基于HFSS的小型圓極化GPS微帶天線設(shè)計(jì)與仿真

趙一飛，楊 陽，楊洪亮，趙益民

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

微帶天線以其低輪廓、重量輕、成本低，易于共型和集成等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。由于現(xiàn)代集成電路技術(shù)和工藝的迅猛發(fā)展，GPS天線作為無線設(shè)備的終端，小型化的要求已經(jīng)迫在眉睫。而圓極化的工作方式對于電磁波在傳送以及接收方向上，比線極化波束有更多優(yōu)勢，加之電磁波在經(jīng)過電離層時(shí)會產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得圓極化在GPS上的應(yīng)用極具其重要性。

本文用HFSS軟件作為輔助設(shè)計(jì)，應(yīng)用方形貼片，設(shè)計(jì)了一種符合頻寬1.575 GHz的GPS微帶天線，并討論分析了饋入點(diǎn)、切角長度、開槽的長、寬度等因素對其S11特性的影響，得出一些可供本方案使用的最佳天線參數(shù)，對深入研究也有一定參考意義。在小型化的方法選擇上采用了開槽的方法，減小天線的尺寸。采用方形輻射貼片切角的方法實(shí)現(xiàn)圓極化，與其他天線相比較，易于實(shí)現(xiàn)，成本也較低。

1 微帶天線圓極化概述及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 天線圓極化概述

圓極化波是一等幅的旋轉(zhuǎn)場，它可以分解為兩正交等幅相位相差90°的線極化波，可分為左旋圓極化波和右旋圓極化波。微帶圓極化天線的實(shí)用意義體現(xiàn)在:(1)圓極化天線可以接受任意極化的來波，且輻射也可以由任意極化天線收到;(2)在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用圓極化天線的旋向正交性;(3)圓極化波入射到對稱目標(biāo)時(shí)旋向旋轉(zhuǎn)，因此應(yīng)用于GPS能抑制雨霧干擾和抗多徑反射［2］。

圓極化天線的基本電參數(shù)是最大增益方向上的軸比。軸比不大于3 dB的帶寬，定義為天線的圓極化帶寬。軸比將決定天線的極化效率。表征天線極化純度的交叉極化鑒別率也可由軸比得出［2］。

1.2 微帶天線圓極化的實(shí)現(xiàn)方法

微帶天線的圓極化方法大致分為3類:(1)單饋法。主要是基于空腔模型理論，利用簡并模分離元產(chǎn)生兩個(gè)輻射正交極化的簡并模工作，通過引入幾何微擾來實(shí)現(xiàn)。這種方式無須外加相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適合小型化。但帶寬窄，極化性能差。(2)多饋法。采用多個(gè)饋點(diǎn)饋電微帶天線，可通過T形分支和3 dB電橋等饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。這種方式可以提高駐波比帶寬和圓極化帶寬，抑制交叉極化。但饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，成本較高，天線尺寸大。(3)多元法。使用多個(gè)線極化輻射元，對每一個(gè)輻射元饋電，可看作天線陣，這種方式既具備多饋法的優(yōu)點(diǎn)，而且饋電網(wǎng)絡(luò)較為簡化，增益高。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，尺寸大。

實(shí)現(xiàn)圓極化的基本方式分為:(1)切角;(2)準(zhǔn)方形，近圓形，近等邊三角形;(3)表面開槽(slots/slits);(4)帶有調(diào)諧枝節(jié)(tuning－stub);(5)正交雙饋，曲線微帶型，行波陣圓極化［3］。

2 微帶天線小型化概述及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 微帶天線小型化概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)展，微帶天線的小型化已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。與普通天線相比，微帶天線實(shí)現(xiàn)了一維的小型化，具有低輪廓、可共型、易集成，便于獲得圓極化，實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化工作等優(yōu)點(diǎn)。但由于小天線的Q值較高，因此輻射效率低，頻帶窄。所以在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮以獲得良好的天線性能［6］。

2.2 微帶天線小型化的實(shí)現(xiàn)方法

從國內(nèi)外的發(fā)展概況來看，實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化主要有以下幾種方法:(1)天線加載。就是在微帶天線上加載短路探針、低電阻切片電阻和切片電容以實(shí)現(xiàn)小型化。(2)采用特殊材料的基片。諧振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比，因此高介電常數(shù)的基片可以降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。但高介質(zhì)基片極易激勵(lì)出表面波，表面損耗增大，使天線增益減小，效率降低。(3)表面開槽。表面開槽引入微擾，改變表面電流路徑，使電流繞槽邊或縫邊曲折流過路徑變長，在等效電路中相當(dāng)于引入了級聯(lián)電感。但尺寸的過分縮減會引起天線性能的急劇惡化。(4)附加有源網(wǎng)絡(luò)?？s小無源天線的尺寸，會導(dǎo)致輻射電阻減小，效率降低?？捎糜性淳W(wǎng)絡(luò)的放大作用及阻抗補(bǔ)償技術(shù)來彌補(bǔ)這一缺陷。(5)可以采用特殊天線結(jié)構(gòu)形式。總的思路就是使天線的等效長度大于其物理長度，以實(shí)現(xiàn)小型化。如采用蝶形、倒F型(PIFA)，L型、E型、雙C型等。倒F型(PIFA，Planer Inverted－F Antenna)在手機(jī)天線實(shí)現(xiàn)雙頻或多頻，小型化設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，也是研究熱點(diǎn)［6］。

雖然國內(nèi)外對微帶天線小型化做了大量研究，但是也存在很多不足，離真正的實(shí)用還有較長的距離，天線的性能與小型化之間也存在牽制，必須在不斷的應(yīng)用中尋找最佳的平衡點(diǎn)。

3 小型圓極化GPS微帶天線

3.1 理論闡述

上文介紹了縮減微帶天線尺寸的幾種方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。輻射貼片表面開槽的方法延長了貼片表面的電流路徑，是小型化設(shè)計(jì)的主要方法。因?yàn)殚_槽在降低天線諧振頻率的同時(shí)，可以保證足夠的帶寬和增益，對天線的影響不大，易于實(shí)現(xiàn)圓極化和雙頻雙極化的要求。本天線在輻射貼片上設(shè)置了4個(gè)相同的L型槽，使表面電流路徑變彎曲，路徑延長，貼片的等效尺寸相對變大，諧振頻率下降，實(shí)現(xiàn)了小型化的設(shè)計(jì)。貼片采用兩個(gè)切角(分離元)產(chǎn)生兩個(gè)正交的諧振模TM10模和TM01模，通過調(diào)整貼角和開槽的長度，以及在貼片上選擇合適的饋電點(diǎn)位置，使諧振模TM10模和TM01模簡并，從而產(chǎn)生圓極化波輻射［1］。

本文采用介質(zhì)常數(shù)為ε=12，厚度為4.5 mm的普通陶瓷介質(zhì)作為介質(zhì)基片，天線中心頻率f=1.575 GHz。由矩形微帶貼片天線尺寸的估算式(1)可近似將計(jì)算出L

饋電點(diǎn):由式(2)近似計(jì)算輸入阻抗50Ω時(shí)的饋電點(diǎn)位置L1

若考慮邊緣場的影響，需加修正量ΔL。

其中，L、W分別是天線的長度和寬度，H為天線高度。由于采用方形基片L=W，在后面要做進(jìn)一步優(yōu)化，所以此處暫不考慮ΔL，初步計(jì)算得L=27.49 mm，L1=10.17 mm。采用切角的方式實(shí)現(xiàn)圓極化，饋電點(diǎn)需選在x軸或y軸上才可以激勵(lì)相位相差90°的極化簡并模，本方案取在 y軸［2］。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 各參數(shù)對天線性能的影響

(1)初步探討L、d1和L1對S11的影響。由于后面還要進(jìn)行天線參數(shù)的多次優(yōu)化，在這里僅考慮其影響的大致趨勢，中心頻率通過細(xì)調(diào)尺寸可以做到。圖2是在 L1=5.65 mm，L0=6.65 mm，d1=3.7 mm，s=1 mm，w1=3.4 mm時(shí)，L對回波損耗S11的影響。

圖2 不同L對f和S11的影響

可以看出，L從26 mm逐步增大到28 mm時(shí)，在掃頻范圍內(nèi)可能出現(xiàn)3個(gè)頻段，如果取值較小，就有可能只出現(xiàn)一個(gè)頻段。而且隨著L的增大，低頻段向更低的頻段移動，高頻段也隨之向前平行移動。這也驗(yàn)證了估算公式的正確性，所以要獲得所需的頻率需對L尺寸做很好地優(yōu)化。

由圖3可以看出，取L=26 mm，其余值不變的情況下，d1變化時(shí)，S11跟著變化，適當(dāng)調(diào)整S11則可以獲得良好的匹配，但隨著S11的變大，單一模共振出另一個(gè)高頻模，若d1較大時(shí)，天線一個(gè)頻段向高頻移動，調(diào)整d1有助于調(diào)整中心頻率和回波損耗。取L=26 mm，d1=4 mm，其余值不變的情況下，當(dāng)饋電點(diǎn)遠(yuǎn)離輻射基片的中心時(shí)，有較好的S11，因?yàn)檩斎胱杩箯牧阒饾u接近50Ω，但是隨著L1值的繼續(xù)增大，S11開始變差，比如圖中當(dāng)L1=4 mm時(shí)，就比3 mm和5 mm時(shí)的S11好。所以調(diào)整饋電點(diǎn)L1的位置，能夠得到很好的天線性能。

圖3 不同的d1和L1對S11影響

(2)初步探討開槽的寬度s、長度L0對S11的影響?？扇=26 mm，L1=5 mm，d1=4 mm其余值不變的前提下，來分析槽寬s，長度L0對S11的影響。

如圖4所示，當(dāng)其他的參數(shù)固定，s的寬度有規(guī)律地增加時(shí)，高頻頻移的變化比低頻區(qū)的S11變化要大，由于高頻段波長比低頻段的短，受尺寸的影響比較明顯，s的寬度不能開的過大，過大S11則會變差，圖中s=1 mm時(shí)，S11較為理想，但是增加到2 mm或2.5 mm，S11則慢慢變差。隨著L0的增加，低頻點(diǎn)向更低頻點(diǎn)移動，高頻點(diǎn)也隨著向低頻點(diǎn)移動，S11的性能變差。因此開槽的長度、寬度要結(jié)合中心頻率和S11綜合考慮來確定。雖然開槽可以減小尺寸，但是開得過長、過寬，則會影響天線其他性能。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.3.1 天線的尺寸結(jié)構(gòu)

圖4 不同s、L0對S11的影響

以上的探討初步確定了單個(gè)參數(shù)對天線性能，尤其是對S11的影響，要想獲得良好的天線性能，需要對各個(gè)參數(shù)綜合考慮來確定。本文的GPS微帶天線，采用介電常數(shù)ε=12的普通陶瓷基片和接地板印刷在介質(zhì)板兩側(cè)，采用特性阻抗為50Ω的SMA的同軸線接頭饋電，通過仿真優(yōu)化，得到的天線尺寸如表1所示。

表1 天線優(yōu)化后的尺寸 單位:mm

3.3.2 天線的仿真結(jié)果

(1)回波損耗。仿真結(jié)果可以看出，天線的回波損耗S(1，1)在天線的中心頻率上S11值為－17 dB，S(1，1)＜－10 dB的帶寬為26 MHz，滿足了GPS天線的應(yīng)用要求。

圖5 天線的回波損耗

(2)軸比帶寬。仿真計(jì)算的天線軸比曲線如圖6所示，AR＜3 dB的頻帶范圍是 1.569 1～1.573 3 GHz，帶寬為4.2 MHz。由圖7可以看出AR＜3 dB的角度范圍為－52°～54°以上。圖7中A—θ(°)，B—dB/AxialRatioValue，可以看出 3 dB 以下的波束寬度。

圖6 天線的軸比

圖7 3 dB以下波束寬度

(3)天線的輻射增益。從圖中可以看出，在0°處的增益Gain=1.475 dB，比低介質(zhì)天線的增益小很多，后向輻射也較大，主要是因?yàn)榧?lì)起了表面波，微帶天線邊緣的散射惡化了極化電平和工作帶寬。所以在選擇介質(zhì)基片時(shí)，要綜合考慮，不要因?yàn)榻殡姵?shù)過大，對增益造成太大的影響。

圖8 天線的輻射增益

4 結(jié)束語

借助HFSS軟件仿真了一種小型圓極化GPS微帶天線，滿足GPS天線的應(yīng)用要求。雖然其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但由于頻率對尺寸變化很敏感，加工精度要求高。由于是小天線，其輻射效率低、頻帶窄。GPS天線以其廣泛的應(yīng)用，今后將會向小型化、圓極化、多頻段和抗干擾的方向不斷發(fā)展，這些也將是研究熱點(diǎn)。

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