GPS小型化天線設(shè)計(jì)

1、裝訂線本科生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)題目： GPS小型化天線設(shè)計(jì) 系 部 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科門類 工 學(xué) 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 0808211009 姓 名 徐西衛(wèi) 指導(dǎo)教師 2012年5月12日學(xué)習(xí)文檔 僅供參考合肥師范學(xué)院2021屆本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))GPS小型化天線設(shè)計(jì)摘 要隨著當(dāng)今世界科技和全球定位系統(tǒng)(GPS)的不斷的快速開展，尤其是在導(dǎo)航、定位中的應(yīng)用，使得人對GPS天線的定位和可靠性需求也隨之提高，不僅僅需要GPS天線實(shí)現(xiàn)圓極化，而且對GPS天線的便攜性、體積、及與系統(tǒng)集成度方面的需求也越來越高，特別是在小型化的研究上。除此之外，還希望能有效減少GPS天線的本錢，因?yàn)檫@正是GPS

2、天線能夠廣泛推廣的關(guān)鍵。本論文針對具體GPS小型化天線的上述性能，在原有設(shè)計(jì)的根底上，嘗試進(jìn)行一些新的設(shè)計(jì)和研究，并給出了具體的設(shè)計(jì)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜述了GPS微帶天線(貼片天線)的已有進(jìn)展，以及圓極化和小型化在當(dāng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：GPS 微帶貼片天線 圓極化 小型化ABSTRACTWith the rapid development of the Global Position System in the world,particularly in the mobile phone business,higher and higher performance has been put for

3、ward,not only circular polarization,but also their appearance and system integration requirements,especially in the research on miniaturization.In addition,low cost is the key whether it can be applied widely.In this thesis,some new designs and researches have been done towards these demands in the

4、basis of original design.The detailed processes of designs and experimental results are presented.A survey of the previous progress in GPS antenna(microstrip antenna),circular polarization and miniaturization apply in the antennas.Key words: GPS Microstrip Patch Antenna The Circular Polarization Min

5、iaturization目 錄一 緒論11.1 引言11.2 GPS天線的研究現(xiàn)狀11.3 本文進(jìn)度安排2二 根本理論32.1 結(jié)構(gòu)與分類32.2 微帶天線的特點(diǎn)32.3 輻射機(jī)制42.4 分析方法52.5 饋電原理8三 GPS小型化天線技術(shù)103.1 GPS天線的圓極化103.2 GPS天線的小型化10四 GPS小型化天線設(shè)計(jì)與仿真124.1 GPS小型化天線的參數(shù)公式124.2 圓極化矩形微帶天線的設(shè)計(jì)134.3 GPS小型化天線的仿真及優(yōu)化144.4 實(shí)物測試17五 總結(jié)與展望19參考文獻(xiàn)20III一 緒論1.1 引言所謂天線就是探測系統(tǒng)和無線電波通信中非常重要的重要組成局部，它是接受與

6、發(fā)射電磁波的一種設(shè)備。首先，發(fā)射電磁波的工作原理，它將被饋線引導(dǎo)的高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波并向具體的方向發(fā)射出去；其次，接受電磁波的工作原理，天線本身又要做與發(fā)射過程相反的變換。由天線的發(fā)射與接收原理，從而實(shí)現(xiàn)在任意兩點(diǎn)之間的通信，即實(shí)現(xiàn)了電磁信號的傳遞。天線的通信也是從簡單到復(fù)雜的漸進(jìn)的過程，從單一點(diǎn)對點(diǎn)通信到現(xiàn)在覆蓋全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，GPS天線毋庸置疑的扮演著最底層、最根本、最前端的角色，其作用與優(yōu)勢越來越明顯使得它在日常生活中地位與日俱增，如今已成為現(xiàn)代文明不可缺少的組成局部1-2。隨著當(dāng)今世界科技和全球定位系統(tǒng)(GPS)的不斷的快速開展，個(gè)人定位與導(dǎo)航系統(tǒng)也越來越興旺和普及，尤其是在 、

7、汽車等都要裝配定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，這樣可以隨時(shí)隨地的定位個(gè)人的準(zhǔn)確位置。目前有很多定位的方法，但是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)是最為精確、最普及3。隨著個(gè)人對電子設(shè)備的小型化及便攜性需求，對GPS天線的尺寸的要求更為嚴(yán)格、迫切，而且GPS天線在個(gè)人通信和生活中廣泛應(yīng)用，更加使GPS天線的小型化成為大家主要關(guān)心的熱點(diǎn)。所以，在綜合的前提下，本文側(cè)重對于GPS微帶天線的結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行研究和比較，重點(diǎn)研究微帶貼片天線的圓極化及小型化，使其能更好的滿足需求的性能指標(biāo)4。1.2 GPS天線的研究現(xiàn)狀說起天線這要追朔到1953年，德尚教授利用微帶天線的輻射機(jī)制來制成微帶天線的假設(shè)，但是由于種種的原因在接下來的

8、20多年，微帶天線的開展幾乎沒有什么進(jìn)展 5。這種狀況延續(xù)到1972年，隨著科學(xué)技術(shù)的開展以及對微波集成技術(shù)的成熟，對空間技術(shù)研究的深入，豪威爾和芒森等研究者成功的制成了第一批實(shí)用微帶天線。隨后1979年在美國新墨西哥州大學(xué)舉行了微帶天線的專題會議。微帶天線由此開始快速的開展起來，尤其是70年代，在此期間是微帶天線取得突破性進(jìn)展的時(shí)期。在80年代，對微帶天線的研究無論在理論上的深度還是在應(yīng)用上的廣度都取得了進(jìn)一步的開展6。GPS天線的圓極化實(shí)現(xiàn)主要有三種方式：單饋法、多饋法和多元法，主要多以對角切角等方法。對于小型化方面，在國內(nèi)多使用特殊材料的陶瓷基片來實(shí)現(xiàn)小型化。但是相對本錢很高，在國內(nèi)還不

9、是很普及。1.3 本文進(jìn)度安排本論文分析總結(jié)GPS小型化天線的結(jié)構(gòu)與性能，即通過微帶貼片天線設(shè)計(jì)GPS小型化天線，尤其對微帶貼片天線的圓極化及小型化性能指標(biāo)做了詳細(xì)分析和討論，通過使用電磁場仿真軟件(HFSS)對GPS小型化天線模型進(jìn)行仿真和進(jìn)行優(yōu)化，通過GPS小型化天線的反射損耗、增益、方向圖及右手圓極化等技術(shù)指標(biāo)，最后把實(shí)物測試結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行誤差分析。GPS天線的參數(shù)計(jì)算、仿真及優(yōu)化是本文的重點(diǎn)，其主要工作安排如下：首先，主要闡述GPS天線的研究背景、意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢；其次，介紹微帶天線的根本概念和相關(guān)知識，闡述微帶貼片天線的分析方法和饋電原理的根本原理和理論推導(dǎo)過程。介紹圓

10、極化和小型化的根本概念和相關(guān)知識，闡述實(shí)現(xiàn)圓極化、小型化的方法。最后，根據(jù)天線的參數(shù)公式計(jì)算出天線的參數(shù)，利用HFSS軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)天線的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)行實(shí)物加工和實(shí)物測試，根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)物測試結(jié)果進(jìn)行誤差分析。對全文進(jìn)行總結(jié)指出缺乏之處和今后將要繼續(xù)努力研究的方向。二 根本理論2.1 結(jié)構(gòu)與分類微帶貼片天線一般有三局部組成接地板、介質(zhì)基片、貼片7-8。饋電原理一般是利用微帶線或同軸線等饋線進(jìn)行饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間鼓勵(lì)起射頻電磁場，從而通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。所以，貼片天線也可定義是一種縫隙天線。其根本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。貼片的形狀有各種各樣，依據(jù)貼片的形狀，

11、微帶天線可以分類：微帶貼片天線，微帶振子天線，微帶線型天線，微帶行波天線四種。圖2-1 貼片天線的根本結(jié)構(gòu)2.2 微帶天線的特點(diǎn)微帶貼片天線工作頻率一般在150GHz，在現(xiàn)代通信，尤其是個(gè)人通信中，微帶貼片天線廣泛地工作于100MHz到50GHz的頻率范圍9。和通用的微帶天線微波天線相比，它有一些優(yōu)點(diǎn)：(1) 便攜性、重量輕，體積小，低剖面 (2)電性能多樣化。(3)易于天線的集成，由于可以和有源器件、電路集成在一起，可以適合大規(guī)模生產(chǎn)，方便了天線整體的制作和調(diào)試，從而大大減少生產(chǎn)本錢。和其他天線相比，它也有一些缺點(diǎn)：(1)貼片天線的頻帶一般較窄，大局部是諧振式天線，現(xiàn)在已經(jīng)有一些改進(jìn)方法。(

12、2)從天線的效率看，貼片天線效率較低，因?yàn)閾p耗較大，可以把貼片天線看做微帶電路在匹配負(fù)載上有較大的損耗。如表2-1給出幾種類型天線的性能比較。由微帶貼片天線有許多的優(yōu)點(diǎn)，并且它的一些缺點(diǎn)隨著天線技術(shù)的進(jìn)步正在進(jìn)一步完善，因此它在很多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。通常它在軍事、航海、探險(xiǎn)等應(yīng)用出于優(yōu)勢地位，當(dāng)然在個(gè)人通信和現(xiàn)在社會中也是擔(dān)當(dāng)不可或缺的重任10-11。表2-1 幾種類型天線的性能比較類型微帶貼片天線縫隙天線空腔襯底印制天線印制偶極子天線剖面薄不太薄厚薄制作很容易較容易團(tuán)準(zhǔn)較容易極化線極化或圓極化線極化線極化或園極化線極化雙頻工作可以不可以不可以不可以形狀任意形狀矩形任意形狀矩形或三角形雜

13、散輻射有有沒有有帶寬1%-5%1%-2%10%10%2.3 輻射機(jī)制微帶貼片天線是在微帶諧振器理論根底上開展起來的。當(dāng)介質(zhì)基片上的貼片尺寸接近波長的一半時(shí)，也就是說貼片外表電流大小接近信號頻率的諧振特征值時(shí)，此時(shí)滿足諧振模式條件時(shí)，微帶諧振器將開始諧振。如果有鼓勵(lì)源持存在時(shí)，從而使微帶諧振器在貼片和導(dǎo)體之間形成輻射場，這就是微帶天線的工作輻射機(jī)制12。設(shè)輻射元的長為L，寬為W，介質(zhì)基片的厚度為h，現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，使傳輸線的兩端斷開形成斷路，如圖2-2所示。圖2-2 微帶貼片天線輻射電場結(jié)構(gòu)根據(jù)微帶傳輸線理論，由于基片厚度，場沿h方向均勻分布。在通常的情況

14、下，場沿寬度W方向也沒有變化，而僅在長度方向上有變化，其場分布如圖2-3所示。圖2-3 輻射場分布的側(cè)面圖根據(jù)電場的矢量性，電場可以分解成水平分量和垂直分量，在兩開路端口垂直方向分量恰好大小相等，方向相反相互抵消。水平方向的分量可以相互疊加。所以，兩路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相鼓勵(lì)的兩個(gè)縫隙，縫的電場方向與長邊垂直，并沿長邊W均勻分布?？p大的寬度，長度為W，兩縫間距為。2.4 分析方法天線分析的根本問題即是分析天線的技術(shù)指標(biāo)，首先，天線會在空間中建立電磁場，然后，根據(jù)電磁場的分析方法計(jì)算出天線的反射損耗、方向圖、增益和輸入阻抗等指標(biāo)13。微帶貼片天線的分析方法主要有三種，傳輸線理論

15、模型是最早出現(xiàn)，同時(shí)也是相對簡單的，使用僅局限于矩形貼片空腔模型理論是更為嚴(yán)謹(jǐn)，使用范圍更廣的，可用于各種規(guī)那么貼片，但根本上限于天線厚度遠(yuǎn)小于波長的情況；最嚴(yán)格計(jì)算最復(fù)雜的是積分方程法即全波理論14。本論文才用傳輸線理論模型來分析方形微帶貼片天線。如圖2-4是傳輸線法理論模型，該方法的根本假設(shè)是：(1)微帶貼片與接地板構(gòu)成一段微帶傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波，波的傳輸方向決定于饋電點(diǎn)。線段長度L/2，為準(zhǔn)TEM波的波長。場在傳輸方向(貼片的長度方向)是駐波分布，而在其垂直方向(貼片的寬度方向)是常數(shù)。圖2-4 傳輸線法理論模型(2)傳輸線的兩個(gè)開口端(始端和末端)等效為兩個(gè)輻射縫隙，長為W，寬為h

16、，縫隙場強(qiáng)即為傳輸線開口端場強(qiáng)。縫平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折轉(zhuǎn)90°，而開口端場強(qiáng)隨之折轉(zhuǎn)。由以上兩條根本假設(shè)可以看出，當(dāng)L=/2時(shí)，兩縫上切向電場均為x方向，且等幅同相，它們等效為磁流，由于接地板的作用，相當(dāng)于有二倍磁流向上半空間輻射?？p上等效磁流密度為= y2U/h (2-1)U為傳輸線開口端電壓。如圖2-5所示是按傳輸線法建立的微帶貼片天線等效電路。圖2-5(a)為微帶線饋電方式，為縫隙輻射導(dǎo)納，為微帶片特性導(dǎo)納。圖2-5(b)為同軸線饋電方式，探針從接地板穿孔引出，稱為底饋。等效電路與圖2-6(a)的不同之處是：(1)它在微帶片開口端之間饋電，鼓勵(lì)源

17、離始端距離；(2)探針本身要引入感抗，用表示。圖2-5 微帶貼片天線等效電路由圖2-5可見，微帶天線的輻射等效為二元縫隙陣的輻射，并且縫上等效磁流是均勻的。利用單縫的輻射場計(jì)算公式可以求出天線的輻射場為 (2-2)式中，為方向函數(shù)，r是微帶片中心到場點(diǎn)的距離。 利用圖2-5中所示等效電路易于求得天線的輸入阻抗。為此我們需要求出縫隙的輻射導(dǎo)納，然后用傳輸線公式進(jìn)行變換即可。當(dāng)變換后的阻抗為實(shí)數(shù)時(shí)，說明天線發(fā)生了諧振，即可就得天線的諧振頻率。當(dāng)縫隙的電長度W/較大時(shí)，無限長直縫隙的單位長度輻射導(dǎo)納為 (2-3)因此長為W的縫隙其輻射導(dǎo)納為 (2-4)注意到微帶貼片天線一般，故電納項(xiàng)是正值，即呈容性

18、，并且此值電導(dǎo)項(xiàng)。這意味著計(jì)入這一電納項(xiàng)等效于傳輸線有些伸長，故諧振時(shí)傳輸線長度應(yīng)略小于/2。容性電納的出現(xiàn)，其物理解釋為開口處出現(xiàn)邊緣電荷，等效為電容加大。式(2-4)是在二維場條件下推出的，故假設(shè)縫隙的電長度不大時(shí)，此式不大適用，應(yīng)予重新推導(dǎo)。輻射電導(dǎo)局部對應(yīng)輻射的實(shí)際功率，可將縫隙的輻射能流密度在半球面上積分求出 (2-5)當(dāng)時(shí)，上式化作此值通常比微帶傳輸線的特性導(dǎo)納小很多，接近開路狀態(tài)，因此限制了天線的阻抗頻帶。為了使頻帶加寬，可以增加基片的厚度，減小基片的值，這可以使傳輸線特性導(dǎo)納降低，再增加W使輻射電導(dǎo)提高。由于微帶天線的輻射等效于二元縫隙陣，兩縫之間將存在互耦，故每個(gè)縫隙的輻射導(dǎo)

19、納為 (2-6)此式中我們已經(jīng)假定兩縫隙的磁流是相等的，故我們可以通過求出縫隙陣在半球面的總輻射功率，然后除以2，就得到陣中每個(gè)縫隙的總輻射功率，從而求出每個(gè)縫隙的總輻射電導(dǎo)G為 (2-7)由圖2-5所示的等效電路，利用傳輸線公式可以立刻求得微帶天線的輸入導(dǎo)納。對于同軸線饋電的等效電路，它相當(dāng)于兩縫隙經(jīng)傳輸線變換后的導(dǎo)納并聯(lián)，再與探針的導(dǎo)納串聯(lián)。故輸入阻抗為=1/+j (2-8)其探針阻抗為 (2-9)傳輸線法簡潔明了、具有較強(qiáng)物理直觀性，同樣缺點(diǎn)也很明顯：首先，傳輸線法理論模型只能用于微帶貼片天線而且對貼片的形狀也有嚴(yán)格的要求；另一個(gè)缺點(diǎn)是存在很大的誤差，除了諧振點(diǎn)外，其它非諧振點(diǎn)隨頻率變化

20、的曲線都有一定的誤差。2.5 饋電原理微帶貼片天線的饋電會直接影響到其輸入阻抗從而影響天線的其它性能指標(biāo)，因而它對微帶貼片天線的非常必需15。微帶貼片天線的饋電方法有很多種，微帶貼片天線饋電除了微帶線饋電和同軸探針饋電兩種根本方式外，還包括臨近耦合微帶饋電、口徑耦合微帶饋電、共面波導(dǎo)饋電等新的饋電技術(shù)。選擇恰當(dāng)?shù)酿侂姺绞叫枰鶕?jù)多種因素來考慮，但是其實(shí)質(zhì)都是差不多的，都是使輻射結(jié)構(gòu)與饋電結(jié)構(gòu)之間能夠有效地傳輸電磁波，也即兩者要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。表2-2是幾種饋電方式的比較。表2-2 幾種饋電方式的比較特性同軸饋電微帶饋電臨近耦合口徑耦合共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不是平面共面是平面是平面是平面?zhèn)屋椛涠喽喽喽嗌贅O化

21、純度差差差非常好好制作難度很難容易較容易較容易需要調(diào)整可靠性較好較好好好好阻抗匹配較容易非常容易較容易容易容易帶寬窄窄較寬寬寬三 GPS小型化天線技術(shù)3.1 GPS天線的圓極化所謂極化反映的是：電磁波在空間傳播時(shí)，時(shí)變電磁矢量的幅度大小和方向在傳播方向的變化的情況16。而天線的極化那么定義為電磁波中電磁分量相對于地面的方向。圓極化：電場矢量端點(diǎn)的軌跡在垂直于電磁波傳播方向的平面上投影是一個(gè)圓。而圓極化可根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可分為左旋極化(反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))和右旋極化(正時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))兩種，而GPS小型化天線要滿足右手圓極化。GPS小型化天線要實(shí)現(xiàn)圓極化的最重要因素是在滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，圓極化電磁波具有

22、一些重要性質(zhì)17：(1)圓極化電磁波是電場和磁場方向幅度相等的旋轉(zhuǎn)場，利用切角實(shí)現(xiàn)的圓極化，因?yàn)榭梢援a(chǎn)生兩正交等幅相位相差90度或270度的線極化波；(2)實(shí)現(xiàn)何種方式的圓極化只能輻射和接受特定方式的圓極化波，正是圓極化波的特定性質(zhì)，圓極化才會在實(shí)際生成中得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)圓極化的根本方式18：(1)切角(truncated corners)； (2)外表開槽(Slots/slits)；(3)帶有調(diào)諧枝節(jié)(tuning2stub)。圓極化天線的電參數(shù)反響就是最大增益方向上的軸比。軸比小于3dB的帶寬說明天線的實(shí)現(xiàn)圓極化性能。所以得出實(shí)現(xiàn)天線的圓極化根本方法：通過不同實(shí)現(xiàn)圓極化方式，從而產(chǎn)生在

23、空間相互正交的線極化電場分量，而且二者振幅相等(簡并模)，相位相差90度。盡管圓極化天線各種各樣，但實(shí)現(xiàn)的原理都是相同的。3.2 GPS天線的小型化下面先簡要探討一下微帶貼片天線小型化的具體方法，包括：增加介電常數(shù)、加載、曲流、采用平面倒F以及平面倒L結(jié)構(gòu)、采用分形結(jié)構(gòu)等。首先，介紹采用增加介質(zhì)材料介電常數(shù)來實(shí)現(xiàn)小型化19。電磁波在均勻介質(zhì)中的傳播速度依賴于介質(zhì)材料的介電性能，也就是材料的相對介電常數(shù)。其波長和相對介電常數(shù)的關(guān)系可以用下式表示: (3-1)其中，c是真空中的光速，f是頻率，是基底材料的相對介電常數(shù)。通過(3-1)可以看出如果增加的值，在其它參數(shù)不變的情況下就可以減小電磁波在介質(zhì)

24、中的波長。如果以貼片微帶天線為例，在特定頻率下，增加4倍那么波長可以減小1/2，也就是在特定頻率下天線的尺寸縮減了一半。高的介電常數(shù)使輻射貼片和接地面間的耦合增大，儲能也會增加，天線的阻抗帶寬變窄，進(jìn)一步造成天線的輻射效率下降。設(shè)計(jì)微帶天線在選擇基片材料時(shí)要多方面綜合考慮影響微帶天線性能的條件，如價(jià)格、加工難易度、對貼片支撐力度和介電常數(shù)等。然后，介紹短路加載技術(shù)20來實(shí)現(xiàn)天線的小型化。諧振式的微帶天線在貼片外表會形成駐波，所以我們的微帶天線都工作在半個(gè)波長。根據(jù)駐波的特點(diǎn)，在貼片上，沿輻射電流分布的方向會有一個(gè)電壓零點(diǎn)，如果我們直接把這一點(diǎn)接地，也就是人為設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，那么天線可以不改變諧振

25、頻率，而天線尺寸那么減小了一半，也就是輻射貼片的尺寸從縮減為，到達(dá)了減小天線一半尺寸的目的。短路加載技術(shù)就是在微帶天線的輻射貼片上加載一個(gè)短路面、短路片或者路探針，從而在貼片加載的地方形成一個(gè)短路零點(diǎn)，到達(dá)微帶天線小型化的目的。根據(jù)短路加載的結(jié)構(gòu)和尺寸的不同，對天線尺寸的縮減比例也有很大的差異。短路墻一般可以縮減50%的天線尺寸，短路片可以縮減的更多，根據(jù)當(dāng)前報(bào)道，用短路探針最多可以縮減90%以上的尺寸。PIFA是目前短路加載應(yīng)用最多的技術(shù)，通過在貼片的不同位置加載短路墻或短路探針等實(shí)現(xiàn)不同程度的縮減微帶天線尺寸的目的，由于輻射單元與接地面直接是以空氣做為介質(zhì)，介電常數(shù)較低，且通過調(diào)整短路和饋

26、電局部的高度可以實(shí)現(xiàn)厚基片的目的，對改善天線的輻射特性有較大的好處，但饋電探針引入的感性會減小PIFA天線的帶寬。雙頻內(nèi)置PIFA天線通過在邊緣加載短路探針實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。PILA天線是另外一種短路加載類天線。它與PIFA天線相比，最大差異在于饋電方式的不同，PIFA天線一般用探針或者微帶線直接饋電，PILA天線的饋電方式那么為微帶線或槽耦合饋電。一樣是通過人為設(shè)置零點(diǎn)來縮減一半或更多的天線尺寸。最后，介紹通過采用曲流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)天線的小型化方法。通常的貼片微帶天線都是駐波型的，根據(jù)饋電點(diǎn)和饋電方式的不同，特定模式輻射電流路徑約為半個(gè)波長，所以貼片的尺寸也約為半個(gè)波長。通過改變貼片電流分布改

27、變了微帶貼片天線的諧振頻率，曲流技術(shù)也即是應(yīng)用這一原理。貼片外表開槽主要有兩種形式，一種是在貼片上開槽，一種是在接地面上開槽。20四 GPS小型化天線設(shè)計(jì)與仿真4.1 GPS小型化天線的參數(shù)公式設(shè)在接地板未開縫的情況下，中心頻率=1.23GHz，接地板的尺寸為90mm×90mm，介質(zhì)板的材料為陶瓷基板，相對節(jié)點(diǎn)常數(shù)=9.8，介質(zhì)板的厚度h=3mm。矩形微帶天線的各參數(shù)通過以下公式計(jì)算： (4-1)c為光速，W為貼片的寬度，表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)； (4-2)為等效延伸長度； (4-3)L為貼片長度； (4-4) 為等效介電常數(shù)； (4-5) 為電磁波波長； (4-6) 為等效電磁波波

28、長；設(shè)輻射邊界的長寬略大于介質(zhì)板與接地板的長寬，其頂部高于貼片/4；GND的尺寸： (4-7) 為接地板的長度； (4-8) 為接地板的寬度；建立坐標(biāo)系，其中X軸代表微帶天線的貼片長度，Y軸代表微帶天線的貼片寬度，Z軸代表微帶天線的貼片高度,那么同軸饋線的位置為(0,0)。其中 (4-9)4.2 圓極化矩形微帶天線的設(shè)計(jì)對于圓極化微帶天線來說，技術(shù)指標(biāo)主要包括：(1) 天線的中心工作頻率f0；(2) 天線方向性系數(shù)或者增益；(3) 天線輸入阻抗(有時(shí)候可以用天線的S11 參數(shù)或者VSWR來代替)；(4) 極化特性，對于圓極化天線主要看它的軸比特性。其GPS天線的技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 工作頻段：

29、12201235MHz。(2) 增益： 3dB12201235MHz。(3) E/H-3dB： 60°12201235MHz。(4) 極化：右旋圓極化。(5) 微帶介質(zhì)基板：Er=9.8。由于圓極化天線的波形與線極化天線的波形不同，因此對于圓極化矩形微帶天線的饋電方式也有所不同，主要的饋電方式有兩種：即一點(diǎn)式饋電和正交式饋電。正交饋電方式是讓天線的兩個(gè)相鄰邊分別饋入相差90°的線極化波；而一點(diǎn)饋電方式那么是由一個(gè)饋點(diǎn)產(chǎn)生幅度相等且極化正交的兩個(gè)簡并模，因此對于天線單元本身，就需要它引入一定的“微擾量，一般來說，人們都是稍微的增加或者減少輻射單元的面積以到達(dá)目的。例如切角或者

30、加邊等，這個(gè)“微擾量稱為天線的簡并單元。在設(shè)計(jì)GPS小型化天線時(shí)選擇一點(diǎn)式饋電，如圖4-1所示是一點(diǎn)式饋電的矩形微帶天線，對于一點(diǎn)式饋電矩形微帶天線來說，饋電點(diǎn)選取在 X 或者 Y 軸上稱為A型天線。如果在對角線上那么成為 B 型天線。在實(shí)現(xiàn)天線的右旋極化時(shí)采用A型天線。令天線的“微擾量s為天線簡并單元，s<0稱為簡并單元為負(fù)；s >0稱為簡并單元為正。實(shí)心點(diǎn)為饋電點(diǎn)。圖4-1 一點(diǎn)式饋電的矩形微帶天線圓極化微帶天線的理論依據(jù)比較復(fù)雜，這里不做詳細(xì)推導(dǎo)，只給出相應(yīng)結(jié)論。對于一點(diǎn)式饋電矩形圓極化微帶天線，當(dāng)它正常工作時(shí)，需滿足以下條件：(1)對于 A 型：|s/ S| Q0 = 1/

31、2 (2)對于 B 型：|s/ S| Q0 = 1式中 s為天線簡并單元，S 為原矩形貼片局部，Q0為天線品質(zhì)因數(shù)。由于矩形微帶天線屬于一個(gè)開路/2線性諧振器，所以它可由下式求出：Q0=/2。4.3 GPS小型化天線的仿真及優(yōu)化根據(jù)天線的計(jì)算公式進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算出天線的尺寸、材料等。如表4-1所示是仿真的天線參數(shù)表表4-1 仿真的天線參數(shù)表材料長度寬度高度方形貼片Global38mm38mm0mm介質(zhì)基片Al2_03_ceramic45mm45mm3mm接地板Global90mm90mm0mm切角4.4mm探針/饋點(diǎn)copper坐標(biāo)(0,8,0)半徑0.5mm由于方形貼片的長度、切角的大小和

32、饋電的位置都會影響天線的技術(shù)指標(biāo)，所以通過調(diào)節(jié)貼片的大小、切角的大小和饋電點(diǎn)的位置對天線的仿真進(jìn)行優(yōu)化。如表4所示是優(yōu)化的天線參數(shù)表表4-2 優(yōu)化的天線參數(shù)表材料長度寬度高度方形貼片Global37.75mm37.75mm0mm介質(zhì)基片Al2_03_ceramic45mm45mm3mm接地板Global90mm90mm0mm切角2mm探針/饋點(diǎn)copper坐標(biāo)(0,8,0)半徑0.5mm如圖4-2是GPS小型化天線的仿真的模型。如圖4-3是GPS小型化天線的反射損耗曲線(S11參數(shù)圖)，由反射損耗圖中可以看出最小值的坐標(biāo)(1.225GHz，-18.9504dB)，微帶天線的帶寬較窄，大概在10

33、MHz左右，而中心頻率是1.23GHz在誤差范圍內(nèi)已到達(dá)天線技術(shù)指標(biāo)。如圖4-5是天線的軸比圖即軸比隨角變化的曲線，可以看出theta在正負(fù)60度的范圍內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)圓極化。如圖4-4天線的輻射方向圖增益，在最大輻射方向增益4.8063dB。圖4-2 GPS小型化天線的模型圖4-3 GPS小型化天線反射損耗圖4-4 GPS小型化天線增益圖4-5 GPS小型化天線軸比4.4 實(shí)物測試 GPS小型化天線的實(shí)物如圖4-6所示。圖4-6 天線實(shí)物 天線的實(shí)物測試結(jié)果S11參數(shù)的測試如圖4-7所示。圖4-7 S參數(shù)圖從圖4-7中可以看出加工出來的天線的中心頻率發(fā)生了偏離，比要求的中心頻率小了，這可能是天線

34、的實(shí)際加工中，對天線的尺寸，尤其是貼片尺寸的加工不夠精確，導(dǎo)致天線貼片的實(shí)際尺寸大了，致使加工出來的天線的中心頻率出現(xiàn)了偏差。從S參數(shù)圖看天線的帶寬完全到達(dá)技術(shù)指標(biāo)。五 總結(jié)與展望在無線通信系統(tǒng)中，由于無線通信的開展需要，特別是隨著GPS系統(tǒng)越來越多的在民用移動設(shè)施中的應(yīng)用，天線的小型化、圓極化以及多頻段已經(jīng)成為主要的研究方向，其應(yīng)用前景也非常地廣闊。于此同時(shí)，天線是整個(gè)系統(tǒng)中非常重要地器件，天線性能地優(yōu)劣會直接影響通信系統(tǒng)的指標(biāo)。因此，天線與系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)也是目前無線通信中的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。小型化、內(nèi)置化、多頻段、智能化成為小型化天線的開展趨勢，并且一個(gè)好的天線在滿足自身指標(biāo)的同時(shí)，還需要周圍的系統(tǒng)環(huán)境有好的兼容性。本論文針對當(dāng)前GPS系統(tǒng)天線、移動通訊終端天線的需求，設(shè)計(jì)出符合性能指標(biāo)要求的微帶貼片天線。盡管本文對應(yīng)用于GPS系統(tǒng)的天線進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，但出于論文時(shí)間和作者水平的限制有許多工作尚需進(jìn)一步完善。由于天線的制作以及實(shí)測條件的缺乏，給天線的實(shí)測數(shù)據(jù)帶來了一定的影響，所設(shè)計(jì)出天線的某些性能還有待改進(jìn)，今后本論文主要工作方向?yàn)椋簩τ谖炀€，可以多采用幾種小型化技術(shù)，進(jìn)一步減小其體積，同時(shí)不提