(完整word版)圆极化微带天线设计

ＧＰＳ圆极化微带天线设计

1.1微带天线简介

微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片，一面全部敷以金属薄膜层做接地板而成。GPS天线通常使用平面天线和螺旋形天线。近年来微带天线由于具有重量轻，体积小，易于实现圆极化。而GPS功能在个人行动通讯设备特别是手机中的普及，更使得GPS天线的小型化研究成为十分热门的话题。

1.2GPS微带天线结构与原理

上图是一个简单的微带天线结构，由辐射元，介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数为辐射元的长度L,辐射元的宽度W，介质层的厚度h,介质的相对介质电常数εr ，介质的长度和宽度。

1.3辐射机理

理论上可以采用传输线模型来分析其性能，假设辐射贴片的长度近似的为半波长，宽度为w,介质基片厚度为h,工作波长为λ；我们可以将辐射贴片，介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。由于介质基片厚度h<<λ，故电路沿着h方向基本没有变化。最简单的情况可以假设电场沿着宽度w方向也没有变化。那么在只考虑主模激励（TM10模）的情况下辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路的边缘引起的。在两开路的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，由于辐射贴片长度约为半个波长，所以两垂直分量方向相反，水平分量方向相同。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的那个缝隙，缝隙的宽度为ΔL（近似等于基片厚度h），长度为w，等效缝隙相距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场方向垂直于w。

1.4微带天线贴片尺寸估算

设计高效率辐射的宽度w,2

1212-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=r f c w ε 式中C 为光速。 辐射贴片的长度一般为2

e λ，这里的e λ是介质内的导波波长，即 e λ=e

f c

ε

考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射单元长度L 应为 L=e f c

ε-2ΔL 式中e ε是有效介电常数，ΔL 是等效辐射缝隙长度，

同轴线馈电点的位置，宽度方向上馈电点的位置一般在中心点，在长度方向上边缘处（x=±L/2）的输入阻抗最高。由以下的公式计算出输入阻抗为50欧姆的馈电点位置：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=re 1-12L 1L ξ

2ＨＦＳＳ设计环境概述

2.1模式驱动求解。

2.2建模操作。

模型原型：长方体，圆柱体，矩形面，圆面。

模型操作：相减操作。

2..3边界条件及激励：

边界条件：有限导体边界，辐射边界.

端口激励：集总端口激励。

2.4求解设置。

求解频率：１.６ＧＨｚ

扫频设置：快速扫描，频率范围：１～２ＧＨｚ

2..5Ｏｐｔｉｍｅｔｒｉｃｓ

参数扫描分析

优化设计

2.6数据后处理：Ｓ参数扫描曲线，３Ｄ辐射方向图。

3.1仿真模型

３.2结果

Ｓ参数扫描曲线 3D辐射方向图

1从分析结果中可以看出设计的微带天线谐振频率在1.6GHZ。且在1.6GHZ 频点附近上的回波损耗为20.5dB左右。

2从三维增益方向图中可以看出该微带天线最大辐射方向是微带贴片的法向方向，即z轴方向。

4.总结和展望

为了满足GPS天线的低剖面，易集成的特点，对传统的微带GPS天线进行了研究和分析。通过在传统的微带天线贴片上开槽实现其小型化，在开槽的同时，我们也发现开槽可以减小天线的面积，同时对其辐射特性也带来一定的影响，由于辐射面积减小，其辐射能力也有一定的下降。

对于微带天线，可以多采用几种小型化技术，进一步减小其体积，同时不提高天线的成本，进一步改善圆极化带宽，加宽方向图的辐射波束。除此之外，馈电点位置也应该进一步优化。是其低频能实现好的圆极化性能。

在无线通信系统中，由于无线通信的发展需要，特别是随着GPS系统越来越多的在移动设备中的应用，天线的小型化，圆极化和多频段已经成为主要的研究方向其应用前景也非常广泛。GPS在未来的应用将有无限广阔的前景，由于应用的的需要，其天线在许多方面还将得到进一步的发展，如微带天线的介质材料的更新，分形技术，光子带隙等新型技术的应用等。

参考文献

[1].叶云裳《一种星载GPS接收天线》。《中国空间科学技术》。2001年6月。

[2].钟顺时《微带天线与理论》，西安电子科技出版社