一種新的GPS雙頻微帶天線

崔嶺芝， 史美霞， 劉 輝， 孫緒保

(山東科技大學 電子通信與物理學院， 山東 青島 266590)

一種新的GPS雙頻微帶天線

崔嶺芝， 史美霞， 劉 輝， 孫緒保

(山東科技大學 電子通信與物理學院， 山東 青島 266590)

通過在貼片上開等長度的十字縫隙的方式，設計了一種小型化的GPS雙頻微帶天線。仿真結果表明，天線長和寬較開縫前分別減小了28.9%和35.4%，且在1.227 GHz和1.575 GHz兩個頻段點處，回波損耗分別達到了-23.2 dB和-15 dB。天線輻射性能良好，結構簡單易于實現。

雙頻； 微帶天線； 饋電

0 引言

精確定位導航技術因其快速精確、廣域覆蓋和通信容量大等一系列優點,被廣泛地應用于軍事、民用等領域。全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)，指所有覆蓋全球或者區域性的衛星導航系統，主要包括美國的GPS系統，俄羅斯的GLONASS系統，中國的北斗系統和其他定位系統。其中，以GPS系統技術最為成熟，應用最為廣泛。GPS衛星信號分為L1和L2，頻率分別為1.228 GHz和1.575 GHz。為了滿足通信多系統收發共用的要求，人們研究了多種應用于衛星導航的雙頻微帶天線[2]。文獻[3]設計的四貼片層疊天線在多個頻點上具有較好的阻抗匹配，文獻[4]給出了一種基于寬帶饋電結構的多饋電點天線，但天線結構均較為復雜。本文中通過在單一貼片開十字型縫的方式，設計了一個減小尺寸的雙頻微帶天線。

1 設計及原理

1.1 饋電位置的選擇

如圖1所示，使得微帶天線工作于兩個頻率點處最常用的方式就是利用矩形貼片兩個正交方向低階諧振模式工作[3]，即分別選擇TM01、TM10兩個模式，使得微帶天線的長和寬分別對應微帶天線的兩個頻率1.228 GHz和1.575 GHz,以實現同一天線工作在兩個波段的目的。饋電位置最終選取為L1=5.08 mm，W1=4.01 mm。

1.2 天線設計及尺寸

如圖2，本設計通過在微帶天線貼片上開十字縫隙的方式實現微型化。具體原理：貼片開縫可以切斷原來的表面電流路徑，使得電流繞槽邊曲折流過而使得路徑變長[6]。由于槽很窄，可以將其模擬為在貼片上插入一個極薄的橫向磁壁。這種方式可以保證在較小的尺寸下實現較大的電流路徑長度，而選取相同長度的十字縫隙是為了實際制作工藝簡單。

本文選取聚乙烯(εr=2.25)作為介質材料。通過計算與仿真獲取優化參數：L=68.1 mm，W=51.41 mm，L2=15.45 mm，W2=2.4 mm，h=1.5 mm。開縫前天線參數：L=95.9 mm，W=79.6 mm，長和寬分別減小了28.9%和35.4%。

2 仿真結果與分析

通過多次調整實驗得到GPS雙頻段的兩個頻率：f1=1.228 GHz，f2=1.575 GHz。如圖3和圖4，在1.228 GHz和1.575 GHz處都較好的與50 Ω匹配，回波損耗分別達到了-23.2 dB和-15 dB。-10 dB帶寬分別為32 MHz和35 MHz。

圖5和圖6分別為天線在f2=1.575 GHz處的方向圖(φ1=0°，φ2=90°)和3D增益圖。可以看出，在f2處半功率輻射寬度為96°，天線在上半空間輻射近乎全向。在f1處的方向圖和3D增益圖與f2相似，本文沒有給出。

3 結論

本文設計了一種新的GPS雙頻微帶天線，通過在貼片上開槽的方式實現了天線尺寸的減小

(長和寬分別減小了28.9%和35.4%)。在L1和L2兩個頻段處-10 dB帶寬分別為32 MHz和35 MHz，實現較好阻抗匹配。

[1] 張曉燕，王國皓，劉志偉. 一種新型智能手機的平面小型GPS天線的仿真研究[J].井岡山大學學報(自然科學版),2014,35(3)：55-58.

[2] Ali Foudazi, Hamid Reza Hassani, Sajad Mohammad ali Nezhad. Small UWB Planar Monopole Antenna with Added GPS/GSM/WLAN Bands[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60(6):2987-2992.

[3] Li J, Shi H, Li H. Quad-band Probe-fed Stacked Annular Patch Antenna for GNSS Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014,(13): 372-375.

[4] Fu S, Kong Q, Fang S. Broadband Circularly Polarized Microstrip Antenna with Coplanar Parasiticet Ring Slot Patch for L-band Satellite System Application[J]. IEEE Transactions on Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014,(13): 943-946.

[5] 鐘順時. 微帶天線理論與應用[M]. 西安:西安電子科技大學出版社， 1991：165-168.

[6] Chen M, Chen C C. A Compact Dual-band GPS Antenna Transactions on Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013，(10)：245-248.

A New GPS Dual-frequency Microstrip Antenna

CUILing-zhi,SHIMei-xia,LIUHui,SUNXu-bao

(College of Electronics, Communication and Physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590, China)

A miniaturized GPS dual-frequency microstrip antenna is designed by providing a cross-shaped slot of equal length on the patch. The simulation results show that the antenna length and width are decreased by 28.9% and 35.4% respectively than before, and the return loss reaches -23.2 dB and -15 dB at 1.227 GHz and 1.575 GHz. Moreover, the antenna has well unitary radiation and simple configuration.

dual-frequency; microstrip antenna; feed

1671-0576(2017)01-0052-03

2016-11-10

山東省自然科學基金會項目資助，項目編號ZR2013FM018。

崔嶺芝(1994-)，女，在讀碩士，主要從事微波與天線技術研究。

TN822.8

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