紧凑型非对称裂缝圆极化GPS 天线及其阵列的研究

·66· 紧凑型非对称裂缝圆极化 GPS 天线及其阵列的研究 杨 程 肖绍球 高子阳 刘昌荣 唐明春 王秉中 （电子科技大学应用物理研究所，成都 610054） xiaoshaoqiu@uestc.edu.cn 摘 要：本文提出了一种新型紧凑非对称裂缝圆极化 GPS 天线。仿真结果 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 明：该天线工作在 1575MHz， 对应的整体尺寸：0.255λ0×0.255λ0×0.008λ0，λ0 对应空气中的波长；同时，该天线还具有很好的宽角圆极化 辐射特性，其 3dB 轴比波束宽度在 Theta=0°和 90°两平面均大于 110°。在此基础上设计一个 1×4 单元 直线阵，实现了在±42°范围内一维扫描。 关键词：GPS，圆极化，非对称裂缝 Research on Compact Asymmetric-Slit Circular Polarized GPS Antenna and Its Array Cheng Yang，Shao-Qiu Xiao，Zi-Yang Gao，Chang-Rong Liu，Ming-Chun Tang，Bing-Zhong Wang （The Institute of Applied Physics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054） Abstract：This paper presents a novel and compact asymmetric-slit circular polarized GPS antenna. The simulation result indicates that the antenna has a center working frequency of 1575MHz with an overall size of 0.255λ0×0.255λ0×0.008λ0，where λ0 is the corresponding wavelength in free space. Additionally，this antenna possesses good circular polarization，as its 3dB axial ratio beam width is bigger than 110°with theta at 0 and 90 respectively. Based on this，a 1×4 element linear array is designed，and ±42°single dimension scanning is achieved. Keywords：GPS; Circular polarization; Asymmetric-slit 1 引言 近年来，GPS（Global Positioning System）无 论是军事还是民用都受到越来越多的关注。GPS 天 线作为其收发系统前端，其性能好坏直接影响到 GPS 导航系统的性能。GPS 天线通常采用右旋圆极 化的工作方式。采用圆极化的优势在于使传输数据 不依赖于收发组件放置的方向。 目前，手持设备越来越小，要求 GPS 天线必须 采用内置式且越小越好。因此研究紧凑圆极化天线 成为一个重要课题。微带天线由于体积小、重量 基金项目：总装预研基金：No. 09DZ0204，No. 10DZ0211 轻、易集成等优点，GPS 天线常采用微带作为其辐 射形式。圆极化微带天线通常采用单馈电或双馈电 结构。双馈电结构[1，2]相对于单馈电结构[3-8]，能提 供较宽的圆极化带宽，但需要更大的地平面尺寸用 于馈电网络。微扰法是产生单馈电圆极化的基本方 法，其基本思想是在天线结构的适当位置去角、开 槽或加枝节等引入微扰，从而激励起两种相互正交 的模式实现单馈电圆极化。通常情况是在辐射贴片 对称地去角、开槽或加枝节来实现圆极化。然而研 究非对称裂缝[9，10]圆极化 GPS 天线的相关文献并不 多见。 本文巧妙地在正方形辐射贴片的对角线上开四 个非对称裂缝得到圆极化，再在四个边的中心处开 四个正交裂缝，成功设计了一种工作在 L1 频段 ·67· （对应的频率范围 1574.42MHz–1576.42MHz）紧凑 型非对称裂缝圆极化 GPS 天线。通过该天线进一步 组成 1×4 单元直线阵，可实现在±42°范围内一 维扫描。 2 天线的设计 本文提出了一种非对称裂缝圆极化 GPS 天线结 构如图 1（a）所示：该 GPS 天线采用 RO4003C 介 质（厚度 H=1.524mm，介电常数 εr=3.55，损耗角 正切 tanσ=0.0027）。正方形辐射贴片边长为 L 位于 介质基板正上方。介质的正下方为地。同轴馈电位 置 F 位于 x 轴（x0=3.3mm），得到好的阻抗匹配。 图 1（b）所示：在正方形辐射贴片的对角线上开四 个非对称 V 形裂缝，裂缝宽为 W，其尖端相对于 正方形贴片中心的位置为（Si，Si），i=1 到 4，调整 V 形裂缝沿对角线所处位置可得到圆极化。为了得 到紧凑圆极化 GPS 天线，再在正方形四个边的中心 处开四个正交裂缝。固定裂缝宽 Sw=1mm，通过调 整裂缝长 Sl可实现工作在 GPS 的工作频段内。 （a）横截面图 （b）俯视图 图 1 GPS 天线结构示意图 3 仿真结果及分析 本设计使用 ANSOFT 公司的 HFSS 对天线进行 仿真和优化，最终确定了比较理想的天线结构：正 方形辐射贴片边长 L=42.5mm，地平面和介质尺寸 为：48.6mm×48.6mm。正方形贴片四个角落开 V 形裂缝，裂缝宽 W=2mm，V 形裂缝的尖端坐标分 别为：（ -11mm，11mm）、（10.6mm，10.6mm）、 （8.5mm，-8.5mm）、（-9.45mm，-9.45mm）可实现 圆极化。为了实现紧凑型圆极化 GPS 天线，进一步 在正方形四个边的中心处开四个正交裂缝，裂缝宽 Sw=1mm，裂缝长 Sl =10.8mm，重新调整 V 形裂缝 的尖端坐标位置，分别为：（-10.5mm，10.5mm）、 （ 10.8mm ， 10.8mm ）、（ 8.5mm ， -8.5mm ）、（ - 9.45mm，-9.45mm）实现本文提出的紧凑型非对称 裂缝圆极化 GPS 天线。该天线未加载正交裂缝和加 载正交裂缝的反射系数仿真结果如图 2 所示： 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 -25 -20 -15 -10 -5 0 加载正交裂缝 未加载正交裂缝 dB (S (1 ,1 )) Freq[GHz] 图 2 仿真的反射系数特性 从图 2 中得出该天线未加载正交裂缝工作在 1760MHz ，加载正交裂缝后谐振频率在 1575 MHz，比未加载正交裂缝频率低 185MHz，大大减 小了天线尺寸， -10dB 阻抗带宽： 1572MHz - 1581MHz（9MHz）。 虽然加载正交裂缝可实现减小尺寸，但是仍然 能获得较好圆极化天线。图 3 给出了加载正交裂缝 后天线仿真的轴比随频率变化曲线。从图中可以看 出该天线的最低轴比为 0.9 dB，工作在 1576MHz。 3dB 轴比带宽：1574.5MHz-1577MHz（2.5MHz）， 满足 GPS 带宽要求。 ·68· 1.570 1.572 1.574 1.576 1.578 1.580 1.582 0 2 4 6 8 10 12 14 dB (A xi al R at io Va lu e) Freq[GHz] 图 3 仿真的轴比随频率变化曲线 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 0 0 RHCP LHCP （a）Phi=0° -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 RHCP LHCP （b）Phi=90° 图 4 天线仿真方向图 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 0 5 10 15 20 25 30 35 40 dB (A xi al R at io Va lu e) Theta phi=0 Phi=90 图 5 天线仿真轴比随 Theta 变化曲线 图 4 给出了天线工作在 1575MHz 时，Phi=0° 和 Phi=90°两平面的仿真方向图。从图中可以得出 天线的峰值增益为 0.92dB，最大辐射在正 Z 轴。 图 5 给出了天线工作在 1575MHz 时，Phi=0° 和 Phi=90°两个平面轴比随 Theta 变化曲线。从图 中可以看出，Phi=0°和 Phi=90°时 3dB 轴比波束 宽度均大于 110°。这样宽的波束可以在更大的空 间范围内接收信号。 4 阵列的设计 采用设计出来的宽角度圆极化贴片天线单元， 我们设计了 1×4 单元的直线阵，并研究了其阵列 辐射特性。天线阵列的示意图如图 6 所示。天线均 采用同轴线背馈方式馈电。阵列天线的地面大小为 340mm× 50mm，贴片单元之间的中心间距为 95mm，大约为天线谐振频率对应空气中的半个波 长。仍采用 Ansoft HFSS 对天线阵进行仿真。为了 得到宽角度和低副瓣的天线阵，阵列单元馈电的幅 度比从左到右为 0.2：1：1：0.2。天线阵的圆极化 谐振频率仍为 f0= 1575MHz，阵列边上单元天线的 反射系数仿真曲线如图 7 所示，在工作频率处的 S11 约为-15dB。 图 6 阵列天线的结构示意图 图 8 给出了阵列的部分扫描特性曲线。从图 8 可以看出，该直线阵工作在 f =1575MHz 时，最大 波束能够扫描到+42°。 由于天线结构的对称性，这样一个 1×4 单元 直线阵列就能实现从-42°到+42°范围内的一维圆 极化波束扫描，其圆极化波束扫描范围比较大，波 束最大扫描角度时的副瓣电平相对于主瓣低 6dB 以 上，表明了具有良好的副瓣电平特性。阵列在工作 频率处的扫描特性相关数据列于表 1。 ·69· 1.500 1.525 1.550 1.575 1.600 1.625 1.650 1.675 1.700 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 dB (s (1 ,1 )) Freq[GHz] 图 7 天线阵单元的反射系数曲线 表 1 阵列天线工作于 1575MHz 的一维扫描特性 Main beam direction θ0 Main beam axial ratio（dB）  Gain （dBi）  0°  2.98  6.84  20°  2.82  6.1  42°  2.64  4.37  -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Gain(E-plane) dB Theta(degree) Theta=0 Theta=20 Theta=42 图 8 1×4 单元直线阵随着 Theta 变化的一维扫描方向图 5 结论 本文设计了一种紧凑圆极化 GPS 天线。通过在 微带贴片对角线上开四个非对称裂缝，可实现圆极 化。进一步在正方形四个边中心处开四个正交裂 缝，得到本文设计的紧凑非对称裂缝圆极化 GPS 天 线。对其一维直线阵进行研究，仿真结果表明该线 阵能实现±42°范围内一维扫描。 参 考 文 献 [1] S. 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