一种基于超材料的小型化GPS天线的制作方法

本实用新型涉及小型化GPS天线的
技术领域：
，更具体地说，涉及一种基于超材料的小型化GPS天线。
背景技术：
：现代无线通信系统对天线的小型化需求日益增强，近年来小型化天线在GPS导航终端得到了广泛的应用，小型化，圆极化和宽带化等问题也成为GPS导航领域研究中的热点，GPS导航系统要求天线有良好的圆极化性能，圆极化有以下优点：第一，圆极化天线可以接受任意极化来波；第二，在很多领域中圆极化天线中旋向正交性有很广泛的应用；第三，圆极化波入射到对称目标发生旋向旋转。因此GPS天线终端抑制雨雾干扰和抗多径反射。微带天线的小型化设计方法很多，其中包括使用加载技术，开槽缝法，附加有源网络，以及使用超材料等等。现有的文献中，2013年Nasimuddin,ZhiNingCheng在IEEEantennasandPropagationMagazine发表题为“Slottedmicrostripantennasforcircularpolarizationwithcompactsize”的文章，2013年ChenM,ChenCC在IEEEantennasandWirelessPropagationLetters发表题为“Acompactdual-bandGPSantennadesign”的文章，1998年ChenWS,WuCK,WongKL在Comcuts发表题为“Electrpactcircularly-polarizedcircularmicrostripantennawithcrossslotandperipheralonicsLetters”的文章，文章中分别在辐射贴片表面开槽的方式实现小型化，但天线的阻抗带宽较窄。现有的文献中，2012年YuandanDong,HiroshiToyao在IEEEtransa-ctionsandpropagation发表题为“Designandcharacterizationofminiaturizedpatchantennasloadedwithcomplementarysplit-ringresonators”的文章，2013年HeXiuxu,GuangMingWang在IEEEtransactionsandpropagation发表题为“CompactCircularlypolarizedantennascombiningm-eta-surfacesandstrongspace-fillingmeta-resonators”的文章，2011年HsingYichen,YuTao在IEEEtransa-ctionsonantennasandpropagation发表题为“PerformanceimprovementofaU-slotpatchantennausingadual-bandfrequencyselectivesurfacewithmodifiedjerualemcrosselement-s”的文章，在文章中通过使用RIS结构实现了天线的小型化，提高了阻抗带宽，但天线增益有待提高。现有的文献中，2003年J.S.GuoandG.B.Hsieh在IEEEtransactionsonantennasandpropagation发表题为“Gainenhancementofacircularlypolarizedequilatera-ltriangularmicrostripantenawithaslottedgroundplane”的文章，2013年J.W.Baik,S.J.Kim在Microwaveandopticaltechnologyletters发表题为“Circularlypolarizedmicrostripantennausingasymmetricalringsectorslotsembeddedonthegroundplane”的文章，在文章中将互补谐振环（CSRRS）嵌入天线的贴片上或地板上提高在中心频率的增益，但阻抗带宽较窄。本实用新型针对以上设计的不足，提供了一种新型的小型化GPS天线及其设计方法，使得天线的尺寸有了很大的减少，同时在阻抗带宽和增益方面也有显著提高。技术实现要素：本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一款新型基于超材料的小型化GPS天线,通过采用RIS结构并在地板上嵌入八个互补谐振环方式减少天线尺寸，同时利用在贴片上开2对沿着对角线方向对称且大小不同的环状缝隙来激发圆极化辐射波，与其他小型化天线相比，这款天线的阻抗带宽更宽，增益也有很大的提高，结构紧凑，便于加工。为了达到上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：一种基于超材料的小型化GPS天线，利用同轴馈电的方式，采用双层结构，其特征在于：包括上层贴片，中间贴片，下层贴片。所述上层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为3.38的介质基板上面。所述中间贴片位于2个介质板中间。所述下层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为4.4的FR4材料底部。所述并且两个介质基板大小都为51mm*51mm*3mm。采用RIS结构并在地板上嵌入八个互补谐振环。同时利用在贴片上开2对沿着对角线方向对称且大小不同的环状缝隙来激发圆极化辐射波。天线仿真阻抗带宽为100MHz,天线的3dB轴比带宽分别为16.5MHz，在中心频率1.575GHz时天线的增益为3.70dBic。天线的总体尺寸大小0.267*0.267*0.031。天线的仿真阻抗带宽为1.55GHz~1.65GHz。天线的3dB轴比带宽仿真结果分别为1.5745~1.590GHz。天线在1.575GHz处的实测的最大增益为3.703dBi。参数x0优选为7.8。参数l优选为41mm，中心频率f=1.575GHz。更具体地说，圆极化形成是通过激励出2个幅度相等,极化方式正交,相位相差90°的线极化波,本实用新型采用切2对沿着对角线方向的环状缝隙，在辐射贴片单元表面激励幅度相等，极化方式正交的2个简并模，同时通过调节2对环状缝隙边的大小和相对位置在2个简并模之间形成90°相差，实现右旋圆极化。该天线利用同轴馈电的方式，采用双层结构，从上至下3层贴片依次对应上中下3层贴片，上层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为3.38的介质基板上面，中间贴片位于2个介质板中间，下层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为4.4的FR4材料底部，并且两个介质基板大小都为51mm*51mm*3mm，具体的参数设计如表一所示:表一天线的设计参数参数ablS1S2gh0尺寸/mm5147.141126.90.63参数hx0a1a2cDg1尺寸/mm37.87.188.80.70.5RIS单元有一个正方形金属导体贴片，由介质材料（相对介电常数=4.4）制成的介质基板及金属导体,接地板组成。根据传输线理论可知，该RIS单元可以用并联谐振LC电路等效，RIS单元的大小远远小于一个工作波长，其电磁特性可用集总电感和集总电容来等效。集总电感L主要来自印刷介质基板上的方形导体贴片；集总电容C则由相邻方形金属导体贴片之间的平行电压形成。等效为LC并联谐振电路的RIS单元表面阻抗为：；其中；；；由以上理论可知，表面阻抗为纯电抗性的RIS单元通过选取一个合适的表面阻抗值，可以有效减少天线的尺寸以及改善微带天线的前后比和带宽。开口谐振环是实现左手材料最常用结构之一，SRR谐振频率为：其中L为SRR的自感，C为两环之间的总电容，且式中，为两环间缝隙单位的长度电容。由上式可知SRR的谐振频率可通过改变其结构参数来调节。如果将SRR环金属部分用真空代替，而将其原来环中空白用金属结构填充，则就形成了CSRR.本文主要将互补谐振环嵌入地板同时与电抗性金属面（RIS）的设计结合在一起，这样设计的天线在实现小型化的同时，也使得天线的阻抗带宽，增益及前后比等性能得到了显著的提高。天线的S11仿真与实测的结果可以看出，天线的仿真阻抗带宽为1.55GHz~1.65GHz，；由于加工精度误差和介质的不稳定性，实测的频率略为偏低，并且实测带宽比仿真带宽小。所设计天线的轴比的仿真和测试结果，天线的3dB轴比带宽仿真结果分别为1.5745~1.590GHz；实测和仿真的带宽基本趋于一致。工作在1.575GHz时，辐射贴片表面电流分布情况，贴片开2对大小不同的正方形缝隙之后，改变了表面电流的分布。贴片表面的电流随相位0°到270°的变化呈现出右旋圆极化辐射模式.即在1.575GHz时在+z方向，天线辐射右旋圆极化波。天线在1.575GHz处的实测的最大增益为3.703dBi，由于制作误差和材料的损耗，实测增益低于仿真增益。在中心频率1.575GHz时，天线的归一化辐射方向图，主极化方式为右圆极化，辐射特性良好。参数x0和l的变化对天线的影响，当x0=7.8时，天线S11效果最好，即匹配效果最好。，谐振频率随l的增加频率变低，同时l=41时带宽最宽，且包括中心频率f=1.575GHz，所以取l=41mm。为了突出这种新型结构的优点，本文在最后将这种新型结构与传统的GPS天线结构做了对比，传统的GPS天线即没加CSRR和HIS天线，不仅带宽较窄而且中心频率较高，当在传统天线基础上分别只加HIS结构和同时加HIS和CSRR结构，结果发现这种结构不仅中心频率变低，同时带宽也变宽了很多。一种基于超材料的小型化GPS天线上发送信号的方法，所述方法包括使用基于超材料的小型化GPS天线发送和接收通信信号，其特征在于：利用同轴馈电的方式，采用双层结构，其特征在于：包括上层贴片，中间贴片，下层贴片。所述上层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为3.38的介质基板上面。所述中间贴片位于2个介质板中间。所述下层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为4.4的FR4材料底部。所述并且两个介质基板大小都为51mm*51mm*3mm。采用RIS结构并在地板上嵌入八个互补谐振环。同时利用在贴片上开2对沿着对角线方向对称且大小不同的环状缝隙来激发圆极化辐射波。天线仿真阻抗带宽为100MHz,天线的3dB轴比带宽分别为16.5MHz，在中心频率1.575GHz时天线的增益为3.70dBic。天线的总体尺寸大小0.267*0.267*0.031。天线的仿真阻抗带宽为1.55GHz~1.65GHz。天线的3dB轴比带宽仿真结果分别为1.5745~1.590GHz。天线在1.575GHz处的实测的最大增益为3.703dBi。参数x0优选为7.8。参数l优选为41mm，中心频率f=1.575GHz。附图说明图1示出了本实用新型的天线结构。图2示出了本实用新型的天线结构侧面图。图3示出了本实用新型的从上向下的整体天线图。图4示出了本实用新型的RIS单元模型。图5示出了本实用新型的SRR结构。图6示出了本实用新型的天线的S11仿真与实测的结果。图7示出了本实用新型的天线的轴比的仿真和测试结果。图8示出了本实用新型的天线表面电流分布随相位变化。图9示出了本实用新型的参数x0的变化对天线的影响。图10示出了本实用新型的参数l的变化对天线的影响。图11示出了本实用新型的天线与传统的GPS天线结构的对比图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。实施例1本实用新型以型号为FR4的基板为例进行说明，在实施例中，单元1为第一单元，单元2为第二单元，单元3为第三单元，单元4为第四单元。本实用新型的宽带四单元天线系统包括天线，天线整体结构见图1，贴片印刷在相对介电常数为4.4、损耗正切为0.02、尺寸为108mm×60mm×1.6mm的FR4介质板正面，灰色的地板在其背面。该天线系统由四个完全相同的“∏”型平面倒F天线单元组成，对称分布在介质板正面的四个角上。为了提高天线单元之间的隔离度，在单元1和单元2之间用宽度为0.5mm的中和线连接，中和线中间短路接地，同时延伸出地枝节,而单元1和单元3中间的地板上开长为15mm，宽为1mm的矩形槽。圆极化形成是通过激励出2个幅度相等,极化方式正交,相位相差90°的线极化波,本实用新型采用切2对沿着对角线方向的环状缝隙，在辐射贴片单元表面激励幅度相等，极化方式正交的2个简并模，同时通过调节2对环状缝隙边的大小和相对位置在2个简并模之间形成90°相差，实现右旋圆极化。所设计的天线结构如图1,2,3所示，该天线利用同轴馈电的方式，采用双层结构，从图中可以看出图1从上至下3层贴片依次对应图2上中下3层贴片，图3为从上向下看的整体天线图，上层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为3.38的介质基板上面，中间贴片位于2个介质板中间，下层贴片加工在厚度为3mm，介电常数为4.4的FR4材料底部，并且两个介质基板大小都为51mm*51mm*3mm，具体的参数设计如表一所示:表一天线的设计参数参数ablS1S2gh0尺寸/mm5147.141126.90.63参数hx0a1a2cDg1尺寸/mm37.87.188.80.70.5如图3所示，RIS单元有一个正方形金属导体贴片，由介质材料（相对介电常数=4.4）制成的介质基板及金属导体,接地板组成。从图中可以看出，其中a1为RIS单元介质基片的尺寸，a2为正方形金属导体贴片的尺寸，金属导体贴片与地板之间的介质基片的厚度为h1+h2。根据传输线理论可知，该RIS单元可以用并联谐振LC电路等效，如图4所示，RIS单元的大小远远小于一个工作波长，其电磁特性可用集总电感和集总电容来等效。集总电感L主要来自印刷介质基板上的方形导体贴片；集总电容C则由相邻方形金属导体贴片之间的平行电压形成。等效为LC并联谐振电路的RIS单元表面阻抗为其中由以上理论可知，表面阻抗为纯电抗性的RIS单元通过选取一个合适的表面阻抗值，可以有效减少天线的尺寸以及改善微带天线的前后比和带宽。开口谐振环是实现左手材料最常用结构之一，经典SRR结构如图2所示，其中g,s,w,l分别表示方形开口谐振环的开口大小，内外环距离，金属带宽度，外环边长，l1,l2,l3表示其等效电感，SRR等效电路图如5所示SRR谐振频率为：；其中L为SRR的自感，C为两环之间的总电容，且式中，为两环间缝隙单位的长度电容。由上式可知SRR的谐振频率可通过改变其结构参数来调节。如果将SRR环金属部分用真空代替，而将其原来环中空白用金属结构填充，则就形成了互补谐振环（CSRR）。本文主要将互补谐振环嵌入地板同时与电抗性金属面（RIS）的设计结合在一起，这样设计的天线在实现小型化的同时，也使得天线的阻抗带宽，增益及前后比等性能得到了显著的提高。天线的S11仿真与实测的结果如图6所示，从图中可以看出，天线的仿真阻抗带宽为1.55GHz~1.65GHz，；由于加工精度误差和介质的不稳定性，实测的频率略为偏低，并且实测带宽比仿真带宽小。所设计天线的轴比的仿真和测试结果如图7所示，天线的3dB轴比带宽仿真结果分别为1.5745~1.590GHz；实测和仿真的带宽基本趋于一致。图8为工作在1.575GHz时，辐射贴片表面电流分布情况，从图中可以看出，贴片开2对大小不同的正方形缝隙之后，改变了表面电流的分布。贴片表面的电流随相位0°到270°的变化呈现出右旋圆极化辐射模式.即在1.575GHz时在+z方向，天线辐射右旋圆极化波。天线在1.575GHz处的实测的最大增益为3.703dBi，由于制作误差和材料的损耗，实测增益低于仿真增益。在中心频率1.575GHz时，天线的归一化辐射方向图，主极化方式为右圆极化，辐射特性良好。参数x0和l的变化对天线的影响如图9-10所示,由图9可知，当x0=7.8时，天线S11效果最好，即匹配效果最好。由图10所示，谐振频率随l的增加频率变低，同时l=41时带宽最宽，且包括中心频率f=1.575GHz，所以取l=41mm。为了突出这种新型结构的优点，本文在最后将这种新型结构与传统的GPS天线结构做了对比，对比图如图10所示，由图10可知，传统的GPS天线即没加CSRR和HIS天线，不仅带宽较窄而且中心频率较高，当在传统天线基础上分别只加HIS结构和同时加HIS和CSRR结构，结果发现这种结构不仅中心频率变低，同时带宽也变宽了很多。本文实用新型提供了一种基于超材料的新型小型化GPS天线，利用互补谐振环嵌入地板与电抗性金属面（RIS）的设计相结合方法，不仅使得天线的尺寸明显减少，同时在天线的阻抗带宽和增益方面也有很大的提高，这样设计的天线性能良好，结构紧凑，便于加工，在卫星导航方面具有广泛的应用前景。当前第1页1 2 3