一種單頻抗多路徑效應的GPS圓極化微帶天線

張亞莉, 孫緒保, 劉樹國

（山東科技大學通信工程系,山東 青島 266590）

一種單頻抗多路徑效應的GPS圓極化微帶天線

張亞莉, 孫緒保, 劉樹國

（山東科技大學通信工程系,山東 青島 266590）

提出了一種單頻抗多路徑的GPS（Global Position System）圓極化微帶天線。通過貼片開槽技術,實現了天線小型化；加載優化的3D扼流圈,則可有效地消除或削弱多路徑效應和電磁干擾。采用Ansoft公司的HFSS軟件進行3D建模仿真分析,給出了回波損耗S11曲線、軸比曲線和輻射方向圖。天線在工作頻點獲得了較寬的阻抗帶寬,實現了抗多徑的效果。

圓極化；小型化；多路徑

0 引言

在無線通信系統中,由于無線通信的發展需要,特別是隨著GPS系統越來越多的在民用移動設施中的應用,GPS就是通過接收衛星信號,進行定位測量或者導航的終端。GPS衛星信號為頻率分別為L1（1 575.42 M Hz）和L2（1 228 MHz）,其中L1為開放民用圓極化信號。GPS信號從高空通過電離層和對流層到達地面時,包括直接從GPS衛星到達用戶接收天線的直接波以及經過反射和散射而到達用戶接收天線的間接波,GPS信號接收機所接收的GPS信號是直接波和間接波的合成波[1],這些特點決定了要為GPS信號的接收準備專用天線。本文研究GPS微帶貼片天線,為了滿足當前各種便攜式、多功能接收機的需求,主要討論了多路徑效應對天線接收信號的影響,采用扼流圈可消除或削弱多路徑效應的影響,做了三方面的改進：

采用優化設計的3D扼流圈,用于消除或削弱多路徑效應；使用了較高的介電常數為10的介質基板,減小天線的體積；運用貼片開槽技術,在貼片上開4個半圓形凹槽,有效地減小了天線的面積。

1 天線的原理和結構

如圖1所示,天線結構由四部分組成,開槽貼片、介質基板、接地板（GND）、扼流圈。

圖1 地面反射波波

方形貼片采用Global材料,其高度H= 5 mm；介質基板采用介電常數為10,厚度為h= 5 mm的材料；基于空腔模型理論,利用簡并模分離元產生正交極化簡并模,引入幾何微擾[2],實現了天線的圓極化；采用開槽技術,在貼片上開4個半圓形凹槽延長電流路徑,實現天線小型化,如圖2所示。

圖2 貼片結構

當衛星信號經多條傳播路徑到達接收天線時,就會產生多路徑效應。多路徑效應會對信號的幅度、相位和傳播距離產生影響,并會降低接收信噪比[3]。多徑信號主要是由地面反射和天線周圍導體的反射引起,在GPS多徑信號中以地面反射波為主,圖1以地面反射為例來說明,這些信號主要集中在天線的低仰角或負仰角。對于一般GPS用戶而言,衛星直射信號多從天線上方,以高仰角方向到達天線,從天線的主瓣上入射,而由地面反射的多路徑干擾主要從天線的下方或低仰角處衛星信號的增益相對較低的旁瓣入射,不能把多徑信號有效的抑制。加載扼流圈的抗多路徑天線能夠抑制表面波輻射,從而進一步改善天線的增益方向性能。根據傳輸線理論,諧振腔的長度至少是四分之一波長,則扼流圈的深度也應該是四分之一波長,所以當凹槽深度稍大于觀測信號的1/4波長時[4],可阻止反射信號在其表面的傳播,扼流圈的凹槽對高仰角的直射信號沒有影響,但對來自天線平面下方的反射信號有很好的抑制作用,可以明顯改善接收機的抗干擾能力,可以有效削弱多路徑效應的影響。

如圖2所示,天線通過貼片背面饋電點B饋電,放置在x軸上,天線的諧振頻率由貼片的大小決定：

式中：c為自由空間的光速；L=28 mm為微帶天線貼片的實際長度；ΔL為由邊緣效應引起的一側延伸長度；εe為等效介電常數。其中：

式中：λ0為電磁波波長；λg為等效電磁波波長。

式中：c為真空中的光速；f為頻率；εr為基底的相對介電常數。通過該公式可以看出如果增加εr的值,在其它參數不變的情況下就可以減少電磁波在介質中的波長。如果以貼片微帶線為例,在特定頻率下,εr增加4倍則波長可以減少1/2,也就是在特定頻率下天線的尺寸縮減了一半。所以本文中采用微帶介質基板εr=10,從而減小了天線的尺寸。

式中：w為天線貼片的寬度（w=L）；h為介質層的厚度,要求w＜（c/2fr）[（εr+1）/2；c為光速；εr表示介質的相對介電常數。

扼流圈的加載,多徑信號是影響接收機測量精度的主要誤差源之一,解決上述問題的一般方法是天線安裝在扼流圈結構上,可有效抑制從后向進入的多徑信號,則增加了3D扼流圈,如圖3所示。

圖3 3D扼流圈的平面圖

對扼流圈的槽深（H1,H2,H3,H4）做了多次優化處理,通過優化可以大大減小槽寬,從而減小了天線的尺寸和重量。本次根據天線抗多徑的要求,在不犧牲低仰角增益的前提下盡可能地提高多徑抑制能力,使用表面阻抗模型分析扼流圈的邊界條件,對扼流圈的參數變化對天線性能的影響進行了仿真分析,獲得了其結構尺寸的選取原則,不斷優化,制作了三維扼流圈結構。采用4個不同深度圓環形凹槽,槽深H1=H2=50 mm, H3=30 mm,H4=10 mm。

2 天線的仿真

通過Ansoft HFSS建立如圖4所示的天線模型,經過了仿真分析和優化處理,并使用50Ω的同軸線進行饋電。仿真結果如圖4所示。

圖4 天線的結構示意圖

圖5是天線信號端口回波損耗（即S11）的掃頻分析結果,并給出天線的諧振頻率1.5 752 GHz,天線在1.5 752 GHz的回波損耗達到-21 d B,有效帶寬70 M（1 540 M Hz～1 610 M Hz）,可以滿足GPS天線的使用要求。

圖5 天線的回波損耗

本文給出了f=1.575 GHz時,天線波束角內軸比曲線和天線軸比值隨θ角變化曲線。由圖6所示,天線在1.575 GHz時,查看最大輻射方向（φ=0°和φ=90°）上軸比隨θ角的變化關系,從θ=-120°～120°均在3 dB以下,可以較好地抑制干擾,提高接收信號能力。

圖7是天線的圓極化方向圖,分別取正交面的φ=0°和φ=90°,從圖看出,右旋極化的前后輻射比較理想,在1.575 GHz時天線的左旋極化前后輻射比較差一些,天線向后輻射的能量也變小一些。

圖6 f=1.575 GHz時的軸比

圖7 天線的圓極化方向

從整體上看,該頻點均獲得較大的前后比。前后比能夠間接反映天線的多徑抑制能力,若多徑從后區進入,前后比越大的天線對多徑的抑制能力越好。由此可以看出,加載扼流圈后提高了天線抗多徑能力。加載扼流圈后,天線接近于半球狀RHCP模式；天線方向圖增益設計能衰減低仰角的輸入信號以及反射體方向上的輸入信號；天線具有較小的后瓣波束。圖8為天線的總增益方向圖,顯示了較好的全向性。圖9天線的三維增益方向圖。

3 結論

圖8 天線的總增益方向圖

圖9 三維增益方向圖

本文設計了單頻抗多路徑效應GPS圓極化微帶天線,并進行了仿真,在貼片上開槽,有效地減少了天線的面積,在天線的小型化和扼流圈加載方面都做了進一步的優化。通過分析,說明扼流圈結構對天線性能的影響,尤其在抗多路徑效應方面得到了提高,改善了天線的增益方向性能,經過仿真分析天線的各項參數均滿足GPS接收機的性能要求,為設計抗多路徑效應天線提供了一種參考方案。

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A Single Frequency GPS Circular Polarization Microstrip Antenna for Anti-multipath Effect

ZHANG Ya-li, SUN Xu-bao, LIU shu-guo
（Department of Communication engineering,SUST,Qingdao Shandong 266590,China）

A single frequency GPS（Global Position System）circular polarization microstrip antenna for anti-multipath is presented.The proposed antenna achieves the miniaturization,through the patch-slotted technology of antenna.The use of 3D-choke can effectively eliminate or weaken the multi-path effects and electromagnetic interference.The paper describes the implementation of 3D modeling and electromagnetic（EM）field simulation analysis by utilizing software HFSS.The curves give echo loss S11curve,axial ratio curve and radiate direction pattern of the antenna.The results show that the good impedance bandwidth is gained at the working frequency and anti-multipath effect is realized.

circular polarization；miniaturization；multipath

TN820

A

1671-0576（2014）02-0048-04

2014-04-10

張亞莉（1988-）,女,碩士研究生,主要從事微帶天線的研究。