一种易调谐的小型GPS微带天线设计

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随着全球定位系统（GPS） 在中国各行各业应用的快
速发展， 对GPS 天线的要求越来越高， 不仅要满足右旋
圆极化的辐射特性， 对其外观及系统集成度方面的要求
也进一步增多， 特别是近年来便携式接收机的应用， 对
小型化GPS 天线提出了迫切需求[ 1]。微带天线由于具有
体积小、剖面低、易于馈电、能与载体共形、便于实现圆
极化等优点而得到了广泛的研究和发展。应用于GPS 的
微带天线研究， 也促进了天线带宽的展宽、小型化及增
益的提高[ 2]。
单馈电切角圆极化微带天线是GPS 天线设计中最
为常见的结构。参考文献[3] 对于该结构给出了详细的
分析和讨论。为了减小天线的尺寸， 参考文献[4] 通过在
贴片中心开槽， 增大微带环表面电流路径的有效长度，
以降低天线的谐振频率， 从而实现小型化。一般而言， 单
馈电圆极化微带天线轴比带宽较窄， 严格限制了天线的
几何尺寸。为了减少微带天线制造公差对频率漂移的影
响， 参考文献[5] 提出了在辐射贴片四周加载两对缝隙
的方法， 既能增大天线的圆极化带宽， 还能减小天线的
尺寸。为了提高天线的增益和辐射效率， 加载的缝隙也
可以开在接地板上[6]。
本文基于圆极化微带天线基本理论， 借鉴前人的研
究成果， 设计了一款新颖的结构紧凑、匹配良好、易于调
谐的GPS 微带天线。综合采用切角微扰， 贴片中心开槽
和贴片四周加载缝隙等设计技术[ 3 -5]， 并提出从中心同
轴馈电加载微带线匹配技术来实现天线设计。给出了天
线的设计思路和匹配调谐方法， 并最终对天线进行了加
工和实测。
1 天线的设计
微带天线实现圆极化工作的关键是激励产生两个
幅度相等且相位相差90° 的正交线极化波。根据腔模理
一种易调谐的小型GPS 微带天线设计*
傅世强， 王强， 李婵娟
(大连海事大学信息科学技术学院， 辽宁大连116026)
摘要： 提出了一款新颖的易调谐小型GPS 微带天线结构。采用正方形贴片作为辐射单元， 通过切角
微扰实现右旋圆极化辐射；在贴片中心开槽和四周开缝，利用贴片曲流技术减小天线的尺寸； 使用同轴中
心馈电加载微带匹配段，实现阻抗的匹配。文章给出了天线的设计思路，并进行了大量的电磁仿真优化，
最终对天线进行了加工实验。实验结果表明，在设计的频带内，天线具有较好的阻抗匹配和圆极化辐射特
性。该天线具有结构紧凑、易于调谐的特点，具有良好的应用前景。
关键词： GPS 天线； 微带天线； 小型化； 易调谐
中图分类号：TN965.2 文献标识码： A 文章编号： 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
通信与网络Communication and Network
* 基金项目： 国家自然科学基金（ 61071044 ） ； 交通运输部交通应用基础研究
项目（ 2010-329-225-030 ） ； 中央高校基本科研业务费专项（ 2011QN026 ）
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论可知， 一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产
生极化正交、幅度相等的两个简并模， 为了在简并模之
间形成90° 相位差， 在规则形状的单片微带天线上附加
一简并模分离单元， 使简并正交模的谐振频率产生分
离， 工作频率选在两个谐振频率之间， 当简并模分离单
元大小选择合适时， 就能形成圆极化辐射[ 2]。
本文设计的天线结构如图1 所示。天线采用边长为
L 的正方形辐射贴片， 通过在正方形贴片对角线上切除
ΔL×ΔL 方形简并模分离单元来实现圆极化； 通过在贴
片中心开正方形槽L2×L2， 在贴片四周开长方形缝L1×
W1
来缩减天线尺寸； 通过同轴中心馈电， 并采用微带匹
配段W2×L3
进行阻抗匹配调节。
利用仿真软件HFSS 对天线进行了大量的电磁仿真
优化计算。研究发现， 中心凹槽的边长L2
和四周槽的宽
度W1
不能太大， 太大则会明显减小贴片天线的有效辐
射面积， 使天线的辐射场型发生畸变。同时中心凹槽的
边长对匹配也有一定影响， 为了保证天线的辐射特性，
经过不断地仿真优化， 最终选择正方形辐射贴片的大小
为L=38.5 mm (≈0.38 λg), 较传统理论设计边长近似0.5λg
的贴片面积减小了42%, 方形切角的大小ΔL 为3.4 mm，
中心槽的边长L2=13 mm， 四周缝的宽度W1=2 mm， 长度
L1=5 mm， 接地板边长G=70 mm。
天线在实际制作过程中， 由于介质材料的不均匀性
以及加工误差的影响导致天线谐振频率偏移， 因此方便
快捷地进行天线的调谐显得尤为重要。图2 给出了在其
他参数保持不变， 贴片四周缝隙长度L1
变化时， 天线谐
振频率的变化规律。可以看出， 缝隙越长， 谐振频率明显
降低， 这是由于曲流技术使得天线有效辐射边长增大的
缘故， 因此可以用于对天线谐振频率的粗调。
在获得了天线的大致谐振频率后， 利用同轴中心馈
电， 加载微带线进行频率的微调和阻抗匹配。加载的微
带匹配段对天线的阻抗调节具有一定的规律性。改变
L3， 输入阻抗的实部和虚部会同时变化， 如图3 所示。但
改变W2， 输入阻抗的虚部基本不变， 只有实部发生变
化， 如图4 所示。因此在设计微带线匹配时， 兼顾中心槽
的边长， 首先调整L3
使输入阻抗虚部为0， 然后调整W2
使输入阻抗实部为50 Ω。调整后的W2
和L3
分别为
2.5 mm 和3 mm 时， 得到了良好的匹配曲线。
2 天线的实验
基于以上的分析与设计结果， 对天线进行实物加
工， 选用低成本FR4 材料板进行天线设计， 相对介电常
数为εr=4.3 ， 损耗角正切tanδ=0.02 ， 厚度h=1.5 mm。加
工后的实物图如图5 所示。
通信与网络Communication and Network
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使用Agilent N5230A 矢网对天线的输入匹配进行了
测量。图6 给出了天线的仿真与实测S11
的对比曲线。从
图中看出实测结果与仿真结果具有较好的一致性， 频率
从1.55 GHz ~1.59 GHz 范围内实测S11
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