張亞莉, 孫緒保, 劉樹國(guó)

（山東科技大學(xué)通信工程系,山東 青島 266590）

一種單頻抗多路徑效應(yīng)的GPS圓極化微帶天線

張亞莉, 孫緒保, 劉樹國(guó)

（山東科技大學(xué)通信工程系,山東 青島 266590）

提出了一種單頻抗多路徑的GPS（Global Position System）圓極化微帶天線。通過(guò)貼片開槽技術(shù),實(shí)現(xiàn)了天線小型化；加載優(yōu)化的3D扼流圈,則可有效地消除或削弱多路徑效應(yīng)和電磁干擾。采用Ansoft公司的HFSS軟件進(jìn)行3D建模仿真分析,給出了回波損耗S11曲線、軸比曲線和輻射方向圖。天線在工作頻點(diǎn)獲得了較寬的阻抗帶寬,實(shí)現(xiàn)了抗多徑的效果。

圓極化；小型化；多路徑

0 引言

在無(wú)線通信系統(tǒng)中,由于無(wú)線通信的發(fā)展需要,特別是隨著GPS系統(tǒng)越來(lái)越多的在民用移動(dòng)設(shè)施中的應(yīng)用,GPS就是通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào),進(jìn)行定位測(cè)量或者導(dǎo)航的終端。GPS衛(wèi)星信號(hào)為頻率分別為L(zhǎng)1（1 575.42 M Hz）和L2（1 228 MHz）,其中L1為開放民用圓極化信號(hào)。GPS信號(hào)從高空通過(guò)電離層和對(duì)流層到達(dá)地面時(shí),包括直接從GPS衛(wèi)星到達(dá)用戶接收天線的直接波以及經(jīng)過(guò)反射和散射而到達(dá)用戶接收天線的間接波,GPS信號(hào)接收機(jī)所接收的GPS信號(hào)是直接波和間接波的合成波[1],這些特點(diǎn)決定了要為GPS信號(hào)的接收準(zhǔn)備專用天線。本文研究GPS微帶貼片天線,為了滿足當(dāng)前各種便攜式、多功能接收機(jī)的需求,主要討論了多路徑效應(yīng)對(duì)天線接收信號(hào)的影響,采用扼流圈可消除或削弱多路徑效應(yīng)的影響,做了三方面的改進(jìn)：

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的3D扼流圈,用于消除或削弱多路徑效應(yīng)；使用了較高的介電常數(shù)為10的介質(zhì)基板,減小天線的體積；運(yùn)用貼片開槽技術(shù),在貼片上開4個(gè)半圓形凹槽,有效地減小了天線的面積。

1 天線的原理和結(jié)構(gòu)

如圖1所示,天線結(jié)構(gòu)由四部分組成,開槽貼片、介質(zhì)基板、接地板（GND）、扼流圈。

圖1 地面反射波波

方形貼片采用Global材料,其高度H= 5 mm；介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為10,厚度為h= 5 mm的材料；基于空腔模型理論,利用簡(jiǎn)并模分離元產(chǎn)生正交極化簡(jiǎn)并模,引入幾何微擾[2],實(shí)現(xiàn)了天線的圓極化；采用開槽技術(shù),在貼片上開4個(gè)半圓形凹槽延長(zhǎng)電流路徑,實(shí)現(xiàn)天線小型化,如圖2所示。

圖2 貼片結(jié)構(gòu)

當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)多條傳播路徑到達(dá)接收天線時(shí),就會(huì)產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)會(huì)對(duì)信號(hào)的幅度、相位和傳播距離產(chǎn)生影響,并會(huì)降低接收信噪比[3]。多徑信號(hào)主要是由地面反射和天線周圍導(dǎo)體的反射引起,在GPS多徑信號(hào)中以地面反射波為主,圖1以地面反射為例來(lái)說(shuō)明,這些信號(hào)主要集中在天線的低仰角或負(fù)仰角。對(duì)于一般GPS用戶而言,衛(wèi)星直射信號(hào)多從天線上方,以高仰角方向到達(dá)天線,從天線的主瓣上入射,而由地面反射的多路徑干擾主要從天線的下方或低仰角處衛(wèi)星信號(hào)的增益相對(duì)較低的旁瓣入射,不能把多徑信號(hào)有效的抑制。加載扼流圈的抗多路徑天線能夠抑制表面波輻射,從而進(jìn)一步改善天線的增益方向性能。根據(jù)傳輸線理論,諧振腔的長(zhǎng)度至少是四分之一波長(zhǎng),則扼流圈的深度也應(yīng)該是四分之一波長(zhǎng),所以當(dāng)凹槽深度稍大于觀測(cè)信號(hào)的1/4波長(zhǎng)時(shí)[4],可阻止反射信號(hào)在其表面的傳播,扼流圈的凹槽對(duì)高仰角的直射信號(hào)沒有影響,但對(duì)來(lái)自天線平面下方的反射信號(hào)有很好的抑制作用,可以明顯改善接收機(jī)的抗干擾能力,可以有效削弱多路徑效應(yīng)的影響。

如圖2所示,天線通過(guò)貼片背面饋電點(diǎn)B饋電,放置在x軸上,天線的諧振頻率由貼片的大小決定：

式中：c為自由空間的光速；L=28 mm為微帶天線貼片的實(shí)際長(zhǎng)度；ΔL為由邊緣效應(yīng)引起的一側(cè)延伸長(zhǎng)度；εe為等效介電常數(shù)。其中：

式中：λ0為電磁波波長(zhǎng)；λg為等效電磁波波長(zhǎng)。

式中：c為真空中的光速；f為頻率；εr為基底的相對(duì)介電常數(shù)。通過(guò)該公式可以看出如果增加εr的值,在其它參數(shù)不變的情況下就可以減少電磁波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)。如果以貼片微帶線為例,在特定頻率下,εr增加4倍則波長(zhǎng)可以減少1/2,也就是在特定頻率下天線的尺寸縮減了一半。所以本文中采用微帶介質(zhì)基板εr=10,從而減小了天線的尺寸。

式中：w為天線貼片的寬度（w=L）；h為介質(zhì)層的厚度,要求w＜（c/2fr）[（εr+1）/2；c為光速；εr表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

扼流圈的加載,多徑信號(hào)是影響接收機(jī)測(cè)量精度的主要誤差源之一,解決上述問(wèn)題的一般方法是天線安裝在扼流圈結(jié)構(gòu)上,可有效抑制從后向進(jìn)入的多徑信號(hào),則增加了3D扼流圈,如圖3所示。

圖3 3D扼流圈的平面圖

對(duì)扼流圈的槽深（H1,H2,H3,H4）做了多次優(yōu)化處理,通過(guò)優(yōu)化可以大大減小槽寬,從而減小了天線的尺寸和重量。本次根據(jù)天線抗多徑的要求,在不犧牲低仰角增益的前提下盡可能地提高多徑抑制能力,使用表面阻抗模型分析扼流圈的邊界條件,對(duì)扼流圈的參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響進(jìn)行了仿真分析,獲得了其結(jié)構(gòu)尺寸的選取原則,不斷優(yōu)化,制作了三維扼流圈結(jié)構(gòu)。采用4個(gè)不同深度圓環(huán)形凹槽,槽深H1=H2=50 mm, H3=30 mm,H4=10 mm。

2 天線的仿真

通過(guò)Ansoft HFSS建立如圖4所示的天線模型,經(jīng)過(guò)了仿真分析和優(yōu)化處理,并使用50Ω的同軸線進(jìn)行饋電。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 天線的結(jié)構(gòu)示意圖

圖5是天線信號(hào)端口回波損耗（即S11）的掃頻分析結(jié)果,并給出天線的諧振頻率1.5 752 GHz,天線在1.5 752 GHz的回波損耗達(dá)到-21 d B,有效帶寬70 M（1 540 M Hz～1 610 M Hz）,可以滿足GPS天線的使用要求。

圖5 天線的回波損耗

本文給出了f=1.575 GHz時(shí),天線波束角內(nèi)軸比曲線和天線軸比值隨θ角變化曲線。由圖6所示,天線在1.575 GHz時(shí),查看最大輻射方向（φ=0°和φ=90°）上軸比隨θ角的變化關(guān)系,從θ=-120°～120°均在3 dB以下,可以較好地抑制干擾,提高接收信號(hào)能力。

圖7是天線的圓極化方向圖,分別取正交面的φ=0°和φ=90°,從圖看出,右旋極化的前后輻射比較理想,在1.575 GHz時(shí)天線的左旋極化前后輻射比較差一些,天線向后輻射的能量也變小一些。

圖6 f=1.575 GHz時(shí)的軸比

圖7 天線的圓極化方向

從整體上看,該頻點(diǎn)均獲得較大的前后比。前后比能夠間接反映天線的多徑抑制能力,若多徑從后區(qū)進(jìn)入,前后比越大的天線對(duì)多徑的抑制能力越好。由此可以看出,加載扼流圈后提高了天線抗多徑能力。加載扼流圈后,天線接近于半球狀RHCP模式；天線方向圖增益設(shè)計(jì)能衰減低仰角的輸入信號(hào)以及反射體方向上的輸入信號(hào)；天線具有較小的后瓣波束。圖8為天線的總增益方向圖,顯示了較好的全向性。圖9天線的三維增益方向圖。

3 結(jié)論

圖8 天線的總增益方向圖

圖9 三維增益方向圖

本文設(shè)計(jì)了單頻抗多路徑效應(yīng)GPS圓極化微帶天線,并進(jìn)行了仿真,在貼片上開槽,有效地減少了天線的面積,在天線的小型化和扼流圈加載方面都做了進(jìn)一步的優(yōu)化。通過(guò)分析,說(shuō)明扼流圈結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響,尤其在抗多路徑效應(yīng)方面得到了提高,改善了天線的增益方向性能,經(jīng)過(guò)仿真分析天線的各項(xiàng)參數(shù)均滿足GPS接收機(jī)的性能要求,為設(shè)計(jì)抗多路徑效應(yīng)天線提供了一種參考方案。

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A Single Frequency GPS Circular Polarization Microstrip Antenna for Anti-multipath Effect

ZHANG Ya-li, SUN Xu-bao, LIU shu-guo
（Department of Communication engineering,SUST,Qingdao Shandong 266590,China）

A single frequency GPS（Global Position System）circular polarization microstrip antenna for anti-multipath is presented.The proposed antenna achieves the miniaturization,through the patch-slotted technology of antenna.The use of 3D-choke can effectively eliminate or weaken the multi-path effects and electromagnetic interference.The paper describes the implementation of 3D modeling and electromagnetic（EM）field simulation analysis by utilizing software HFSS.The curves give echo loss S11curve,axial ratio curve and radiate direction pattern of the antenna.The results show that the good impedance bandwidth is gained at the working frequency and anti-multipath effect is realized.

circular polarization；miniaturization；multipath

TN820

A

1671-0576（2014）02-0048-04

2014-04-10

張亞莉（1988-）,女,碩士研究生,主要從事微帶天線的研究。