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基于HFSS的小型圆极化GPS微带天线设计与仿真

  仿真软件对天线的各项参数做了具体的优化分析,给出了各个参量变化对天线性能的具体影响,对以后进一步研究双频或多频

  微带天线以其低轮廓、重量轻、成本低,易于共型和集成等优点,在实际中被广泛应用。由于现代集成电路技术和工艺的迅猛发展,GPS天线作为无线设备的终端,小型化的要求已经迫在眉睫。而圆极化的工作方式对于电磁波在传送以及接收方向上,比线极化波束有更多优势加之电磁波在经过电离层时会产生法拉第旋转效应,使得圆极化在GPS上的应用极具其重要性。

  本文用HFSS软件作为辅助设计,应用方形贴片,设计了一种符合频宽1.575 GHz的GPS微带天线,并讨论分析了馈入点、切角长度、开槽的长、宽度等因素对其S11特性的影响,得出一些可供本方案使用的最佳天线参数,对深入研究也有一定参考意义。在小型化的方法选择上采用了开槽的方法,减小天线的尺寸。采用方形辐射贴片切角的方法实现圆极化,与其他天线相比较,易于实现,成本也较低。

  圆极化波是一等幅的旋转场,它可以分解为两正交等幅相位相差90的线极化波,可分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。微带圆极化天线)圆极化天线可以接受任意极化的来波,且辐射也可以由任意极化天线)在诸多领域广泛应用圆极化天线)圆极化波入射到对称目标时旋向旋转,因此应用于GPS能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

  圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比。轴比不大于3 dB的带宽,定义为天线的圆极化带宽。轴比将决定天线的极化效率。表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出。

  微带天线)单馈法。主要是基于空腔模型理论,利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作,通过引入几何微扰来实现。这种方式无须外加相移网络和功率分配器,结构简单,成本低,适合小型化。但带宽窄,极化性能差。(2)多馈法。采用多个馈点馈电微带天线 dB电桥等馈电网络实现。这种方式可以提高驻波比带宽和圆极化带宽,抑制交叉极化。但馈电网络复杂,成本较高,天线)多元法。使用多个线极化辐射元,对每一个辐射元馈电,可看作天线阵,这种方式既具备多馈法的优点,而且馈电网络较为简化,增益高。缺点是结构复杂,成本高,尺寸大。

  实现圆极化的基本方式分为:(1)切角;(2)准方形,近圆形,近等边三角形;(3)表面开槽(slots/slits);(4)带有调谐枝节(tuningstub);(5)正交双馈,曲线微带型,行波阵圆极化。

  随着科学技术的不断进步和应用需求的不断扩展,微带天线的小型化已经成为了研究的热点。与普通天线相比,微带天线实现了一维的小型化,具有低轮廓、可共型、易集成,便于获得圆极化,实现双频段、双极化工作等优点。但由于小天线的Q值较高,因此辐射效率低,频带窄。所以在设计过程中要综合考虑以获得良好的天线 微带天线小型化的实现方法

  从国内外的发展概况来看,实现微带天线小型化主要有以下几种方法:(1)天线加载。就是在微带天线上加载短路探针、低电阻切片电阻和切片电容以实现小型化。(2)采用特殊材料的基片。谐振频率与介质参数成反比,因此高介电常数的基片可以降低谐振频率,从而减小天线尺寸。但高介质基片极易激励出表面波,表面损耗增大,使天线增益减小,效率降低。(3)表面开槽。表面开槽引入微扰,改变表面电流路径,使电流绕槽边或缝边曲折流过路径变长,在等效电路中相当于引入了级联电感。但尺寸的过分缩减会引起天线)附加有源网络。缩小无源天线的尺寸,会导致辐射电阻减小,效率降低。可用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术来弥补这一缺陷。(5)可以采用特殊天线结构形式。总的思路就是使天线的等效长度大于其物理长度,以实现小型化。如采用蝶形、倒F型(PIFA),L型、E型、双C型等。倒F型(PIFA,Planer InvertedF Antenna)在手机天线实现双频或多频,小型化设计中得到了广泛应用,也是研究热点。

  上文介绍了缩减微带天线尺寸的几种方法及其优缺点。辐射贴片表面开槽的方法延长了贴片表面的电流路径,是小型化设计的主要方法。因为开槽在降低天线谐振频率的同时,可以保证足够的带宽和增益,对天线的影响不大,易于实现圆极化和双频双极化的要求。本天线个相同的L型槽,使表面电流路径变弯曲,路径延长,贴片的等效尺寸相对变大,谐振频率下降,实现了小型化的设计。贴片采用两个切角(分离元)产生两个正交的谐振模TM10模和TM01模,通过调整贴角和开槽的长度,以及在贴片上选择合适的馈电点位置,使谐振模TM10模和TM01模简并,从而产生圆极化波辐射。

  其中,L、W分别是天线的长度和宽度,H为天线高度。由于采用方形基片L=W,在后面要做进一步优化,所以此处暂不考虑△L,初步计算得L=27.49 mm,L1=10.17 mm。采用切角的方式实现圆极化,馈电点需选在x轴或y轴上才可以激励相位相差90的极化简并模,本方案取在y轴。

  由图3可以看出,取L=26 mm,其余值不变的情况下,d1变化时,S11跟着变化,适当调整S11则可以获得良好的匹配,但随着S11的变大,单一模共振出另一个高频模,若d1较大时,天线一个频段向高频移动,调整d1有助于调整中心频率和回波损耗。取L=26 mm,d1=4 mm,其余值不变的情况下,当馈电点远离辐射基片的中心时,有较好的S11因为输入阻抗从零逐渐接近50 ,但是随着L1值的继续增大,S11开始变差,比如图中当L1=4 mm时,就比3 mm和5 mm时的S11好。所以调整馈电点L1的位置,能够得到很好的天线)初步探讨开槽的宽度s、长度Lo对S11的影响。可取L=26 mm,L1=5 mm,d1=4 mm其余值不变的前提下,来分析槽宽s,长度Lo对S11的影响。

  如图4所示,当其他的参数固定,s的宽度有规律地增加时,高频频移的变化比低频区的S11变化要大,由于高频段波长比低频段的短,受尺寸的影响比较明显,s的宽度不能开的过大,过大S11则会变差,图中s=1 mm时,S11较为理想,但是增加到2 mm或2.5 mm,S11则慢慢变差。随着Lo的增加,低频点向更低频点移动,高频点也随着向低频点移动,S11的性能变差。因此开槽的长度、宽度要结合中心频率和S11综合考虑来确定。虽然开槽可以减小尺寸,但是开得过长、过宽,则会影响天线其他性能。

  以上的探讨初步确定了单个参数对天线的影响,要想获得良好的天线性能,需要对各个参数综合考虑来确定。本文的GPS微带天线,采用介电常数=12的普通陶瓷基片和接地板印刷在介质板两侧,采用特性阻抗为50 的SMA的同轴线 天线)回波损耗。仿真结果可以看出,天线 dB的带宽为26 MHz,满足了GPS天线的应用要求。

  HFSS软件仿真了一种小型圆极化GPS微带天线,满足GPS天线的应用要求。虽然其结构简单,成本较低,但由于频率对尺寸变化很敏感,加工精度要求高。由于是小天线,其辐射效率低、频带窄。GPS天线以其广泛的应用,今后将会向小型化、圆极化、多频段和抗干扰的方向不断发展,这些也将是研究热点。

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