应用HFSS设计一种双频段GPS微带天线

Ansoft2004年用户通讯 - 97 - 应用 HFSS 设计一种双频段 GPS 微带天线 彭祥飞，钟顺时 （上海大学通信与信息工程学院，上海 200072） 摘要：本文应用Ansoft公司的HFSS软件仿真设计一种双频段GPS微带天线。此天线由不同介电常数的 微波陶瓷基片组成,双层正方形切角的微带贴片通过单个探针馈电。文中给出了天线的详细设计及实验结 果，仿真结果和实验结果很好的吻合,结果说明HFSS软件的高效性和准确性。 关键词： Ansoft HFSS； 微带天线；全球定位系统；双频段；圆极化； 1 前言 Ansoft 公司 HFSS 仿真器提供了一种采用有限元法对三维高频结构电磁特性进行仿真计算的工具。该软件具有很高的 计算精度,已经成为天线与微波 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 设计方面的有力工具。本文采用 Ansoft 公司的 HFSS 模块设计出一种双频段 GPS 微带 天线。 近年来微带天线由于它的尺寸小、成本低、易实现圆极化等优点在全球定位系统（GPS）应用中独占鳌头。大部分的 GPS仅工作在L1 频率，常用的GPS微带天线加工在高 rε 的厚陶瓷基片上 ，这样的天线低仰角性能好和带宽足够宽，具有 良好的广角圆极化。但为了满足GPS的一些特殊应用，如高精度的一体化检测或差分基准系统 ]，GPS天线必须在L1/L2 两 个频率(L1：1575 MHz, L2:1227 MHz )上实现圆极化。如果用单馈电点实现双频圆极化，可以用两种微带天线结构：一种使 用单块贴片 , 其两圆极化工作频率比大约是 1.5 倍或更大些；另一种使用双层贴片 ]，两圆极化频率比小于 1.5 倍。本 设计中，L1 和L2 的频率比为 1.28 倍，小于 1.5 倍，所以用双层贴片设计能满足GPS天线L1/L2 两个频率的要求。但是绝大 多数文献 ]1[ 2[ ]4,3[ 75[ − [5~7]报道的双层贴片天线都加工在同一介电常数的两块基片上,基片中间引入空气层（可采用泡沫 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 来支撑上 层），这样既增大了尺寸，又不便于加工。 本文介绍一种双频段 GPS 微带天线的新设计, 通过单个探针馈电的双层正方形切角的微带天线贴片，它们印在不同 介电常数的微波陶瓷基片上。与常规的双频圆极化天线相比 ，天线尺寸减小了且没有在两层贴片间引入空气层，结构 紧凑，便于加工。 ]75[ − 2 天线设计 采用双层贴片，下层贴片加工在厚度为 1h 介电常数为 1的材料上，上层贴片加工在厚度为 介电常数为 的材料上。 图 1 为天线的几何结构，上下层选用不同介电常数的微波陶瓷基片，相对介电常数分别为 ， ，基片厚度为 3.0 mm。探针通过下层贴片的钻孔连接到上层贴片上，下层贴片是上层贴片的寄生单元，通过上层贴片电磁耦合 馈电。由上下层贴片尺寸分别控制谐振频率，选择正方形切角大小来实现圆极化辐射。利用 Ansoft 的 HFSS 软件进行仿真 计算,其中图 2 为两个谐振频率的反射损耗随馈电点偏离中心变化的计算结果，从图中可以看出 d=3.8 mm 处 L1 频率反射 损耗最小，而在 d=4.8 mm 处 L2 频率反射损耗最小，但是在 d=4.0 mm 处两个谐振的反射损耗为最佳,可以满足两个频段要 求。 ε 2h 2ε 122 =rε 2.91 =rε == 12 hh 图 1 微带天线的几何模型 图 2 S11 随馈电点位置的变化 Partners In Design - 98 - Ansoft2004年用户通讯 3 实验结果 根据前面设计加工了一副单馈电点双频 GPS 天线，并进行了测试。图 3 为天线仿真和实验的反射损耗，可以看出，仿真值和实验值非常的吻合。图 4 为天线最大方向上实测 3dB 轴比带宽，在 L1、L2 频率上轴比带宽分别 30MHz(2%)、16MHz(1.3%)。图 5 为天线的方向图，点划线为测量结果，实线 为仿真结果，可以看出，测量与仿真的天线方向图相当吻合，证明了 HFSS 仿 真软件计算的有效性。 图 3 天线的反射损耗 (a)1227MHz (b) 1575MHz 图 4 天线最大方向上的轴比 （a）1227MHz (b) 1575MHz 图 6 天线 X－Z 面辐射方向图 4 结 论 本文应用 HFSS 仿真软件对双频段 GPS 微带天线进行分析与设计,并制作了实验天线单元。经过比较,发现仿真结果与 实验结果具有高度的一致性。利用该软件来仿真模拟实际的微带天线,可以简化研制过程、加快研制进度、缩短研发周期。 由 HFSS 软件在微波领域的出色 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现,它将得到日益广泛的应用。 参考文献: [1] Toko America Inc. A miniature patch antenna for GPS application [J]. Microwave Journal， 1997，116-118. [2] Pozar D .M, Duffy S M. A dual-band circularly polarized aperture-coupled stacked microstrip antenna for global positional satellite [J]. IEEE Trans Antennas Propagat, 1997, 45(11):1618－1625. [3] Bin G, Chen M H, Wong K L. Single-feed dual-band circularly polarized microstrip antenna 117－1171. [4] Yang K P, Wong K L. Dual-band circularly polarized square microstrip antenna [J]. IEEE 49(3): 377－38. [5] Jan J Y, Wong K L. A dual-band circularly polarized stacked elliptic microstrip anten 2000,24(5):354－357. [6] Boccia L, Amendola G. A high-performance dual frequency microstrip antenna for AP-S,2001,4: 66－69. [7] Su C M, Wong K L. A dual-band GPS microstrip antenna [J]. Microwave Opt Tech Lett , 2 Partners In Design [J]. Electron Letter, 1998, 34(12): Trans. Antenna Propagat 2001, na [J]. Microwave Opt Tech Lett, global positional system [J]. IEEE 002,33(4):238－240.