基于HFSS的小型圆极化GPS微带天线设计与仿真

2014-12-18赵一飞杨洪亮赵益民

电子科技 2014年3期

赵一飞，杨阳，杨洪亮，赵益民

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

微带天线以其低轮廓、重量轻、成本低，易于共型和集成等优点，在实际中被广泛应用。由于现代集成电路技术和工艺的迅猛发展，GPS天线作为无线设备的终端，小型化的要求已经迫在眉睫。而圆极化的工作方式对于电磁波在传送以及接收方向上，比线极化波束有更多优势，加之电磁波在经过电离层时会产生法拉第旋转效应，使得圆极化在GPS上的应用极具其重要性。

本文用HFSS软件作为辅助设计，应用方形贴片，设计了一种符合频宽1.575 GHz的GPS微带天线，并讨论分析了馈入点、切角长度、开槽的长、宽度等因素对其S11特性的影响，得出一些可供本方案使用的最佳天线参数，对深入研究也有一定参考意义。在小型化的方法选择上采用了开槽的方法，减小天线的尺寸。采用方形辐射贴片切角的方法实现圆极化，与其他天线相比较，易于实现，成本也较低。

1 微带天线圆极化概述及实现方法

1.1 天线圆极化概述

圆极化波是一等幅的旋转场，它可以分解为两正交等幅相位相差90°的线极化波，可分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。微带圆极化天线的实用意义体现在:(1)圆极化天线可以接受任意极化的来波，且辐射也可以由任意极化天线收到;(2)在诸多领域广泛应用圆极化天线的旋向正交性;(3)圆极化波入射到对称目标时旋向旋转，因此应用于GPS能抑制雨雾干扰和抗多径反射［2］。

圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比。轴比不大于3 dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。轴比将决定天线的极化效率。表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出［2］。

1.2 微带天线圆极化的实现方法

微带天线的圆极化方法大致分为3类:(1)单馈法。主要是基于空腔模型理论，利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作，通过引入几何微扰来实现。这种方式无须外加相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。但带宽窄，极化性能差。(2)多馈法。采用多个馈点馈电微带天线，可通过T形分支和3 dB电桥等馈电网络实现。这种方式可以提高驻波比带宽和圆极化带宽，抑制交叉极化。但馈电网络复杂，成本较高，天线尺寸大。(3)多元法。使用多个线极化辐射元，对每一个辐射元馈电，可看作天线阵，这种方式既具备多馈法的优点，而且馈电网络较为简化，增益高。缺点是结构复杂，成本高，尺寸大。

实现圆极化的基本方式分为:(1)切角;(2)准方形，近圆形，近等边三角形;(3)表面开槽(slots/slits);(4)带有调谐枝节(tuning－stub);(5)正交双馈，曲线微带型，行波阵圆极化［3］。

2 微带天线小型化概述及实现方法

2.1 微带天线小型化概述

随着科学技术的不断进步和应用需求的不断扩展，微带天线的小型化已经成为了研究的热点。与普通天线相比，微带天线实现了一维的小型化，具有低轮廓、可共型、易集成，便于获得圆极化，实现双频段、双极化工作等优点。但由于小天线的Q值较高，因此辐射效率低，频带窄。所以在设计过程中要综合考虑以获得良好的天线性能［6］。

2.2 微带天线小型化的实现方法

从国内外的发展概况来看，实现微带天线小型化主要有以下几种方法:(1)天线加载。就是在微带天线上加载短路探针、低电阻切片电阻和切片电容以实现小型化。(2)采用特殊材料的基片。谐振频率与介质参数成反比，因此高介电常数的基片可以降低谐振频率，从而减小天线尺寸。但高介质基片极易激励出表面波，表面损耗增大，使天线增益减小，效率降低。(3)表面开槽。表面开槽引入微扰，改变表面电流路径，使电流绕槽边或缝边曲折流过路径变长，在等效电路中相当于引入了级联电感。但尺寸的过分缩减会引起天线性能的急剧恶化。(4)附加有源网络。缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术来弥补这一缺陷。(5)可以采用特殊天线结构形式。总的思路就是使天线的等效长度大于其物理长度，以实现小型化。如采用蝶形、倒F型(PIFA)，L型、E型、双C型等。倒F型(PIFA，Planer Inverted－F Antenna)在手机天线实现双频或多频，小型化设计中得到了广泛应用，也是研究热点［6］。

虽然国内外对微带天线小型化做了大量研究，但是也存在很多不足，离真正的实用还有较长的距离，天线的性能与小型化之间也存在牵制，必须在不断的应用中寻找最佳的平衡点。

3 小型圆极化GPS微带天线

3.1 理论阐述

上文介绍了缩减微带天线尺寸的几种方法及其优缺点。辐射贴片表面开槽的方法延长了贴片表面的电流路径，是小型化设计的主要方法。因为开槽在降低天线谐振频率的同时，可以保证足够的带宽和增益，对天线的影响不大，易于实现圆极化和双频双极化的要求。本天线在辐射贴片上设置了4个相同的L型槽，使表面电流路径变弯曲，路径延长，贴片的等效尺寸相对变大，谐振频率下降，实现了小型化的设计。贴片采用两个切角(分离元)产生两个正交的谐振模TM10模和TM01模，通过调整贴角和开槽的长度，以及在贴片上选择合适的馈电点位置，使谐振模TM10模和TM01模简并，从而产生圆极化波辐射［1］。

本文采用介质常数为ε=12，厚度为4.5 mm的普通陶瓷介质作为介质基片，天线中心频率f=1.575 GHz。由矩形微带贴片天线尺寸的估算式(1)可近似将计算出L

馈电点:由式(2)近似计算输入阻抗50Ω时的馈电点位置L1

若考虑边缘场的影响，需加修正量ΔL。

其中，L、W分别是天线的长度和宽度，H为天线高度。由于采用方形基片L=W，在后面要做进一步优化，所以此处暂不考虑ΔL，初步计算得L=27.49 mm，L1=10.17 mm。采用切角的方式实现圆极化，馈电点需选在x轴或y轴上才可以激励相位相差90°的极化简并模，本方案取在 y轴［2］。

图1 天线的结构示意图

3.2 各参数对天线性能的影响

(1)初步探讨L、d1和L1对S11的影响。由于后面还要进行天线参数的多次优化，在这里仅考虑其影响的大致趋势，中心频率通过细调尺寸可以做到。图2是在 L1=5.65 mm，L0=6.65 mm，d1=3.7 mm，s=1 mm，w1=3.4 mm时，L对回波损耗S11的影响。

图2 不同L对f和S11的影响

可以看出，L从26 mm逐步增大到28 mm时，在扫频范围内可能出现3个频段，如果取值较小，就有可能只出现一个频段。而且随着L的增大，低频段向更低的频段移动，高频段也随之向前平行移动。这也验证了估算公式的正确性，所以要获得所需的频率需对L尺寸做很好地优化。

由图3可以看出，取L=26 mm，其余值不变的情况下，d1变化时，S11跟着变化，适当调整S11则可以获得良好的匹配，但随着S11的变大，单一模共振出另一个高频模，若d1较大时，天线一个频段向高频移动，调整d1有助于调整中心频率和回波损耗。取L=26 mm，d1=4 mm，其余值不变的情况下，当馈电点远离辐射基片的中心时，有较好的S11，因为输入阻抗从零逐渐接近50Ω，但是随着L1值的继续增大，S11开始变差，比如图中当L1=4 mm时，就比3 mm和5 mm时的S11好。所以调整馈电点L1的位置，能够得到很好的天线性能。

图3 不同的d1和L1对S11影响

(2)初步探讨开槽的宽度s、长度L0对S11的影响。可取L=26 mm，L1=5 mm，d1=4 mm其余值不变的前提下，来分析槽宽s，长度L0对S11的影响。

如图4所示，当其他的参数固定，s的宽度有规律地增加时，高频频移的变化比低频区的S11变化要大，由于高频段波长比低频段的短，受尺寸的影响比较明显，s的宽度不能开的过大，过大S11则会变差，图中s=1 mm时，S11较为理想，但是增加到2 mm或2.5 mm，S11则慢慢变差。随着L0的增加，低频点向更低频点移动，高频点也随着向低频点移动，S11的性能变差。因此开槽的长度、宽度要结合中心频率和S11综合考虑来确定。虽然开槽可以减小尺寸，但是开得过长、过宽，则会影响天线其他性能。

3.3 优化设计

3.3.1 天线的尺寸结构

图4 不同s、L0对S11的影响

以上的探讨初步确定了单个参数对天线性能，尤其是对S11的影响，要想获得良好的天线性能，需要对各个参数综合考虑来确定。本文的GPS微带天线，采用介电常数ε=12的普通陶瓷基片和接地板印刷在介质板两侧，采用特性阻抗为50Ω的SMA的同轴线接头馈电，通过仿真优化，得到的天线尺寸如表1所示。

表1 天线优化后的尺寸单位:mm

3.3.2 天线的仿真结果

(1)回波损耗。仿真结果可以看出，天线的回波损耗S(1，1)在天线的中心频率上S11值为－17 dB，S(1，1)＜－10 dB的带宽为26 MHz，满足了GPS天线的应用要求。

图5 天线的回波损耗

(2)轴比带宽。仿真计算的天线轴比曲线如图6所示，AR＜3 dB的频带范围是 1.569 1～1.573 3 GHz，带宽为4.2 MHz。由图7可以看出AR＜3 dB的角度范围为－52°～54°以上。图7中A—θ(°)，B—dB/AxialRatioValue，可以看出 3 dB 以下的波束宽度。