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[GPS] 一种高介GPS微带天线的设计与研究

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发表于 2014-10-1 06:13:32 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

2012年2月1日
第35卷第3期
现代电子技术
Modern Electronics Technique
Feb.2012
Vol.35No.3
一种高介GPS微带天线的设计与研究
张耀东,张介秋,屈绍波
(空军工程大学理学院,陕西西安 710051)
摘 要:针对传统GPS天线体积较大的问题,提出了一种改进的圆极化微带贴片天线,该天线用高介电常数的陶瓷作为
天线基板,采用单端口背馈方式馈电,缩小了天线尺寸,结构简单。通过仿真优化,获得了比较好的阻抗带宽和轴比带宽,并
以此为基础研究了介质基板厚度及损耗对天线性能的影响,为GPS微带天线设计提供一种思路。
关键词:圆极化;微带天线;高介电常数;带宽
中图分类号:TN821-34     文献标识码:A     文章编号:1004-373X(2012)03-0038-03
Design and research on a high permittivity circularly polarized GPS micro-strip antenna
ZHANG Yao-dong,ZHANG Jie-qiu,QU Shao-bo
(Science College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)
Abstract:An improved circularly polarized micro-strip antenna is proposed.A kind of high permittivity sintered microwave
 material was used as the antenna′s dielectric substrate,the proposed antenna was fed by a single spot with SMA coaxial
connector.The antenna is much smaller,and the structure is simple.Simulation analysis shows that the antenna has nice s(1,
1)bandwidth and axial-ratio bandwidth.At last,the impact of thickness and loss tangent of dielectric substrate on the
antenna are investigated.
Keywords:circularly polarized;micro-strip antenna;high dielectric constant;bandwidth
收稿日期:2011-08-23
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60871027)
0 引 言
微带天线以其重量轻、平面结构简单、易与微波电
路集成等众多特点,得到了广泛应用[1-5],如果采用特殊
的馈电方式,则可以使天线激励起两个幅度相等、相位
相差90°的正交模,从而实现圆极化辐射。与线极化天
线相比,圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化
波;圆极化天线辐射的圆极化波可被任意极化方向的线
极化天线接收;圆极化天线具有旋向正交性,即左旋圆
极化天线不能接收右旋圆极化波,右旋圆极化天线不能
接收左旋圆极化波;圆极化天线辐射的圆极化波在入射
到对称目标上时,反射波将改变旋向。这些特点使得圆
极化天线在电子侦查和干扰、电子对抗、无线通信、全球
定位等领域得到了广泛的应用[6]。
1 天线设计
为了降低天线尺寸,使其达到一般天线的五分之一
甚至更小,设计了一种高介的单馈点圆极化的微带贴
片天线[7]。因为天线辐射贴片长度a 近似等于电磁波
在介质基板中的工作频率的半波长λ:
λ= c
f ε槡r
式中:c为真空中光的速度;f 为天线的中心频率[8],在
GPS应用中,f=1 575.42MHz,εr
为介质基板的介电
常数,所以通过增大εr
可以达到缩小尺寸的目的。本文
采用介电系数εr=47.89的陶瓷作为天线的基板,有效
减小了天线尺寸。
1.1 天线的尺寸结构
本文的微带天线采用介电常数εr=47.89,损耗角
正切tanδ=0.007的陶瓷基板,天线结构如图1所示,
辐射贴片和接地板印刷在介质板的两侧,采用特性阻抗
为50Ω的SMA 同轴线接头馈电。通过仿真优化,得
到天线的尺寸规格如下:天线的辐射贴片边长a=
11.82mm,切角为等腰三角形,两直角边长c=
0.71mm,介质基板为边长d=20mm 的正方形,厚度
h=4mm,馈电点到贴片中心的距离f=1.06mm,接
地板为正方形,长度d=20mm。
1.2 天线的仿真结果
1.2.1 回波损耗
仿真得到的天线的回波损耗S(1,1)曲线图如图2
所示,S (1,1)<10 dB 的频带范围从1.559~
1.580GHz,带宽为21 MHz,满足GPS天线的应用
要求。
图1 天线正面和侧面
图2 天线S11
在-10dB以下带宽
1.2.2 轴比带宽
仿真计算得出的天线轴比曲线图如图3所示,
AR<3dB的频带范围为1.572 6~1.577 3GHz,带宽
为4.7MHz。在中心频率为1.575 4GHz时天线轴比
随角度的变化如图4所示,可以看出AR<3dB的角度
范围在-43°~45°以上。
图3 天线极化轴比在3dB以下频带宽度
1.2.3 辐射场型
当频率为1.575 4GHz时天线的辐射场型如图5
所示,可以看出,在0°处增益Gain=-4.05dB,比低介
天线的增益小了很多,且后向辐射很大,这主要是因为
微带天线工作激励起的表面波在介质基板与接地板之
间反射传播,最后从边缘散射出去,表面波在介质基板
中的传播损耗降低了微带天线的增益,在微带天线边缘
的散射恶化了其交叉极化电平和工作带宽[9],介电常数
越大增益越小。
图4 天线极化轴比在3dB以下波束宽度
图5 天线辐射增益
2 比较介质基板厚度对天线性能的影响
当介质基板的介电系数εr=47.89,损耗角正切
tanδ=0.007时,分析厚度对天线的影响。设置四种不
同厚度,分别为4.5mm,4.2mm,4mm,3.8mm,通过
仿真测试,从图6可以看到随着厚度的减小,天线的中
心频率增大,带宽减小。由于因辐射引起的Q 值几乎
与电厚度h/λ成反比,所以加厚基片是展宽频带的有效
手段[10]。与之对应,如图7所示,轴比的频率也随着厚
度的减小而增大,带宽变小。天线的增益随着基板厚度
的减小而减小,如图8所示。
图6 厚度对S11
的参数影响
第3期张耀东,等:一种高介GPS微带天线的设计与研究39
图7 厚度对轴比参数影响
图8 厚度对天线增益影响
3 比较介质板损耗对天线性能的影响
当介质基板的介电系数εr=47.89,厚度h=4mm
时,分析损耗角正切tanδ对天线的影响。设置四种不
同损耗,分别为0.007,0.005,0.003,0.001,通过仿真
测试,从图9可以看出,随着基板损耗的降低,中心频率
增大,天线的带宽明显减小,因此一般采用大损耗基片
或附加有耗材料,可以有效降低Q 值,展宽频带[10]。与
之对应,从图10可以看出,随着损耗降低,天线轴比带
宽减小,当损耗tanδ=0.001时,轴比大于3dB,已经
不能满足天线要求。介质基板的损耗对天线的增益影
响较大,从图11可以看出随着损耗的降低,天线增益提
高了很多,从-4.22dB提高到0.45dB。
图9 基板损耗对S11
参数的影响
图10 基板损耗对天线轴比的影响
图11 介质损耗对天线增益的影响
4 结 语
本文提出了一种基于高介电常数介质基板的贴片
天线,采用单馈点背腔式馈电,这样大大缩小了天线尺
寸,天线的阻抗带宽和轴比带宽可以满足要求,虽然由
于介电常数的增加,介质板尺寸的减小,天线的增益不
理想,但在实际应用中由于接地板贴于飞行器金属蒙皮
上,该天线的增益将大幅度提高。同时通过仿真实验得
出介质基板厚度和损耗对天线阻抗带宽、轴比带宽及增
益的影响,为GPS微带天线的设计提供一种思路,具有
一定的应用前景。
参 考 文 献
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and Propagation International Symposium,1999.
(下转第44页) 
40 现代电子技术2012年第35卷
Doherty功放的效率,采用了新型的三路Doherty结
构,理论分析及仿真实验表明,它具有动态的阻抗调制
性能,不仅能够拓展高效率的动态范围,而且在回退范
围内具有3个效率峰值点,大大提高了系统效率。实测
结果表明,它适合于具有高峰均比信号的数字电视系
统,具有广泛的应用前景。
图8 实物照片
图9 测试结果
参 考 文 献
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作者简介:姚金聪 男,1987年出生,永春人,硕士研究生。主要从事射频功率放大器的研究。
张光飞 男,1955年出生,福州人,博士,教授。主要从事微波通信和数字电视等方向的研究。
陈 俊 男,1978年出生,福清人,硕士,讲师。主要从事微波功率放大器和数字电视等方向的研究
檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹

(上接第40页)
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44 现代电子技术2012年第35卷】
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