一种新的GPS双频微带天线

崔岭芝， 史美霞， 刘 辉， 孙绪保

(山东科技大学 电子通信与物理学院， 山东 青岛 266590)

一种新的GPS双频微带天线

崔岭芝， 史美霞， 刘 辉， 孙绪保

(山东科技大学 电子通信与物理学院， 山东 青岛 266590)

通过在贴片上开等长度的十字缝隙的方式，设计了一种小型化的GPS双频微带天线。仿真结果表明，天线长和宽较开缝前分别减小了28.9%和35.4%，且在1.227 GHz和1.575 GHz两个频段点处，回波损耗分别达到了-23.2 dB和-15 dB。天线辐射性能良好，结构简单易于实现。

双频； 微带天线； 馈电

0 引言

精确定位导航技术因其快速精确、广域覆盖和通信容量大等一系列优点,被广泛地应用于军事、民用等领域。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)，指所有覆盖全球或者区域性的卫星导航系统，主要包括美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，中国的北斗系统和其他定位系统。其中，以GPS系统技术最为成熟，应用最为广泛。GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1.228 GHz和1.575 GHz。为了满足通信多系统收发共用的要求，人们研究了多种应用于卫星导航的双频微带天线[2]。文献[3]设计的四贴片层叠天线在多个频点上具有较好的阻抗匹配，文献[4]给出了一种基于宽带馈电结构的多馈电点天线，但天线结构均较为复杂。本文中通过在单一贴片开十字型缝的方式，设计了一个减小尺寸的双频微带天线。

1 设计及原理

1.1 馈电位置的选择

如图1所示，使得微带天线工作于两个频率点处最常用的方式就是利用矩形贴片两个正交方向低阶谐振模式工作[3]，即分别选择TM01、TM10两个模式，使得微带天线的长和宽分别对应微带天线的两个频率1.228 GHz和1.575 GHz,以实现同一天线工作在两个波段的目的。馈电位置最终选取为L1=5.08 mm，W1=4.01 mm。

1.2 天线设计及尺寸

如图2，本设计通过在微带天线贴片上开十字缝隙的方式实现微型化。具体原理：贴片开缝可以切断原来的表面电流路径，使得电流绕槽边曲折流过而使得路径变长[6]。由于槽很窄，可以将其模拟为在贴片上插入一个极薄的横向磁壁。这种方式可以保证在较小的尺寸下实现较大的电流路径长度，而选取相同长度的十字缝隙是为了实际制作工艺简单。

本文选取聚乙烯(εr=2.25)作为介质材料。通过计算与仿真获取优化参数：L=68.1 mm，W=51.41 mm，L2=15.45 mm，W2=2.4 mm，h=1.5 mm。开缝前天线参数：L=95.9 mm，W=79.6 mm，长和宽分别减小了28.9%和35.4%。

2 仿真结果与分析

通过多次调整实验得到GPS双频段的两个频率：f1=1.228 GHz，f2=1.575 GHz。如图3和图4，在1.228 GHz和1.575 GHz处都较好的与50 Ω匹配，回波损耗分别达到了-23.2 dB和-15 dB。-10 dB带宽分别为32 MHz和35 MHz。

图5和图6分别为天线在f2=1.575 GHz处的方向图(φ1=0°，φ2=90°)和3D增益图。可以看出，在f2处半功率辐射宽度为96°，天线在上半空间辐射近乎全向。在f1处的方向图和3D增益图与f2相似，本文没有给出。

3 结论

本文设计了一种新的GPS双频微带天线，通过在贴片上开槽的方式实现了天线尺寸的减小

(长和宽分别减小了28.9%和35.4%)。在L1和L2两个频段处-10 dB带宽分别为32 MHz和35 MHz，实现较好阻抗匹配。

[1] 张晓燕，王国皓，刘志伟. 一种新型智能手机的平面小型GPS天线的仿真研究[J].井冈山大学学报(自然科学版),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] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社， 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

山东省自然科学基金会项目资助，项目编号ZR2013FM018。

崔岭芝(1994-)，女，在读硕士，主要从事微波与天线技术研究。

TN822.8

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