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一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现


2009年12月

西安电子科技大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY

Dec.2009

第36卷第6期

V01.36

NO.6

一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现
宋小弟1’2,冯恩信1,傅君眉1
(1.西安交通大学微波与光通信研究所,陕西西安710049;

2.华东电子工程研究所天馈部,安徽合肥230031)

摘要:设计制作了一种新颖的宽带EBG(Electromagnetic Bandgap)结构小型圆极化GPS微带贴片天线

单元.采用Koch矩形分形设计圆极化GPS微带贴片天线和特定尺寸的EBG结构,一方面有效减小了
天线单元的尺寸,另一方面有效抑制其工作时产生的表面波,改善了其工作性能.仿真和实测结果表明,

相对于普通矩形结构的微带贴片天线单元,该分形天线单元尺寸减小了约27%.同时,采用EBG结构使
工作频率上的3 dB轴比带宽增加了约30%,增益增加约0.2 dB. 关键词:分形天线;圆极化;EBG结构;GPS天线 中围分类号:TN822 文献标识码:A

http://www.konlan.com.cn/

文章编号:1001—2400(2009)06—1108—06

Design and implementation of
polarized GPS



novel miniaturized circularly antenna

microstrip

SONG Xiao—dil”,FENG En—xinl,FUJun—meil
(1.Inst.of

Microwave and Optical Comm.,Xi’an Jiaotong Univ.,Xi’an
23003 1,China)

710049,China l

2.East China Research lnst.of Electronic Eng.,Hefei

Abstract:

A novel miniaturized circularly polarized microstrip designed and constructed.The size of

antenna

with the EBG

structure

for GPS
antenna

applications is

the circularly polarized GPS microstrip

desiged by the Koch rectangle fractal is reduced considerably.And the properties of bandwidth and gain
are

improved effectively due

tO

the introduction of given size EGB designed by the Koch rectangle fractal.

Simulation and experimental results show that,compared with the conventional rectangle structure.the proposed well Key
as antenna

has reduced the size by
to

27%,and increased the axial—ratio bandwidth by about 30%as
structure. antennas

the gain by 0.2 dB due

the application of the EBG

Words:

fractal antenna;circularly polarized I EBG structure;GPS

近年来快速发展的无线通信领域对天线单元提出了小型化、多频宽带和多极化等诸多要求.微带天线具 有结构简单、低剖面易共形、低成本易制作和极化灵活等优点n。2],自上世纪八十年代应用于工程实际以来得 到了广泛深入地研究,并应用于诸多领域. 相对于具有整数维的规则欧氏几何结构,分形是具有分数维的不规则和自相似几何结构,它具有空间填 充和自相似两大特性.分形结构的自相似和空间填充特性可用于微带天线单元的小型化和多频设计口‘7].圆 极化天线相对于线极化天线在收发指向角方面具有更大的灵活性,并能更有效地穿透云雨,因而在复杂和特 殊的环境中得到广泛应用,如GPS系统和星载SAR系统.因此研究性能稳定的小型高效圆极化微带天线具 有重要的实用价值. 微带天线理论分析表明[8],微带天线在工作过程中会激励起表面波,其截止频率为
fc一(nc/(4h(e。一1)1/2),
(1)


其中,厂c为表面波截止频率,行为表面波的模式,C为真空中的光速,h为介质厚度,e,为介质衬底的相对介电
收稿日期:2008—09—27

基金项目:国家部委预研重点基金项目资助(9140A07011307DZ4801) 作者简介:宋小弟(1974一),男,西安交通大学博士研究生.E-mail:songxd942@sina.com.

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宋小弟等:一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现

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常数.由上式可知,h和£,越大,则工越低,可传输更多频率范围的表面波.微带天线工作激励起的表面波在 介质基板与接地板之间反射传播,最后从边缘散射出去.表面波在介质基板中的传播损耗降低了微带天线的 增益,在微带天线边缘的散射恶化了其交叉极化电平和工作带宽[9].微带天线设计中采用特定形状和尺寸的 EBG(电磁带隙)可有效抑制表面波在微带天线中的传播,改善增益和交叉极化等性能口0‘1引. 笔者采用Koch矩形分形,研制了一种新颖的带EBG结构的小型圆极化GPS微带天线贴片单元.仿真 和实测结果表明了该设计的有效性. http://www.zglmm.com/

1天线结构设计
Koch分形是一种应用很广泛的经典分形结构.有多种采用Koch分形设计的小型多频微带天线单元, 其中包括:Koch曲线结构的单极子或偶极子单元、Koch曲线边界的微带贴片天线单元和Koch曲线微带缝 隙天线单元.图1(a),(b)和(c)是1~3阶的Koch曲线、Koch雪花和Koch矩形分形的生成示意图.

<{《≤拿搴橐X X×
(i11)1-3阶Koch分形曲线 (b)1~3阶Koch分形雪花 (c)l~3阶Koch矩形分形

图1分形曲线及分形结构图形

在Koch分形微带贴片天线方面,Kim 11Kwon等人[13]指出,在相同工作频率下,同矩形微带贴片天线单 元相比,应用Koch矩形分形设计的单元可有效减小贴片面积.Nanbo Jin等人研究表明在Koch矩形分形贴 片单元的基础上,采用窄缝分形结构可以更进一步缩小贴片的面积[1引.HongQi Cheng等人设计了一种圆极 化微带贴片天线【1引.笔者在上述研究的基础上,基于一阶Koch矩形分形,采用高性能的Rogers TMMl0微 带板,设计了一种新型小型圆极化GPS微带贴片天线单元.由式(1),基于小型化目的,设计采用厚度较大 (,l一1.905mm),介电常数较高(e,一10)的介质基板,因而表面波效应较明显.为抑制表面波,在设计的微 带贴片单元周围排布了基于Koch矩形分形设计的EBG结构,从而改善轴比和增益性能.
1.1

天线的贴片单元设计

http://www.yhkssb.com/

笔者设计的微带贴片天线单元结构如图2所示.为标注方便,图2(a)是未加EBG结构的贴片天线的局 部放大示意图.该设计基于一阶Koch矩形分形,将其四边上的凹陷用一个窄的T型窄缝隙代替.其中垂直 于每条边的窄缝长宽比值h/w=4.34ram/0.68mm--≈6.4,平行于各边的窄缝宽度不变.图2(a)所示的4个 T型窄缝,两两相对的尺寸完全一致,相邻的两个顶部尺寸不同,分别为z。和1z.由微带天线理论可知,在矩 形微带贴片天线的对角线上馈电可获得圆极化辐射性能,笔者设计的微带贴片天线单元的圆极化辐射即通 过这种馈电方式实现.调节z。和1:的相对长度以及馈电点位置可改变两个正交辐射模之间的相位差,使其 达到90。,从而获得最佳的圆极化性能.图2(b)是未加EBG结构的微带贴片天线的侧视示意图,采用型号为 SMAKFD35的SMA同轴线接头馈电.图2(c)是整个微带天线的俯视示意图. 整个微带天线的结构尺寸参数和材料选择:微带贴片天线单元为LXL=25 型窄缝的参数为W一---0.68
mm,h=4.34 mm,zl=4.86 mm,z2—4.38 mmX25

mm的矩形贴片,T
mm×80

mm.接地板尺寸为80

mm.介质

基片选Rogers的TMMl0,厚度£=1.905 mlTl,相对介电常数e,=10.为取得最佳的匹配效果和轴比性能,需

要对天线的馈电点位置(口,6),T型缝隙顶部长度l。,z:等参数进行优化.
1.2

天线周围的EBG结构设计

排布在天线单元周边用于抑制表面波的EBG结构采用二阶正方形Koch分形贴片,其生成过程如图l (c)所示,其具体几何参数如图3所示.Koch分形贴片中央的圆孔为连接其和接地板的金属化过孔.该EBG 结构的具体性能参见[9],本文不作详述.

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图2笔者设计的微带贴片天线示意图

2天线的仿真优化
使用高频结构仿真软件HFSS对笔者设计的微带天线单元进行 仿真.仿真过程中对影响天线性能的相关参数进行了优化选择.在不 影响设计的条件下,为简化优化过程,下面固定lz一4.38mm,分别研 究长缝长度l。、馈电点位置(口,6)和EBG结构对天线性能的影响. (1)上文提到调节缝隙l。和l:的相对长度,可以微调贴片天线两 个正交辐射模之间的相位差,获得较好的圆极化性能.图4(a)给出了 (d,6)=(2.15mm,2.15mm),z2—4.38mm时,11取不同值时的S1l 参数和Smith圆图.从图中可以看出当l。=4.9mm时,天线单元获得 最好的圆极化效果.下文的仿真结果表明,为获得最佳效果,缝隙的长 度还要根据馈电点位置的优化进行微调. http://www.daocheleid.com/ (2)仿真过程中发现,当馈电点在微带贴片天线单元对角线上时,阻抗匹配和圆极化效果并非最佳,因 此有必要对馈电点位置进行优化.图4(b)给出了z?=4.86
mm,zz=4.38 图3 EBG结构示意图

mm时,a和b取不同值时的¥11参数

和Smith圆图.从图中可以看出当口一2.25mm,b_--2.22mm时,天线单元获得最佳性能. (3)理论分析已知,EBG结构可抑制表面波,改善天线工作特性,下面研究EBG结构对微带贴片天线单 元性能的改善.图4(c)给出了在微带贴片天线周围加EBG结构前后的S,。参数和Smith圆图.图5给出了 天线加EBG结构前后的增益和3dB轴比带宽.从图5(a)中可以看出加EBG结构后,3 dB轴比带宽增加了约 30%.从图5(b)可以看出加EBG结构后,天线的增益方向图在±40。范围内得到改善,最大增益增加了约
0.2

dB,性能改善较明显,±40。范围以外的辐射明显减弱.这表明贴片天线周围的EBG结构确实有效抑制

了表面波.

3天线的制作与仿真结果
在仿真优化的基础上,采用高精度印制板加工工艺,制作了实物并进行了相关测试.图6(a)和(b)分别 为天线单元实物的正面和背面照片,中心部分为圆极化微带贴片天线,天线周围为正方形Koch分形EBG 结构.每个EBG结构中心都有金属化过孔和背部的地板相连.图6(c)和(d)分别为采用Agilent 8720ES矢

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……“,.=4.8 mm

—f.=4.9mm

5.0m血

180

L.—L——L.—‘.—』二!I!—^——J——L——LJ
1.0 0.0 1.0

f]GHz

(a)(口,6)=(2.15蛐,2.15ram),t2=4.38mm
90—。?一(口,6)5(2.16mm,2.19mm) (4,6)=(2.19mm,2.16ram)

(4,6)=(2.25∞,2.22 am)

180

I.0

L——J——J——J———L二!I!—』.—J—.J—u
0.0 90

1.0

(b)L=4.86∞,/2--4.38m

+无EBG结构
EBG结构

180

1.0

L——^——▲..J。—J—二!匹iJ——.L—J.u
0.0

1.0

,,GH2

(c)加EBG结构前后

图4天线参数优化及加EBG结构前后的S11参数和Smith圆图


艟 轻 丑 暴

田 日




f/OHz (a)加EBG结构前后的3 dB轴比带宽(0=O。)

图5加EBG结构前后微带贴片天线的3 dB轴比带宽和增益比较

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(a)天线单元实物图正面

(b)天线单元实物图背面

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(c)天线s参数测试结果

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(d)天线Smith圆图测试结果

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(c),;1.58GHz时的辐射方向图测试结果

图6天线单元实物图和实测结果

量网络分析仪测试的天线单元的驻波曲线和Smith圆图.对比仿真和测试结果可以看出,除了实际测试的结 果稍微偏向高频外,两者基本吻合.测试结果偏向高频的原因:(1)仿真软件的数值计算误差,(2)加工制作 的精度误差,(3)测量本身引入的误差.仿真和实物测试的偏差可通过后期对实物的修正加以解决.图6(e) 为天线单元上半空间动z面的测试辐射方向图,测试图表明该天线单元具有良好的轴比性能.yoz面测试结 果与XOZ面很接近,鉴于篇幅限制,此处略去. http://www.psmfj.com/

4结



笔者研制了一种基于Koch分形的带EBG结构的小型圆极化GPS微带贴片天线.若采用普通矩形形 状,根据谐振半波贴片长度的近似计算公式L≈0.49M=0.49X/(£,)“2可以算出其长度约为29.2 mm,因 此笔者文设计的贴片单元面积减小了约27%.在贴片天线周围加上形状设计适当的EBG结构可有效抑制 表面波效应,从而提高微带天线的阻抗和辐射参数性能.加EBG结构前后的微带贴片天线,3 dB轴比带宽增
加了约30%,增益增加了约O.2 dB.仿真和测试结果证实了本设计的有效性.

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(编辑:高西全)

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一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现
作者: 作者单位: 宋小弟, 冯恩信, 傅君眉, SONG Xiao-di, FENG En-xin, FU Jun-mei 宋小弟,SONG Xiao-di(西安交通大学微波与光通信研究所,陕西,西安,710049;华东电子工程 研究所天馈部,安徽,合肥,230031), 冯恩信,傅君眉,FENG En-xin,FU Jun-mei(西安交通大 学微波与光通信研究所,陕西,西安,710049) 西安电子科技大学学报(自然科学版) JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 2009,36(6) 2次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(15条) 1.Cheng Hongqi;Tian Libin;Hu Binjie Compact Circularly Polarized square Microstrip Fractal Antenna with Symmetrical T-slits 2007 2.Jin N B;Fan M Y;Zhang X X L-band Circular Polarization Microstrip Antenna Based on the Narrow-slot Fractal Method 2003 3.Zurcher J F;Gardiol F E Broadband Patch Antenna 1995 4.钟顺时 微带天线理论与应用 1991 5.Azaro R;Zeni E;Rocea P Synthesis of a Galileo and Wi-Max Three-band Fractal-eroded Patch Antenna [外文期刊] 2007(06) 6.Azaro R;De Natale F Synthesis of a Prefractal Dual-band Monopole Antenna for GPS Applications[外文 期刊] 2006(05) 7.Gianvittorio J;Rahmat-Samii Y Fractal Antennas:a Novel Antenna Miniaturization Technique and Applications 2002(01) 8.王丽萍;许峰;傅德民 Minkowski分形天线分析[期刊论文]-西安电子科技大学学报(自然科学版) 2002(06) 9.刘英;龚书喜;傅德民 分形天线的研究进展[期刊论文]-电波科学学报 2002(01) 10.刘英;龚书喜;傅德民 一种用于移动终端的新型内置五频芯片天线[期刊论文]-西安电子科技大学学报(自然科学 版) 2008(04) 11.Kim I The Koch Island Practal Microstrip Patch Antenna 2001 12.Bao X L;Ruvio G A Novel GPS Patch Antenna on a Fractal Hi-Impedance Surface Substrate 2006(05) 13.Zhu S;Langley R L Dual-band Wearable Antennas over EBG Substrate 2006(03) 14.Yang F;Rahmat-Samii Y Microstrip Antennas Integrated with Electromagnetic Bandgap(EBG)Structures:a Low Mutual Coupling Design for Array Applications[外文期刊] 2003(10) 15.魏文博;尹应增;郭景丽 小型化微带缝隙可重构天线[期刊论文]-西安电子科技大学学报(自然科学版) 2007(04)

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