GPS接收机中微带天线技术研究

1、GPSGPS接收机中接收机中的的微带天线技术微带天线技术研研究究制作小组：杨秀睿（制作小组：杨秀睿（20122107622012210762）、）、刘昊（刘昊（20122107362012210736）班级：班级：0241201专业：电磁场与无线技术专业：电磁场与无线技术 GPS，全称Global Positioning System，即全球卫星定位系统，是一种由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济

2、的发展。GPS是什么？GPS的主要用途及工作原理 目前，GPS技术最常用的用途即为导航，而导航一般又分为自主式导航和非自主式导航两种，其运用领域十分广泛，从军事上从事侦查、巡逻、反潜等工作的飞行器、舰船、卫星导航系统，到我们日常生活中处处可见的手机导航、车载导航。GPS技术的出现，极大地方便了我们的生活、促进了整个信息化世界的发展进程。除此之外GPS还可用于精准距离测量和电子器件的时间校调。 GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。首先，会由卫星向接收机发出一串卫星信号，当接收机接受到卫星发出的信号电文时，会提取出卫

3、星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用收到的信号中的卫星星历数据推算出卫星发射信号时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知，以此，便可实现卫星定位与导航功能。 既然既然GPSGPS系统是利用卫星与接收机之间的信系统是利用卫星与接收机之间的信号传输来进行接收者的坐标定位及距离侦号传输来进行接收者的坐标定位及距离侦测的，那么，对测的，那么，对GPSGPS的接收机部分，我们又的接收机部分，我们又有哪些要求呢？有哪些要求呢？ 简单地说，GPS接收机即为用户接收卫星信号的终端设备。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、

4、 海洋和空间的广大用户，只要拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备， 即GPS信号接收机。从而，卫星通信系统对接收机主要有以下基本要求：1、能够同时接收到至少四颗卫星所发出的GPS信号。2、具有较高的天线仰角增益和良好的抗噪声、抗衰落性能。3、对于便携式接收机（如手机、车载GPS导航仪等设备），其接收天线还应具有体积小、定位精确，成本低廉，便于制造等特点。 基于以上要求，我们可以发现，在现有的众多天线中，只有同时具有体积小，方向性好，使用方便等特点的微带天线，最能符合其要求，但是，针对GPS天线系统的应用与发展，我们对接收机内微带天线的各参数特性也有更细化，更具体的要求： 1、右旋

5、圆极化， GPS信号是由GPS卫星从空间里发射下来的，而为了消除电离层对信号的法拉第旋转效应，信号采用的是右旋圆极化，因此，相应的，接收机天线也应该采用右旋圆极化。当GPS信号被地面或建筑物等对称物体反射后，会变成左旋圆极化的交叉极化信号，多路径信号多是这种形式，所以右旋圆极化天线还能抑制多路径干扰。 2、宽波束：由于GPS要求接收机能够同时接收4颗以上卫星的信号时才能进行定位，因此接收机天线应该具有全向性和宽的波束范围，理想的GPS接收天线在上半平面应该具有近似半球形的方向图。 3、小型化：为了满足当代电子设备便携式的应用需求，GPS接收机天线应当小型化。同时还应具有易集成、易制作、低剖面、

6、低成本、易于与卫星等载体表面共形等特点。 既然既然GPSGPS系统对接收机天线有如此严苛繁琐系统对接收机天线有如此严苛繁琐的要求，那么，要实现这些要求，又都有的要求，那么，要实现这些要求，又都有哪些方法呢？哪些方法呢？一、微带天线圆极化的实现一、微带天线圆极化的实现 实现微带天线圆极化主要有以下几种方法：1、单馈点馈电法（利用微扰电流的方式，分离得到两个等幅且相位相差为90的简并模。主要实现方法为切角、开槽等）2、多馈点馈电法（输入等幅相邻馈点相位相差90的多个信号来实现圆极化。）3、多元法（使用多个线极化辐射元，每个馈点分别对一个线极化辐射元馈电。主要实现方法有串馈和并馈。）4、曲线馈电法（

7、利用一圈有起点和终点，相位差为2的圆线行波使得天线产生圆极化辐射，主要实现方法为曲线微带一端接地，而馈电一端接负载。） 圆极化实现的关键是产生两个极化方向正交、传播方向相同、幅度相等、相位相差90的线极化波，从空腔模型理论可知，利用简并模分离单元可以产生两个辐射正交化的简并模，通过引入几何微扰，选择简并模分离单元的大小和位置以及恰当的馈点位置，可以实现圆极化。通过在正方形辐射贴片上切角以引入几何微扰，是一种实现圆极化的有效方法。 这里介绍一种利用切角的方式实现单馈点馈电的方法：在图中，辐射贴片为正方形，边长为L，采用在贴片上切角和单馈电的方式来实现圆极化。切角和馈电的位置如图中所示。单馈电圆极

8、化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射，结构简单，成本也低。切角即引入简并模分离单元（微扰腔）由腔模理论则可知，当简并模分离单元尺寸L和馈电位置选择适当的时候，等式成立，从而产生了两个极化方向正交、幅度相等、传播方向相同、相位相差90的简并TM模，实现圆极化。二、微带天线宽波束的实现二、微带天线宽波束的实现 微带天线的宽波束实现方法主要有：1、采用好的天线形式（如三角形）2、调整接地板尺寸的大小来控制波束宽度3、采用高次模天线4、使用高介电常数的材料基片5、使用微带介质天线6、采用多馈点技术 而一般情况下，采用的技术理论越艰深，微带天线的结构也就会越复杂，体积也会越庞大

9、，设计及生产成本也就越高，也就违背了GPS接收机天线便于实现、体积小，且价格低廉的设计要求。 因此，我们一般选择采用高介电常数的基板材料的方法来减小微带天线面积。微带天线越小，辐射口径越小，越接近理想的全向辐射的点源，天线波束自然也就越宽，在展宽了天线波束的同时，也实现了天线的小型化，一举两得。三、微带天线小型化的实现三、微带天线小型化的实现 目前国内外实现微带天线小型化设计的主要手段有：1、采用特殊材料基片（高介电常数材料）2、天线加载技术（电阻加载、探针加载等）3、附加有源网络4、曲流技术5、采用特殊形式6、分形结构7、遗传算法以下主要介绍其中4种微带天线小型化的方法：（1）、采用特殊材料

10、基片以矩形贴片为例，当谐振频率固定后，贴片边长与介质板介电常数的关系近似为：则可看出，贴片边长的平方近似与介质板介电常数成反比，因此，采用高介质板介电常数可以有效缩减天线尺寸。（2）、天线加载技术目前天线的加载方式主要分为短路加载和容性加载 短路加载：天线在工作时，天线中的电流在两个开路端间会形成驻波，从而使得天线表面电流在两个开路端之间出现一条零电位线。这时候，我们如果在零电位线处与地短接，在开路与短路之间就会形成驻波分布，这样天线的尺寸就减小了一半。 容性加载：由于微带天线在谐振频率以下呈感性，因此如果我们在同轴馈电点附近加载短路探针，就会在馈电探针和短路探针之间形成一个强耦合，就等同于使

11、用了一个电容加载，从而弥补了本身所具有的感性，实现了谐振频率的降低，天线体积的缩小。（3）、曲流技术现阶段曲流技术主要有贴片曲流技术和接地板曲流技术两种。 贴片曲流技术：就是要在铁片上的适当位置开槽或者改变天线的具体形状，使得电流的传输路径等效增加，从而使的电流的共振波长等效增加，谐振频率降低，实现天线形式的小型化，贴片曲流技术原理如下图： 接地板曲流技术：同贴片曲流技术原理相似，就是保持天线贴片的形状不变，在接地板上开槽，从而引导贴片中的电流传输路径发生弯曲，实现与在贴片上开槽一样的效果，使得电流路径相对变长，实现天线小型化。（4）、附加有源网络附加有源网络就是在天线输入端口加载有源器件，这样一方面会实现低频端的阻抗匹配，同时还会有放大功能。有源天线很大程度上减小了天线尺寸，而且还会展宽天线的带宽，提高天线的增益，但是由于有源天线引入了有源网络，会对天线带来新的干扰，对这些干扰的分析已经超出了微带天线的分析范畴。 总结：综上所述，只有综合的利用这些优化GPS接收机中微带天线的设计方法，并合理地实施，才能让微带天线发挥出更好的辐