【正文】 .................................................................................. 17 五 總結與展望 ........................................................................... 19 參考文獻 ........................................................................................ 20 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設計 ) 1 一 緒論 引言 所謂 天線 就 是 探測系統(tǒng)和 無線電 波 通信中 非常重要的 重要組成部分，它是 接受 與 發(fā)射電磁波的一種設備 。本論文針對 具體 GPS 小型化 天線的上述性能，在原有設計的基礎上， 嘗試 進行一些新的設計和研究，并給出了具體的設計過程和實驗結果。 本科生畢業(yè)論文（設計） 題目 ： GPS 小型化天線設計 系 部 電子信息工程學院 學科門類 工 學 專 業(yè) 電子信息工程 學 號 姓 名 指導教師 2021年 5月 12日 裝 訂 線 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設計 ) I GPS 小型化天線設計 摘 要 隨著 當今世界 科技和 全球 定位系統(tǒng) (GPS)的 不斷的 快速 發(fā)展， 尤其 是 在導航 、 定位中的應用 ，使得 人 對 GPS 天線 的定位和可靠性 需求 也 隨之提高 ， 不僅 僅 需要 GPS 天線 實現(xiàn)圓極化 ， 而且 對 GPS 天線的 便攜性、體積、 及與系統(tǒng)集成度方面的 需 求也 越來越高 ，特別是在 小型化的研究上。 除 此之 外，還 希望能有效減少 GPS 天線 的 成本， 因為這正 是 GPS天線 能 夠 廣泛推廣的關鍵。 綜述了 GPS微帶 天線 (貼片 天線 )的已有進展，以及圓極化和小型化在當中的應用。 首先， 發(fā)射 電磁波的工作原理 ，它將被饋線引導的高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁 波 并向 具體 的方向發(fā)射出去； 其次， 接受 電磁波的 工作原理 ， 天線本身 又要做 與發(fā)射過程 相反的變換 。 天線的通信也是從簡單到復雜的漸進的過程， 從 單一點 對點通信到現(xiàn)在覆蓋全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)， GPS 天線 毋庸置疑的扮演著 最 底層 、 最基本、 最前端的角色， 其作用 與 優(yōu)勢越來越明顯使得 它在 日常 生活中 地位 與日俱增，如今已成為現(xiàn)代文明不可缺少的 組成部分 [12]。 目前 有很多 定位的方法 ，但 是 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)是最 為 精確 、 最 普及 [3]。 所以 ，在 綜合 的前提下，本文 側重 對 于 GPS 微帶天線的 結構 及其性能 進行研究和 比較 ， 重 點 研究微帶 貼片 天線的圓極化 及 小型化 ，使其能更好的滿足需求的性能指標 [4]。這種狀況延續(xù) 到 1972 年， 隨著 科學技術的發(fā)展以及對 微 波集成技術的 成熟，對空間技術研究 的深入 ，豪威爾 和 芒森 等研究者 成功的 制成了第一批實用微帶天線。 微帶天線由此開始快速的發(fā)展起來，尤其是 70 年代 ，在此期間是 微帶天線取得突破性進展的時期。 GPS 天線的圓極化實現(xiàn)主要有三種方式：單饋法、多饋法和多元法，主要多以對角切角等方法。但是相對成本很高，在國內(nèi)還不是很 普及。 GPS 天線的參數(shù)計算、仿真及優(yōu)化是本文的重點，其主要工作安排如下： 首先， 主要闡述 GPS 天線的研究背景、意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢；其次，介紹微帶天線 的基本概念和相關知識，闡述微帶貼片天線的分析方法和饋電原理的基本原理和理論推導過程。 最后 ， 根據(jù) 天線的參數(shù)公式計算出天線的參數(shù)，利用 HFSS 軟件進行仿真，根據(jù)天 線的性能指標進行優(yōu)化。對全文進行總結指出不足之處和今后將要繼續(xù)努力研究的方向。 饋電原理 一般 是 利用微帶線或同軸線等饋線 進行 饋電，在導體貼片與接地板之間激勵 起射頻電磁場， 從而 通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。其 基本 結構如圖 21 所示 。 圖 21 貼片天線的基本 結構 微帶天線的 特 點 微帶 貼片 天線 工作頻率一般 在 1～ 50GHz，在現(xiàn)代通信 ，尤其是個人通信中 ， 微帶 貼片 天線廣泛地 工作 于 100MHz 到 50GHz 的頻率范圍 [9]。 (3)易于天線的集成， 由于可以 和有源器件、電路集成 在一起 ， 可以 適合大規(guī)模生產(chǎn)， 方便 了 天線 整體的制作和調(diào)試， 從而 大大 減少 生產(chǎn) 成本。 (2)從天線的效率看，貼片天線 效率較低 ，因為 損耗較大， 可以把貼片天線看做 微帶電路在匹配負載上有較大的損耗 。 由 微帶 貼片 天線有 許多 的優(yōu) 點， 并且 它的一些缺點 隨著天線技術的進步 正在 進一步 完善 ，因此 它在很多領域都有很好的應用 前景。 表 21 幾種類型天線的性能比較 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設計 ) 4 類型 微帶 貼片 天線 縫隙天線 空腔襯底印制 天 線 印制偶極子天線 剖面 薄 不太薄 厚 薄 制作 很 容易 較 容易 團準 較 容易 極化 線極化或圓 極 化 線極化 線極化或園極化 線極化 雙頻工作 可 以 不可 以 不可 以 不可 以 形狀 任意形狀 矩形 任意形狀 矩形或三角形 雜散輻射 有 有 沒有 有 帶寬 1%5% 1%2% 10% 10% 輻射 機制 微帶 貼片 天線是在微帶諧振器理論基礎上發(fā)展起來的。如果有 激勵 源 持 存在時 ， 從而使微帶諧振器在貼 片和導體之間形成 輻射 場 ， 這 就 是 微帶天線 的工作輻射機制 [12]。 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設計 ) 5 圖 22 微帶 貼片 天線輻射 電場結構 根據(jù)微帶傳輸線理論，由于基片厚度 h ? ，場沿 h方向均勻分布。 圖 23 輻射 場分布 的 側面 圖 根據(jù)電場的矢量性，電場可以分解成水平分量和垂直分量，在兩開路端口垂直方向分量恰好大小相等，方向相反相互抵消。所以 ，兩路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫 的電場方向與長邊垂直，并沿長邊 W均勻分布。 分析 方法 天線分析的基本問題 即 是 分析天線的技術指標，首先，天線會在空間中建立電磁場 ，然后，根據(jù)電磁場的分析方法計算出天線的 反射損耗、 方向圖、增益和輸入阻抗等指標 [13]。 合肥師范學院 2021 屆本科畢業(yè)論文 (設計 ) 6 本論文才用傳輸線理論 模型 來分析方形 微帶貼片天線。線段長度 L≈ mλ /2， mλ 為準 TEM 波的波長。 圖 24 傳輸線法理論 模型 (2)傳輸線的兩個開口端 (始端和末端 )等效為兩個輻射縫隙，長為 W，寬為 h，縫隙場強即為傳輸線開口端場強。而開口端場強隨之折轉(zhuǎn)?？p上等效磁流密度為 mJ = y2U/h (21) U 為傳輸線開口端電壓。圖 25(a)為微帶線饋電方式， sY 為縫隙輻射導納， oY 為微帶片特性導納。等效電路與圖 26(a)的不同之處是： (1)它在微帶片開口端之間饋電，激勵源離始端距離 1X ； (2)探針本身要引入感抗，用 pY 表示。利用單縫的輻射場計算公式可以求出天線的輻射場為 )F( θ(4 ππej2U kwE jkr ?? ??? (22) 式中，2θkW c os2θkW c oss in)F( θ(???????? 為方向函數(shù)， r 是微帶片中心到場點的距離。為此我們需要求出縫隙的輻射導納，然后用傳輸 線公式進行變換即可。 當縫隙的電長度 W/ 0λ 較大時，無限長直縫隙的單位長度輻射導納為 ? ?? ? nk1j1120 λ1jBG 0000 ???? (23) 因此長為 W 的縫隙其輻射導納為 ? ?? ? nk1j1120 λWjBG 001111 ????