基于HFSS的小型圆极化GPS微带天线设计与仿真

摘要 设计了一种GPS小型圆极化微带方形贴片天线。通过表面开槽的方法来减小天线尺寸和提高天线的整体性能，达到小型化的目的。通过切角的方法实现天线圆极化的工作方式。利用HFSS仿真软件对天线的各项参数做了具体的优化分析，给出了各个参量变化对天线性能的具体影响，对以后进一步研究双频或多频圆极化天线具有一定的参考意义。设计的GPS微带天线比同频下圆极化微带天线尺寸减小了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提高，满足GPS的应用要求。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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△L，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。

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。

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50 Ω，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。

(2)初步探讨开槽的宽度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，来分析槽宽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Lo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

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50 Ω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。

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。

(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。

(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。

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。