1、GPSGPS接收機中接收機中的的微帶天線技術微帶天線技術研研究究制作小組：楊秀睿制作小組：楊秀睿（20122107622012210762）、）、劉昊劉昊（20122107362012210736）班級：班級：0241201專業：電磁場與無線技術專業：電磁場與無線技術 GPS，全稱Global Positioning System，即全球衛星定位系統，是一種由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛星導航系統，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息，是衛星通信技術在導航領域的應用典范，它極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數字經濟的發

2、展。GPS是什么？GPS的主要用途及工作原理 目前，GPS技術最常用的用途即為導航，而導航一般又分為自主式導航和非自主式導航兩種，其運用領域十分廣泛，從軍事上從事偵查、巡邏、反潛等工作的飛行器、艦船、衛星導航系統，到我們日常生活中處處可見的手機導航、車載導航。GPS技術的出現，極大地方便了我們的生活、促進了整個信息化世界的發展進程。除此之外GPS還可用于精準距離測量和電子器件的時間校調。 GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。首先，會由衛星向接收機發出一串衛星信號，當接收機接受到衛星發出的信號電文時，會提取出衛星時

3、間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用收到的信號中的衛星星歷數據推算出衛星發射信號時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知，以此，便可實現衛星定位與導航功能。 既然既然GPSGPS系統是利用衛星與接收機之間的信系統是利用衛星與接收機之間的信號傳輸來進行接收者的坐標定位及距離偵號傳輸來進行接收者的坐標定位及距離偵測的，那么，對測的，那么，對GPSGPS的接收機部分，我們又的接收機部分，我們又有哪些要求呢？有哪些要求呢？ 簡單地說，GPS接收機即為用戶接收衛星信號的終端設備。GPS衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、 海

4、洋和空間的廣大用戶，只要擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備， 即GPS信號接收機。從而，衛星通信系統對接收機主要有以下基本要求：1、能夠同時接收到至少四顆衛星所發出的GPS信號。2、具有較高的天線仰角增益和良好的抗噪聲、抗衰落性能。3、對于便攜式接收機（如手機、車載GPS導航儀等設備），其接收天線還應具有體積小、定位精確，成本低廉，便于制造等特點。 基于以上要求，我們可以發現，在現有的眾多天線中，只有同時具有體積小，方向性好，使用方便等特點的微帶天線，最能符合其要求，但是，針對GPS天線系統的應用與發展，我們對接收機內微帶天線的各參數特性也有更細化，更具體的要求： 1、右旋圓極

5、化， GPS信號是由GPS衛星從空間里發射下來的，而為了消除電離層對信號的法拉第旋轉效應，信號采用的是右旋圓極化，因此，相應的，接收機天線也應該采用右旋圓極化。當GPS信號被地面或建筑物等對稱物體反射后，會變成左旋圓極化的交叉極化信號，多路徑信號多是這種形式，所以右旋圓極化天線還能抑制多路徑干擾。 2、寬波束：由于GPS要求接收機能夠同時接收4顆以上衛星的信號時才能進行定位，因此接收機天線應該具有全向性和寬的波束范圍，理想的GPS接收天線在上半平面應該具有近似半球形的方向圖。 3、小型化：為了滿足當代電子設備便攜式的應用需求，GPS接收機天線應當小型化。同時還應具有易集成、易制作、低剖面、低成

6、本、易于與衛星等載體表面共形等特點。 既然既然GPSGPS系統對接收機天線有如此嚴苛繁瑣系統對接收機天線有如此嚴苛繁瑣的要求，那么，要實現這些要求，又都有的要求，那么，要實現這些要求，又都有哪些方法呢？哪些方法呢？一、微帶天線圓極化的實現一、微帶天線圓極化的實現 實現微帶天線圓極化主要有以下幾種方法：1、單饋點饋電法（利用微擾電流的方式，分離得到兩個等幅且相位相差為90的簡并模。主要實現方法為切角、開槽等）2、多饋點饋電法（輸入等幅相鄰饋點相位相差90的多個信號來實現圓極化。）3、多元法（使用多個線極化輻射元，每個饋點分別對一個線極化輻射元饋電。主要實現方法有串饋和并饋。）4、曲線饋電法（利用

7、一圈有起點和終點，相位差為2的圓線行波使得天線產生圓極化輻射，主要實現方法為曲線微帶一端接地，而饋電一端接負載。） 圓極化實現的關鍵是產生兩個極化方向正交、傳播方向相同、幅度相等、相位相差90的線極化波，從空腔模型理論可知，利用簡并模分離單元可以產生兩個輻射正交化的簡并模，通過引入幾何微擾，選擇簡并模分離單元的大小和位置以及恰當的饋點位置，可以實現圓極化。通過在正方形輻射貼片上切角以引入幾何微擾，是一種實現圓極化的有效方法。 這里介紹一種利用切角的方式實現單饋點饋電的方法：在圖中，輻射貼片為正方形，邊長為L，采用在貼片上切角和單饋電的方式來實現圓極化。切角和饋電的位置如圖中所示。單饋電圓極化微

8、帶天線無需任何外加的相移網絡和功率分配器就能實現圓極化輻射，結構簡單，成本也低。切角即引入簡并模分離單元（微擾腔）由腔模理論則可知，當簡并模分離單元尺寸L和饋電位置選擇適當的時候，等式成立，從而產生了兩個極化方向正交、幅度相等、傳播方向相同、相位相差90的簡并TM模，實現圓極化。二、微帶天線寬波束的實現二、微帶天線寬波束的實現 微帶天線的寬波束實現方法主要有：1、采用好的天線形式（如三角形）2、調整接地板尺寸的大小來控制波束寬度3、采用高次模天線4、使用高介電常數的材料基片5、使用微帶介質天線6、采用多饋點技術 而一般情況下，采用的技術理論越艱深，微帶天線的結構也就會越復雜，體積也會越龐大，設

9、計及生產成本也就越高，也就違背了GPS接收機天線便于實現、體積小，且價格低廉的設計要求。 因此，我們一般選擇采用高介電常數的基板材料的方法來減小微帶天線面積。微帶天線越小，輻射口徑越小，越接近理想的全向輻射的點源，天線波束自然也就越寬，在展寬了天線波束的同時，也實現了天線的小型化，一舉兩得。三、微帶天線小型化的實現三、微帶天線小型化的實現 目前國內外實現微帶天線小型化設計的主要手段有：1、采用特殊材料基片（高介電常數材料）2、天線加載技術（電阻加載、探針加載等）3、附加有源網絡4、曲流技術5、采用特殊形式6、分形結構7、遺傳算法以下主要介紹其中4種微帶天線小型化的方法：（1）、采用特殊材料基片

10、以矩形貼片為例，當諧振頻率固定后，貼片邊長與介質板介電常數的關系近似為：則可看出，貼片邊長的平方近似與介質板介電常數成反比，因此，采用高介質板介電常數可以有效縮減天線尺寸。（2）、天線加載技術目前天線的加載方式主要分為短路加載和容性加載 短路加載：天線在工作時，天線中的電流在兩個開路端間會形成駐波，從而使得天線表面電流在兩個開路端之間出現一條零電位線。這時候，我們如果在零電位線處與地短接，在開路與短路之間就會形成駐波分布，這樣天線的尺寸就減小了一半。 容性加載：由于微帶天線在諧振頻率以下呈感性，因此如果我們在同軸饋電點附近加載短路探針，就會在饋電探針和短路探針之間形成一個強耦合，就等同于使用了

11、一個電容加載，從而彌補了本身所具有的感性，實現了諧振頻率的降低，天線體積的縮小。（3）、曲流技術現階段曲流技術主要有貼片曲流技術和接地板曲流技術兩種。 貼片曲流技術：就是要在鐵片上的適當位置開槽或者改變天線的具體形狀，使得電流的傳輸路徑等效增加，從而使的電流的共振波長等效增加，諧振頻率降低，實現天線形式的小型化，貼片曲流技術原理如下圖： 接地板曲流技術：同貼片曲流技術原理相似，就是保持天線貼片的形狀不變，在接地板上開槽，從而引導貼片中的電流傳輸路徑發生彎曲，實現與在貼片上開槽一樣的效果，使得電流路徑相對變長，實現天線小型化。（4）、附加有源網絡附加有源網絡就是在天線輸入端口加載有源器件，這樣一方面會實現低頻端的阻抗匹配，同時還會有放大功能。有源天線很大程度上減小了天線尺寸，而且還會展寬天線的帶寬，提高天線的增益，但是由于有源天線引入了有源網絡，會對天線帶來新的干擾，對這些干擾的分析已經超出了微帶天線的分析范疇。 總結：綜上所述，只有綜合的利用這些優化GPS接收機中微帶天線的設計方法，并合理地實施，才能讓微帶天線發揮出更好的輻