隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）在中國各行各業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展，對GPS天線的要求越來越高，不僅要滿足右旋圓極化的輻射特性，對其外觀及系統(tǒng)集成度方面的要求也進一步增多，特別是近年來便攜式接收機的應(yīng)用，對小型化GPS天線提出了迫切需求[1]。微帶天線由于具有體積小、剖面低、易于饋電、能與載體共形、便于實現(xiàn)圓極化等優(yōu)點而得到了廣泛的研究和發(fā)展。應(yīng)用于GPS的微帶天線研究，也促進了天線帶寬的展寬、小型化及增益的提高[2]。

    單饋電切角圓極化微帶天線是GPS天線設(shè)計中最為常見的結(jié)構(gòu)。參考文獻[3]對于該結(jié)構(gòu)給出了詳細的分析和討論。為了減小天線的尺寸，參考文獻[4]通過在貼片中心開槽，增大微帶環(huán)表面電流路徑的有效長度，以降低天線的諧振頻率，從而實現(xiàn)小型化。一般而言，單饋電圓極化微帶天線軸比帶寬較窄，嚴格限制了天線的幾何尺寸。為了減少微帶天線制造公差對頻率漂移的影響，參考文獻[5]提出了在輻射貼片四周加載兩對縫隙的方法，既能增大天線的圓極化帶寬，還能減小天線的尺寸。為了提高天線的增益和輻射效率，加載的縫隙也可以開在接地板上[6]。
    本文基于圓極化微帶天線基本理論，借鑒前人的研究成果，設(shè)計了一款新穎的結(jié)構(gòu)緊湊、匹配良好、易于調(diào)諧的GPS微帶天線。綜合采用切角微擾，貼片中心開槽和貼片四周加載縫隙等設(shè)計技術(shù)[3-5]，并提出從中心同軸饋電加載微帶線匹配技術(shù)來實現(xiàn)天線設(shè)計。給出了天線的設(shè)計思路和匹配調(diào)諧方法，并最終對天線進行了加工和實測。
1 天線的設(shè)計
    微帶天線實現(xiàn)圓極化工作的關(guān)鍵是激勵產(chǎn)生兩個幅度相等且相位相差90°的正交線極化波。根據(jù)腔模理論可知，一個形狀規(guī)則的單片微帶天線由一點饋電可產(chǎn)生極化正交、幅度相等的兩個簡并模，為了在簡并模之間形成90°相位差，在規(guī)則形狀的單片微帶天線上附加一簡并模分離單元，使簡并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離，工作頻率選在兩個諧振頻率之間，當簡并模分離單元大小選擇合適時，就能形成圓極化輻射[2]。
    本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用邊長為L的正方形輻射貼片，通過在正方形貼片對角線上切除ΔL×ΔL方形簡并模分離單元來實現(xiàn)圓極化；通過在貼片中心開正方形槽L2×L2，在貼片四周開長方形縫L1×W1來縮減天線尺寸；通過同軸中心饋電，并采用微帶匹配段W2×L3進行阻抗匹配調(diào)節(jié)。

    利用仿真軟件HFSS對天線進行了大量的電磁仿真優(yōu)化計算。研究發(fā)現(xiàn)，中心凹槽的邊長L2和四周槽的寬度W1不能太大，太大則會明顯減小貼片天線的有效輻射面積，使天線的輻射場型發(fā)生畸變。同時中心凹槽的邊長對匹配也有一定影響，為了保證天線的輻射特性，經(jīng)過不斷地仿真優(yōu)化，最終選擇正方形輻射貼片的大小為L=38.5 mm(≈0.38 λg),較傳統(tǒng)理論設(shè)計邊長近似0.5λg的貼片面積減小了42%,方形切角的大小ΔL為3.4 mm，中心槽的邊長L2=13 mm，四周縫的寬度W1=2 mm，長度L1=5 mm，接地板邊長G=70 mm。
    天線在實際制作過程中，由于介質(zhì)材料的不均勻性以及加工誤差的影響導致天線諧振頻率偏移，因此方便快捷地進行天線的調(diào)諧顯得尤為重要。圖2給出了在其他參數(shù)保持不變，貼片四周縫隙長度L1變化時，天線諧振頻率的變化規(guī)律。可以看出，縫隙越長，諧振頻率明顯降低，這是由于曲流技術(shù)使得天線有效輻射邊長增大的緣故，因此可以用于對天線諧振頻率的粗調(diào)。

    在獲得了天線的大致諧振頻率后，利用同軸中心饋電，加載微帶線進行頻率的微調(diào)和阻抗匹配。加載的微帶匹配段對天線的阻抗調(diào)節(jié)具有一定的規(guī)律性。改變L3，輸入阻抗的實部和虛部會同時變化，如圖3所示。但改變W2，輸入阻抗的虛部基本不變，只有實部發(fā)生變化，如圖4所示。因此在設(shè)計微帶線匹配時，兼顧中心槽的邊長，首先調(diào)整L3使輸入阻抗虛部為0，然后調(diào)整W2使輸入阻抗實部為50 Ω。 調(diào)整后的W2和L3分別為2.5 mm和3 mm時，得到了良好的匹配曲線。

2 天線的實驗
    基于以上的分析與設(shè)計結(jié)果，對天線進行實物加工，選用低成本FR4材料板進行天線設(shè)計，相對介電常數(shù)為εr=4.3，損耗角正切tanδ=0.02，厚度h=1.5 mm。加工后的實物圖如圖5所示。

    使用Agilent N5230A矢網(wǎng)對天線的輸入匹配進行了測量。圖6給出了天線的仿真與實測S11的對比曲線。從圖中看出實測結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性，頻率從1.55 GHz~1.59 GHz范圍內(nèi)實測S11<-15 dB，即VSWR<1.5，輸入取得了良好的阻抗匹配。實測中心頻率稍向低頻偏移，這是由于FR4介質(zhì)材料的不穩(wěn)定性造成的，可以通過前面所述的措施進行微調(diào)。

    本文提出了一款小型化GPS微帶天線結(jié)構(gòu)。該天線采用了新穎的中心開槽同軸饋電加載微帶線匹配技術(shù)，實現(xiàn)了良好的阻抗匹配。綜合采用了貼片表面開槽曲流技術(shù)和切角微擾技術(shù)，實現(xiàn)了小型化和圓極化。利用FR4介質(zhì)基板進行了天線的加工實驗，結(jié)果表明，在所需的頻段內(nèi)，天線的VSWR小于1.5，軸比小于3 dB，增益達到1 dBi，波束寬度超過120&deg;。由于FR4基板損耗較大，天線的增益不太理想，若改用損耗較小的微波介質(zhì)材料，增益可以明顯提高。該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，便于調(diào)諧，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] 高陽,董樹榮,王德苗. GPS天線技術(shù)及其發(fā)展[J]. 無線通信技術(shù), 2008(4):34-39.
[2] WONG K L.Compact and broadband microstrip antenna[M]. NewYork: John Wiley&Sons, Inc,2002.
[3] SHARMA P C, GUPTA K C. Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip attennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1983,31(6):117-123.
[4] CHEN W S, WU C K,WONG K L. Single-feed squarering microstrip antenna with truncated corners for compact circular polarization operation[J]. Electronics Letters, 1998,34(11):1045-1047.
[5] WONG K L, Wu Jianyi. Single-feed small circularly polarised square microstrip antenna [J]. Electronics Letters, 1997,33(22):1833-1834.
[6] SIM C Y D, HAN T Y. GPS antenna with slotted ground  plane[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2008, 50(3):818-821.