【摘 要】根據(jù)GPS定位原理及其衛(wèi)星信號特征，為實現(xiàn)接收機快速、連續(xù)、精確定位，對GPS天線提出了很高的要求。論文給出了微帶天線的幾種分析方法，并介紹了微帶天線圓極化的原理和實現(xiàn)方法以及微帶天線的饋電方式。

【關(guān)鍵詞】微帶天線；圓極化；GPS

1、GPS微帶天線的介紹

微帶天線是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線。它利用微帶線、同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射，因此微帶天線可看作是一種縫隙天線。和常用的微波天線相比，它有如下一些優(yōu)點：體積小、重量輕、成本低，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適用于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，能與有源器件和電路集成為單一的模件，容易獲得圓極化，容易實現(xiàn)雙頻、多頻段工作等。

GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中工作星21顆，備用星3顆，衛(wèi)星分布在6個軌道面上，每個軌道上均勻分布4顆，衛(wèi)星運行周期為11時58分。衛(wèi)星在地平面以上的數(shù)目隨時間和地點的變化而異，最少為4顆，最多為11顆。衛(wèi)星向用戶發(fā)送導航電文，GPS接收機同時接收至少4顆衛(wèi)星信號，利用接收機到衛(wèi)星的距離計算出測點的三維位置。

※GPS微帶天線的設(shè)計指標

1）工作頻率： 1.575GHz±2.5MHz；

2）天線尺寸： ≤80×80×2mm3；

3）極化方式： 右旋圓極化；

4）軸比： AR≤3dB；

5）電壓駐波比： VSWR≤2.0；

6）方向圖： 水平面≥100°，垂直面≥100°；

7）天線接口： SMA-50-KFD；

2、GPS微帶天線方案選擇

根據(jù)天線原理知識并接個項目指標要求，設(shè)計方案如下：

2.1天線形式的確定

由于天線的尺寸厚度較小，為此，我們采用厚度2mm，相對介電常數(shù)為2.65的聚乙烯作為介質(zhì)材料的微帶天線進行實現(xiàn)；并且GPS信號是由衛(wèi)星從空間發(fā)送下來的，為了消除電離層對信號的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，信號采用的是右旋圓極化，因此，接收天線也應(yīng)采用右旋圓極化方式。

2.2天線尺寸及樣式

建立起天線仿真模型。上層為天線貼片，尺寸如圖1；中間層為厚度為2mm，相對介電常數(shù)為2.65的聚乙烯介質(zhì)層；底層為金屬底板。其中，介質(zhì)層底面和金屬地板尺寸均為70mm×70mm。另，饋電位置為坐標（0，9，0），饋電孔半徑0.5mm，底面半徑1.5mm。

采用Ansoft HFSS軟件對所設(shè)計的微帶天線主要電性能參數(shù)進行仿真分析，天線頻率1.57GHz時，電壓駐波比為1.45；在頻率1.58GHz時，電壓駐波比為1.51.在指標要求的頻率范圍內(nèi)，電壓駐波比均小于2.0，滿足指標要求。具體仿真結(jié)果如圖2：

天線在頻率1.575Ghz工作時，Theta=0°增益值為6.733dB；Theta=-52°增益值為3.029dB；Theta=51°增益值為3.104dB；XOZ面放線圖基本可以覆蓋-51～53°。天線在頻率1.575Ghz工作時，Theta=0°增益值為6.733dB；Theta=-51°增益值為3.011dB；Theta=53°增益值為3.023dB；XOZ面放線圖基本可以覆蓋-51～53°。XOZ、YOZ面軸比值隨Theta變化仿真結(jié)果如圖3：

2.3天線極化的判斷

由軸比可以判斷圓極化，關(guān)于是左旋圓極化還是右旋圓極化把GainLHCP和GainRHCP畫在同一張圖上即可看出。

通過這張圖，我們可以清晰的看出，該天線為右旋圓極化微帶天線。

3、結(jié)語

本次設(shè)計大體上延續(xù)了普通的圓極化微帶天線的設(shè)計方法，但是在細節(jié)上如天線的尺寸、饋點的選擇以及增益的方面做出了改動使其更加適合于GPS衛(wèi)星使用。特別是相位中心的穩(wěn)定性和優(yōu)良的廣角圓極化特性都較之于其他類型的天線更優(yōu)，為GPS應(yīng)用提供了一種性能優(yōu)良的天線。

參考文獻

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