全球定位系统中的小型介质加载四臂螺旋天线

摘要

全球定位系统(G10bal Positioning System，GPS)是当今应用最广泛的卫星导航定位系统，主要应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。近年来，GPS定位技术在民用领域蓬勃发展，特别是在车辆导航和个人移动终端定位这两个方面，这些应用对天线的小型化提出了迫切需求。四臂螺旋天线具有心形方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性，是理想的全球定位系统(GPS)接收天线。 本文综述了四臂螺旋天线的发展历史和研究现状，分析了四臂螺旋天线的结构组成、工作原理和性能特点，研究、设计并制作了一种小型化介质加载四臂螺旋天线，该天线采用高介电常数的陶瓷介质加载，体积缩小为原来的1/6左右，而性能基本保持不变，能够应用在GPS手机、PDAGPS等小型化GPS定位设备中。 论文工作与取得的主要成果有： 研究了四臂螺旋天线的工作原理和小型化解决方法。介绍了GPS系统工作原理及其信号特征，归纳了6PS系统对接收机天线的一般要求：天线具有上半球的全向方向图，极化方式为右旋圆极化，工作频率为1575.42MHz和1227.6MHz，对于精确测量型接收机，还要求天线具有稳定的相位响应。在此基础上，重点对四臂螺旋天线的结构组成、工作原理和性能特点，包括正交馈电和平衡馈电等问题进行了理论计算和分析，并研究了天线小型化和多频化方法。 设计了一种尺寸为φlOmm×H17.8mm、采用εr=38的微波陶瓷介质填充的小型化介质加载四臂螺旋天线。该天线在顶部进行馈电，底部采用扼流式套筒巴伦，实现近似平衡馈电；采用在螺旋臂上开槽方法，实现天线的正交馈电。使用HFSS仿真软件对天线进行了仿真，得到了介质加载后巴伦和螺旋臂的尺寸长度，研究表明，介质加载对四臂螺旋天线的尺寸缩减能力大于双臂螺旋天线，增加臂宽，天线谐振频率降低。仿真结果表明，该天线具有良好的心形方向图，3dB波束宽度大于120度；极化方式为右旋圆极化，在波束宽度内轴比小于3dB，主方向上左右旋圆极化隔离度达到30dB，表现出良好的性能。 制作了微波陶瓷介质填充的小型化介质加载四臂螺旋天线，达到了设计性能要求。对天线制作过程中的五个关键步骤进行了重点研究，包括陶瓷基体制作、镀覆铜膜、刻蚀螺旋臂、安装馈电结构及频率和相位微调。对所制成的样品天线进行了测试，实测谐振频率为1576.62MHz，10dB带宽为5MHz，谐振点的回波损耗达到.17.5dB；实测3dB波束宽度为120。，天项增益为-3dBi；实测输入阻抗为68.67-16.24iΩ。对测量结果和理论数据进行了比较和分析，天线基本达到设计要求，性能参数和结构尺寸满足小型化GPS接收机应用需要。由于该天线的图形为立体结构，图形的制作十分困难，本研究创造性的采用了激光刻蚀技术解决了螺旋臂加工和性能微调的难题，这为产业化生产这种天线提供了一种新的工艺途径。另外，据目前文献检索：该天线尺寸最小，并保持良好接收特性的优点，有望在GPS系统中得到应用，下一步产业化工作已经在有关企业开展中。

目录

摘要

第一章绪论

1.1课题背景和意义

1.2四臂螺旋天线的发展和现状

1.3本课题研究的主要内容

第二章GPS天线概述

2.1引言

2.2 GPS组成和工作原理

2.3 GPS接收天线的要求

2.3.1方向性

2.3.2极化形式

2.3.3频率特性

2.3.4增益

2.4两种主要的GPS天线

2.4.1微带贴片天线

2.4.2四臂螺旋天线

2.4.3微带天线和四臂螺旋天线的比较

2.5本章小结

第三章螺旋天线分析与设计方案提出

3.1引言

3.2螺旋的几何表述

3.3螺旋天线的辐射模式分析

3.3.1单绕轴向模螺旋天线

3.3.2单绕法向模螺旋天线

3.4轴向模螺旋天线性能指标计算

3.4.1阻抗

3.4.2波瓣图

3.4.3定向性或增益

3.4.4轴比

3.4.5轴向模螺旋天线设计

3.5四臂螺旋天线分析

3.5.1四臂螺旋天线的结构分析

3.5.2四臂螺旋天线的理论分析

3.5.3四臂螺旋天线的几何尺寸对性能的影响

3.5.4四臂螺旋天线的馈电方式研究

3.6四臂螺旋天线的小型化和多频化解决方案

3.6.1四臂螺旋天线的小型化解决方案

3.6.2四臂螺旋天线的多频化解决方案

3.7本章小结

第四章介质加载四臂螺旋天线的设计

4.1引言

4.2天线设计

4.2.1天线结构

4.2.2微波陶瓷的选择

4.2.3正交馈电的实现

4.2.4平衡馈电的实现

4.3天线仿真过程

4.3.1空气加载双臂螺旋天线的仿真和计算分析

4.3.2空气加载四臂螺旋天线的仿真和计算分析

4.3.3介质加载双臂螺旋天线的仿真和计算分析

4.3.4介质加载四臂螺旋天线的仿真和计算分析

4.4本章小结

第五章介质加载四臂螺旋天线的制作研究

5.1引言

5.2制作步骤

5.2.1制作陶瓷基体

5.2.2铜膜的镀覆

5.2.3激光刻蚀

5.2.4馈电结构安装

5.2.5激光调频

5.3测试及结果分析

5.4本章小结

第六章总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢