一種基于超材料的小型化GPS天線上發送信號的方法與流程

本發明涉及小型化gps天線的
技術領域：
，更具體地說，涉及一種基于超材料的小型化gps天線。
背景技術：
：現代無線通信系統對天線的小型化需求日益增強，近年來小型化天線在gps導航終端得到了廣泛的應用，小型化，圓極化和寬帶化等問題也成為gps導航領域研究中的熱點，gps導航系統要求天線有良好的圓極化性能，圓極化有以下優點：第一，圓極化天線可以接受任意極化來波；第二，在很多領域中圓極化天線中旋向正交性有很廣泛的應用；第三，圓極化波入射到對稱目標發生旋向旋轉。因此gps天線終端抑制雨霧干擾和抗多徑反射。微帶天線的小型化設計方法很多，其中包括使用加載技術，開槽縫法，附加有源網絡，以及使用超材料等等。現有的文獻中，2013年nasimuddin,zhiningcheng在ieeeantennasandpropagationmagazine發表題為“slottedmicrostripantennasforcircularpolarizationwithcompactsize”的文章，2013年chenm,chencc在ieeeantennasandwirelesspropagationletters發表題為“acompactdual-bandgpsantennadesign”的文章，1998年chenws,wuck,wongkl在comcuts發表題為“electrpactcircularly-polarizedcircularmicrostripantennawithcrossslotandperipheralonicsletters”的文章，文章中分別在輻射貼片表面開槽的方式實現小型化，但天線的阻抗帶寬較窄。現有的文獻中，2012年yuandandong,hiroshitoyao在ieeetransa-ctionsandpropagation發表題為“designandcharacterizationofminiaturizedpatchantennasloadedwithcomplementarysplit-ringresonators”的文章，2013年hexiuxu,guangmingwang在ieeetransactionsandpropagation發表題為“compactcircularlypolarizedantennascombiningm-eta-surfacesandstrongspace-fillingmeta-resonators”的文章，2011年hsingyichen,yutao在ieeetransa-ctionsonantennasandpropagation發表題為“performanceimprovementofau-slotpatchantennausingadual-bandfrequencyselectivesurfacewithmodifiedjerualemcrosselement-s”的文章，在文章中通過使用ris結構實現了天線的小型化，提高了阻抗帶寬，但天線增益有待提高。現有的文獻中，2003年j.s.guoandg.b.hsieh在ieeetransactionsonantennasandpropagation發表題為“gainenhancementofacircularlypolarizedequilatera-ltriangularmicrostripantenawithaslottedgroundplane”的文章，2013年j.w.baik,s.j.kim在microwaveandopticaltechnologyletters發表題為“circularlypolarizedmicrostripantennausingasymmetricalringsectorslotsembeddedonthegroundplane”的文章，在文章中將互補諧振環（csrrs）嵌入天線的貼片上或地板上提高在中心頻率的增益，但阻抗帶寬較窄。本發明針對以上設計的不足，提供了一種新型的小型化gps天線及其設計方法，使得天線的尺寸有了很大的減少，同時在阻抗帶寬和增益方面也有顯著提高。技術實現要素：本發明的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一款新型基于超材料的小型化gps天線,通過采用ris結構并在地板上嵌入八個互補諧振環方式減少天線尺寸，同時利用在貼片上開2對沿著對角線方向對稱且大小不同的環狀縫隙來激發圓極化輻射波，與其他小型化天線相比，這款天線的阻抗帶寬更寬，增益也有很大的提高，結構緊湊，便于加工。為了達到上述目的，本發明通過下述技術方案予以實現：一種基于超材料的小型化gps天線，利用同軸饋電的方式，采用雙層結構，其特征在于：包括上層貼片，中間貼片，下層貼片。所述上層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為3.38的介質基板上面。所述中間貼片位于2個介質板中間。所述下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為4.4的fr4材料底部。所述并且兩個介質基板大小都為51mm*51mm*3mm。采用ris結構并在地板上嵌入八個互補諧振環。同時利用在貼片上開2對沿著對角線方向對稱且大小不同的環狀縫隙來激發圓極化輻射波。天線仿真阻抗帶寬為100mhz,天線的3db軸比帶寬分別為16.5mhz，在中心頻率1.575ghz時天線的增益為3.70dbic。天線的總體尺寸大小0.267*0.267*0.031。天線的仿真阻抗帶寬為1.55ghz~1.65ghz。天線的3db軸比帶寬仿真結果分別為1.5745~1.590ghz。天線在1.575ghz處的實測的最大增益為3.703dbi。參數x0優選為7.8。參數l優選為41mm，中心頻率f=1.575ghz。更具體地說，圓極化形成是通過激勵出2個幅度相等,極化方式正交,相位相差90°的線極化波,本發明采用切2對沿著對角線方向的環狀縫隙，在輻射貼片單元表面激勵幅度相等，極化方式正交的2個簡并模，同時通過調節2對環狀縫隙邊的大小和相對位置在2個簡并模之間形成90°相差，實現右旋圓極化。該天線利用同軸饋電的方式，采用雙層結構，從上至下3層貼片依次對應上中下3層貼片，上層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為3.38的介質基板上面，中間貼片位于2個介質板中間，下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為4.4的fr4材料底部，并且兩個介質基板大小都為51mm*51mm*3mm，具體的參數設計如表一所示:表一天線的設計參數ris單元有一個正方形金屬導體貼片，由介質材料（相對介電常數=4.4）制成的介質基板及金屬導體,接地板組成。根據傳輸線理論可知，該ris單元可以用并聯諧振lc電路等效，ris單元的大小遠遠小于一個工作波長，其電磁特性可用集總電感和集總電容來等效。集總電感l主要來自印刷介質基板上的方形導體貼片；集總電容c則由相鄰方形金屬導體貼片之間的平行電壓形成。等效為lc并聯諧振電路的ris單元表面阻抗為：其中xl＝zdtankd；由以上理論可知，表面阻抗為純電抗性的ris單元通過選取一個合適的表面阻抗值，可以有效減少天線的尺寸以及改善微帶天線的前后比和帶寬。開口諧振環是實現左手材料最常用結構之一，srr諧振頻率為：其中l為srr的自感，c為兩環之間的總電容，且c＝2πr0cpul式中，cpul為兩環間縫隙單位的長度電容。由上式可知srr的諧振頻率可通過改變其結構參數來調節。如果將srr環金屬部分用真空代替，而將其原來環中空白用金屬結構填充，則就形成了csrr.本文主要將互補諧振環嵌入地板同時與電抗性金屬面（ris）的設計結合在一起，這樣設計的天線在實現小型化的同時，也使得天線的阻抗帶寬，增益及前后比等性能得到了顯著的提高。天線的s11仿真與實測的結果可以看出，天線的仿真阻抗帶寬為1.55ghz~1.65ghz，；由于加工精度誤差和介質的不穩定性，實測的頻率略為偏低，并且實測帶寬比仿真帶寬小。所設計天線的軸比的仿真和測試結果，天線的3db軸比帶寬仿真結果分別為1.5745~1.590ghz；實測和仿真的帶寬基本趨于一致。工作在1.575ghz時，輻射貼片表面電流分布情況，貼片開2對大小不同的正方形縫隙之后，改變了表面電流的分布。貼片表面的電流隨相位0°到270°的變化呈現出右旋圓極化輻射模式.即在1.575ghz時在+z方向，天線輻射右旋圓極化波。天線在1.575ghz處的實測的最大增益為3.703dbi，由于制作誤差和材料的損耗，實測增益低于仿真增益。在中心頻率1.575ghz時，天線的歸一化輻射方向圖，主極化方式為右圓極化，輻射特性良好。參數x0和l的變化對天線的影響，當x0=7.8時，天線s11效果最好，即匹配效果最好。，諧振頻率隨l的增加頻率變低，同時l=41時帶寬最寬，且包括中心頻率f=1.575ghz，所以取l=41mm。為了突出這種新型結構的優點，本文在最后將這種新型結構與傳統的gps天線結構做了對比，傳統的gps天線即沒加csrr和his天線，不僅帶寬較窄而且中心頻率較高，當在傳統天線基礎上分別只加his結構和同時加his和csrr結構，結果發現這種結構不僅中心頻率變低，同時帶寬也變寬了很多。一種基于超材料的小型化gps天線上發送信號的方法，所述方法包括使用基于超材料的小型化gps天線發送和接收通信信號，其特征在于：利用同軸饋電的方式，采用雙層結構，其特征在于：包括上層貼片，中間貼片，下層貼片。所述上層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為3.38的介質基板上面。所述中間貼片位于2個介質板中間。所述下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為4.4的fr4材料底部。所述并且兩個介質基板大小都為51mm*51mm*3mm。采用ris結構并在地板上嵌入八個互補諧振環。同時利用在貼片上開2對沿著對角線方向對稱且大小不同的環狀縫隙來激發圓極化輻射波。天線仿真阻抗帶寬為100mhz,天線的3db軸比帶寬分別為16.5mhz，在中心頻率1.575ghz時天線的增益為3.70dbic。天線的總體尺寸大小0.267*0.267*0.031。天線的仿真阻抗帶寬為1.55ghz~1.65ghz。天線的3db軸比帶寬仿真結果分別為1.5745~1.590ghz。天線在1.575ghz處的實測的最大增益為3.703dbi。參數x0優選為7.8。參數l優選為41mm，中心頻率f=1.575ghz。附圖說明圖1示出了本發明的天線結構。圖2示出了本發明的天線結構側面圖。圖3示出了本發明的從上向下的整體天線圖。圖4示出了本發明的ris單元模型。圖5示出了本發明的srr結構。圖6示出了本發明的天線的s11仿真與實測的結果。圖7示出了本發明的天線的軸比的仿真和測試結果。圖8示出了本發明的天線表面電流分布隨相位變化。圖9示出了本發明的參數x0的變化對天線的影響。圖10示出了本發明的參數l的變化對天線的影響。圖11示出了本發明的天線與傳統的gps天線結構的對比圖。具體實施方式下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細的描述。實施例1本發明以型號為fr4的基板為例進行說明，在實施例中，單元1為第一單元，單元2為第二單元，單元3為第三單元，單元4為第四單元。本發明的寬帶四單元天線系統包括天線，天線整體結構見圖1（a），貼片印刷在相對介電常數為4.4、損耗正切為0.02、尺寸為108mm×60mm×1.6mm的fr4介質板正面，灰色的地板在其背面。該天線系統由四個完全相同的“∏”型平面倒f天線單元組成，對稱分布在介質板正面的四個角上。為了提高天線單元之間的隔離度，在單元1和單元2之間用寬度為0.5mm的中和線連接，中和線中間短路接地，同時延伸出地枝節,而單元1和單元3中間的地板上開長為15mm，寬為1mm的矩形槽。圓極化形成是通過激勵出2個幅度相等,極化方式正交,相位相差90°的線極化波,本發明采用切2對沿著對角線方向的環狀縫隙，在輻射貼片單元表面激勵幅度相等，極化方式正交的2個簡并模，同時通過調節2對環狀縫隙邊的大小和相對位置在2個簡并模之間形成90°相差，實現右旋圓極化。所設計的天線結構如圖1,2,3所示，該天線利用同軸饋電的方式，采用雙層結構，從圖中可以看出圖1從上至下3層貼片依次對應圖2上中下3層貼片，圖3為從上向下看的整體天線圖，上層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為3.38的介質基板上面，中間貼片位于2個介質板中間，下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數為4.4的fr4材料底部，并且兩個介質基板大小都為51mm*51mm*3mm，具體的參數設計如表一所示:表一天線的設計參數參數abls1s2gh0尺寸/mm5147.141126.90.63參數hx0a1a2cdg1尺寸/mm37.87.188.80.70.5如圖3所示，ris單元有一個正方形金屬導體貼片，由介質材料（相對介電常數=4.4）制成的介質基板及金屬導體,接地板組成。從圖中可以看出，其中a1為ris單元介質基片的尺寸，a2為正方形金屬導體貼片的尺寸，金屬導體貼片與地板之間的介質基片的厚度為h1+h2。根據傳輸線理論可知，該ris單元可以用并聯諧振lc電路等效，如圖4所示，ris單元的大小遠遠小于一個工作波長，其電磁特性可用集總電感和集總電容來等效。集總電感l主要來自印刷介質基板上的方形導體貼片；集總電容c則由相鄰方形金屬導體貼片之間的平行電壓形成。等效為lc并聯諧振電路的ris單元表面阻抗為其中xl＝zdtankd由以上理論可知，表面阻抗為純電抗性的ris單元通過選取一個合適的表面阻抗值，可以有效減少天線的尺寸以及改善微帶天線的前后比和帶寬。開口諧振環是實現左手材料最常用結構之一，經典srr結構如圖2所示，其中g,s,w,l分別表示方形開口諧振環的開口大小，內外環距離，金屬帶寬度，外環邊長，l1,l2,l3表示其等效電感，srr等效電路圖如5所示srr諧振頻率為：其中l為srr的自感，c為兩環之間的總電容，且c＝2πr0cpul式中，cpul為兩環間縫隙單位的長度電容。由上式可知srr的諧振頻率可通過改變其結構參數來調節。如果將srr環金屬部分用真空代替，而將其原來環中空白用金屬結構填充，則就形成了互補諧振環（csrr）。本文主要將互補諧振環嵌入地板同時與電抗性金屬面（ris）的設計結合在一起，這樣設計的天線在實現小型化的同時，也使得天線的阻抗帶寬，增益及前后比等性能得到了顯著的提高。天線的s11仿真與實測的結果如圖6所示，從圖中可以看出，天線的仿真阻抗帶寬為1.55ghz~1.65ghz，；由于加工精度誤差和介質的不穩定性，實測的頻率略為偏低，并且實測帶寬比仿真帶寬小。所設計天線的軸比的仿真和測試結果如圖7所示，天線的3db軸比帶寬仿真結果分別為1.5745~1.590ghz；實測和仿真的帶寬基本趨于一致。圖8為工作在1.575ghz時，輻射貼片表面電流分布情況，從圖中可以看出，貼片開2對大小不同的正方形縫隙之后，改變了表面電流的分布。貼片表面的電流隨相位0°到270°的變化呈現出右旋圓極化輻射模式.即在1.575ghz時在+z方向，天線輻射右旋圓極化波。天線在1.575ghz處的實測的最大增益為3.703dbi，由于制作誤差和材料的損耗，實測增益低于仿真增益。在中心頻率1.575ghz時，天線的歸一化輻射方向圖，主極化方式為右圓極化，輻射特性良好。參數x0和l的變化對天線的影響如圖9-10所示,由圖9可知，當x0=7.8時，天線s11效果最好，即匹配效果最好。由圖10所示，諧振頻率隨l的增加頻率變低，同時l=41時帶寬最寬，且包括中心頻率f=1.575ghz，所以取l=41mm。為了突出這種新型結構的優點，本文在最后將這種新型結構與傳統的gps天線結構做了對比，對比圖如圖10所示，由圖10可知，傳統的gps天線即沒加csrr和his天線，不僅帶寬較窄而且中心頻率較高，當在傳統天線基礎上分別只加his結構和同時加his和csrr結構，結果發現這種結構不僅中心頻率變低，同時帶寬也變寬了很多。本文發明提供了一種基于超材料的新型小型化gps天線，利用互補諧振環嵌入地板與電抗性金屬面（ris）的設計相結合方法，不僅使得天線的尺寸明顯減少，同時在天線的阻抗帶寬和增益方面也有很大的提高，這樣設計的天線性能良好，結構緊湊，便于加工，在衛星導航方面具有廣泛的應用前景。當前第1頁12