隨著全球定位系統（GPS）在中國各行各業應用的快速發展，對GPS天線的要求越來越高，不僅要滿足右旋圓極化的輻射特性，對其外觀及系統集成度方面的要求也進一步增多，特別是近年來便攜式接收機的應用，對小型化GPS天線提出了迫切需求[1]。微帶天線由于具有體積小、剖面低、易于饋電、能與載體共形、便于實現圓極化等優點而得到了廣泛的研究和發展。應用于GPS的微帶天線研究，也促進了天線帶寬的展寬、小型化及增益的提高[2]。

    單饋電切角圓極化微帶天線是GPS天線設計中最為常見的結構。參考文獻[3]對于該結構給出了詳細的分析和討論。為了減小天線的尺寸，參考文獻[4]通過在貼片中心開槽，增大微帶環表面電流路徑的有效長度，以降低天線的諧振頻率，從而實現小型化。一般而言，單饋電圓極化微帶天線軸比帶寬較窄，嚴格限制了天線的幾何尺寸。為了減少微帶天線制造公差對頻率漂移的影響，參考文獻[5]提出了在輻射貼片四周加載兩對縫隙的方法，既能增大天線的圓極化帶寬，還能減小天線的尺寸。為了提高天線的增益和輻射效率，加載的縫隙也可以開在接地板上[6]。
    本文基于圓極化微帶天線基本理論，借鑒前人的研究成果，設計了一款新穎的結構緊湊、匹配良好、易于調諧的GPS微帶天線。綜合采用切角微擾，貼片中心開槽和貼片四周加載縫隙等設計技術[3-5]，并提出從中心同軸饋電加載微帶線匹配技術來實現天線設計。給出了天線的設計思路和匹配調諧方法，并最終對天線進行了加工和實測。
1 天線的設計
    微帶天線實現圓極化工作的關鍵是激勵產生兩個幅度相等且相位相差90°的正交線極化波。根據腔模理論可知，一個形狀規則的單片微帶天線由一點饋電可產生極化正交、幅度相等的兩個簡并模，為了在簡并模之間形成90°相位差，在規則形狀的單片微帶天線上附加一簡并模分離單元，使簡并正交模的諧振頻率產生分離，工作頻率選在兩個諧振頻率之間，當簡并模分離單元大小選擇合適時，就能形成圓極化輻射[2]。
    本文設計的天線結構如圖1所示。天線采用邊長為L的正方形輻射貼片，通過在正方形貼片對角線上切除ΔL×ΔL方形簡并模分離單元來實現圓極化；通過在貼片中心開正方形槽L2×L2，在貼片四周開長方形縫L1×W1來縮減天線尺寸；通過同軸中心饋電，并采用微帶匹配段W2×L3進行阻抗匹配調節。

    利用仿真軟件HFSS對天線進行了大量的電磁仿真優化計算。研究發現，中心凹槽的邊長L2和四周槽的寬度W1不能太大，太大則會明顯減小貼片天線的有效輻射面積，使天線的輻射場型發生畸變。同時中心凹槽的邊長對匹配也有一定影響，為了保證天線的輻射特性，經過不斷地仿真優化，最終選擇正方形輻射貼片的大小為L=38.5 mm(≈0.38 λg),較傳統理論設計邊長近似0.5λg的貼片面積減小了42%,方形切角的大小ΔL為3.4 mm，中心槽的邊長L2=13 mm，四周縫的寬度W1=2 mm，長度L1=5 mm，接地板邊長G=70 mm。
    天線在實際制作過程中，由于介質材料的不均勻性以及加工誤差的影響導致天線諧振頻率偏移，因此方便快捷地進行天線的調諧顯得尤為重要。圖2給出了在其他參數保持不變，貼片四周縫隙長度L1變化時，天線諧振頻率的變化規律。可以看出，縫隙越長，諧振頻率明顯降低，這是由于曲流技術使得天線有效輻射邊長增大的緣故，因此可以用于對天線諧振頻率的粗調。

    在獲得了天線的大致諧振頻率后，利用同軸中心饋電，加載微帶線進行頻率的微調和阻抗匹配。加載的微帶匹配段對天線的阻抗調節具有一定的規律性。改變L3，輸入阻抗的實部和虛部會同時變化，如圖3所示。但改變W2，輸入阻抗的虛部基本不變，只有實部發生變化，如圖4所示。因此在設計微帶線匹配時，兼顧中心槽的邊長，首先調整L3使輸入阻抗虛部為0，然后調整W2使輸入阻抗實部為50 Ω。 調整后的W2和L3分別為2.5 mm和3 mm時，得到了良好的匹配曲線。

2 天線的實驗
    基于以上的分析與設計結果，對天線進行實物加工，選用低成本FR4材料板進行天線設計，相對介電常數為εr=4.3，損耗角正切tanδ=0.02，厚度h=1.5 mm。加工后的實物圖如圖5所示。

    使用Agilent N5230A矢網對天線的輸入匹配進行了測量。圖6給出了天線的仿真與實測S11的對比曲線。從圖中看出實測結果與仿真結果具有較好的一致性，頻率從1.55 GHz~1.59 GHz范圍內實測S11<-15 dB，即VSWR<1.5，輸入取得了良好的阻抗匹配。實測中心頻率稍向低頻偏移，這是由于FR4介質材料的不穩定性造成的，可以通過前面所述的措施進行微調。

    本文提出了一款小型化GPS微帶天線結構。該天線采用了新穎的中心開槽同軸饋電加載微帶線匹配技術，實現了良好的阻抗匹配。綜合采用了貼片表面開槽曲流技術和切角微擾技術，實現了小型化和圓極化。利用FR4介質基板進行了天線的加工實驗，結果表明，在所需的頻段內，天線的VSWR小于1.5，軸比小于3 dB，增益達到1 dBi，波束寬度超過120&deg;。由于FR4基板損耗較大，天線的增益不太理想，若改用損耗較小的微波介質材料，增益可以明顯提高。該天線結構簡單，易于加工，便于調諧，具有良好的應用前景。
參考文獻
[1] 高陽,董樹榮,王德苗. GPS天線技術及其發展[J]. 無線通信技術, 2008(4):34-39.
[2] WONG K L.Compact and broadband microstrip antenna[M]. NewYork: John Wiley&Sons, Inc,2002.
[3] SHARMA P C, GUPTA K C. Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip attennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1983,31(6):117-123.
[4] CHEN W S, WU C K,WONG K L. Single-feed squarering microstrip antenna with truncated corners for compact circular polarization operation[J]. Electronics Letters, 1998,34(11):1045-1047.
[5] WONG K L, Wu Jianyi. Single-feed small circularly polarised square microstrip antenna [J]. Electronics Letters, 1997,33(22):1833-1834.
[6] SIM C Y D, HAN T Y. GPS antenna with slotted ground  plane[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2008, 50(3):818-821.