摘要 规划了一种GPS小型圆极化微带方形贴片天线。经过外表开槽的办法来减小天线尺度和进步天线的全体功能，到达小型化的意图。经过切角的办法完成天线圆极化的作业办法。运用HFSS仿真软件对天线的各项参数做了详细的优化剖析，给出了各个参量改动对天线功能的详细影响，对往后进一步研讨双频或多频圆极化天线具有必定的参阅含义。规划的GPS微带天线比同频下圆极化微带天线尺度减小了20%，S11参数在中心频率1.575 GHz处为-17 dB，频带宽度和轴比都有所进步，满意GPS的运用要求。
微带天线以其低概括、重量轻、本钱低，易于共型和集成等长处，在实践中被广泛运用。由于现代集成电路技能和工艺的迅猛开展，GPS天线作为无线设备的终端，小型化的要求现已火烧眉毛。而圆极化的作业办法关于电磁波在传送以及接纳方向上，比线极化波束有更多优势加之电磁波在经过电离层时会发生法拉第旋转效应，使得圆极化在GPS上的运用极具其重要性。
本文用HFSS软件作为辅助规划，运用方形贴片，规划了一种契合频宽1.575 GHz的GPS微带天线，并评论剖析了馈入点、切角长度、开槽的长、宽度等要素对其S11特性的影响，得出一些可供本方案运用的最佳天线参数，对深入研讨也有必定参阅含义。在小型化的办法挑选上选用了开槽的办法，减小天线的尺度。选用方形辐射贴片切角的办法完成圆极化，与其他天线比较较，易于完成，本钱也较低。
1 微带天线圆极化概述及完成办法
1.1 天线圆极化概述
圆极化波是一等幅的旋转场，它能够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。微带圆极化天线的有用含义体现在：(1)圆极化天线能够承受恣意极化的来波，且辐射也能够由恣意极化天线收到;(2)在许多范畴广泛运用圆极化天线的旋向正交性;(3)圆极化波入射到对称方针时旋向旋转，因而运用于GPS能按捺雨雾搅扰和抗多径反射。
圆极化天线的根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，界说为天线的圆极化带宽。轴比将决议天线的极化功率。表征天线极化纯度的交叉极化辨别率也可由轴比得出。
1.2 微带天线圆极化的完成办法
微带天线的圆极化办法大致分为3类：(1)单馈法。首要是根据空腔模型理论，运用简并模别离元发生两个辐射正交极化的简并模作业，经过引进几许微扰来完成。这种办法无须外加相移网络和功率分配器，结构简略，本钱低，适宜小型化。但带宽窄，极化功能差。(2)多馈法。选用多个馈点馈电微带天线，可经过T形分支和3 dB电桥等馈电网络完成。这种办法能够进步驻波比带宽和圆极化带宽，按捺交叉极化。但馈电网络杂乱，本钱较高，天线尺度大。(3)多元法。运用多个线极化辐射元，对每一个辐射元馈电，可看作天线阵，这种办法既具有多馈法的长处，并且馈电网络较为简化，增益高。缺点是结构杂乱，本钱高，尺度大。
完成圆极化的根本办法分为：(1)切角;(2)准方形，近圆形，近等边三角形;(3)外表开槽(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。
2 微带天线小型化概述及完成办法
2.1 微带天线小型化概述
跟着科学技能的不断进步和运用需求的不断扩展，微带天线的小型化现已成为了研讨的热门。与一般天线比较，微带天线完成了一维的小型化，具有低概括、可共型、易集成，便于取得圆极化，完成双频段、双极化作业等长处。但由于小天线的Q值较高，因而辐射功率低，频带窄。所以在规划过程中要归纳考虑以取得杰出的天线功能。
2.2 微带天线小型化的完成办法
从国内外的开展概略来看，完成微带天线小型化首要有以下几种办法：(1)天线加载。便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完成小型化。(2)选用特别资料的基片。谐振频率与介质参数成反比，因而高介电常数的基片能够下降谐振频率，然后减小天线尺度。但高介质基片极易鼓励出外表波，外表损耗增大，使天线增益减小，功率下降。(3)外表开槽。外表开槽引进微扰，改动外表电流途径，使电流绕槽边或缝边曲折流过途径变长，在等效电路中相当于引进了级联电感。但尺度的过火减缩会引起天线功能的急剧恶化。(4)附加有源网络。缩小无源天线的尺度，会导致辐射电阻减小，功率下降。可用有源网络的扩大效果及阻抗补偿技能来补偿这一缺点。(5)能够选用特别天线结构方法。总的思路便是使天线的等效长度大于其物理长度，以完成小型化。如选用蝶形、倒F型(PIFA)，L型、E型、双C型等。倒F型(PIFA，Planer Inverted—F Antenna)在手机天线完成双频或多频，小型化规划中得到了广泛运用，也是研讨热门。
尽管国内外对微带天线小型化做了许多研讨，可是也存在许多缺乏，离真实的有用还有较长的间隔，天线的功能与小型化之间也存在控制，必须在不断的运用中寻觅最佳的平衡点。
3 小型圆极化GPS微带天线
3.1 理论论述
上文介绍了减缩微带天线尺度的几种办法及其优缺点。辐射贴片外表开槽的办法延伸了贴片外表的电流途径，是小型化规划的首要办法。由于开槽在下降天线谐振频率的一起，能够确保满意的带宽和增益，对天线的影响不大，易于完成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，使外表电流途径变曲折，途径延伸，贴片的等效尺度相对变大，谐振频率下降，完成了小型化的规划。贴片选用两个切角(别离元)发生两个正交的谐振模TM10模和TM01模，经过调整贴角和开槽的长度，以及在贴片上挑选适宜的馈电点方位，使谐振模TM10模和TM01模简并，然后发生圆极化波辐射。
本文选用介质常数为ε=12，厚度为4.5 mm的一般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度的预算式(1)可近似将核算出L
其间，L、W分别是天线的长度和宽度，H为天线高度。由于选用方形基片L=W，在后边要做进一步优化，所以此处暂不考虑△L，开端核算得L=27.49 mm，L1=10.17 mm。选用切角的办法完成圆极化，馈电点需选在x轴或y轴上才能够鼓励相位相差90°的极化简并模，本方案取在y轴。
3.2 各参数对天线功能的影响
(1)开端讨论L、d1和L1对S11的影响。由于后边还要进行天线参数的屡次优化，在这里仅考虑其影响的大致趋势，中心频率经过细调尺度能够做到。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。
能够看出，L从26 mm逐步增大到28 mm时，在扫频规模内或许呈现3个频段，假如取值较小，就有或许只呈现一个频段。并且跟着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。这也验证了预算公式的正确性，所以要取得所需的频率需对L尺度做很好地优化。
由图3能够看出，取L=26 mm，其余值不变的情况下，d1改动时，S11跟着改动，恰当调整S11则能够取得杰出的匹配，但跟着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由于输入阻抗从零逐步挨近50 Ω，可是跟着L1值的持续增大，S11开端变差，比方图中当L1=4 mm时，就比3 mm和5 mm时的S11好。所以调整馈电点L1的方位，能够得到很好的天线功能。
(2)开端讨论开槽的宽度s、长度Lo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，来剖析槽宽s，长度Lo对S11的影响。
如图4所示，当其他的参数固定，s的宽度有规则地添加时，高一再移的改动比低频区的S11改动要大，由于高频段波长比低频段的短，受尺度的影响比较显着，s的宽度不能开的过大，过大S11则会变差，图中s=1 mm时，S11较为抱负，可是添加到2 mm或2.5 mm，S11则渐渐变差。跟着Lo的添加，低频点向更低频点移动，高频点也跟着向低频点移动，S11的功能变差。因而开槽的长度、宽度要结合中心频率和S11归纳考虑来确认。尽管开槽能够减小尺度，可是开得过长、过宽，则会影响天线其他功能。
3.3 优化规划
3.3.1 天线的尺度结构
以上的讨论开端确认了单个参数对天线功能，尤其是对S11的影响，要想取得杰出的天线功能，需要对各个参数归纳考虑来确认。本文的GPS微带天线，选用介电常数ε=12的一般陶瓷基片和接地板印刷在介质板两边，选用特性阻抗为50 Ω的SMA的同轴线接头馈电，经过仿真优化，得到的天线尺度如表1所示。
3.3.2 天线的仿真成果
(1)回波损耗。仿真成果能够看出，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，满意了GPS天线的运用要求。
(2)轴比带宽。仿真核算的天线轴比曲线如图6所示，AR3 dB的频带规模是1.569 1～1.573 3 GHz，带宽为4.2 MHz。由图7能够看出AR3 dB的视点规模为-52°～54°以上。图7中A–θ(°)，B—dB/AxialRatioValue，能够看出3 dB以下的波束宽度。
(3)天线的辐射增益。从图中能够看出，在0°处的增益Gain=1.475 dB，比低介质天线的增益小许多，后向辐射也较大，首要是由于鼓励起了外表波，微带天线边际的散射恶化了极化电平缓作业带宽。所以在挑选介质基片时，要归纳考虑，不要由于介电常数过大，对增益形成太大的影响。
4 结束语
凭借HFSS软件仿真了一种小型圆极化GPS微带天线，满意GPS天线的运用要求。尽管其结构简略，本钱较低，但由于频率对尺度改动很灵敏，加工精度要求高。由所以小天线，其辐射功率低、频带窄。GPS天线以其广泛的运用，往后将会向小型化、圆极化、多频段和抗搅扰的方向不断开展，这些也将是研讨热门。
