隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）在中國各行各業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展，對GPS天線的要求越來越高，不僅要滿足右旋圓極化的輻射特性，對其外觀及系統(tǒng)集成度方面的要求也進(jìn)一步增多，特別是近年來便攜式接收機(jī)的應(yīng)用，對小型化GPS天線提出了迫切需求[1]。微帶天線由于具有體積小、剖面低、易于饋電、能與載體共形、便于實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的研究和發(fā)展。應(yīng)用于GPS的微帶天線研究，也促進(jìn)了天線帶寬的展寬、小型化及增益的提高[2]。

    單饋電切角圓極化微帶天線是GPS天線設(shè)計(jì)中最為常見的結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[3]對于該結(jié)構(gòu)給出了詳細(xì)的分析和討論。為了減小天線的尺寸，參考文獻(xiàn)[4]通過在貼片中心開槽，增大微帶環(huán)表面電流路徑的有效長度，以降低天線的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)小型化。一般而言，單饋電圓極化微帶天線軸比帶寬較窄，嚴(yán)格限制了天線的幾何尺寸。為了減少微帶天線制造公差對頻率漂移的影響，參考文獻(xiàn)[5]提出了在輻射貼片四周加載兩對縫隙的方法，既能增大天線的圓極化帶寬，還能減小天線的尺寸。為了提高天線的增益和輻射效率，加載的縫隙也可以開在接地板上[6]。
    本文基于圓極化微帶天線基本理論，借鑒前人的研究成果，設(shè)計(jì)了一款新穎的結(jié)構(gòu)緊湊、匹配良好、易于調(diào)諧的GPS微帶天線。綜合采用切角微擾，貼片中心開槽和貼片四周加載縫隙等設(shè)計(jì)技術(shù)[3-5]，并提出從中心同軸饋電加載微帶線匹配技術(shù)來實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)。給出了天線的設(shè)計(jì)思路和匹配調(diào)諧方法，并最終對天線進(jìn)行了加工和實(shí)測。
1 天線的設(shè)計(jì)
    微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化工作的關(guān)鍵是激勵(lì)產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等且相位相差90°的正交線極化波。根據(jù)腔模理論可知，一個(gè)形狀規(guī)則的單片微帶天線由一點(diǎn)饋電可產(chǎn)生極化正交、幅度相等的兩個(gè)簡并模，為了在簡并模之間形成90°相位差，在規(guī)則形狀的單片微帶天線上附加一簡并模分離單元，使簡并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離，工作頻率選在兩個(gè)諧振頻率之間，當(dāng)簡并模分離單元大小選擇合適時(shí)，就能形成圓極化輻射[2]。
    本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用邊長為L的正方形輻射貼片，通過在正方形貼片對角線上切除ΔL×ΔL方形簡并模分離單元來實(shí)現(xiàn)圓極化；通過在貼片中心開正方形槽L2×L2，在貼片四周開長方形縫L1×W1來縮減天線尺寸；通過同軸中心饋電，并采用微帶匹配段W2×L3進(jìn)行阻抗匹配調(diào)節(jié)。

    利用仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行了大量的電磁仿真優(yōu)化計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，中心凹槽的邊長L2和四周槽的寬度W1不能太大，太大則會明顯減小貼片天線的有效輻射面積，使天線的輻射場型發(fā)生畸變。同時(shí)中心凹槽的邊長對匹配也有一定影響，為了保證天線的輻射特性，經(jīng)過不斷地仿真優(yōu)化，最終選擇正方形輻射貼片的大小為L=38.5 mm(≈0.38 λg),較傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)邊長近似0.5λg的貼片面積減小了42%,方形切角的大小ΔL為3.4 mm，中心槽的邊長L2=13 mm，四周縫的寬度W1=2 mm，長度L1=5 mm，接地板邊長G=70 mm。
    天線在實(shí)際制作過程中，由于介質(zhì)材料的不均勻性以及加工誤差的影響導(dǎo)致天線諧振頻率偏移，因此方便快捷地進(jìn)行天線的調(diào)諧顯得尤為重要。圖2給出了在其他參數(shù)保持不變，貼片四周縫隙長度L1變化時(shí)，天線諧振頻率的變化規(guī)律?？梢钥闯?，縫隙越長，諧振頻率明顯降低，這是由于曲流技術(shù)使得天線有效輻射邊長增大的緣故，因此可以用于對天線諧振頻率的粗調(diào)。

    在獲得了天線的大致諧振頻率后，利用同軸中心饋電，加載微帶線進(jìn)行頻率的微調(diào)和阻抗匹配。加載的微帶匹配段對天線的阻抗調(diào)節(jié)具有一定的規(guī)律性。改變L3，輸入阻抗的實(shí)部和虛部會同時(shí)變化，如圖3所示。但改變W2，輸入阻抗的虛部基本不變，只有實(shí)部發(fā)生變化，如圖4所示。因此在設(shè)計(jì)微帶線匹配時(shí)，兼顧中心槽的邊長，首先調(diào)整L3使輸入阻抗虛部為0，然后調(diào)整W2使輸入阻抗實(shí)部為50 Ω。 調(diào)整后的W2和L3分別為2.5 mm和3 mm時(shí)，得到了良好的匹配曲線。

2 天線的實(shí)驗(yàn)
    基于以上的分析與設(shè)計(jì)結(jié)果，對天線進(jìn)行實(shí)物加工，選用低成本FR4材料板進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，相對介電常數(shù)為εr=4.3，損耗角正切tanδ=0.02，厚度h=1.5 mm。加工后的實(shí)物圖如圖5所示。

    使用Agilent N5230A矢網(wǎng)對天線的輸入匹配進(jìn)行了測量。圖6給出了天線的仿真與實(shí)測S11的對比曲線。從圖中看出實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性，頻率從1.55 GHz~1.59 GHz范圍內(nèi)實(shí)測S11<-15 dB，即VSWR<1.5，輸入取得了良好的阻抗匹配。實(shí)測中心頻率稍向低頻偏移，這是由于FR4介質(zhì)材料的不穩(wěn)定性造成的，可以通過前面所述的措施進(jìn)行微調(diào)。

    本文提出了一款小型化GPS微帶天線結(jié)構(gòu)。該天線采用了新穎的中心開槽同軸饋電加載微帶線匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。綜合采用了貼片表面開槽曲流技術(shù)和切角微擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型化和圓極化。利用FR4介質(zhì)基板進(jìn)行了天線的加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在所需的頻段內(nèi)，天線的VSWR小于1.5，軸比小于3 dB，增益達(dá)到1 dBi，波束寬度超過120&deg;。由于FR4基板損耗較大，天線的增益不太理想，若改用損耗較小的微波介質(zhì)材料，增益可以明顯提高。該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，便于調(diào)諧，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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[5] WONG K L, Wu Jianyi. Single-feed small circularly polarised square microstrip antenna [J]. Electronics Letters, 1997,33(22):1833-1834.
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