一種新的GPS雙頻微帶天線

崔嶺芝， 史美霞， 劉 輝， 孫緒保

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院， 山東 青島 266590)

一種新的GPS雙頻微帶天線

崔嶺芝， 史美霞， 劉 輝， 孫緒保

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院， 山東 青島 266590)

通過在貼片上開等長度的十字縫隙的方式，設(shè)計(jì)了一種小型化的GPS雙頻微帶天線。仿真結(jié)果表明，天線長和寬較開縫前分別減小了28.9%和35.4%，且在1.227 GHz和1.575 GHz兩個頻段點(diǎn)處，回波損耗分別達(dá)到了-23.2 dB和-15 dB。天線輻射性能良好，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)。

雙頻； 微帶天線； 饋電

0 引言

精確定位導(dǎo)航技術(shù)因其快速精確、廣域覆蓋和通信容量大等一系列優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于軍事、民用等領(lǐng)域。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)，指所有覆蓋全球或者區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要包括美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，中國的北斗系統(tǒng)和其他定位系統(tǒng)。其中，以GPS系統(tǒng)技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。GPS衛(wèi)星信號分為L1和L2，頻率分別為1.228 GHz和1.575 GHz。為了滿足通信多系統(tǒng)收發(fā)共用的要求，人們研究了多種應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航的雙頻微帶天線[2]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的四貼片層疊天線在多個頻點(diǎn)上具有較好的阻抗匹配，文獻(xiàn)[4]給出了一種基于寬帶饋電結(jié)構(gòu)的多饋電點(diǎn)天線，但天線結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜。本文中通過在單一貼片開十字型縫的方式，設(shè)計(jì)了一個減小尺寸的雙頻微帶天線。

1 設(shè)計(jì)及原理

1.1 饋電位置的選擇

如圖1所示，使得微帶天線工作于兩個頻率點(diǎn)處最常用的方式就是利用矩形貼片兩個正交方向低階諧振模式工作[3]，即分別選擇TM01、TM10兩個模式，使得微帶天線的長和寬分別對應(yīng)微帶天線的兩個頻率1.228 GHz和1.575 GHz,以實(shí)現(xiàn)同一天線工作在兩個波段的目的。饋電位置最終選取為L1=5.08 mm，W1=4.01 mm。

1.2 天線設(shè)計(jì)及尺寸

如圖2，本設(shè)計(jì)通過在微帶天線貼片上開十字縫隙的方式實(shí)現(xiàn)微型化。具體原理：貼片開縫可以切斷原來的表面電流路徑，使得電流繞槽邊曲折流過而使得路徑變長[6]。由于槽很窄，可以將其模擬為在貼片上插入一個極薄的橫向磁壁。這種方式可以保證在較小的尺寸下實(shí)現(xiàn)較大的電流路徑長度，而選取相同長度的十字縫隙是為了實(shí)際制作工藝簡單。

本文選取聚乙烯(εr=2.25)作為介質(zhì)材料。通過計(jì)算與仿真獲取優(yōu)化參數(shù)：L=68.1 mm，W=51.41 mm，L2=15.45 mm，W2=2.4 mm，h=1.5 mm。開縫前天線參數(shù)：L=95.9 mm，W=79.6 mm，長和寬分別減小了28.9%和35.4%。

2 仿真結(jié)果與分析

通過多次調(diào)整實(shí)驗(yàn)得到GPS雙頻段的兩個頻率：f1=1.228 GHz，f2=1.575 GHz。如圖3和圖4，在1.228 GHz和1.575 GHz處都較好的與50 Ω匹配，回波損耗分別達(dá)到了-23.2 dB和-15 dB。-10 dB帶寬分別為32 MHz和35 MHz。

圖5和圖6分別為天線在f2=1.575 GHz處的方向圖(φ1=0°，φ2=90°)和3D增益圖?？梢钥闯?，在f2處半功率輻射寬度為96°，天線在上半空間輻射近乎全向。在f1處的方向圖和3D增益圖與f2相似，本文沒有給出。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新的GPS雙頻微帶天線，通過在貼片上開槽的方式實(shí)現(xiàn)了天線尺寸的減小

(長和寬分別減小了28.9%和35.4%)。在L1和L2兩個頻段處-10 dB帶寬分別為32 MHz和35 MHz，實(shí)現(xiàn)較好阻抗匹配。

[1] 張曉燕，王國皓，劉志偉. 一種新型智能手機(jī)的平面小型GPS天線的仿真研究[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(3)：55-58.

[2] Ali Foudazi, Hamid Reza Hassani, Sajad Mohammad ali Nezhad. Small UWB Planar Monopole Antenna with Added GPS/GSM/WLAN Bands[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60(6):2987-2992.

[3] Li J, Shi H, Li H. Quad-band Probe-fed Stacked Annular Patch Antenna for GNSS Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014,(13): 372-375.

[4] Fu S, Kong Q, Fang S. Broadband Circularly Polarized Microstrip Antenna with Coplanar Parasiticet Ring Slot Patch for L-band Satellite System Application[J]. IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014,(13): 943-946.

[5] 鐘順時. 微帶天線理論與應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社， 1991：165-168.

[6] Chen M, Chen C C. A Compact Dual-band GPS Antenna Transactions on Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013，(10)：245-248.

A New GPS Dual-frequency Microstrip Antenna

CUILing-zhi,SHIMei-xia,LIUHui,SUNXu-bao

(College of Electronics, Communication and Physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590, China)

A miniaturized GPS dual-frequency microstrip antenna is designed by providing a cross-shaped slot of equal length on the patch. The simulation results show that the antenna length and width are decreased by 28.9% and 35.4% respectively than before, and the return loss reaches -23.2 dB and -15 dB at 1.227 GHz and 1.575 GHz. Moreover, the antenna has well unitary radiation and simple configuration.

dual-frequency; microstrip antenna; feed

1671-0576(2017)01-0052-03

2016-11-10

山東省自然科學(xué)基金會項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號ZR2013FM018。

崔嶺芝(1994-)，女，在讀碩士，主要從事微波與天線技術(shù)研究。

TN822.8

A