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1、小型化双频段GPS微带天线彭祥飞， 钟顺时， 许赛卿 ，武强（1.上海大学 通信与信息工程学院，上海 200072；2. 浙江正原电气股份有限公司 浙江嘉兴 314003）摘要：最近为了满足GPS定位准确性和可靠性的需要，要求天线在GPS两个频率上实现圆极化。本文介绍一种通过单个探针馈电的双层正方形切角的微带贴片天线，采用不同介电常数的微波陶瓷基片。与常规的双频圆极化天线相比，天线尺寸减小了且没有在两层贴片间引入空气层，结构紧凑，便于加工。文中给出天线的详细设计及实验结果，并进行了讨论，实测结果证明了本设计的有效性。 关键词： 微带天线；全球定位系统；双频段；圆极化； A COMPACT DU
2、AL-BAND GPS MICROSTRIP ANTENNAPENG xiang-fei, ZHONG Shun-shi, XU Sai-qing , WU Qiang（1. School of Communication and Information Engineering，Shanghai University,Shanghai 200072；2.Zhejiang Zhengyuan electric limited Company , Jiaxing Zhejiang 314003）Abstract: Recently in order to satisfy the demanded
3、precision and reliability for the globe positioning system(GPS) , the dual-band circularly polarized(CP) is required. This paper describes the design of a probe-fed stacking two corner-truncated square microstrip patch antennas, which are using two different relative permittivity microwave ceramic s
4、ubstrates. Comparing with the conventional dual-band CP antenna with a same low relative permittivity and an air-gap layer between two patches, the size of this antenna is reduced and its fabrication is easier. Details of the proposed antenna design and experimental results are presented and discuss
5、ed .The measured results confirm the validity of this design. Key words: microstrip antenna；GPS；dual-band ; circular polarization1 引言近年来微带天线由于它的尺寸小，成本低，易实现圆极化等优点在全球定位系统（GPS）应用中独占鳌头。大部分的GPS仅工作在L1频率，通常的GPS微带天线加工在高的厚陶瓷基片上1，这样的天线低仰角性能好和带宽足够宽，具有良好的广角圆极化。为了满足GPS一些特殊应用，如高精度的一体化检测或差分基准系统2，GPS天线必须在L1/L2 两个频率
6、(L1：1575MHz,L2:1227MHz )上实现圆极化。如果用单馈电点实现双频圆极化，已经发展了两种微带天线结构：一种使用单块贴片3,4, 其两圆极化工作频率比大约是1.5倍或更大些；另一种使用双层贴片5-7，两圆极化频率比小于1.5倍。本设计中，L1和L2的频率比为1.28倍，小于1.5倍，所以用双层贴片设计能满足GPS天线L1/L2两个频率的要求。但是，绝大多数文献5-7报道的双层贴片天线都加工在同一介电常数的两块基片上，基片中间引入空气层（可采用泡沫材料来支撑上层），这样既增大了尺寸，又不便于加工。本文介绍一种双频段GPS微带天线的新设计, 通过单个探针馈电的双层正方形切角的微带天
7、线贴片，它们印在不同介电常数的微波陶瓷基片上。与常规的双频圆极化天线相比* 基金项目:国家自然科学基金（600171020）资助项目 5-7，天线尺寸减小了且没有在两层贴片间引入空气层，结构紧凑，便于加工。下文介绍了天线的设计及实验结果，并进行讨论。 2 天线设计采用双层贴片，下层贴片加工在厚度为介电常数为的材料上，上层贴片加工在厚度为介电常数为的材料上。图1为天线的几何结构，上下层选用不同介电常数的微波陶瓷基片，相对介电常数分别为，基片厚度为。探针通过下层贴片的钻孔连接到上层贴片上，下层贴片是上层贴片的寄生单元，通过上层贴片电磁耦合馈电。由上下层贴片尺寸分别控制谐振频率，选择正方形切角大小来
8、实现圆极化辐射。利用Ansoft的HFSS软件进行仿真计算, 图2为两个谐振频率的反射损耗随馈电点偏离中心变化的计算结果，从图中可以看出在处L1频率反射损耗最小，而在处L2频率反射损耗最小，但是在处两个谐振的反射损耗为最佳,可以满足两个频段要求。 图1 天线的结构示意图 图2 S11随馈电点d变化3 实验结果根据上面设计加工了一副单馈电点双频GPS天线，并进行了测试。图3为实测的天线输入阻抗Smith圆图，可以看出，天线具有双频圆极化工作特性，两个小的尖端出现在L1、L2频率上。图4为天线最大方向上实测的3dB轴比带宽，在L1、L2频率上轴比带宽分别为16MHz(1.3%)、30MHz(2%)
9、。图5为天线增益测试曲线图，在L1、L2频率上的增益分别达4.5dB,2.4dB，而且在它们附近天线增益比较平坦。图6为天线的方向图，点划线为测量结果，实线为仿真结果，可以看出，测量与仿真的天线方向图相当吻合，证明了理论计算的有效性, 值得一提的是测量方向图的低仰角比仿真结果还稍好些。4 结论 本文给出一种小型化单馈电点双频段GPS天线的设计和测试结果。从实验结果可以看出，本文给出的这种天线性能较好，仅仅采用一个馈电点，选用两种不同介电常数的微波陶瓷基片就可以工作于双频圆极化，与常规的双频圆极化天线相比，天线尺寸减小且没有在两层贴片间引入空气层，便于加工，适合于GPS的特殊应用。 图3 天线输
10、入阻抗Smith圆图（a） (b)图4 天线最大方向上的轴比 （a） （b） （a） (b) 图5 天线的增益 （a）（b） 图6 天线面辐射方向图 致谢本论文的设计及加工在浙江正原电气股份有限公司完成，并得到葛伟平及朱阅的宝贵意见及帮助，在此深表感谢。参考文献1 TOKO AMERICA INC., A miniature patch antenna for GPS application, Microwave Journal，Aug.1997，116118.2 D.M. Pozar ,S.M. Duffy, A dual-band circularly polarized aperture
11、-coupled stacked microstrip antenna forglobal positional satellite, IEEE Trans Antennas Propagat, Nov. 1997, 45(11):1618-1625.3 G. Bin, M.H. Chen, K.L, Wong, Single-feed dual-band circularly polarized microstrip antenna, Electron Letter, 1998, 34(12): 1170-1171.4 K.P. Yang, K.L. Wong, dual-band circ
12、ularly polarized square microstrip antenna, IEEE Trans. Antenna Propagat, March, 2001, 49(3): 377-38.5 J.Y. Jan, K.L. Wong, A dual-band circularly polarized stacked elliptic microstrip antenna, Microwave Opt. Tech. Lett., 2000,24(5):354-357.6 L.Boccia, G.Amendola,etc., A high-performance frequency microstrip antenna for global positional system, IEEE AP-S,2001,4: pp.66-69.7 C.M. Su, K.L. Wong, A dual-band GPS microstrip antenna, Microwave Opt. Tech. Lett., 2002,33(4):238-240.
