一种小型化SMD导航天线

冯子义 唐斯意 祝红嫣 曹良足

摘 要：为了实现微带天线小型化、集成化，设计了一种用于全球导航、定位系统（GPS）的小型、低成本实用型贴片天线。本文提出的贴片式耦合馈电很好的实现了天线的圆极化辐射模式，在实现小型化的同时，提高了天线的阻抗带宽，并通过在微带贴片上开T型槽来实现天线的圆极化特性，改变了传统的开倒角的方法，通过选用介电常数为130的陶瓷介质材料，相比高介电常数的陶瓷材料，由于馈电方式的改变和实现极化方式的创新，在减少天线体积的条件下，降低了成本，提高了电性能的稳定性和批量生产的一致性。

关键词：微带天线；小型化；贴片安装元件；GPS；圆极化

随着现代通信手段和全球定位系统的发展。现在，除手机外，许多电子厂商在多种智能终端产品中都集成了导航定位功能，且导航定位功能已经是许多现代通信不可或缺的主要功能之一。伴随着智能终端小型化的快速发展，具有导航定位功能的小型化内置GPS天线也必将得到广泛应用。

现有卫星导航系统中的天线通常是以圆极化方式工作，常见的圆极化天线形式有：四臂螺旋天线、微带天线、交叉对称阵子天线、共面波导圆极化天线、超材料加载圆极化天线。其中，陶瓷基片天线因其在辐射元的正交面上具有最大增益，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正上方的终端产品中，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，且多为探针式馈电。

小尺寸导航天线对介质材料的要求较高，目前国内在小尺寸GPS陶瓷微带天线最小的尺寸可以做到8×8×4mm.3，所采用的陶瓷材料为高介电容性材料，介电常数为250左右，温度系数较差（>500ppm/℃），且馈电方式为探针式馈电，天线整体厚度对终端客户影响较大，另外，高介电常数介质基片极易激励出表面波，表面损耗增大，使天线增益减小，效率降低，同时高介电常数基片会使批量生产的一致性较难控制。

本设计是为了解决现行的小尺寸陶瓷基体GPS天线温度稳定性差，介电常数高，一致性不好及价格偏高，批量加工难度大，不易集成等缺点，提出了一种小型化贴片GPS天线，它在保证其他电性能不下降且部分性能有所改善的前提下，减小天线的重量和体积，降低天线的成本且便于终端集成。

天线设计为SMD封装，采用耦合馈电，天线整体厚度减小，带宽增加，增益与12×12×4mm.3探针式馈电天线相当，选用介电常数130，温度系数小于20ppm/℃的介质材料制作陶瓷基体，具有实用价值，电极加工采用激光蚀刻，可提高批量生产的一致性。

1 天线设计

馈电采用微带耦合的方法进行设计，对于内置天线来说，终端电路主板对天线谐振频率的影响是不可忽略的。因此GPS导航内置天线的设计必须考虑电路板的影响。这里使用接地的铜板来模拟实际电路板，电路板的设计尺寸为50mm×50mm，天线在电路板上几何中心，具体位置如图1所示。图2为天线主体部分结构示意图。在仿真设计和批量测试中，天线通过铜板背面同轴接头实现馈电，实际中可通过电路板上的微带线直接馈电。在微带贴片天线设计中，首先要确定贴片最大电极尺寸（L），保持在工作频率的二分之一波长附近，

式中Le为有效长度，εe為有效相对介电常数，f0为天线的工作频率，c为光速。

根据介电常数和工作频率计算得出最大贴片尺寸略微超出陶瓷基本的尺寸（8×8mm2），所以增加侧面电极以降低谐振频率。这里的设计频率为1.575GHz。

天线中提出的耦合馈电在实现小型化的同时，提高了天线的阻抗特性，并通过在辐射贴片上开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电性能的一致性。通过选用温度系数更好的较高介电常数（εr=130）的材料，相比高介电常数（εr=250）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，改善了温度系数和阻抗特性，提高了批量生产的一致性。

2 天线电性能分析

本文利用耦合馈电原理，利用HFSS软件仿真设计了一款小型化贴片GPS内置天线。天线的设计工作频率为：1.575GHz。天线主体尺寸仅为8×8×4mm3，非常适用于小型化内置导航天线。

该天线为微带贴片天线，利用侧面电极来充分利用空间以实现小型化。天线基材选用温度系数小于20ppm/℃、介电常数为130的陶瓷材料（CaTiO3-（Li1 /2Nd1 /4 Sm1 /4） TiO3）。辐射贴片和侧面贴片来实现所需工作频率，在辐射贴片一边开T型槽来实现天线的圆极化特性，且T型槽的横边和竖边分别平行于辐射贴片的两直角边。用HFSS优化天线的结构尺寸，得到如下结构尺寸：天线辐射贴片宽度为5.7mm，长度为65mm，T型槽宽度为0.5mm，长度和宽度均为2.0mm，侧面电极高度为3.0mm，上面添加缝隙调整谐振频率，辐射贴片和馈电贴片的相对位置调整阻抗。

天线的2D方向图仿真计算结果如图4所示。仿真结果显示：3dB波束宽度大于120度，右旋圆极化特性良好，极化增益约-1.5dBi。

3 天线性能比较

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=8mm（8mm（4mm。

采用了矩形贴片耦合馈电的方式，提高了阻抗带宽，采用T型槽实现圆极化性能，由于微带结构本身所具有的低剖面特性，使其体积可以做小。②天线解决了常用的GPS陶瓷天线温度效应差的缺点。常用的小型化陶瓷GPS天线介电常数很高，相对介电常数约为260，且在高温和低温等特殊环境下电性能参数不稳定。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，同时也降低了材料成本。③天线采用SMD封装形式，提高了天线批量加工的一致性，同时解决了陶瓷独块式天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与GPS接收模块进行一体化设计，便于批量生产。④天线达到了如下指标：频率范围：1.575GHz；电压驻波比：≤2.5；增益：-15dBi；极化方式：右旋圆极化；轴比：≤6；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。本文提出了一种简单有效的小型化GPS内置贴片天线，改善了温度稳定性，增加了阻抗带宽，减小了天线的体积和重量，降低了天线的加工难度和加工成本，并易集成和批量生产。在导航功能越来越丰富的今天，该天线可以在一定程度上满足用户的需求。

参考文献：

[1]汪琳，北斗圆极化天线[D]，电子科技大学硕士学位论文，2016.

[2]薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002，17（4）：331-336.