一种带宽展宽的小型化GPS天线

2018-10-10孙玉发吴志锋

安徽大学学报（自然科学版） 2018年5期

孙玉发，吴志锋

(安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥 230039)

broadband

随着卫星通信的发展，全球定位系统(global positioning system,简称GPS)天线得到广泛关注.近年来宽频带和小型化天线普遍应用于GPS导航，小型化、宽带化和圆极化等已成为GPS导航的研究方向.与非圆极化天线相比，圆极化天线的优点有：(1)能够接收任意极化天线产生的辐射波；(2)在电子对抗、微波通信等领域有广泛应用；(3)入射到对称目标时，波的旋向会发生逆转(即左旋变为右旋、右旋变为左旋)，因此能够抑制雨雾干扰和抵抗多路径反射.

天线小型化的方法有：加载短路探针、增加有效电流路径、附加有源网络、使用超材料电抗性阻抗表面(reactive impedance surface,简称RIS)结构等.采用在辐射贴片表面开槽[1-4]的方法，可延长贴片表面的有效电流路径，缩小天线尺寸，但阻抗带宽较窄.将超材料RIS结构与其他结构相结合[5-9]，可实现天线小型化，但天线的阻抗带宽增加不明显.文献[10]通过在矩形环中加载谐振环来展宽天线的圆极化带宽，同时采用宽带巴伦馈电方式增加阻抗带宽.文献[11]，[12]分别使用微带、共面波导的馈电方式给缝隙天线馈电，实现了宽带圆极化，虽然带宽很宽，但天线尺寸较大.

以上设计方法虽然一定程度上实现了天线的小型化和带宽的展宽，但并没有将小型化和带宽展宽有效且合理地结合在一起.笔者针对此不足之处，提出一种新型的GPS天线设计方案.

1 天线结构

在原始天线[2]基础上，在贴片和地板间增加一个 I型超材料单元与开口谐振环(split ring resonators,简称SRR)相结合的结构，地板上嵌入一个矩形环缝隙，得到的天线如图1所示.由图1A可知，上层贴片为一个边长为c的正方形辐射贴片，其表面再加载一个非对称U型槽，可激励出2个幅度相等、极化正交、相差90°的线极化波[13]，能实现圆极化波辐射.由图1B可知，中间贴片由一个6×6的RIS单元阵列与4个SRR组成，可实现天线的小型化和带宽的展宽.由图1C可知，下层贴片为嵌入一个环形缝隙的正方形地板，可提高天线的阻抗匹配能力.天线的整体俯视图如图1D所示.从图1E可看出，辐射贴片置于厚度为h0、相对介电常数为4.4的FR4材料顶部，下层贴片置于厚度为h、相对介电常数为4.4的介质基板底部，增加的结构位于两介质板之间.

图1 天线结构

天线的参数如表1所示.

表1 天线参数

1.1 RIS结构

如图1B所示，超材料RIS结构由一个6×6的RIS单元阵列组成，其中RIS单元结构如图2A所示，其由垂直正交的2个I型超材料贴片、相对介电常数为4.4的介质基板及地板组成.两个相邻I型结构及其等效电路分别如图2B，C所示.

图2 RIS结构

由文献[14]可知, RIS结构决定天线的谐振频率.谐振频率的表达式为

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

其中：Z0为特性阻抗，k为波数，ε0为真空介电常数，εr为介质板的介电常数，η0为真空本征阻抗，l为I型超材料贴片中间部分长度，l1为I型超材料贴片左边部分垂直长度，g1为相邻2个I型导体贴片间缝隙宽度.由式(1)～(4)可知，通过优化RIS结构中的l，l1，g1等参数，改变天线的谐振频率，实现天线的小型化.

1.2 SRR

SRR是实现左手材料最常用结构之一.经典SRR结构示意图如图3A所示，其中d，e分别表示圆形开口谐振环的开口宽度和内外环半径差.SRR等效电路如图3B所示，其中L，C分别表示其等效电感和等效电容.

图3 SRR结构

SRR的谐振频率为

(5)

其中

(6)

(7)

其中：L为SRR的自感；r为外环半径；C为两环间等效电容；Cval为两环间缝隙单位长度电容.由式(5)～(7)可知，SRR的谐振频率可通过结构参数的改变来调整.通过改变SRR结构尺寸，使其与RIS结构同在天线中心频率处谐振.由于SRR与RIS结构之间存在缝隙，两者的谐振频率有差值，此时通过改变谐振频率的差值来展宽天线的阻抗带宽.