《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種易調(diào)諧的小型GPS微帶天線設(shè)計(jì)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第11期
傅世強(qiáng)， 王 強(qiáng)， 李嬋娟
大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連116026
摘要： 提出了一款新穎的易調(diào)諧小型GPS微帶天線結(jié)構(gòu)。采用正方形貼片作為輻射單元，通過(guò)切角微擾實(shí)現(xiàn)右旋圓極化輻射；在貼片中心開(kāi)槽和四周開(kāi)縫，利用貼片曲流技術(shù)減小天線的尺寸；使用同軸中心饋電加載微帶匹配段，實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。文章給出了天線的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了大量的電磁仿真優(yōu)化，最終對(duì)天線進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)的頻帶內(nèi)，天線具有較好的阻抗匹配和圓極化輻射特性。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)諧的特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
中圖分類(lèi)號(hào)：TN965.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)11-0116-03
Design of a new and easy tuning compact GPS microstrip antenna
Fu Shiqiang, Wang Qiang, Li Chanjuan
College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026， China
Abstract： A new and easy tuning compact GPS microstrip antenna structure has been proposed. RHCP(right-hand circular polarized) radiation is realized with corner truncated on a square patch as the radiating element. The size of the antenna is reduced by cutting central slot and marginal slits, which force the current to follow extra paths. Coaxial feeding loaded microstrip matching section is used to achieve impedance matching. The design method of the antenna is given. The designed antenna has been fabricated and measured after a large of electromagnetic simulations. The simulated and measured results show that the antenna has a good matching and CP radiation performance. The antenna has good prospects for the applications because it is compact and easy tuning.
Key words : GPS antenna； microstrip antenna； compact； easy tuning

    隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）在中國(guó)各行各業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展，對(duì)GPS天線的要求越來(lái)越高，不僅要滿(mǎn)足右旋圓極化的輻射特性，對(duì)其外觀及系統(tǒng)集成度方面的要求也進(jìn)一步增多，特別是近年來(lái)便攜式接收機(jī)的應(yīng)用，對(duì)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(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(jì)中最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[3]對(duì)于該結(jié)構(gòu)給出了詳細(xì)的分析和討論。為了減小天線的尺寸，參考文獻(xiàn)[4]通過(guò)在貼片中心開(kāi)槽，增大微帶環(huán)表面電流路徑的有效長(zhǎng)度，以降低天線的諧振頻率，從而實(shí)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(yán)格限制了天線的幾何尺寸。為了減少微帶天線制造公差對(duì)頻率漂移的影響，參考文獻(xiàn)[5]提出了在輻射貼片四周加載兩對(duì)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(kāi)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(jì)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(kāi)槽和貼片四周加載縫隙等設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)。給出了天線的設(shè)計(jì)思路和匹配調(diào)諧方法，并最終對(duì)天線進(jìn)行了加工和實(shí)測(cè)。
1 天線的設(shè)計(jì)
    微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化工作的關(guān)鍵是激勵(lì)產(chǎn)生兩個(gè)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(gè)形狀規(guī)則的單片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生極化正交、幅度相等的兩個(gè)簡(jiǎn)并模，為了在簡(jiǎn)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(jiǎn)并模分離單元，使簡(jiǎn)并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離，工作頻率選在兩個(gè)諧振頻率之間，當(dāng)簡(jiǎn)并模分離單元大小選擇合適時(shí)，就能形成圓極化輻射[2]。
    本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形輻射貼片，通過(guò)在正方形貼片對(duì)角線上切除ΔL×ΔL方形簡(jiǎn)并模分離單元來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化；通過(guò)在貼片中心開(kāi)正方形槽L2×L2，在貼片四周開(kāi)長(zhǎng)方形縫L1×W1來(lái)縮減天線尺寸；通過(guò)同軸中心饋電，并采用微帶匹配段W2×L3進(jìn)行阻抗匹配調(diào)節(jié)。

    利用仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行了大量的電磁仿真優(yōu)化計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，中心凹槽的邊長(zhǎng)L2和四周槽的寬度W1不能太大，太大則會(huì)明顯減小貼片天線的有效輻射面積，使天線的輻射場(chǎng)型發(fā)生畸變。同時(shí)中心凹槽的邊長(zhǎng)對(duì)匹配也有一定影響，為了保證天線的輻射特性，經(jīng)過(guò)不斷地仿真優(yōu)化，最終選擇正方形輻射貼片的大小為L(zhǎng)=38.5 mm(≈0.38 λg),較傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)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(zhǎng)L2=13 mm，四周縫的寬度W1=2 mm，長(zhǎng)度L1=5 mm，接地板邊長(zhǎng)G=70 mm。
    天線在實(shí)際制作過(guò)程中，由于介質(zhì)材料的不均勻性以及加工誤差的影響導(dǎo)致天線諧振頻率偏移，因此方便快捷地進(jìn)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(zhǎng)度L1變化時(shí)，天線諧振頻率的變化規(guī)律。可以看出，縫隙越長(zhǎng)，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(zhǎng)增大的緣故，因此可以用于對(duì)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(jìn)行頻率的微調(diào)和阻抗匹配。加載的微帶匹配段對(duì)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(shí)部和虛部會(huì)同時(shí)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(shí)部發(fā)生變化，如圖4所示。因此在設(shè)計(jì)微帶線匹配時(shí)，兼顧中心槽的邊長(zhǎng)，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(shí)部為50 Ω。 調(diào)整后的W2和L3分別為2.5 mm和3 mm時(shí)，得到了良好的匹配曲線。

2 天線的實(shí)驗(yàn)
    基于以上的分析與設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物加工，選用低成本FR4材料板進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，相對(duì)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(shí)物圖如圖5所示。

 

 

    使用Agilent N5230A矢網(wǎng)對(duì)天線的輸入匹配進(jìn)行了測(cè)量。圖6給出了天線的仿真與實(shí)測(cè)S11的對(duì)比曲線。從圖中看出實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)S11<-15 dB，即VSWR<1.5，輸入取得了良好的阻抗匹配。實(shí)測(cè)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(guò)前面所述的措施進(jìn)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(kāi)槽同軸饋電加載微帶線匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。綜合采用了貼片表面開(kāi)槽曲流技術(shù)和切角微擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型化和圓極化。利用FR4介質(zhì)基板進(jìn)行了天線的加工實(shí)驗(yàn)，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(dá)到1 dBi，波束寬度超過(guò)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(jiǎn)單，易于加工，便于調(diào)諧，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 高陽(yáng),董樹(shù)榮,王德苗. GPS天線技術(shù)及其發(fā)展[J]. 無(wú)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.
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[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.

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