GPS接收機(jī)中微帶天線技術(shù)研究

1、GPSGPS接收機(jī)中接收機(jī)中的的微帶天線技術(shù)微帶天線技術(shù)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(jí)：班級(jí)：0241201專業(yè)：電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)專業(yè)：電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù) GPS，全稱Global Positioning System，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一種由美國(guó)國(guó)防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，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(shí)等導(dǎo)航信息，是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范，它極大地提高了地球社會(huì)的信息化水平，有力地推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)

2、展。GPS是什么？GPS的主要用途及工作原理 目前，GPS技術(shù)最常用的用途即為導(dǎo)航，而導(dǎo)航一般又分為自主式導(dǎo)航和非自主式導(dǎo)航兩種，其運(yùn)用領(lǐng)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，到我們?nèi)粘Ｉ钪刑幪幙梢姷氖謾C(jī)導(dǎo)航、車載導(dǎo)航。GPS技術(shù)的出現(xiàn)，極大地方便了我們的生活、促進(jìn)了整個(gè)信息化世界的發(fā)展進(jìn)程。除此之外GPS還可用于精準(zhǔn)距離測(cè)量和電子器件的時(shí)間校調(diào)。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。首先，會(huì)由衛(wèi)星向接收機(jī)發(fā)出一串衛(wèi)星信號(hào)，當(dāng)接收機(jī)接受到衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)電文時(shí)，會(huì)提取出衛(wèi)星時(shí)

3、間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用收到的信號(hào)中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知，以此，便可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位與導(dǎo)航功能。 既然既然GPSGPS系統(tǒng)是利用衛(wèi)星與接收機(jī)之間的信系統(tǒng)是利用衛(wèi)星與接收機(jī)之間的信號(hào)傳輸來(lái)進(jìn)行接收者的坐標(biāo)定位及距離偵號(hào)傳輸來(lái)進(jìn)行接收者的坐標(biāo)定位及距離偵測(cè)的，那么，對(duì)測(cè)的，那么，對(duì)GPSGPS的接收機(jī)部分，我們又的接收機(jī)部分，我們又有哪些要求呢？有哪些要求呢？ 簡(jiǎn)單地說，GPS接收機(jī)即為用戶接收衛(wèi)星信號(hào)的終端設(shè)備。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)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(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備， 即GPS信號(hào)接收機(jī)。從而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)主要有以下基本要求：1、能夠同時(shí)接收到至少四顆衛(wèi)星所發(fā)出的GPS信號(hào)。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(duì)于便攜式接收機(jī)（如手機(jī)、車載GPS導(dǎo)航儀等設(shè)備），其接收天線還應(yīng)具有體積小、定位精確，成本低廉，便于制造等特點(diǎn)。 基于以上要求，我們可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的眾多天線中，只有同時(shí)具有體積小，方向性好，使用方便等特點(diǎn)的微帶天線，最能符合其要求，但是，針對(duì)GPS天線系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，我們對(duì)接收機(jī)內(nèi)微帶天線的各參數(shù)特性也有更細(xì)化，更具體的要求： 1、右旋圓極

5、化， GPS信號(hào)是由GPS衛(wèi)星從空間里發(fā)射下來(lái)的，而為了消除電離層對(duì)信號(hào)的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，信號(hào)采用的是右旋圓極化，因此，相應(yīng)的，接收機(jī)天線也應(yīng)該采用右旋圓極化。當(dāng)GPS信號(hào)被地面或建筑物等對(duì)稱物體反射后，會(huì)變成左旋圓極化的交叉極化信號(hào)，多路徑信號(hào)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(jī)能夠同時(shí)接收4顆以上衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)才能進(jìn)行定位，因此接收機(jī)天線應(yīng)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(yīng)該具有近似半球形的方向圖。 3、小型化：為了滿足當(dāng)代電子設(shè)備便攜式的應(yīng)用需求，GPS接收機(jī)天線應(yīng)當(dāng)小型化。同時(shí)還應(yīng)具有易集成、易制作、低剖面、低成

6、本、易于與衛(wèi)星等載體表面共形等特點(diǎn)。 既然既然GPSGPS系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)天線有如此嚴(yán)苛繁瑣系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)天線有如此嚴(yán)苛繁瑣的要求，那么，要實(shí)現(xiàn)這些要求，又都有的要求，那么，要實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)一、微帶天線圓極化的實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)微帶天線圓極化主要有以下幾種方法：1、單饋點(diǎn)饋電法（利用微擾電流的方式，分離得到兩個(gè)等幅且相位相差為90的簡(jiǎn)并模。主要實(shí)現(xiàn)方法為切角、開槽等）2、多饋點(diǎn)饋電法（輸入等幅相鄰饋點(diǎn)相位相差90的多個(gè)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化。）3、多元法（使用多個(gè)線極化輻射元，每個(gè)饋點(diǎn)分別對(duì)一個(gè)線極化輻射元饋電。主要實(shí)現(xiàn)方法有串饋和并饋。）4、曲線饋電法（利用

7、一圈有起點(diǎn)和終點(diǎn)，相位差為2的圓線行波使得天線產(chǎn)生圓極化輻射，主要實(shí)現(xiàn)方法為曲線微帶一端接地，而饋電一端接負(fù)載。） 圓極化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是產(chǎn)生兩個(gè)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(jiǎn)并模分離單元可以產(chǎn)生兩個(gè)輻射正交化的簡(jiǎn)并模，通過引入幾何微擾，選擇簡(jiǎn)并模分離單元的大小和位置以及恰當(dāng)?shù)酿侟c(diǎn)位置，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)圓極化的有效方法。 這里介紹一種利用切角的方式實(shí)現(xiàn)單饋點(diǎn)饋電的方法：在圖中，輻射貼片為正方形，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，采用在貼片上切角和單饋電的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)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(wú)需任何外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就能實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也低。切角即引入簡(jiǎn)并模分離單元（微擾腔）由腔模理論則可知，當(dāng)簡(jiǎn)并模分離單元尺寸L和饋電位置選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，等式成立，從而產(chǎn)生了兩個(gè)極化方向正交、幅度相等、傳播方向相同、相位相差90的簡(jiǎn)并TM模，實(shí)現(xiàn)圓極化。二、微帶天線寬波束的實(shí)現(xiàn)二、微帶天線寬波束的實(shí)現(xiàn) 微帶天線的寬波束實(shí)現(xiàn)方法主要有：1、采用好的天線形式（如三角形）2、調(diào)整接地板尺寸的大小來(lái)控制波束寬度3、采用高次模天線4、使用高介電常數(shù)的材料基片5、使用微帶介質(zhì)天線6、采用多饋點(diǎn)技術(shù) 而一般情況下，采用的技術(shù)理論越艱深，微帶天線的結(jié)構(gòu)也就會(huì)越復(fù)雜，體積也會(huì)越龐大，設(shè)

9、計(jì)及生產(chǎn)成本也就越高，也就違背了GPS接收機(jī)天線便于實(shí)現(xiàn)、體積小，且價(jià)格低廉的設(shè)計(jì)要求。 因此，我們一般選擇采用高介電常數(shù)的基板材料的方法來(lái)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(diǎn)源，天線波束自然也就越寬，在展寬了天線波束的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，一舉兩得。三、微帶天線小型化的實(shí)現(xiàn)三、微帶天線小型化的實(shí)現(xiàn) 目前國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)微帶天線小型化設(shè)計(jì)的主要手段有：1、采用特殊材料基片（高介電常數(shù)材料）2、天線加載技術(shù)（電阻加載、探針加載等）3、附加有源網(wǎng)絡(luò)4、曲流技術(shù)5、采用特殊形式6、分形結(jié)構(gòu)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(dāng)諧振頻率固定后，貼片邊長(zhǎng)與介質(zhì)板介電常數(shù)的關(guān)系近似為：則可看出，貼片邊長(zhǎng)的平方近似與介質(zhì)板介電常數(shù)成反比，因此，采用高介質(zhì)板介電常數(shù)可以有效縮減天線尺寸。（2）、天線加載技術(shù)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(shí)，天線中的電流在兩個(gè)開路端間會(huì)形成駐波，從而使得天線表面電流在兩個(gè)開路端之間出現(xiàn)一條零電位線。這時(shí)候，我們?nèi)绻诹汶娢痪€處與地短接，在開路與短路之間就會(huì)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?cè)谕S饋電點(diǎn)附近加載短路探針，就會(huì)在饋電探針和短路探針之間形成一個(gè)強(qiáng)耦合，就等同于使用了

11、一個(gè)電容加載，從而彌補(bǔ)了本身所具有的感性，實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的降低，天線體積的縮小。（3）、曲流技術(shù)現(xiàn)階段曲流技術(shù)主要有貼片曲流技術(shù)和接地板曲流技術(shù)兩種。 貼片曲流技術(shù)：就是要在鐵片上的適當(dāng)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(zhǎng)等效增加，諧振頻率降低，實(shí)現(xiàn)天線形式的小型化，貼片曲流技術(shù)原理如下圖： 接地板曲流技術(shù)：同貼片曲流技術(shù)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(dǎo)貼片中的電流傳輸路徑發(fā)生彎曲，實(shí)現(xiàn)與在貼片上開槽一樣的效果，使得電流路徑相對(duì)變長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)天線小型化。（4）、附加有源網(wǎng)絡(luò)附加有源網(wǎng)絡(luò)就是在天線輸入端口加載有源器件，這樣一方面會(huì)實(shí)現(xiàn)低頻端的阻抗匹配，同時(shí)還會(huì)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(huì)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(wǎng)絡(luò)，會(huì)對(duì)天線帶來(lái)新的干擾，對(duì)這些干擾的分析已經(jīng)超出了微帶天線的分析范疇。 總結(jié)：綜上所述，只有綜合的利用這些優(yōu)化GPS接收機(jī)中微帶天線的設(shè)計(jì)方法，并合理地實(shí)施，才能讓微帶天線發(fā)揮出更好的輻