微带一种适用于GPS微带天线设计案例优化

【摘要】根据GPS定位原理及其卫星信号特征，为实现接收机快速、连续、精确定位，对GPS天线提出了很高的要求。论文给出了微带天线的几种分析方法，并介绍了微带天线圆极化的原理和实现方法以及微带天线的馈电方式。
【关键词】微带天线；圆极化；GPS

1、GPS微带天线的介绍

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微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线、同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射，因此微带天线可看作是一种缝隙天线。和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小、重量轻、成本低，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于用印刷电路技术大批量生产，能与有源器件和电路集成为单一的模件，容易获得圆极化，容易实现双频、多频段工作等。
GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中工作星21颗，备用星3颗，卫星分布在6个轨道面上，每个轨道上均匀分布4颗，卫星运行周期为11时58分。卫星在地平面以上的数目随时间和地点的变化而异，最少为4颗，最多为11颗。卫星向用户发送导航电文，GPS接收机同时接收至少4颗卫星信号，利用接收机到卫星的距离计算出测点的三维位置。
※GPS微带天线的设计指标
1）工作频率：

1.575GHz±

2.5MHz；

2）天线尺寸： ≤80×80×2mm3； 3）极化方式： 右旋圆极化；
4）轴比： AR≤3dB；
5）电压驻波比： VSWR≤2.0；
6）方向图：水平面≥100°，垂直面≥100°；
7）天线接口： A-50-KFD；

2、GPS微带天线方案选择

根据天线原理知识并接个项目指标要求，设计方案如下：

2.1天线形式的确定

由于天线的尺寸厚度较小，为此，我们采用厚度2mm，相对介电常数为2.65的聚乙烯作为介质材料的微带天线进行实现；并且GPS信号是由卫星从空间发送下来的，为了消除电离层对信号的法拉第旋转效应，信号采用的是右旋圆极化，因此，接收天线也应采用右旋圆极化方式。

2.2天线尺寸及样式

建立起天线仿真模型。上层为天线贴片，尺寸如图1；中间层为厚度为2mm，相对介电常数为2.65的聚乙烯介质层；底层为金属底板。其中，介质层底面和金属地板尺寸均为70mm×70mm。另，馈电位置为坐标（0，9，0），馈电孔半径0.5mm，底面半径

1.5mm。

采用Ansoft HFSS软件对所设计的微带天线主要电性能参数进行仿真分析，天线频率1.57GHz时，电压驻波比为1.45；在频率1.58GHz时，电压驻波比为1.51.在指标要求的频率范围内，电压驻波比均小于2.0，满足指标要求。具体仿真结果如图2：
天线在频率1.575Ghz工作时，Theta=0°增益值为6.733dB；Theta=-52°增益值为3.029dB；Theta=51°增益值为3.104dB；XOZ面放线图基本可以覆盖-51～53°。天线在频率1.575Ghz工作时，Theta=0°增益值为6.733dB；Theta=-51°增益值为3.011dB；Theta=53°增益值为3.023dB；XOZ面放线图基本可以覆盖-51～53°。XOZ、YOZ面轴比值随Theta变化仿真结果如图3：

2.3天线极化的判断

由轴比可以判断圆极化，关于是左旋圆极化还是右旋圆极化把GainLHCP和GainRHCP画在同一张图上即可看出。
通过这张图，我们可以清晰的看出，该天线为右旋圆极化微带天线。
3、结语
本次设计大体上延续了普通的圆极化微带天线的设计方法，但是在细节上如天线的尺寸、馈点的选择以及增益的方面做出了改动使其更加适合于GPS卫星使用。特别是相位中心的稳定性和优良的广角圆极化特性都较之于其他类型的天线更优，为GPS应用提供了一种性能优良的天线。
参考文献
王宝志.微波技术与工程天线.北京：人民邮电出版社，1991.10
韩庆文，易念学，李忠诚等.圆极化微带天线的设计与实现.重庆大学学报，2004.11
[3]谢拥军，王鹏，李磊等.Ansoft HFSS基础及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2007.