一種小型化SMD導(dǎo)航天線

馮子義 唐斯意 祝紅嫣 曹良足

摘 要：為了實現(xiàn)微帶天線小型化、集成化，設(shè)計了一種用于全球?qū)Ш?、定位系統(tǒng)（GPS）的小型、低成本實用型貼片天線。本文提出的貼片式耦合饋電很好的實現(xiàn)了天線的圓極化輻射模式，在實現(xiàn)小型化的同時，提高了天線的阻抗帶寬，并通過在微帶貼片上開T型槽來實現(xiàn)天線的圓極化特性，改變了傳統(tǒng)的開倒角的方法，通過選用介電常數(shù)為130的陶瓷介質(zhì)材料，相比高介電常數(shù)的陶瓷材料，由于饋電方式的改變和實現(xiàn)極化方式的創(chuàng)新，在減少天線體積的條件下，降低了成本，提高了電性能的穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)的一致性。

關(guān)鍵詞：微帶天線；小型化；貼片安裝元件；GPS；圓極化

隨著現(xiàn)代通信手段和全球定位系統(tǒng)的發(fā)展。現(xiàn)在，除手機(jī)外，許多電子廠商在多種智能終端產(chǎn)品中都集成了導(dǎo)航定位功能，且導(dǎo)航定位功能已經(jīng)是許多現(xiàn)代通信不可或缺的主要功能之一。伴隨著智能終端小型化的快速發(fā)展，具有導(dǎo)航定位功能的小型化內(nèi)置GPS天線也必將得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的天線通常是以圓極化方式工作，常見的圓極化天線形式有：四臂螺旋天線、微帶天線、交叉對稱陣子天線、共面波導(dǎo)圓極化天線、超材料加載圓極化天線。其中，陶瓷基片天線因其在輻射元的正交面上具有最大增益，即在水平面上的輻射元對從天頂發(fā)來的訊號具有最大增益，因此，陶瓷基片天線廣泛適用于主要朝正上方的終端產(chǎn)品中，例如運(yùn)用在車載導(dǎo)航設(shè)備中。由于陶瓷基片其介電常數(shù)高，利用陶瓷基片作為介質(zhì)的天線體積較小，故GPS天線廣泛采用陶瓷基片設(shè)計，且多為探針式饋電。

小尺寸導(dǎo)航天線對介質(zhì)材料的要求較高，目前國內(nèi)在小尺寸GPS陶瓷微帶天線最小的尺寸可以做到8×8×4mm.3，所采用的陶瓷材料為高介電容性材料，介電常數(shù)為250左右，溫度系數(shù)較差（>500ppm/℃），且饋電方式為探針式饋電，天線整體厚度對終端客戶影響較大，另外，高介電常數(shù)介質(zhì)基片極易激勵出表面波，表面損耗增大，使天線增益減小，效率降低，同時高介電常數(shù)基片會使批量生產(chǎn)的一致性較難控制。

本設(shè)計是為了解決現(xiàn)行的小尺寸陶瓷基體GPS天線溫度穩(wěn)定性差，介電常數(shù)高，一致性不好及價格偏高，批量加工難度大，不易集成等缺點，提出了一種小型化貼片GPS天線，它在保證其他電性能不下降且部分性能有所改善的前提下，減小天線的重量和體積，降低天線的成本且便于終端集成。

天線設(shè)計為SMD封裝，采用耦合饋電，天線整體厚度減小，帶寬增加，增益與12×12×4mm.3探針式饋電天線相當(dāng)，選用介電常數(shù)130，溫度系數(shù)小于20ppm/℃的介質(zhì)材料制作陶瓷基體，具有實用價值，電極加工采用激光蝕刻，可提高批量生產(chǎn)的一致性。

1 天線設(shè)計

饋電采用微帶耦合的方法進(jìn)行設(shè)計，對于內(nèi)置天線來說，終端電路主板對天線諧振頻率的影響是不可忽略的。因此GPS導(dǎo)航內(nèi)置天線的設(shè)計必須考慮電路板的影響。這里使用接地的銅板來模擬實際電路板，電路板的設(shè)計尺寸為50mm×50mm，天線在電路板上幾何中心，具體位置如圖1所示。圖2為天線主體部分結(jié)構(gòu)示意圖。在仿真設(shè)計和批量測試中，天線通過銅板背面同軸接頭實現(xiàn)饋電，實際中可通過電路板上的微帶線直接饋電。在微帶貼片天線設(shè)計中，首先要確定貼片最大電極尺寸（L），保持在工作頻率的二分之一波長附近，

式中Le為有效長度，εe為有效相對介電常數(shù)，f0為天線的工作頻率，c為光速。

根據(jù)介電常數(shù)和工作頻率計算得出最大貼片尺寸略微超出陶瓷基本的尺寸（8×8mm2），所以增加側(cè)面電極以降低諧振頻率。這里的設(shè)計頻率為1.575GHz。

天線中提出的耦合饋電在實現(xiàn)小型化的同時，提高了天線的阻抗特性，并通過在輻射貼片上開T型槽來實現(xiàn)天線的圓極化特性，改變了通常采用的切角來實現(xiàn)微帶圓極化的方法，提高了天線批量生產(chǎn)時電性能的一致性。通過選用溫度系數(shù)更好的較高介電常數(shù)（εr=130）的材料，相比高介電常數(shù)（εr=250）陶瓷基片的天線，由于結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，在減小天線體積的情況下，降低了成本，改善了溫度系數(shù)和阻抗特性，提高了批量生產(chǎn)的一致性。

2 天線電性能分析

本文利用耦合饋電原理，利用HFSS軟件仿真設(shè)計了一款小型化貼片GPS內(nèi)置天線。天線的設(shè)計工作頻率為：1.575GHz。天線主體尺寸僅為8×8×4mm3，非常適用于小型化內(nèi)置導(dǎo)航天線。

該天線為微帶貼片天線，利用側(cè)面電極來充分利用空間以實現(xiàn)小型化。天線基材選用溫度系數(shù)小于20ppm/℃、介電常數(shù)為130的陶瓷材料（CaTiO3-（Li1 /2Nd1 /4 Sm1 /4） TiO3）。輻射貼片和側(cè)面貼片來實現(xiàn)所需工作頻率，在輻射貼片一邊開T型槽來實現(xiàn)天線的圓極化特性，且T型槽的橫邊和豎邊分別平行于輻射貼片的兩直角邊。用HFSS優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸，得到如下結(jié)構(gòu)尺寸：天線輻射貼片寬度為5.7mm，長度為65mm，T型槽寬度為0.5mm，長度和寬度均為2.0mm，側(cè)面電極高度為3.0mm，上面添加縫隙調(diào)整諧振頻率，輻射貼片和饋電貼片的相對位置調(diào)整阻抗。

天線的2D方向圖仿真計算結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果顯示：3dB波束寬度大于120度，右旋圓極化特性良好，極化增益約-1.5dBi。

3 天線性能比較

本設(shè)計與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點：①天線結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了小型化，體積為：長（寬（高=8mm（8mm（4mm。

采用了矩形貼片耦合饋電的方式，提高了阻抗帶寬，采用T型槽實現(xiàn)圓極化性能，由于微帶結(jié)構(gòu)本身所具有的低剖面特性，使其體積可以做小。②天線解決了常用的GPS陶瓷天線溫度效應(yīng)差的缺點。常用的小型化陶瓷GPS天線介電常數(shù)很高，相對介電常數(shù)約為260，且在高溫和低溫等特殊環(huán)境下電性能參數(shù)不穩(wěn)定。由于介電常數(shù)高，其諧振頻率對尺寸相當(dāng)敏感，調(diào)試時很小的誤差就可能產(chǎn)生較大的偏移，這給實際生產(chǎn)提出了很高的容差要求。當(dāng)改變其結(jié)構(gòu)，使用較低的介電常數(shù)也能減小GPS天線的體積，這就改變了高介電常數(shù)材料的不足，提高了產(chǎn)品的一致性，同時也降低了材料成本。③天線采用SMD封裝形式，提高了天線批量加工的一致性，同時解決了陶瓷獨(dú)塊式天線不易與電路板集成的缺點，利用印制板技術(shù)，便于與GPS接收模塊進(jìn)行一體化設(shè)計，便于批量生產(chǎn)。④天線達(dá)到了如下指標(biāo)：頻率范圍：1.575GHz；電壓駐波比：≤2.5；增益：-15dBi；極化方式：右旋圓極化；軸比：≤6；由于本設(shè)計具有上述的優(yōu)點，因此具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的GPS天線在保證其他電性能不變的前提下，減小了天線的體積和重量，降低天線的加工難度和加工成本。它可應(yīng)用于通信、探測、定位、制導(dǎo)等領(lǐng)域。所提出的小型化技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)可推廣應(yīng)用于其他頻段天線的設(shè)計中。本文提出了一種簡單有效的小型化GPS內(nèi)置貼片天線，改善了溫度穩(wěn)定性，增加了阻抗帶寬，減小了天線的體積和重量，降低了天線的加工難度和加工成本，并易集成和批量生產(chǎn)。在導(dǎo)航功能越來越豐富的今天，該天線可以在一定程度上滿足用戶的需求。

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