GPS天线与HFSS仿真设计

1、摘 要GPS是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的搞干扰和保密性。而GPS就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端。因此接受信号就必须用到微带天线。所以基于GPS的微带天线的研究显得相当重要，广泛的科学实验活动也为这一技术的应用展现极为广阔的前景。而高精度测量天线作为卫星导航接收机的重要组成部分，它的性能如何直接关系到卫星导航接收机测量精度的大小。天线的相位中心变化和多径效应是高精度卫星导航测量系统中的显着误差来源，天线的低仰角增益影响接收机的灵敏度。本文针对高精度卫星测量型接收天线的需求，设计了一种可工

2、作在GPS导航系统的单频微带天线，并采用仿真软件Ansoft HFSS对天线结构进行了优化。本文首先介绍了GPS卫星导航系统应用和工作原理，高精度测量型天线的研究现状、我国卫星导航系统的发展现状。其次，分别介绍了微带天线分析方法和工作原理，分析了微带天线的基本辐射参数、电路参数、设计的基本思路和天线相位中心的标定。再次，借助于仿真软件Ansoft HFSS软件对天线性能进行了数值仿真，设计出了单频圆极化微带天线。关键词：GPS，天线，参数，仿真AbstractGPS is the most advanced and consummate system for satellite navigat

3、ion and positioning in the world, it is not only global, all-weather, real-time high-precision, three-dimensional navigation and positioning capabilities, and has a good anti-interference and confidentiality. But GPS is through accepts the satellite signal, carries on the localization or the guidanc

4、e terminal. Therefore accepts the signal to use the antenna. Therefore the GPS antenna's research appears quite important, widespread scientific experiment also for this technical application development extremely broad prospect. But the high-accuracy survey antenna takes the satellite navigatio

5、n receiver's important component, its performance how direct relation satellite navigation receiver measuring accuracy size. Antenna's phase center change and the multi-diameter effect are in the high accuracy satellite navigation measurement system's appreciable error originate, antenna

6、's low elevation angle gain affects receiver's sensitivity. This article in view of the high accuracy satellite survey receiving antenna's demand, designed one kind to be possible to work in the GPS guidance system's monofrequent microstrip antennas, and used simulation software Anso

7、ft HFSS to carry on the optimization to the antenna structure. This article first introduced the GPS satellite navigational system application and the principle of work, the high-accuracy survey antenna's research present situation, our country satellite navigational system's development pre

8、sent situation. Next, introduced separately the microstrip antennas analysis method and the principle of work, have analyzed microstrip antennas's basic radiation parameter, the circuit value, the design basic mentality and the antenna phase center demarcation. Once more, with the aid of softwar

9、e has carried on the value simulation in simulation software Ansoft the HFSS to the antenna performance, designed the monofrequent circular polarization microstrip antennas. Key word：GPS, Antenna, Parameters, Simulation 目 录1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.3 课题研究的可行性21.4 课题研究的必要性21.5 论文的主要工作和内容安

10、排22 GPS的组成42.1 GPS卫星星座42.1.1 GPS工作卫星及其星座42.1.2 GPS卫星及其功能52.2 地面监控系统62.2.1 系统的组成62.2.2 系统的主要功能72.3 用户设备部分82.3.1 GPS用户设备组成部分82.3.2 GPS接收机的作用82.3.3 GPS接收机分类92.3.4 GPS用户设备发展的主要趋势103 GPS的特点和用途123.1 GPS的特点123.1.1 全球覆盖连续导航定位123.1.2 高精度三维定位123.1.3 实时导航定位123.1.4 被动式导航定位123.1.5 抗噪声干扰性能好、保密性强123.2 GPS的发展应用133.

11、2.1 GPS的最初用途133.2.2 GPS系统用途广泛133.2.3 多元化空间资源环境的出现133.2.4 发展GPS产业143.2.5 GPS的应用将进入人们的日常生活144 微带天线基本理论154.1 微带天线简介154.2 微带天线的分析方法164.3 微带天线的基本参数174.3.1 辐射参数174.3.2 电路参数195 微带天线基本设计思路215.1 微带天线的设计主要有以下几个步骤215.2 天线相位中心的标定236 GPS单馈点圆极化微带天线仿真设计256.1 引 言256.2 单馈点圆极化微带天线仿真设计256.2.1 微带天线的设计256.2.2 仿真结果与分析286

12、.2.3 总结29结论与展望301 主要研究工作总结302 有待解决的问题30参考文献32致谢331 绪论1.1 课题研究背景及意义在航天技术和计算机技术迅猛发展的今天，GPS（Global Positioning System）作为新一代卫星和导航和定位系统，是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

13、随着系统配置的日趋完善，GPS的发展方向和应用范围逐渐脱离了纯军用宗旨而成为一种全球性信息资源，从而有效地支持了各种民用和商用服务。它不仅具有全球性、实时性、全天候、连续、快速、高精度的三维导航、定位、定时功能，而且具有良好的搞干扰性和保密性。GPS就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端。而接受信号就必须用到微带天线。GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHz和1228MHz，其中L1为开放的民用信号，信号为圆形极化。信号强度为166-dBm左右，属于比较弱的信号。 这些特点决定了要为GPS信号的接受准备专门的天线。GPS天线分为垂直极化和圆形极化，以现在的技术，垂直极

14、化的效果比不上圆形极化。因此除了特殊情况，GPS天线都会采用圆形极化。本文正是针对高精度卫星测量型接收天线的需求，设计了一种可工作在GPS导航系统的单频微带天线，并采用仿真软件Ansoft HFSS对天线结构进行了优化。1.2 国内外研究现状及发展趋势由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米

15、提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币，可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。因此天线作为接受GPS卫星信号的重要部分,良好的天线能接受到稳定、持久、清晰的GPS信号，因此对GPS天线的研究更显得日益重要。GPS天线设计的应用前景光明，市场潜力大。1.3 课题研究的可行性随着GPS卫星导航定位系统广泛步入消费者的生活中，消费者对其稳定、持久、清晰等性能提出了更高的要求。天线作为GPS

16、卫星导航定位系统的重要组成部分，如何利用计算机技术判断出天线的好坏，相当重要。所以基于GPS的天线仿真设计，是非常可行的。1.4 课题研究的必要性 今天GPS天线是无处不在，它已经渗透到我们生活的各个领域：电脑，电视，手机，卫星，汽车，飞机，船舰等等。我们生活在天线的世界中，天线已成为我们不可缺少的触角。为了适应GPS卫星导航定位系统的要求，GPS天线成为天线一个新的发展方向。1.5 论文的主要工作和内容安排本文首先简单介绍了一下GPS的相关知识，接着介绍GPS的特点和用途，然后又介绍了微带天线的基本理论，再推出了微带天线基本设计思路，最后详细介绍GPS单馈点圆极化微带天线仿真设计。本文各章内

17、容组织如下：第一章概述了本文研究的背景与意义，提出了研究的可行性和必要性，最后指出了本课题研究的内容和所做的工作。第二章主要是探讨了GPS的组成。详细分析了GPS卫星星座的布置及功能、地面监控系统的组成及主要功能、用户设备组成和作用。第三章主要介绍GPS的特点和用用途。首先对GPS全球覆盖连续导航定位特点进行介绍，然后再对民用GPS进行了分析。第四章主要介绍了微带天线的基本理论。第五章主要分析了微带天线基本设计思路。第六章主要研究GPS单馈点圆极化微带天线仿真设计。结论与展望是总结了本文的工作，给出了本文的研究结论，并对下一步研究工作做出了展望。 2 GPS的组成GPS采用“多星、高轨、测时、

18、测距”体制，实现了全球覆盖、高天候、高精度、实时连续导航定位。GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。图2.1 GPS系统工作简图2.1 GPS卫星星座2.1.1 GPS工作卫星及其星座GPS空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。在两万多公里高空的GPS

19、卫星，当地球对恒星来说自转一周后，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观察者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时导航定位，GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。图2.2 GPS卫星

20、工作星座图2.1.2 GPS卫星及其功能GPS卫星的主体呈图柱形，卫星入轨后，星体的两侧各伸出一块太阳能电池翼板，对日定向系统控制两块翼板旋转，使一般始终对准太阳，为卫星不断提供电源，并给3组15A的镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区内能正常工作。GPS卫星的主要功能为：1、接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。2、利用卫星微处理器完成必要的数据处理。3、由星载高精度原子钟产生的基准信号并提供精度的时间标准。4、向用户连续不断地发送导航定位信号，其中包括两种截波信号L1和L2。L1频率1575.42MHz、L2频率为1227.60MHz；调制在载波L1的伪噪声码C/

21、A码，码频率为1.023MHz;调制在L1和L2上的伪噪声码P码，频率为10.23MHz;调制在L1和L2上的导航电文，称为D码。5、接收地面主控站通过注入站发送给卫星的调度命令，如调整卫星的姿态、启用备用时钟或启用备用卫星等。2.2 地面监控系统2.2.1 系统的组成地面监控部分：由1个主控站、3个注入站和5个全球监测站组成。整个GPS地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯系统联系在起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。图2.3 GPS系统的组成1、主控站的作用1个主控站，其位于美国本土科罗拉多斯平土的联合空间执行中心CSOC。主控站

22、的主要任务为：根据各监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差、和大气层修正参数并把这些数据传送到注入站；提供GPS系统的时间标准；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运气；启用备用卫星以取代失效的工作卫星。2、注入站的作用3个注入站，其分别设在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡亚瓦加兰。注入站的主要任务为：在主控站的控制下，把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到相应卫星的存储系统。监测站的主要任务为：给主控站编算导航电文提供数据，每个监控站均用GPS信号接收机，对每颗可见卫星每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，并采集气象要素等数据。3、监测站的作用5个

23、监控站，其中4个与主控站，注入站重叠，另外一个设在夏威夷。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运气至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站的作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。图2.4 地面监控系统各站的分布图 2.2.2 系统的主要功能 1. 跟

24、踪观测GPS卫星。各监测站GPS接收机对GPS接收机对GPS卫星连续观测，同时收集当时的气象数据。2. 收集数据。主控站收集各种监测站所测得的伪距和积分多普勒等观测值、气象数据、卫星时钟和工作状态数据、监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。3. 编算导航电文。根据所收集的数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正、状态数据和信号的电离层延迟改正等参数，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站。4. 诊断状态。主控站监测整个地面监控系统是否正常工作，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发送给用户等。5. 注入导航电文。注入站在主控站的控制下，将卫星星历、卫星时

25、钟钟差等参数和其它控制指令注入给各GPS卫星。6. 调度卫星。主控站控制GPS卫星改变和修轨道，还能进行卫星调度，用备用星取代失效的卫星。图2.5 地面监控系统主框图2.3 用户设备部分 用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可以按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。2.3.1 GPS用户设备组成部分 GPS系统的用户设备部分由GPS接

26、收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成，GPS接收机硬件包括接收机主机，天线和电源，它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件是指各种后处理软件包，它通常由厂家提供，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。GPS接收机的类型，一般可分为导航型、测量型和授时型三类，测量单位使用的GPS接收机一般为测量型。2.3.2 GPS接收机的作用 GPS现在一般都是12通道的，可以同时接收12颗卫星。早期的型号，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收机收到的3颗卫星的信号可以输出2D(

27、就是2维)数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就能输出3D数据，可以提供海拔高度。但是因为地球的问题，不太标准的图，所以高度数据有一些误差。现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和VISTA,这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，所以，屋里就不能用了。手持PGS的精度一般是误差在10米左右，就是说一条路能看出走是左边还是右边。精度主要依赖于卫星的信号接

28、收，和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高。 2.3.3 GPS接收机分类GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。1. 按接收机的用途分类导航型接收机：此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给

29、出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量。单点实时定位精度较低，一般为±25mm,有SA影响时为±100mm.这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达71km/s以上，因此对接收机的要求更高。测地型接收机：测地型接收机主要用于精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间准进行授时，常用

30、于天文台及无线电通讯中时间同步。按接收机的载波频率分类：单频接收机单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。双频接收机：双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。2. 按接收机通道数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可以分为：多信道接收

31、机、序贯通道接收机和多路多用通道接收机。3. 按接收机工作原理分类码相关型接收机：码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机：平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号：通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。干涉型接收机：这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。2.3.4 GPS用户设备发展的主要趋势1. 集成化、小型化。随着电子技术和微处理技术的发展，GPS接收机的集成化程

32、度越来越高，使整机尺寸和质量大大减少，价格也迅速下降。2. 高动态、多通道。研制和生产高动态、多通道的接收机，以满足动态定位用户的需要。这种接收机有多达12-20个通道，可同时跟踪8-12颗卫星，不致于因载体机动丢失个别卫星的信号而中断导航定位。3. 差分GPS接收机，这种接收机可以进行实时差分导航定位，以消除定位误差，提高定位精度。4. 以GPS为中心的组合导航系统，如GPS/INS(惯导)、GPS/GLONASS等组合式导航系统，具有广阔的应用前景。5. 高精度动态接收机。当前动态GPS接收机大多为伪距测量型接收机，而非特许用户只能利用C/A码，其实时实位精度较低，在无SA条件下最高达m级

33、精度，不能满足高精度要求的用户需要。为此，许多加家研制了动态高精度载波相位测量型GPS接收机。6. GPS与通信结合。没有好的通信链，GPS的作用得不到充分发挥，目前很多国家在研究移动通信与GPS相结合的技术。 3 GPS的特点和用途3.1 GPS的特点3.1.1 全球覆盖连续导航定位由于GPS有24颗卫星，且分布合理，轨道高达20200km,所以在地球上和近地空间上任何一点，均可连续同步地观测4颗以上卫星，实现了全球、全天候连续导航定位。3.1.2 高精度三维定位 GPS能连续地为各类用户提供三维位置、三维速度和精确时间信息。GPS提供的测量信息多，既可通过伪码测定伪距，又可测定多普勒频移、

34、载波相位。伪距观测的单点实时定位精度，P码为10m,C/A码为26m；事后处理精度可达3m-5m。载波相位测量的相对定位精度可达10-7-10-8。3.1.3 实时导航定位利用GPS进行导航定位，1S即可完成一次定位，这对高动态用户尤为重要。3.1.4 被动式导航定位用GPS进行导航定位时，用户设备只需接收GPS信号就可进行导航定位，而不需要用户发射任何信号。这种被动式导航定位不仅隐蔽性好，而且可容纳无数多用户。3.1.5 抗噪声干扰性能好、保密性强GPS采用数字通信的特殊编码技术，即伪噪声码扩谱技术，因而具有良好的抗扰性和保密性。3.2 GPS的发展应用.3.2.1 GPS的最初用途GPS最

35、初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。3.2.2 GPS系统用途广泛目前，GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控定

36、网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要供助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。3.2.3 多元化空间资源环境的出现目前，GPS，GLONASS,INMARSAT 等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的空间资源环境。这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策略，即一方面对现有系统充分利用，一方积极筹建民间GNSS系统，待到2010年前后，GNSS纯民间系统建

37、成，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有、国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国际民间的这一策略，反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整。总之，由于多元化空间资源环境的确立，给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。3.2.4 发展GPS产业 今后GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统WAAS(即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具有C/A码功能，形成广域GPS增强系统)计划发展成国际标准。我

38、国目前也有一些单位生产车载GPS系统。为发展我国的GPS的产业，武汉已经成立中国GPS工程中心。3.2.5 GPS的应用将进入人们的日常生活 最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。两三年GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行信道和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图

39、软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什么是GPS，但有人预言，GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。 4 微带天线基本理论4.1 微带天线简介早在1953年美国的Deschamps教授就提出微带天线的概念，从二十世纪七十年代开始，在理论研究、模型和材料技术上的突破，微带天线的开发和研究才真正开始。已经广泛应用于卫星通信、无线移动通信

40、、导弹遥测遥控、遥感、制导弹药武器引信、雷达、电子对抗、飞机高度表医用微波辐射计、环境监测仪表等。与常用的传统微波天线相比，微带天线具有如下优点：重量轻、体积小以及剖面低、易与飞行器等载体共形；能与电路和有源器件集成为单一的模件；可以用简单馈电方式实现圆极化和线极化等多种极化方式；馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产等。与常规微波频段天线相比，微带天线也有其局限性和缺点，主要有：（1）带宽窄；（2）功率较小；（3）难以保证极化纯度；（4）不具备全向辐射特性；（5）馈源和结合处的阻抗匹配不佳会导致一定的辐射；（6）增益较低以及阵列馈电结构中的欧姆损耗比较大；（7）虽然在高

41、介电常数基片上制造的微带天线易与射频前端电路集成，同时也会导致交叉极化和较窄的带宽等缺点。结构最简单的矩形微带贴片天线是由介质基片以及其上表面的作为辐射贴片的金属薄层以及贴在其下表面的接地板所构成的。因而其结构包括三部分：介质上表面的辐射贴片、介质层和介质下表面的接地面如图4.1所示。图4.1 微带天线4.2 微带天线的分析方法微带天线的辐射场是由微带天线导体边缘和接地板之间的边缘场产生的，微带天线的辐射可以用由图2-2所示的矩形微带贴片天线来说明。这是一个矩形微带贴片，微带贴片天线的尺寸为a×b，微带介质基片厚度为h，其中h<<，为真空中的波长。则辐射的电场结构可由图4

42、.2所示，电场仅沿b=的贴片长度方向变化。辐射基片是由贴片开路边缘引起的，在两端的电场相对接地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长b=。所以，法向分量反向，由他们产生的远场在正面方向上互相抵消。平行与接地板的切向分量相同，因此合成场增强，从而使垂直与结构表面的方向上辐射最强。所以贴片可以表示为相距、同相激励并向地板以上半空间辐射的两个狭缝。也可以考虑电场沿贴片宽度变化的情况。此时，微带贴片天线可以用贴片周围的四个狭缝来表示。同样，其它微带天线结构也可以用等效的狭缝来表示。图4.2 微带天线的基本工作原理天线分析的基本问题是求解天线在周围空间辐射的电磁场，求得电磁场分布后，进而得出其增益、

43、方向图和输入阻抗等特性指标。分析微带天线的基本理论大致可分四类：首先最早出现的也最简单的是传输线模型 （TLM-Transmission Line Model）理论，主要用于矩形贴片天线；第二种更严格更有用的是空腔模型（CM-Cavity Model）理论，可用于各种规则形状的贴片天线，如矩形、圆形、三角形等，一般用于天线厚度远小于波长的情况；第三种是空腔模型的扩展理论多端网络模型（MNM-Multiport Network Model）理论；最后最严格同时计算也最为复杂的是积分方程法 （IEM-Integral Equation Method），即通常所说的全波（FW-Full wave）理

44、论。4.3 微带天线的基本参数天线是无线电设备的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响无线电设备的性能。人们用天线的电参数来衡量天线性能的好坏。无源天线具有互易结构，按互易定理，不论作为发射天线还是接收天线，它们的电参数是相同的，只是含义有所不同。天线的电参数可以分为辐射特性参数和电路特性参数两类。辐射特性参数主要包括方向图、增益、极化等，电路特性参数主要包括输入阻抗、效率、带宽、匹配程度等。以下仅从发射天线出发简述天线的基本电参数。4.3.1 辐射参数1、方向性函数和方向图天线具有定向性，因此天线在远场区距离为r的球面上各点的辐射或接收强度是不同的，即是角坐标的函数，可表示为： （4.1）式中

45、，A为比例常数，称为天线方向性函数。为了便于对各种天线的方向图进行比较以及绘图方便，一般取方向胜函数的最大值为1，即得归一化方向性函数，表示为： （4.2）2、方向性系数D和增益G天线的方向性系数D和天线增益G是天线最重要的参量。为了在不同天线之间做定量的比较，便于更好地描述天线，定义了天线的方向性系数D。 （4.3）在同样距离和相同辐射功率条件下，天线方向图上的最大辐射功率密度与其平均辐射功率密度之比定义为天线方向性系数，是大于或等于1的无量纲比值。天线的波数范围越小，天线的方向性系数就越高。图4.3 辐射方向图和方向性天线的增益定义为在同样距离和相同输入功率下，天线方向图上最大功率密度和理

46、想向天线的辐射功率密度之比。天线的增益是一个实际的参量，由于天线的欧姆损耗，也可以说是热损耗，所以天线的增益要小于方向性系数，一个天线的方向性系数和效率因子的乘积就是天线的增益，天线效率是天线辐射功率和输入功率之比，天线的效率不可能达到100%。如果计入馈线损耗，这时的天线增益称为实际增益。3、极化方式天线的极化是描述天线辐射电磁场矢量空间指向的参数。由于电场和磁场有恒定的关系，所以一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。根据天线在其最辐射方向上电场的极化形式来定义天线的极化，可分为圆极化、线极化和椭圆极化。当天线在最大辐射方向上电场矢量在空间取向固定不变时，该天线为线极化。在

47、以地面为参考面时，线极化又可分为垂直极化、水平极化和斜极化（例如电子战常用的斜45度极化天线）。当该电场矢量的取向变化，而幅度保持不变，且端点轨迹为一个圆时，称其为圆极化。圆极化又有左旋圆极化和右旋圆极化之分，在工程上规定：顺着电波传播方向看去，电场矢量端点转方向是顺时针的就称为右旋圆极化，反之则称为左旋圆极化。如果旋转矢量端点轨迹是一个椭圆，则称为椭圆极化。描写极化特性有3个参数，即轴比、旋向和倾角。天线在其最大辐射方向上所需要的极化分量称为主极化，而与主极化成正交或相反的极化称为交叉极化或寄生极化。对线极化天线而言，交叉极化方向和主极化方向相垂直；对圆极化天线来，交叉极化可以看成是与主极化

48、旋向相反的分量。天线的圆极化是由两个幅度相同，空间相互垂直且有相位差的线极化波叠加产生，同时任何两个幅度相同，旋向相反的圆极化波可产生一个线极化波。由于某种原因，天线可能辐射不需要的交叉极化分量，甚至在某个方向上还可能产生较大的交叉极化电平，则天线的增益会有所下降。在同一系统中，收、发天线的极化方式必须相同。若接收天线的极化与入射平面波的极化一致，则称极化匹配；若极化不匹配，接收功率损失，则极化效率小于1，其值的大小反映了极化失配的程度。4.3.2 电路参数1、输入阻抗天线馈电端电压和电流之比称为天线输入阻抗。 （4.4）设计天线的一个很重要的工作就是使天线的输入阻抗和馈线的特性阻抗匹配。天线

49、的输入阻抗取决于天线的工作原理、结构尺寸、周围介质、工作环境以及工作频率。一般情况下，天线的输入阻抗包括输入电阻和输入电抗。输入电阻又包括辐射电阻和损耗电阻。为了实现天线匹配，第一步要消去天线的输入电抗。而真正对我们有用的是天线的辐射电阻，辐射电阻所损耗的有功功率是天线的有用功。2、辐射电阻假设天线所辐射的功率被一个等效电阻所吸收，这个假想的电阻就称为天线的辐射电阻。辐射功率与辐射电阻的关系为： （4.5）式中，I是天线上某参考点处电流的有效值。辐射电阻的大小说明了天线辐射能力或接收能量的强弱。3、天线效率天线辐射功率总是比输入到天线的功率小一些，也就是说天线有损耗。天线效率定义为： （4.6

50、）其中，分别是天线的辐射功率、损耗功率和输入功率。天线损耗包括导体损耗、介质损耗和加载电路中的损耗。4、带宽天线总是在一定频率范围内工作，在该频率范围内，一个或者一组选定的天线参数的变化不超出可以接受的允许值。天线有多种形式的带宽，方向图带宽、增益带宽和输入阻抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。在超宽带天线研究领域，天线带宽始终是一个重要参数，常见的定义为以下几种：绝对带宽，其定义为式： （4.7）其中为考察频带的最高频率，为考察频带的最低频率。绝对带宽常用于电磁频谱的划分，有时也用于描述天线的实际工作频率。相对带宽：广义的讲，相对带宽有几种不同的定义。在通信领域常用的相对带宽指系统绝对带

51、宽与中频之比。 （4.8）5 微带天线基本设计思路5.1 微带天线的设计主要有以下几个步骤1、介质基板的选择作为微带天线设计的第一步就是要选定介质基板材料并确定其厚度h。这是因为基板材料的介电常数和损耗角正切值及其厚度直接影响着微带天线的一系列性能指标。对工作于TM01模的矩形微带天线贴L 近似为，介质中波长，我们知道=，为自由空间波长，为有效介电常数。可见L值与r直接相关。当长度和宽度确定后，厚度h的取值则决定了天线的体积和重量。在传输线模型分析法中知道，矩形微带天的E面方向图宽度与两辐射边间距有关，对于相同的工作频率采用不同线r的基板所对应的长度不同，所以E面波束宽度也就不同，E面波束宽度

52、可根据二元阵公式算出。矩形微带天线的低带宽主要是由于两个辐射缝隙之间低的传输特性阻抗频带变宽，VSWR2的时候的频带宽度的经验导致的。厚度的增加可以使公式为： （5.1）由传输线理论可以看到厚度的增加可以使辐射效率增大。实验也证明基板厚度对天线的辐射效率有显着的影响。2、宽度w的确定在确定介质基板材料及其厚度h后，应先确定单元宽度W的尺寸，由前面的分析可当r及h已知时取决于W，而单元长度的尺寸又取决于.W的尺寸影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也就影响着频带宽度和辐效率。另外，W尺寸直接地支配着微带天线的寸。在安装尺寸允许的条件下，W取得适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，

53、当W尺寸大于式（5.2）给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变： （5.2）式中c是自由空间光速，是谐振频率。由上式可知W的值总是要取小于的值。3、长度L的确定矩形微带天线的长度理论上取，由于边缘场的影响应减去2 （5.3）从而可以得出： （5.4）4、基板尺寸的确定实验表明，微带天线辐射的口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质过多地向外延伸对这种场分布没有明显的影响。在较低频段工作时，边向外延伸从减小天线重量及安装面积和降低成本着眼，WG和LG的尺寸应尽可能小，实验表明辐射元各就可以，因此对于同轴馈电情况可用下式。 （5.5） （5.6）对于侧馈情况，WG按式（5.5），而LG则视馈线及

54、阻抗变换器的配置而定。5、馈电方式以及阻抗匹配的确定矩形微带天线的馈电方式分为微带线馈电（侧馈）方式和同轴馈电（背馈）方式两种。由工作于主模的矩形微带天线的场结构可知，沿长度方向谐振输入电阻从侧馈时的最大值变到中心时的零，即： （5.7）式（5.7）中的为侧馈时的输入电阻，是背馈点离侧馈边的距离。于是可以用实验方法方便地在某一个处实现与馈电线的匹配，省去了阻抗变换器。在制作侧馈的矩形微带天线时，可按下述方法实现匹配：将中心馈电的天馈其输入阻抗并设计出匹配变换器，然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器就做成所需要的天线了。接下来还需要对天线的辐射方向图进行计算，目前许多的商业仿真软件都能计算出比较精确的辐射方向图，最后还需要对天线的输入阻抗、辐射电阻、Q值和天线效率、方向性系数、增益和半功率宽度进行计算。5.2 天线相位中心的标定天线的相位中心点是指天线的辐射场分量等效的由这点辐射出去，辐射波为一球面。理想天线存在唯一的相位中心，其等相面为球面，因此接收不同方向的卫星信号时不会因为天线本身产生额外的相位差而造成定位测量结果的偏差。然而在整