隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）在中國各行各業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展,，對(duì)GPS天線的要求越來越高，不僅要滿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]通過在貼片中心開槽，增大微帶環(huán)表面電流路徑的有效長度,，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,。
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)簡并模,，為了在簡并模之間形成90°相位差，在規(guī)則形狀的單片微帶天線上附加一簡并模分離單元,，使簡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。天線采用邊長為L的正方形輻射貼片,，通過在正方形貼片對(duì)角線上切除ΔL×ΔL方形簡并模分離單元來實(shí)現(xiàn)圓極化,；通過在貼片中心開正方形槽L2×L2，在貼片四周開長方形縫L1×W1來縮減天線尺寸,；通過同軸中心饋電,，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，使天線的輻射場型發(fā)生畸變,。同時(shí)中心凹槽的邊長對(duì)匹配也有一定影響，為了保證天線的輻射特性,，經(jīng)過不斷地仿真優(yōu)化,，最終選擇正方形輻射貼片的大小為L=38.5 mm(≈0.38 λg),較傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)邊長近似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L2=13 mm,，四周縫的寬度W1=2 mm,，長度L1=5 mm，接地板邊長G=70 mm,。
    天線在實(shí)際制作過程中,，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,，貼片四周縫隙長度L1變化時(shí)，天線諧振頻率的變化規(guī)律,?？梢钥闯觯p隙越長,，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,，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)行了測量,。圖6給出了天線的仿真與實(shí)測S11的對(duì)比曲線,。從圖中看出實(shí)測結(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S11<-15 dB,，即VSWR<1.5,，輸入取得了良好的阻抗匹配。實(shí)測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)
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