一種小型化SMD導航天線

馮子義 唐斯意 祝紅嫣 曹良足

摘 要：為了實現微帶天線小型化、集成化，設計了一種用于全球導航、定位系統（GPS）的小型、低成本實用型貼片天線。本文提出的貼片式耦合饋電很好的實現了天線的圓極化輻射模式，在實現小型化的同時，提高了天線的阻抗帶寬，并通過在微帶貼片上開T型槽來實現天線的圓極化特性，改變了傳統的開倒角的方法，通過選用介電常數為130的陶瓷介質材料，相比高介電常數的陶瓷材料，由于饋電方式的改變和實現極化方式的創新，在減少天線體積的條件下，降低了成本，提高了電性能的穩定性和批量生產的一致性。

關鍵詞：微帶天線；小型化；貼片安裝元件；GPS；圓極化

隨著現代通信手段和全球定位系統的發展。現在，除手機外，許多電子廠商在多種智能終端產品中都集成了導航定位功能，且導航定位功能已經是許多現代通信不可或缺的主要功能之一。伴隨著智能終端小型化的快速發展，具有導航定位功能的小型化內置GPS天線也必將得到廣泛應用。

現有衛星導航系統中的天線通常是以圓極化方式工作，常見的圓極化天線形式有：四臂螺旋天線、微帶天線、交叉對稱陣子天線、共面波導圓極化天線、超材料加載圓極化天線。其中，陶瓷基片天線因其在輻射元的正交面上具有最大增益，即在水平面上的輻射元對從天頂發來的訊號具有最大增益，因此，陶瓷基片天線廣泛適用于主要朝正上方的終端產品中，例如運用在車載導航設備中。由于陶瓷基片其介電常數高，利用陶瓷基片作為介質的天線體積較小，故GPS天線廣泛采用陶瓷基片設計，且多為探針式饋電。

小尺寸導航天線對介質材料的要求較高，目前國內在小尺寸GPS陶瓷微帶天線最小的尺寸可以做到8×8×4mm.3，所采用的陶瓷材料為高介電容性材料，介電常數為250左右，溫度系數較差（>500ppm/℃），且饋電方式為探針式饋電，天線整體厚度對終端客戶影響較大，另外，高介電常數介質基片極易激勵出表面波，表面損耗增大，使天線增益減小，效率降低，同時高介電常數基片會使批量生產的一致性較難控制。

本設計是為了解決現行的小尺寸陶瓷基體GPS天線溫度穩定性差，介電常數高，一致性不好及價格偏高，批量加工難度大，不易集成等缺點，提出了一種小型化貼片GPS天線，它在保證其他電性能不下降且部分性能有所改善的前提下，減小天線的重量和體積，降低天線的成本且便于終端集成。

天線設計為SMD封裝，采用耦合饋電，天線整體厚度減小，帶寬增加，增益與12×12×4mm.3探針式饋電天線相當，選用介電常數130，溫度系數小于20ppm/℃的介質材料制作陶瓷基體，具有實用價值，電極加工采用激光蝕刻，可提高批量生產的一致性。

1 天線設計

饋電采用微帶耦合的方法進行設計，對于內置天線來說，終端電路主板對天線諧振頻率的影響是不可忽略的。因此GPS導航內置天線的設計必須考慮電路板的影響。這里使用接地的銅板來模擬實際電路板，電路板的設計尺寸為50mm×50mm，天線在電路板上幾何中心，具體位置如圖1所示。圖2為天線主體部分結構示意圖。在仿真設計和批量測試中，天線通過銅板背面同軸接頭實現饋電，實際中可通過電路板上的微帶線直接饋電。在微帶貼片天線設計中，首先要確定貼片最大電極尺寸（L），保持在工作頻率的二分之一波長附近，

式中Le為有效長度，εe為有效相對介電常數，f0為天線的工作頻率，c為光速。

根據介電常數和工作頻率計算得出最大貼片尺寸略微超出陶瓷基本的尺寸（8×8mm2），所以增加側面電極以降低諧振頻率。這里的設計頻率為1.575GHz。

天線中提出的耦合饋電在實現小型化的同時，提高了天線的阻抗特性，并通過在輻射貼片上開T型槽來實現天線的圓極化特性，改變了通常采用的切角來實現微帶圓極化的方法，提高了天線批量生產時電性能的一致性。通過選用溫度系數更好的較高介電常數（εr=130）的材料，相比高介電常數（εr=250）陶瓷基片的天線，由于結構的創新，在減小天線體積的情況下，降低了成本，改善了溫度系數和阻抗特性，提高了批量生產的一致性。

2 天線電性能分析

本文利用耦合饋電原理，利用HFSS軟件仿真設計了一款小型化貼片GPS內置天線。天線的設計工作頻率為：1.575GHz。天線主體尺寸僅為8×8×4mm3，非常適用于小型化內置導航天線。

該天線為微帶貼片天線，利用側面電極來充分利用空間以實現小型化。天線基材選用溫度系數小于20ppm/℃、介電常數為130的陶瓷材料（CaTiO3-（Li1 /2Nd1 /4 Sm1 /4） TiO3）。輻射貼片和側面貼片來實現所需工作頻率，在輻射貼片一邊開T型槽來實現天線的圓極化特性，且T型槽的橫邊和豎邊分別平行于輻射貼片的兩直角邊。用HFSS優化天線的結構尺寸，得到如下結構尺寸：天線輻射貼片寬度為5.7mm，長度為65mm，T型槽寬度為0.5mm，長度和寬度均為2.0mm，側面電極高度為3.0mm，上面添加縫隙調整諧振頻率，輻射貼片和饋電貼片的相對位置調整阻抗。

天線的2D方向圖仿真計算結果如圖4所示。仿真結果顯示：3dB波束寬度大于120度，右旋圓極化特性良好，極化增益約-1.5dBi。

3 天線性能比較

本設計與現有技術相比具有如下的優點：①天線結構上實現了小型化，體積為：長（寬（高=8mm（8mm（4mm。

采用了矩形貼片耦合饋電的方式，提高了阻抗帶寬，采用T型槽實現圓極化性能，由于微帶結構本身所具有的低剖面特性，使其體積可以做小。②天線解決了常用的GPS陶瓷天線溫度效應差的缺點。常用的小型化陶瓷GPS天線介電常數很高，相對介電常數約為260，且在高溫和低溫等特殊環境下電性能參數不穩定。由于介電常數高，其諧振頻率對尺寸相當敏感，調試時很小的誤差就可能產生較大的偏移，這給實際生產提出了很高的容差要求。當改變其結構，使用較低的介電常數也能減小GPS天線的體積，這就改變了高介電常數材料的不足，提高了產品的一致性，同時也降低了材料成本。③天線采用SMD封裝形式，提高了天線批量加工的一致性，同時解決了陶瓷獨塊式天線不易與電路板集成的缺點，利用印制板技術，便于與GPS接收模塊進行一體化設計，便于批量生產。④天線達到了如下指標：頻率范圍：1.575GHz；電壓駐波比：≤2.5；增益：-15dBi；極化方式：右旋圓極化；軸比：≤6；由于本設計具有上述的優點，因此具有廣泛的推廣應用價值。

4 結論

本文所設計的GPS天線在保證其他電性能不變的前提下，減小了天線的體積和重量，降低天線的加工難度和加工成本。它可應用于通信、探測、定位、制導等領域。所提出的小型化技術和阻抗匹配技術可推廣應用于其他頻段天線的設計中。本文提出了一種簡單有效的小型化GPS內置貼片天線，改善了溫度穩定性，增加了阻抗帶寬，減小了天線的體積和重量，降低了天線的加工難度和加工成本，并易集成和批量生產。在導航功能越來越豐富的今天，該天線可以在一定程度上滿足用戶的需求。

參考文獻：

[1]汪琳，北斗圓極化天線[D]，電子科技大學碩士學位論文，2016.

[2]薛睿峰，鐘順時.微帶天線圓極化技術概述與進展[J].電波科學學報，2002，17（4）：331-336.