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        一種小型化SMD導(dǎo)航天線

        2018-05-14 13:45:45馮子義唐斯意祝紅嫣曹良足
        科技風(fēng) 2018年3期

        馮子義 唐斯意 祝紅嫣 曹良足

        摘 要:為了實現(xiàn)微帶天線小型化、集成化,設(shè)計了一種用于全球?qū)Ш?、定位系統(tǒng)(GPS)的小型、低成本實用型貼片天線。本文提出的貼片式耦合饋電很好的實現(xiàn)了天線的圓極化輻射模式,在實現(xiàn)小型化的同時,提高了天線的阻抗帶寬,并通過在微帶貼片上開T型槽來實現(xiàn)天線的圓極化特性,改變了傳統(tǒng)的開倒角的方法,通過選用介電常數(shù)為130的陶瓷介質(zhì)材料,相比高介電常數(shù)的陶瓷材料,由于饋電方式的改變和實現(xiàn)極化方式的創(chuàng)新,在減少天線體積的條件下,降低了成本,提高了電性能的穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)的一致性。

        關(guān)鍵詞:微帶天線;小型化;貼片安裝元件;GPS;圓極化

        隨著現(xiàn)代通信手段和全球定位系統(tǒng)的發(fā)展?,F(xiàn)在,除手機外,許多電子廠商在多種智能終端產(chǎn)品中都集成了導(dǎo)航定位功能,且導(dǎo)航定位功能已經(jīng)是許多現(xiàn)代通信不可或缺的主要功能之一。伴隨著智能終端小型化的快速發(fā)展,具有導(dǎo)航定位功能的小型化內(nèi)置GPS天線也必將得到廣泛應(yīng)用。

        現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的天線通常是以圓極化方式工作,常見的圓極化天線形式有:四臂螺旋天線、微帶天線、交叉對稱陣子天線、共面波導(dǎo)圓極化天線、超材料加載圓極化天線。其中,陶瓷基片天線因其在輻射元的正交面上具有最大增益,即在水平面上的輻射元對從天頂發(fā)來的訊號具有最大增益,因此,陶瓷基片天線廣泛適用于主要朝正上方的終端產(chǎn)品中,例如運用在車載導(dǎo)航設(shè)備中。由于陶瓷基片其介電常數(shù)高,利用陶瓷基片作為介質(zhì)的天線體積較小,故GPS天線廣泛采用陶瓷基片設(shè)計,且多為探針式饋電。

        小尺寸導(dǎo)航天線對介質(zhì)材料的要求較高,目前國內(nèi)在小尺寸GPS陶瓷微帶天線最小的尺寸可以做到8×8×4mm.3,所采用的陶瓷材料為高介電容性材料,介電常數(shù)為250左右,溫度系數(shù)較差(>500ppm/℃),且饋電方式為探針式饋電,天線整體厚度對終端客戶影響較大,另外,高介電常數(shù)介質(zhì)基片極易激勵出表面波,表面損耗增大,使天線增益減小,效率降低,同時高介電常數(shù)基片會使批量生產(chǎn)的一致性較難控制。

        本設(shè)計是為了解決現(xiàn)行的小尺寸陶瓷基體GPS天線溫度穩(wěn)定性差,介電常數(shù)高,一致性不好及價格偏高,批量加工難度大,不易集成等缺點,提出了一種小型化貼片GPS天線,它在保證其他電性能不下降且部分性能有所改善的前提下,減小天線的重量和體積,降低天線的成本且便于終端集成。

        天線設(shè)計為SMD封裝,采用耦合饋電,天線整體厚度減小,帶寬增加,增益與12×12×4mm.3探針式饋電天線相當(dāng),選用介電常數(shù)130,溫度系數(shù)小于20ppm/℃的介質(zhì)材料制作陶瓷基體,具有實用價值,電極加工采用激光蝕刻,可提高批量生產(chǎn)的一致性。

        1 天線設(shè)計

        饋電采用微帶耦合的方法進行設(shè)計,對于內(nèi)置天線來說,終端電路主板對天線諧振頻率的影響是不可忽略的。因此GPS導(dǎo)航內(nèi)置天線的設(shè)計必須考慮電路板的影響。這里使用接地的銅板來模擬實際電路板,電路板的設(shè)計尺寸為50mm×50mm,天線在電路板上幾何中心,具體位置如圖1所示。圖2為天線主體部分結(jié)構(gòu)示意圖。在仿真設(shè)計和批量測試中,天線通過銅板背面同軸接頭實現(xiàn)饋電,實際中可通過電路板上的微帶線直接饋電。在微帶貼片天線設(shè)計中,首先要確定貼片最大電極尺寸(L),保持在工作頻率的二分之一波長附近,

        式中Le為有效長度,εe為有效相對介電常數(shù),f0為天線的工作頻率,c為光速。

        根據(jù)介電常數(shù)和工作頻率計算得出最大貼片尺寸略微超出陶瓷基本的尺寸(8×8mm2),所以增加側(cè)面電極以降低諧振頻率。這里的設(shè)計頻率為1.575GHz。

        天線中提出的耦合饋電在實現(xiàn)小型化的同時,提高了天線的阻抗特性,并通過在輻射貼片上開T型槽來實現(xiàn)天線的圓極化特性,改變了通常采用的切角來實現(xiàn)微帶圓極化的方法,提高了天線批量生產(chǎn)時電性能的一致性。通過選用溫度系數(shù)更好的較高介電常數(shù)(εr=130)的材料,相比高介電常數(shù)(εr=250)陶瓷基片的天線,由于結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,在減小天線體積的情況下,降低了成本,改善了溫度系數(shù)和阻抗特性,提高了批量生產(chǎn)的一致性。

        2 天線電性能分析

        本文利用耦合饋電原理,利用HFSS軟件仿真設(shè)計了一款小型化貼片GPS內(nèi)置天線。天線的設(shè)計工作頻率為:1.575GHz。天線主體尺寸僅為8×8×4mm3,非常適用于小型化內(nèi)置導(dǎo)航天線。

        該天線為微帶貼片天線,利用側(cè)面電極來充分利用空間以實現(xiàn)小型化。天線基材選用溫度系數(shù)小于20ppm/℃、介電常數(shù)為130的陶瓷材料(CaTiO3-(Li1 /2Nd1 /4 Sm1 /4) TiO3)。輻射貼片和側(cè)面貼片來實現(xiàn)所需工作頻率,在輻射貼片一邊開T型槽來實現(xiàn)天線的圓極化特性,且T型槽的橫邊和豎邊分別平行于輻射貼片的兩直角邊。用HFSS優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)尺寸,得到如下結(jié)構(gòu)尺寸:天線輻射貼片寬度為5.7mm,長度為65mm,T型槽寬度為0.5mm,長度和寬度均為2.0mm,側(cè)面電極高度為3.0mm,上面添加縫隙調(diào)整諧振頻率,輻射貼片和饋電貼片的相對位置調(diào)整阻抗。

        天線的2D方向圖仿真計算結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果顯示:3dB波束寬度大于120度,右旋圓極化特性良好,極化增益約-1.5dBi。

        3 天線性能比較

        本設(shè)計與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點:①天線結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了小型化,體積為:長(寬(高=8mm(8mm(4mm。

        采用了矩形貼片耦合饋電的方式,提高了阻抗帶寬,采用T型槽實現(xiàn)圓極化性能,由于微帶結(jié)構(gòu)本身所具有的低剖面特性,使其體積可以做小。②天線解決了常用的GPS陶瓷天線溫度效應(yīng)差的缺點。常用的小型化陶瓷GPS天線介電常數(shù)很高,相對介電常數(shù)約為260,且在高溫和低溫等特殊環(huán)境下電性能參數(shù)不穩(wěn)定。由于介電常數(shù)高,其諧振頻率對尺寸相當(dāng)敏感,調(diào)試時很小的誤差就可能產(chǎn)生較大的偏移,這給實際生產(chǎn)提出了很高的容差要求。當(dāng)改變其結(jié)構(gòu),使用較低的介電常數(shù)也能減小GPS天線的體積,這就改變了高介電常數(shù)材料的不足,提高了產(chǎn)品的一致性,同時也降低了材料成本。③天線采用SMD封裝形式,提高了天線批量加工的一致性,同時解決了陶瓷獨塊式天線不易與電路板集成的缺點,利用印制板技術(shù),便于與GPS接收模塊進行一體化設(shè)計,便于批量生產(chǎn)。④天線達到了如下指標(biāo):頻率范圍:1.575GHz;電壓駐波比:≤2.5;增益:-15dBi;極化方式:右旋圓極化;軸比:≤6;由于本設(shè)計具有上述的優(yōu)點,因此具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

        4 結(jié)論

        本文所設(shè)計的GPS天線在保證其他電性能不變的前提下,減小了天線的體積和重量,降低天線的加工難度和加工成本。它可應(yīng)用于通信、探測、定位、制導(dǎo)等領(lǐng)域。所提出的小型化技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)可推廣應(yīng)用于其他頻段天線的設(shè)計中。本文提出了一種簡單有效的小型化GPS內(nèi)置貼片天線,改善了溫度穩(wěn)定性,增加了阻抗帶寬,減小了天線的體積和重量,降低了天線的加工難度和加工成本,并易集成和批量生產(chǎn)。在導(dǎo)航功能越來越豐富的今天,該天線可以在一定程度上滿足用戶的需求。

        參考文獻:

        [1]汪琳,北斗圓極化天線[D],電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2016.

        [2]薛睿峰,鐘順時.微帶天線圓極化技術(shù)概述與進展[J].電波科學(xué)學(xué)報,2002,17(4):331-336.

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