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基于HFSS的小型圆极化GPS微带天线设计与仿真

2014-12-18赵一飞杨洪亮赵益民

电子科技 2014年3期
关键词:轴比基片圆极化

赵一飞,杨 阳,杨洪亮,赵益民

(西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安 710071)

微带天线以其低轮廓、重量轻、成本低,易于共型和集成等优点,在实际中被广泛应用。由于现代集成电路技术和工艺的迅猛发展,GPS天线作为无线设备的终端,小型化的要求已经迫在眉睫。而圆极化的工作方式对于电磁波在传送以及接收方向上,比线极化波束有更多优势,加之电磁波在经过电离层时会产生法拉第旋转效应,使得圆极化在GPS上的应用极具其重要性。

本文用HFSS软件作为辅助设计,应用方形贴片,设计了一种符合频宽1.575 GHz的GPS微带天线,并讨论分析了馈入点、切角长度、开槽的长、宽度等因素对其S11特性的影响,得出一些可供本方案使用的最佳天线参数,对深入研究也有一定参考意义。在小型化的方法选择上采用了开槽的方法,减小天线的尺寸。采用方形辐射贴片切角的方法实现圆极化,与其他天线相比较,易于实现,成本也较低。

1 微带天线圆极化概述及实现方法

1.1 天线圆极化概述

圆极化波是一等幅的旋转场,它可以分解为两正交等幅相位相差90°的线极化波,可分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。微带圆极化天线的实用意义体现在:(1)圆极化天线可以接受任意极化的来波,且辐射也可以由任意极化天线收到;(2)在诸多领域广泛应用圆极化天线的旋向正交性;(3)圆极化波入射到对称目标时旋向旋转,因此应用于GPS能抑制雨雾干扰和抗多径反射[2]。

圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比。轴比不大于3 dB的带宽,定义为天线的圆极化带宽。轴比将决定天线的极化效率。表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出[2]。

1.2 微带天线圆极化的实现方法

微带天线的圆极化方法大致分为3类:(1)单馈法。主要是基于空腔模型理论,利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作,通过引入几何微扰来实现。这种方式无须外加相移网络和功率分配器,结构简单,成本低,适合小型化。但带宽窄,极化性能差。(2)多馈法。采用多个馈点馈电微带天线,可通过T形分支和3 dB电桥等馈电网络实现。这种方式可以提高驻波比带宽和圆极化带宽,抑制交叉极化。但馈电网络复杂,成本较高,天线尺寸大。(3)多元法。使用多个线极化辐射元,对每一个辐射元馈电,可看作天线阵,这种方式既具备多馈法的优点,而且馈电网络较为简化,增益高。缺点是结构复杂,成本高,尺寸大。

实现圆极化的基本方式分为:(1)切角;(2)准方形,近圆形,近等边三角形;(3)表面开槽(slots/slits);(4)带有调谐枝节(tuning-stub);(5)正交双馈,曲线微带型,行波阵圆极化[3]。

2 微带天线小型化概述及实现方法

2.1 微带天线小型化概述

随着科学技术的不断进步和应用需求的不断扩展,微带天线的小型化已经成为了研究的热点。与普通天线相比,微带天线实现了一维的小型化,具有低轮廓、可共型、易集成,便于获得圆极化,实现双频段、双极化工作等优点。但由于小天线的Q值较高,因此辐射效率低,频带窄。所以在设计过程中要综合考虑以获得良好的天线性能[6]。

2.2 微带天线小型化的实现方法

从国内外的发展概况来看,实现微带天线小型化主要有以下几种方法:(1)天线加载。就是在微带天线上加载短路探针、低电阻切片电阻和切片电容以实现小型化。(2)采用特殊材料的基片。谐振频率与介质参数成反比,因此高介电常数的基片可以降低谐振频率,从而减小天线尺寸。但高介质基片极易激励出表面波,表面损耗增大,使天线增益减小,效率降低。(3)表面开槽。表面开槽引入微扰,改变表面电流路径,使电流绕槽边或缝边曲折流过路径变长,在等效电路中相当于引入了级联电感。但尺寸的过分缩减会引起天线性能的急剧恶化。(4)附加有源网络。缩小无源天线的尺寸,会导致辐射电阻减小,效率降低。可用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术来弥补这一缺陷。(5)可以采用特殊天线结构形式。总的思路就是使天线的等效长度大于其物理长度,以实现小型化。如采用蝶形、倒F型(PIFA),L型、E型、双C型等。倒F型(PIFA,Planer Inverted-F Antenna)在手机天线实现双频或多频,小型化设计中得到了广泛应用,也是研究热点[6]。

虽然国内外对微带天线小型化做了大量研究,但是也存在很多不足,离真正的实用还有较长的距离,天线的性能与小型化之间也存在牵制,必须在不断的应用中寻找最佳的平衡点。

3 小型圆极化GPS微带天线

3.1 理论阐述

上文介绍了缩减微带天线尺寸的几种方法及其优缺点。辐射贴片表面开槽的方法延长了贴片表面的电流路径,是小型化设计的主要方法。因为开槽在降低天线谐振频率的同时,可以保证足够的带宽和增益,对天线的影响不大,易于实现圆极化和双频双极化的要求。本天线在辐射贴片上设置了4个相同的L型槽,使表面电流路径变弯曲,路径延长,贴片的等效尺寸相对变大,谐振频率下降,实现了小型化的设计。贴片采用两个切角(分离元)产生两个正交的谐振模TM10模和TM01模,通过调整贴角和开槽的长度,以及在贴片上选择合适的馈电点位置,使谐振模TM10模和TM01模简并,从而产生圆极化波辐射[1]。

本文采用介质常数为ε=12,厚度为4.5 mm的普通陶瓷介质作为介质基片,天线中心频率f=1.575 GHz。由矩形微带贴片天线尺寸的估算式(1)可近似将计算出L

馈电点:由式(2)近似计算输入阻抗50Ω时的馈电点位置L1

若考虑边缘场的影响,需加修正量ΔL。

其中,L、W分别是天线的长度和宽度,H为天线高度。由于采用方形基片L=W,在后面要做进一步优化,所以此处暂不考虑ΔL,初步计算得L=27.49 mm,L1=10.17 mm。采用切角的方式实现圆极化,馈电点需选在x轴或y轴上才可以激励相位相差90°的极化简并模,本方案取在 y轴[2]。

图1 天线的结构示意图

3.2 各参数对天线性能的影响

(1)初步探讨L、d1和L1对S11的影响。由于后面还要进行天线参数的多次优化,在这里仅考虑其影响的大致趋势,中心频率通过细调尺寸可以做到。图2是在 L1=5.65 mm,L0=6.65 mm,d1=3.7 mm,s=1 mm,w1=3.4 mm时,L对回波损耗S11的影响。

图2 不同L对f和S11的影响

可以看出,L从26 mm逐步增大到28 mm时,在扫频范围内可能出现3个频段,如果取值较小,就有可能只出现一个频段。而且随着L的增大,低频段向更低的频段移动,高频段也随之向前平行移动。这也验证了估算公式的正确性,所以要获得所需的频率需对L尺寸做很好地优化。

由图3可以看出,取L=26 mm,其余值不变的情况下,d1变化时,S11跟着变化,适当调整S11则可以获得良好的匹配,但随着S11的变大,单一模共振出另一个高频模,若d1较大时,天线一个频段向高频移动,调整d1有助于调整中心频率和回波损耗。取L=26 mm,d1=4 mm,其余值不变的情况下,当馈电点远离辐射基片的中心时,有较好的S11,因为输入阻抗从零逐渐接近50Ω,但是随着L1值的继续增大,S11开始变差,比如图中当L1=4 mm时,就比3 mm和5 mm时的S11好。所以调整馈电点L1的位置,能够得到很好的天线性能。

图3 不同的d1和L1对S11影响

(2)初步探讨开槽的宽度s、长度L0对S11的影响。可取L=26 mm,L1=5 mm,d1=4 mm其余值不变的前提下,来分析槽宽s,长度L0对S11的影响。

如图4所示,当其他的参数固定,s的宽度有规律地增加时,高频频移的变化比低频区的S11变化要大,由于高频段波长比低频段的短,受尺寸的影响比较明显,s的宽度不能开的过大,过大S11则会变差,图中s=1 mm时,S11较为理想,但是增加到2 mm或2.5 mm,S11则慢慢变差。随着L0的增加,低频点向更低频点移动,高频点也随着向低频点移动,S11的性能变差。因此开槽的长度、宽度要结合中心频率和S11综合考虑来确定。虽然开槽可以减小尺寸,但是开得过长、过宽,则会影响天线其他性能。

3.3 优化设计

3.3.1 天线的尺寸结构

图4 不同s、L0对S11的影响

以上的探讨初步确定了单个参数对天线性能,尤其是对S11的影响,要想获得良好的天线性能,需要对各个参数综合考虑来确定。本文的GPS微带天线,采用介电常数ε=12的普通陶瓷基片和接地板印刷在介质板两侧,采用特性阻抗为50Ω的SMA的同轴线接头馈电,通过仿真优化,得到的天线尺寸如表1所示。

表1 天线优化后的尺寸 单位:mm

3.3.2 天线的仿真结果

(1)回波损耗。仿真结果可以看出,天线的回波损耗S(1,1)在天线的中心频率上S11值为-17 dB,S(1,1)<-10 dB的带宽为26 MHz,满足了GPS天线的应用要求。

图5 天线的回波损耗

(2)轴比带宽。仿真计算的天线轴比曲线如图6所示,AR<3 dB的频带范围是 1.569 1~1.573 3 GHz,带宽为4.2 MHz。由图7可以看出AR<3 dB的角度范围为-52°~54°以上。图7中A—θ(°),B—dB/AxialRatioValue,可以看出 3 dB 以下的波束宽度。

图6 天线的轴比

图7 3 dB以下波束宽度

(3)天线的辐射增益。从图中可以看出,在0°处的增益Gain=1.475 dB,比低介质天线的增益小很多,后向辐射也较大,主要是因为激励起了表面波,微带天线边缘的散射恶化了极化电平和工作带宽。所以在选择介质基片时,要综合考虑,不要因为介电常数过大,对增益造成太大的影响。

图8 天线的辐射增益

4 结束语

借助HFSS软件仿真了一种小型圆极化GPS微带天线,满足GPS天线的应用要求。虽然其结构简单,成本较低,但由于频率对尺寸变化很敏感,加工精度要求高。由于是小天线,其辐射效率低、频带窄。GPS天线以其广泛的应用,今后将会向小型化、圆极化、多频段和抗干扰的方向不断发展,这些也将是研究热点。

[1]李登丰.基于HFSS的圆极化微带天线的设计与仿真[J].齐齐哈尔大学学报,2011,27(6):38 -40.

[2]薛睿峰,钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报,2002,17(4):331 -333.

[3]杨小丽.GPS天线的圆极化和小极化研究[D].长春:东北师范大学,2006.

[4]韩钰彦,陈强,葛迪云,等.GPS用小型微带天线的研制[J].电子元件与材料,2008,27(9):11 -17.

[5]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[6]薛睿峰,钟顺时.微带天线小型化技术[J].电子技术,2002(3):190-192.

[7]高阳,董树荣,王德苗.GPS天线技术及其发展[J].无线通信技术,2008(4):34-39.

[8]李明洋,刘敏,杨放.HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社,2011.

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