3 Simulated axial ratio of the proposed antenna

图4 天线在工作频段轴比空域分布特性Fig.4 The airspace distribution characteristics of the axial ratio in the working frequency band of the proposed antenna

图5 天线方向图特性Fig.5 The radiation pattern characteristic of the proposed antenna

图6 天线 E面和H面方向图仿真结果Fig.6 The E-plane and H-plane radiation pattern characteristic of the proposed antenna

接地板开槽可以改变天线的辐射特性，与普通天线远场方向图相比，方向图的后瓣稍有增加，但是由图5可以看出，接地板开槽天线较好地保持了原天线的辐射特性，前后比可通过增加金属背腔进一步减小背向辐射，提高天线增益。由E面和H面方向图一致性可知，该天线具有良好的旋转对称辐射特性。

此天线与传统圆极化微带天线相比，尺寸减小32%，可以实现小型化的目的。并且，椭圆辐射贴片与同结构矩形贴片[5]相比，其增益高35%，轴比带宽宽出3.4 MHz，频带宽度宽出15.8 MHz，具有更好的性能指标。结果比较如表1所示。

表1 两种不同形状贴片的仿真结果比较Table 1 The detailed comparison of the simulated results for two different patch shapes

4 结 论

本文使用HFSS电磁仿真软件，采用单层椭圆贴片辐射单元及接地板开槽技术，实现了GPS天线的小型化。同时，仿真结果表明，该天线的增益、轴比带宽和频带宽度均优于同结构的矩形贴片，完全满足GPS天线的性能要求，天线还具有结构简单、体积小、易于加工等诸多优点。将天线小型化与多频段、抗干扰等技术有效结合起来是未来天线设计的趋势，这有待进一步的研究，相信它将会具有更广泛的应用前景。

参考文献：

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[5] Chow Yen-Desmond Sim，Tuan-Yung Han.GPS antenna with slotted ground plane[J].Microwave and Optical Technology Letters，2008，50(3)：818-821.

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