一种单频抗多路径效应的GPS圆极化微带天线

张亚莉, 孙绪保, 刘树国

（山东科技大学通信工程系,山东 青岛 266590）

一种单频抗多路径效应的GPS圆极化微带天线

张亚莉, 孙绪保, 刘树国

（山东科技大学通信工程系,山东 青岛 266590）

提出了一种单频抗多路径的GPS（Global Position System）圆极化微带天线。通过贴片开槽技术,实现了天线小型化；加载优化的3D扼流圈,则可有效地消除或削弱多路径效应和电磁干扰。采用Ansoft公司的HFSS软件进行3D建模仿真分析,给出了回波损耗S11曲线、轴比曲线和辐射方向图。天线在工作频点获得了较宽的阻抗带宽,实现了抗多径的效果。

圆极化；小型化；多路径

0 引言

在无线通信系统中,由于无线通信的发展需要,特别是随着GPS系统越来越多的在民用移动设施中的应用,GPS就是通过接收卫星信号,进行定位测量或者导航的终端。GPS卫星信号为频率分别为L1（1 575.42 M Hz）和L2（1 228 MHz）,其中L1为开放民用圆极化信号。GPS信号从高空通过电离层和对流层到达地面时,包括直接从GPS卫星到达用户接收天线的直接波以及经过反射和散射而到达用户接收天线的间接波,GPS信号接收机所接收的GPS信号是直接波和间接波的合成波[1],这些特点决定了要为GPS信号的接收准备专用天线。本文研究GPS微带贴片天线,为了满足当前各种便携式、多功能接收机的需求,主要讨论了多路径效应对天线接收信号的影响,采用扼流圈可消除或削弱多路径效应的影响,做了三方面的改进：

采用优化设计的3D扼流圈,用于消除或削弱多路径效应；使用了较高的介电常数为10的介质基板,减小天线的体积；运用贴片开槽技术,在贴片上开4个半圆形凹槽,有效地减小了天线的面积。

1 天线的原理和结构

如图1所示,天线结构由四部分组成,开槽贴片、介质基板、接地板（GND）、扼流圈。

图1 地面反射波波

方形贴片采用Global材料,其高度H= 5 mm；介质基板采用介电常数为10,厚度为h= 5 mm的材料；基于空腔模型理论,利用简并模分离元产生正交极化简并模,引入几何微扰[2],实现了天线的圆极化；采用开槽技术,在贴片上开4个半圆形凹槽延长电流路径,实现天线小型化,如图2所示。

图2 贴片结构

当卫星信号经多条传播路径到达接收天线时,就会产生多路径效应。多路径效应会对信号的幅度、相位和传播距离产生影响,并会降低接收信噪比[3]。多径信号主要是由地面反射和天线周围导体的反射引起,在GPS多径信号中以地面反射波为主,图1以地面反射为例来说明,这些信号主要集中在天线的低仰角或负仰角。对于一般GPS用户而言,卫星直射信号多从天线上方,以高仰角方向到达天线,从天线的主瓣上入射,而由地面反射的多路径干扰主要从天线的下方或低仰角处卫星信号的增益相对较低的旁瓣入射,不能把多径信号有效的抑制。加载扼流圈的抗多路径天线能够抑制表面波辐射,从而进一步改善天线的增益方向性能。根据传输线理论,谐振腔的长度至少是四分之一波长,则扼流圈的深度也应该是四分之一波长,所以当凹槽深度稍大于观测信号的1/4波长时[4],可阻止反射信号在其表面的传播,扼流圈的凹槽对高仰角的直射信号没有影响,但对来自天线平面下方的反射信号有很好的抑制作用,可以明显改善接收机的抗干扰能力,可以有效削弱多路径效应的影响。

如图2所示,天线通过贴片背面馈电点B馈电,放置在x轴上,天线的谐振频率由贴片的大小决定：

式中：c为自由空间的光速；L=28 mm为微带天线贴片的实际长度；ΔL为由边缘效应引起的一侧延伸长度；εe为等效介电常数。其中：

式中：λ0为电磁波波长；λg为等效电磁波波长。

式中：c为真空中的光速；f为频率；εr为基底的相对介电常数。通过该公式可以看出如果增加εr的值,在其它参数不变的情况下就可以减少电磁波在介质中的波长。如果以贴片微带线为例,在特定频率下,εr增加4倍则波长可以减少1/2,也就是在特定频率下天线的尺寸缩减了一半。所以本文中采用微带介质基板εr=10,从而减小了天线的尺寸。

式中：w为天线贴片的宽度（w=L）；h为介质层的厚度,要求w＜（c/2fr）[（εr+1）/2；c为光速；εr表示介质的相对介电常数。

扼流圈的加载,多径信号是影响接收机测量精度的主要误差源之一,解决上述问题的一般方法是天线安装在扼流圈结构上,可有效抑制从后向进入的多径信号,则增加了3D扼流圈,如图3所示。

图3 3D扼流圈的平面图

对扼流圈的槽深（H1,H2,H3,H4）做了多次优化处理,通过优化可以大大减小槽宽,从而减小了天线的尺寸和重量。本次根据天线抗多径的要求,在不牺牲低仰角增益的前提下尽可能地提高多径抑制能力,使用表面阻抗模型分析扼流圈的边界条件,对扼流圈的参数变化对天线性能的影响进行了仿真分析,获得了其结构尺寸的选取原则,不断优化,制作了三维扼流圈结构。采用4个不同深度圆环形凹槽,槽深H1=H2=50 mm, H3=30 mm,H4=10 mm。

2 天线的仿真

通过Ansoft HFSS建立如图4所示的天线模型,经过了仿真分析和优化处理,并使用50Ω的同轴线进行馈电。仿真结果如图4所示。

图4 天线的结构示意图

图5是天线信号端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果,并给出天线的谐振频率1.5 752 GHz,天线在1.5 752 GHz的回波损耗达到-21 d B,有效带宽70 M（1 540 M Hz～1 610 M Hz）,可以满足GPS天线的使用要求。

图5 天线的回波损耗

本文给出了f=1.575 GHz时,天线波束角内轴比曲线和天线轴比值随θ角变化曲线。由图6所示,天线在1.575 GHz时,查看最大辐射方向（φ=0°和φ=90°）上轴比随θ角的变化关系,从θ=-120°～120°均在3 dB以下,可以较好地抑制干扰,提高接收信号能力。

图7是天线的圆极化方向图,分别取正交面的φ=0°和φ=90°,从图看出,右旋极化的前后辐射比较理想,在1.575 GHz时天线的左旋极化前后辐射比较差一些,天线向后辐射的能量也变小一些。

图6 f=1.575 GHz时的轴比

图7 天线的圆极化方向

从整体上看,该频点均获得较大的前后比。前后比能够间接反映天线的多径抑制能力,若多径从后区进入,前后比越大的天线对多径的抑制能力越好。由此可以看出,加载扼流圈后提高了天线抗多径能力。加载扼流圈后,天线接近于半球状RHCP模式；天线方向图增益设计能衰减低仰角的输入信号以及反射体方向上的输入信号；天线具有较小的后瓣波束。图8为天线的总增益方向图,显示了较好的全向性。图9天线的三维增益方向图。

3 结论

图8 天线的总增益方向图

图9 三维增益方向图

本文设计了单频抗多路径效应GPS圆极化微带天线,并进行了仿真,在贴片上开槽,有效地减少了天线的面积,在天线的小型化和扼流圈加载方面都做了进一步的优化。通过分析,说明扼流圈结构对天线性能的影响,尤其在抗多路径效应方面得到了提高,改善了天线的增益方向性能,经过仿真分析天线的各项参数均满足GPS接收机的性能要求,为设计抗多路径效应天线提供了一种参考方案。

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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

张亚莉（1988-）,女,硕士研究生,主要从事微带天线的研究。