一种新型的低成本小型化GPS天线.doc

第1部分 微带天线与印刷天线一种新型的低成本小型化GPS天线郭 榕（西安市唐延南路10号中兴通讯西安研发中心E4-12，西安 710065）摘 要：本文设计了一种用于通信、导航、定位等领域的小型化、低成本的实用型全球定位系统（GPS，Global Position System）天线。本文提出的耦合馈电很好解决了环天线带来的阻抗失配问题，在实现小型化的同时，提高了天线的带宽。并通过在环形天线上开倒T型槽来实现天线的圆极化特性，改变了传统实现微带圆极化的方法，提高了天线批量生产时的一致性。通过选用低介电常数的材料，相比通用陶瓷基片的天线，由于结构的创新，在减小天线体积的情况下，降低了成本，改善了耐温度差和易碎等不良特性。关键词：小型化，GPS，低介电常数A New Compact GPS Antenna with Low CostGuo Rong(ZTE Corporation R&D center (Xian) 10# South Tangyan Road, Xian Hi-tech Industries Develepment Zone, Co.zte, Xian 710065)Abstract: A Global Position System antenna is developed in this paper with little size and low cost.A new coupled feeding line is used to enhance the impedence character, increase the band width and miniaturize the size. Compared with the conventional method，The circular polarization is achieved by the inversed T-shape slot on the patch loop，and the coherence of batch production is improved. Low delectric material is chosen to fabricate the prototype instead of the ceremic substarte, the size and the cost were decreased by using novel structre, and the fragile character is modified. Keywords: little size、GPS、low r111 引言在全球产业对于电子产品要求其“轻、薄、短、小”等发展趋势下，使得GPS系统小型化成为一种趋势，而GPS天线的尺寸也成为GPS系统小型化设计的瓶颈问题。现有的GPS天线大多采用陶瓷基片天线或螺旋天线1。其中，陶瓷基片天线因其在辐射元的正交面上有最大增益，即在水平面上的辐射元对从天顶发来的讯号具有最大增益，因此，陶瓷基片天线广泛适用于主要朝上方的终端产品中，例如运用在车载导航设备中。由于陶瓷基片其介电常数高，利用陶瓷基片作为介质的天线体积较小，故GPS天线广泛采用陶瓷基片设计。但是，目前市场上现有的结构的陶瓷基片GPS天线存在以下缺点而限制了其在工程中的实用性和应用范围：1. 陶瓷基片GPS天线现有结构限制了其尺寸的进一步小型化；2. 介质厚度大、易碎、重量大；3. 不耐高温，加工成本偏高；4. 由于介质具有较高的介电常数，导致加工时天线的一致性不高，影响批量生产成品率，提高了制造成本。2 GPS天线的分析和新的设计2.1 天线结构本设计的目的是为了解决现行的陶瓷基片GPS天线易碎，温度效应差，介电常数高，一致性不好及价格偏高，不易集成等缺点，提出了一种基于印制板技术的GPS天线，它在保证其他电性能不变的前提下，可以减小天线的重量和厚度等，降低天线的加工难度和加工成本。实现如下：按照变型微带的方法来设计GPS天线，为了解决普通微带天线尺寸大的问题，把微带环天线的结构用于GPS设计，并通过中间方形贴片的耦合馈电解决环天线所带来的阻抗失配问题。该天线包括1-介质层，2-环形天线，3-倒T型槽，4-耦合馈电贴片，5-金属地板和6-金属地板。如图1所示，构造一种GPS天线，包括介质层1，设置在该介质层第一表面的天线地板5和设置在该介质层第一表面相对的第二表面的天线贴片和馈电点6，其特征在于，所述天线贴片包括沿所述介质层第二表面周边环形布置的环形天线2和在该环形天线内部并临近该环形天线一侧间隔设置的耦合馈电贴片4，所述馈电点设置在该耦合馈电贴片上; 在所述环形天线临近所述耦合馈电贴片部分中部设置一个T形槽3，该T形槽的脚与该环形天线的内边缘连通，该T形槽的上横边与该环形天线的内边缘平行。天线中提出的耦合馈电很好解决了环天线带来的阻抗失配问题，在实现小型化的同时，提高了天线的阻抗特性，并通过在环形天线上开倒T型槽来实现天线的圆极化特性，改变了通常采用的切角来实现微带圆极化的方法，提高了天线批量生产时的一致性。通过选用低介电常数的材料，相比通用陶瓷基片的天线，由于结构的创新，在减小天线体积的情况下，降低了成本，改善了耐温度和易碎等不良特性，提高了批量生产的一致性。图1 新设计的GPS天线结构图2.2 天线性能比较本设计的GPS天线，与现有技术比较，其有益效果是：1. 天线结构进一步小型化。如采用陶瓷基片时，本设计的GPS天线尺寸可做到17mm17mm4mm，与普通陶瓷基片GPS天线尺寸25mm25mm4mm比较（图2所示），其面积仅为普通陶瓷基片GPS天线的46.2%；而采用r =2.65的低介电常数介质时，本设计的GPS天线尺寸可做到40mm40mm1mm，与普通r =2.65介质GPS天线尺寸58mm58mm 1mm比较，其面积仅为普通r =2.65介质GPS天线的47.6%；图2 传统陶瓷GPS天线如下表1所示：表1介质本设计GPS天线传统GPS天线面积比陶瓷17 x 17 x 4mm25 x 25 x 4mm46.2%r =2.65介质40 x 40 x 1mm58 x 58 x 1mm47.6%2. 本设计的GPS天线采用低介电常数介质后，温度效应好、不易碎，解决了常用的GPS天线温度效应差，易碎等缺点；3. 本设计的GPS天线采用低介电常数的普通印制板，在降低成本和加工难度的同时，提高了天线批量加工的一致性；4. 本设计的GPS天线解决了陶瓷基片GPS天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与GPS接收链路一体化设计。2.3 天线实测结果本设计天线频带内的增益用比较法测量的数据见表2。表2中的标准天线为标准圆极化螺旋天线，待测天线为GPS天线。表2频率（MHz）待测天线接收电平（dB）标准天线接收电平（dB）标准天线增益（dB）待测天线增益（dB）1575-30.0-24.010.04.0GPS天线的电性能可通过如下的测试曲线和实测方向图给以反映：图3 实测新型GPS天线频带内驻波和 1575MHz频点的H面方向图频带内电压驻波比测试结果表明，天线在1575MHz频带内电压驻波比均小于1.5。天线在1575MHz频点的辐射方向图测试结果表明，天线在频带内满足了方向图覆盖要求。3 与传统GPS天线优点比较本设计与现有技术相比具有如下的优点：1. 天线结构上实现了小型化，体积为：长宽高=40mm40mm1mm。由于采用环天线技术，使电流沿环路分布，这就形成了一种慢波辐射结构，就可以在更小的尺寸内使频率谐振，使其驻波和辐射特性达到较佳水平。且由于微带结构本身所具有的低剖面特性，使得其体积可以做到很小。且采用了矩形贴片耦合馈电的方式，解决了环天线阻抗匹配差，匹配网络效率低的特点。2. 天线解决了常用的GPS天线温度效应差，易碎等缺点。由于常用的陶瓷GPS天线受到本身材料性能的约束，其结构本身非常易碎，且在高温焊接的时候，由于受热不均匀，极容易裂开。当采用印刷电路板制作时，由于材料本身耐高温，不易碎，强度大，这就大大改善了天线的结构性能参数。3. 天线采用低介电常数的普通印制板，在降低成本和加工难度的同时，提高了天线批量加工的一致性。陶瓷材料介电常数高，加工工艺复杂，所以会产生一致性不好的缺点。由于介电常数高，其谐振频率对尺寸相当敏感，调试时很小的误差就可能产生较大的偏移，这给实际生产提出了很高的容差要求。当改变其结构，使用较低的介电常数也能减小GPS天线的体积，这就改变了高介电常数材料的不足，提高了产品的一致性。且由于采用低介电常数的材料，成本大大降低。4. 天线解决了陶瓷基片GPS天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与GPS接收链路一体化设计。由于和电路板的加工工艺一样，同样是基于PCB印制板技术，当采用多层微带结构时，就很容易做到与电路板一体化设计，设计难度小，集成度高，成本低，便于批量生产。5. 天线达到了如下指标：频率范围：1.575GHz； 电压驻波比：1.5；增益：4dB； 极化方式：右旋圆极化；轴比：1.5； 重量：10克。由于本设计具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。4 结论本文所设计的GPS天线在保证其他电性能不变的前提下，减小了天线的体积和重量，降低天线的加工难度和加工成本。它可应用于通信、探测、定位、制导等领域。所提出的小型化技术和阻抗匹配技术可推广应用于其他频段天线的设计中。参 考 文 献1杨小丽, 朱守正, 章晓卿. 两种用于GPS系统的天线性能比较会议2005全国微波毫米波会议论文集 2006年一种新型微带阵列天线王永华 （西安电子工程研究所, 西安 710100）摘 要：通过对微带驻波阵天线的分析研究，提出了一种新型微带驻波阵列天线。用Ansoft HFSS仿真软件设计了一个166毫米波段低副瓣平面阵列微带驻波阵天线。已运用在工程项目，其实测E面和H面副瓣均低于-20dB。关键词：驻波阵，天线，低副瓣A New Kind of The Microstrip Antenna Array Wang yong hua(Xian Electronic Engineering Research Institute，Xian 710100)Abstrac：A novel microstrip standing wave antenna array is proposed. A 166 low side lobe millimeter wave band microsrip antenna array is designed using Ansoft HFSS. The array has already been applied in the practical engineering，and both its measured E-plane and H-plane side lobe are below 20dB.Keyword：Standing wave array; Antenna; Low side lobe1 引言微带天线的馈电网络一般分为并馈和串馈两种形式。并馈网络一般是由多级简单型的一分二功分器组成，传输线比较长，在毫米波段，微带传输线的传输损耗比较大，而且功分网络的切角，拐弯等不规则的点比较多，这些不规则点都会产生一定量的辐射，干涉天线的方向图，使得天线副瓣升高。而串馈网络，传输线比较短，不规则点少，更容易减少传输损耗和降低馈线辐射对天线方向图的影响。串馈天线一般分两种，第一种是在天线单元阻抗上进行变换1，以得到低副瓣方向图需要的电流分布，第二种是在传输线上进行变换2，以得到低副瓣方向图需要的电流分布。第一种方法，单元数量多时，阻抗变换线太细，不能保证加工精度。第二种方法，微带线比较粗一点，加工容易，精度易保证。2 新型微带天线的设计由于需要实现低副瓣，本天线采用串馈天线的第二种设计方法。文献2中作者提出了一种角馈微带驻波阵天线设计方法，它是按理想无耗条件计算功分器各级支路尺寸；不同特性阻抗的微带线介质波长是不同的，由此带来功分器各支路电流相位误差，电流幅度误差等因素影响下，在仿真设计时天线副瓣一般达不到设计要求，需要不断调试。由于这种方法得不到电流幅度和相位分布的具体数据，这就需要大量的仿真调试，耗费大量时间，造成了资源浪费。为此本文提出了一种新型微带驻波功分器与微带侧馈天线单元相结合的天线阵列设计方法。本方法的优点是：微带功分器和天线单元可以分开设计，得到了功分器电流幅度和相位分布具体数据，简化了设计方案，降低了仿真时的调试难度，减少了设计时间，功分器输出电流幅度、相位实现了更为准确的控制，顺利实现了天线低副瓣设计要求。根据天线所需电流幅度分布，依据文献2计算公式可以方便的计算出所需功分器初始尺寸数据，在仿真设计中修正后得到天线的实际尺寸。2.1 单元设计用hfss仿真设计微带侧馈单元。微带天线通过馈电方向的两个边缘进行辐射，单元阻抗由中到边缘逐渐变大。通过开槽，把馈线伸入天线内部，得到需要的阻抗和良好的匹配。图1为微带辐射单元结构图。 图1 微带辐射单元2.2 功分器设计功分器的设计原理是：两个相邻功分支路间由两级四分之一介质波长阻抗变换段(特性阻抗值第一节为ZC1，第二节为ZC2)和一段二分之一介质波长主传输线(特性阻抗值为ZC)组成。调节这两段四分之一变换段的特性阻抗值ZC1与ZC2之比，就可以调节两个功分支路输出口的电流值之比，依次类推，很方便得到天线低副瓣需要的电流分布。如图2所示为：一个微带驻波功分器基本结构。如图3所示为：一个8支路微带驻波功分器。图2 基本结构图3 8支路驻波功分器这种功分网络是一种串并联网络。图2所示第一节变换段及其以后所有部分与功分支路1的关系是并联电路；从第一节变换段到功分支路2之间这部分电路与功分支路2关系是串联电路。具体计算公式参考文献2。依据上述设计方法，设计了一个166毫米波段微带天线，天线结构如图4所示。图4 天线结构3 测试结果3.1 驻波系数该166微带天线驻波实测结果偏高频，经调试得到了满意结果，实测结果如图5所示。分析原因如下：介质介电常数误差，加工精度误差，由于工作频率高，虽然误差不大，但天线驻波产生了向高频偏移。图5 天线驻波测试结果3.2 中心频点方向图该166微带天线中心频点E面和H面天线实测方向图，结果如图6所示，天线副瓣都在-20dB以下，达到了设计要求。篇幅限制，别的频点方向图就不一一附图。在设计要求频率范围，166微带天线方向图都满足了设计要求，达到了-20dB以下。图6 中心频点方向图测试结果4 结论本天线很好的满足了设计要求，实现了低副瓣，设计仿真调试难度小，可以在微带低副瓣天线项目中得到应用。参 考 文 献1付原. 谐振式微带多路功分器. 内部交流文章2刘豫晋，陈春红. 微带低旁瓣和后瓣天线设计. 测控技术与设备 vol.29 No.10 20033钟顺时. 微带天线理论与应用. 西安电子科技大学出版社，1991具有蓝牙功能的三频单极子手机天线仿真分析刘刚1 龚书喜1 史辉2(西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室,西安 710013) 1 (91917部队 修理所，北京 102401)2摘 要：初步讨论了一种三频单极子内置手机天线的设计方法，并设计了一种小型化具有蓝牙功能的三频手机天线(GSM900M/DCS1800M/Bluetooth)，天线利用空间折叠方法在较小空间内实现了较大的电尺寸（天线主体尺寸为20mm10mm5mm），天线结构简单、设计方便，实用性强。关键词：三频，单极子，小型，蓝牙，手机内置天线Simulation analysis of A tri-band monopole phone antenna with Bluetooth FunctionLiu Gang 1 Gong ShuXi Shi Hui2(National key laboratory of antennas and Microwave Technology Xidian University ,XiAn710013) 1(91917Army of PLA., euipment-repairing institution, BeiJing1024010)2Abstract: In this paper, A novel minitype tri-band monopole antenna with Bluetooth Function which is used inside the handset is proposed and analyzed. The propose antenna covers GSM900M, DCS1800M and Bluetooth. A larger dimension in wavelength is implemented in a small area by bending the antenna in three-dimensional space.The antenna is simple structure and convenient in designe. It can be a promising inside antenna for handsets.Keywords: tri-bands; monopole ; minitype; Bluetooth；inside antenna for handset1 引言随着现代通信的发展和IEEE 802. 11b/ g (2.4 GHz2.48 GHz) 标准的提出,蓝牙通信技术得到了迅猛的发展。现在，除手机外，许多电子厂商在多种产品中都集成了蓝牙功能，如笔记本、MP3，甚至电视机等等，且由于蓝牙通信协议的统一标准，它们都能与蓝牙手机进行无障碍实时通信，蓝牙通信平台已经日渐壮大，因此蓝牙已经是现代手机不可或缺的主要功能之一。伴随着手机小型化的发展，具有蓝牙通信频段的小型化内置手机天线也必将得到广泛应用。本文利用单极子天线可折叠、宽带宽、H面全向等优点，利用DESIGNER软件防真，设计了一款具有三个工作频带的小型化单极子手机内置天线。天线的工作频率完全覆盖了GSM900M（890MHz915MHz），DCS1800M（1.71GHz1.88GHz），Bluetooth（2.4 GHz 2.48 GHz）的所有频率。而且，由于采用空间折叠的方法，天线尺寸得到了有效的减小，天线主体尺寸仅为20mm10mm5mm，非常适用于小型化内置手机天线。2 天线设计对于内置天线来说，手机电路板对天线谐振频率的影响是不可忽略的。因此手机内置天线的设计必须考虑电路板存在的影响。这里使用接地的RF4基带板来模拟手机电路板，电路板的设计尺寸为90mm45mm，基版背面的接地板尺寸为76mm45mm，天线位于电路板的右上方，具体位置如图1所示。图2为天线主体部分结构示意图。在仿真中，天线通过背面同轴接头实现馈电，实际中也可以从电路板上的微带接头处直接馈电。图1 手机基版及天线位置示意图(a) 右侧面(b) 左侧面图2 天线结构示意图单极子天线设计中，首先要确定天线贴片最大电尺寸，保持在最低工作频率的四分之一波长附近。之后，将天线在一定空间上进行折叠，一般单极子贴片天线都会出现两个谐振频率：二分之一波长谐振和四分之一波长谐振。然后，在折叠天线上添加另一个四分之一波长谐振枝节，实现第3个谐振频率。加入此枝节后，会令第一谐振频率向低频移动，适当减小贴片长度使第一个谐和第三个谐振频率固定在所需要频率处，这里设计频率为0.9GHz和2.45GHz。天线的第一谐振频率为四分之一波长谐振，第二个谐振频率因折叠方式的不同而发生变化，一般为四周折叠的尺寸比例越大频点越高。而当此谐振点大于所需频率时可在侧面加枝节来拉低谐振频率，如图2所示枝节B即为调节第二谐振频率的匹配枝节。这里所设计的天线在侧面无枝节时两个谐振频率分别为0.9GHz和1.97GHz，在左侧面加枝节B后可将第二谐振点调节至1.8GHz。调节枝节B的位置、尺寸都会对第二谐振频率产生影响，枝节越宽、越长谐振频率越低。图3给出了枝节为不同长度时（3.2mm宽）天线的驻波比参数。图4给出了枝节为不同宽度时（5mm长）天线的驻波比参数。图3 调整枝节长度对中间频段的影响图4 调整枝节宽度对中间频段的影响从图中可看到，当枝节宽度W由窄到宽变化时，第二谐振频率由高到低依次变化，第一与第三个谐振频率变化很小。而枝节宽度取适当值时，长度由0到5mm变化过程中，第二谐振频率是从1.97GHz至1.8GHz逐渐降低的（L=0mm表示无枝节）。而且，在调节B枝节长度来调整节第二个谐振点时对第一谐振频率影响很小，虽然对天线设计的2.4GHz频率有一定的影响，但频率偏移较小，且蓝牙工作频带都在VSWR2.5内，也可以忽略。这里就可以根据所需天线工作频率，来确定B枝节长度和宽度，由于所设计的天线需要工作于DCS1800M频段，所以可以选择枝节长为5mm、宽3.2mm。天线包含有两个谐振枝节。最长的天线枝节对应于GSM900M的四分之一波长，枝节处产生双模谐振即四分之一波长谐振模式和二分之一波长谐振模式，分别对应于GSM900M、DCS1800M，A枝节形成第三个谐振频率Bluetooth，从而得到三频段天线。天线谐振时的电流分布如图4所示，从图中可以清楚地看到天线的工作原理。（a）0.9GHz电流图(b) 1.8GHz电流图(c) 2.4GHz电流图图4 谐振电流分布图3 天线性能分析该天线为单极子天线，利用空间弯折线来充分利用空间来实现小型化。天线折叠在置于电路板右上方的介电常数为4.4的FR4立方体介质四周。空间折叠用多枝节谐振和多模谐振来实现所需三频段。天线C处贴片宽度为4.0mm，A枝节宽度为1.5mm，B枝节宽度为3.2mm，除此之外帖片宽度均为2.0mm，天线主体部分具体尺寸分别如图2（a）和（b）所示。天线三个频段(VSWR2.