1、第 1 部分微带天线与印刷天线2一种新型的低成本小型化 GPS 天线郭 榕（西安市唐延南路 10 号中兴通讯西安研 发中心 E4-12，西安 710065）摘 要：本文设计了一种用于通信、 导航、定位等领域的小型化、低成本的实用型全球定位系统（GPS，Global Position System）天线。本文提出的耦合馈电很好解决了环天线带来的阻抗失配问题，在实现小型化的同时，提高了天线的带宽 。并通 过在环形天线上开倒 T 型槽来实现天线的圆极化特性，改 变了传统实现微带圆极化的方法，提高了天 线批量生产时的一致性。通过选用低介电常数的材料，相比通用陶瓷基片的天线，由于结构的创新，在减小天线体
2、积的情况下，降低了成本，改善了耐温度差和易碎等不良特性。关键词：小型化，GPS，低介电 常数A New Compact GPS Antenna with Low CostGuo Rong(ZTE Corporation R 在所述环形天线临近所述耦合馈电贴片部分中部设置一个 T 形槽 3，该 T 形槽的脚与该环形天线的内边缘连通，该 T 形槽的上横边与该环形天线的内边缘平行。天线中提出的耦合馈电很好解决了环天线带来的阻抗失配问题，在实现小型化的同时，提高了天线的阻抗特性，并通过在环形天线上开倒T 型槽来实现天线的圆极化特性，改变了通常采用的切角来实现微带圆极化的方法，提高了天线批量生产时的一致
3、性。通过选用低介电常数的材料，相比通用陶瓷基片的天线，由于结构的创新，在减小天线体积的情况下，降低了成本，改善了耐温度和易碎等不良特性，提高了批量生产的一致性。图 1 新设计的 GPS 天线结构图2.2 天线性能比较本设计的 GPS 天线，与现有技术比较，其有益效果是：1. 天线结构进一步小型化。如采用陶瓷基片时，本设计的 GPS 天线尺寸可做到17mm17mm4mm，与普通陶瓷基片 GPS 天线尺寸 25mm25mm4mm 比较（图 2 所示） ，其面积仅为普通陶瓷基片 GPS 天线的 46.2%；而采用 r =2.65 的低介电常数介质时，本设计的 GPS 天线尺寸可做到 40mm40mm
4、1mm，与普通 r =2.65 介质 GPS 天线尺寸 58mm58mm 1mm 比较，其面积仅为普通 r =2.65 介质 GPS 天线的 47.6%；图 2 传统陶瓷 GPS 天线如下表 1 所示：表 1介质 本设计 GPS 天线 传统 GPS 天线 面积比陶瓷 17 x 17 x 4mm 25 x 25 x 4mm 46.2%r =2.65 介质 40 x 40 x 1mm 58 x 58 x 1mm 47.6%2. 本设计的 GPS 天线采用低介电常数介质后，温度效应好、不易碎，解决了常用的 GPS 天线温度效应差，易碎等缺点；3. 本设计的 GPS 天线采用低介电常数的普通印制板，在
5、降低成本和加工难度的同时，提高了天线批量加工的一致性；4. 本设计的 GPS 天线解决了陶瓷基片 GPS 天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与 GPS 接收链路一体化设计。2.3 天线实测结果本设计天线频带内的增益用比较法测量的数据见表 2。表 2 中的标准天线为标准圆极化螺旋天线，待测天线为 GPS 天线。4表 2频率（MHz）待测天线接收电平（dB）标准天线接收电平（ dB）标准天线增益（ dB）待测天线增益（ dB）1575 -30.0 -24.0 10.0 4.0GPS 天线的电性能可通过如下的测试曲线和实测方向图给以反映：图 3 实测新型 GPS 天线频带内驻波和157
6、5MHz 频点的 H 面方向图频带内电压驻波比测试结果表明，天线在1575MHz 频带内电压驻波比均小于 1.5。天线在 1575MHz 频点的辐射方向图测试结果表明，天线在频带内满足了方向图覆盖要求。3 与传统 GPS 天线优点比较本设计与现有技术相比具有如下的优点：1. 天线结构上实现了小型化，体积为：长宽高=40mm40mm 1mm。由 于 采 用 环 天 线 技 术 ， 使 电 流 沿 环 路 分 布 ， 这就 形 成 了 一 种 慢 波 辐 射 结 构 ， 就 可 以 在 更 小 的 尺 寸内 使 频 率 谐 振 ， 使 其 驻 波 和 辐 射 特 性 达 到 较 佳 水 平 。且
7、由 于 微 带 结 构 本 身 所 具 有 的 低 剖 面 特 性 ， 使 得 其体 积 可 以 做 到 很 小 。 且 采 用 了 矩 形 贴 片 耦 合 馈 电 的方 式 ， 解 决 了 环 天 线 阻 抗 匹 配 差 ， 匹 配 网 络 效 率 低的 特 点 。2. 天线解决了常用的 GPS 天线温度效应差，易碎等缺点。由于常用的陶瓷 GPS 天线受到本身材料性能的约束，其结构本身非常易碎，且在高温焊接的时候，由于受热不均匀，极容易裂开。当采用印刷电路板制作时，由于材料本身耐高温，不易碎，强度大，这就大大改善了天线的结构性能参数。3. 天 线 采 用 低 介 电 常 数 的 普 通 印
8、制 板 ， 在 降 低成 本 和 加 工 难 度 的 同 时 ， 提 高 了 天 线 批 量 加 工 的 一 致性 。陶瓷材料介电常数高，加工工艺复杂，所以会产生一致性不好的缺点。由于介电常数高，其谐振频率对尺寸相当敏感，调试时很小的误差就可能产生较大的偏移，这给实际生产提出了很高的容差要求。当改变其结构，使用较低的介电常数也能减小GPS 天线的体积，这就改变了高介电常数材料的不足，提高了产品的一致性。且由于采用低介电常数的材料，成本大大降低。4. 天线解决了陶瓷基片 GPS 天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与 GPS 接收链路一体化设计。由于和电路板的加工工艺一样，同样是基于
9、PCB 印制板技术，当采用多层微带结构时，就很容易做到与电路板一体化设计，设计难度小，集成度高，成本低，便于批量生产。5. 天线达到了如下指标：频率范围：1.575GHz ； 电压驻波比：1.5；增益：4dB； 极化方式：右旋圆极化；轴比：1.5； 重量：10 克。由于本设计具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。4 结论本文所设计的 GPS 天线在保证其他电性能不变的前提下，减小了天线的体积和重量，降低天线的加工难度和加工成本。它可应用于通信、探测、定位、制导等领域。所提出的小型化技术和阻抗匹配技术可推广应用于其他频段天线的设计中。参 考 文 献1 杨小丽, 朱守正, 章晓卿. 两种用于
10、 GPS 系统的天线性能比较会议 2005全国微波毫米波会议论文集 2006 年5一种新型微带阵列天线王永华 （西安电子工程研究所, 西安 710100）摘 要：通过对微带驻波阵天线的分析研究，提出了一种新型微带驻波阵列天线。用 Ansoft HFSS 仿真软件设计了一个 166 毫米波段低副瓣平面阵列微带驻波阵天线。已运用在工程项目，其 实测 E 面和 H 面副瓣均低于-20dB。关键词：驻波阵，天线，低副瓣A New Kind of The Microstrip Antenna Array Wang yong hua(Xian Electronic Engineering Research
11、 Institute，Xian 710100)Abstrac：A novel microstrip standing wave antenna array is proposed. A 166 low side lobe millimeter wave band microsrip antenna array is designed using Ansoft HFSS. The array has already been applied in the practical engineering，and both its measured E-plane and H-plane side lo
12、be are below 20dB.Keyword：Standing wave array; Antenna; Low side lobe1 引言微带天线的馈电网络一般分为并馈和串馈两种形式。并馈网络一般是由多级简单型的一分二功分器组成，传输线比较长，在毫米波段，微带传输线的传输损耗比较大，而且功分网络的切角，拐弯等不规则的点比较多，这些不规则点都会产生一定量的辐射，干涉天线的方向图，使得天线副瓣升高。而串馈网络，传输线比较短，不规则点少，更容易减少传输损耗和降低馈线辐射对天线方向图的影响。串馈天线一般分两种，第一种是在天线单元阻抗上进行变换 1，以得到低副瓣方向图需要的电流分布，第二种是在传
13、输线上进行变换 2，以得到低副瓣方向图需要的电流分布。第一种方法，单元数量多时，阻抗变换线太细，不能保证加工精度。第二种方法，微带线比较粗一点，加工容易，精度易保证。2 新型微带天线的设计由于需要实现低副瓣，本天线采用串馈天线的第二种设计方法。文献2中作者提出了一种角馈微带驻波阵天线设计方法，它是按理想无耗条件计算功分器各级支路尺寸；不同特性阻抗的微带线介质波长是不同的，由此带来功分器各支路电流相位误差，电流幅度误差等因素影响下，在仿真设计时天线副瓣一般达不到设计要求，需要不断调试。由于这种方法得不到电流幅度和相位分布的具体数据，这就需要大量的仿真调试，耗费大量时间，造成了资源浪费。为此本文提
14、出了一种新型微带驻波功分器与微带侧馈天线单元相结合的天线阵列设计方法。本方法的优点是：微带功分器和天线单元可以分开设计，得到了功分器电流幅度和相位分布具体数据，简化了设计方案，降低了仿真时的调试难度，减少了设计时间，功分器输出电流幅度、相位实现了更为准确的控制，顺利实现了天线低副瓣设计要求。根据天线所需电流幅度分布，依据文献2计算公式可以方便的计算出所需功分器初始尺寸数据，在仿真设计中修正后得到天线的实际尺寸。2.1 单元设计用 hfss 仿真设计微带侧馈单元。微带天线通过6馈电方向的两个边缘进行辐射，单元阻抗由中到边缘逐渐变大。通过开槽，把馈线伸入天线内部，得到需要的阻抗和良好的匹配。图 1
15、 为微带辐射单元结构图。图 1 微带辐射单元2.2 功分器设计功分器的设计原理是：两个相邻功分支路间由两级四分之一介质波长阻抗变换段(特性阻抗值第一节为 ZC1，第二节为 ZC2)和一段二分之一介质波长主传输线(特性阻抗值为 ZC)组成。调节这两段四分之一变换段的特性阻抗值 ZC1 与 ZC2 之比，就可以调节两个功分支路输出口的电流值之比，依次类推，很方便得到天线低副瓣需要的电流分布。如图 2 所示为：一个微带驻波功分器基本结构。如图 3 所示为：一个 8 支路微带驻波功分器。图 2 基本结构图 3 8 支路驻波功分器这种功分网络是一种串并联网络。图 2 所示第一节变换段及其以后所有部分与功
16、分支路 1 的关系是并联电路；从第一节变换段到功分支路 2 之间这部分电路与功分支路 2 关系是串联电路。具体计算公式参考文献 2。依据上述设计方法，设计了一个 166 毫米波段微带天线，天线结构如图 4 所示。图 4 天线结构3 测试结果3.1 驻波系数该 166 微带天线驻波实测结果偏高频，经调试得到了满意结果，实测结果如图 5 所示。分析原因如下：介质介电常数误差，加工精度误差，由于工作频率高，虽然误差不大，但天线驻波产生了向高频偏移。图 5 天线驻波测试结果3.2 中心频点方向图该 166 微带天线中心频点 E 面和 H 面天线实测方向图，结果如图 6 所示，天线副瓣都在-20dB 以
17、下，达到了设计要求。篇幅限制，别的频点方向图就不一一附图。在设计要求频率范围，166 微带天线方向图都满足了设计要求，达到了-20dB 以下。7图 6 中心频点方向图测试结果4 结论本天线很好的满足了设计要求，实现了低副瓣，设计仿真调试难度小，可以在微带低副瓣天线项目中得到应用。参 考 文 献1 付原. 谐振式微带多路功分器. 内部交流文章2 刘豫晋，陈春红. 微带低旁瓣和后瓣天线设计. 测控技术与设备 vol.29 No.10 20033 钟顺时. 微带天线理论与应用. 西安电子科技大学出版社，19918具有蓝牙功能的三频单极子手机天线仿真分析刘刚 1 龚书喜 1 史辉 2(西安电子科技大学
18、 天线与微波技 术国家重点实验室,西安 710013) 1 (91917 部队 修理所，北京 102401)2摘 要：初步讨论了一种三频单极子内置手机天线的设计方法，并设计了一种小型化具有蓝牙功能的三频手机天线(GSM900M/DCS1800M/Bluetooth)，天线利用空间折叠方法在较小空间内实现了较大的电尺寸（天线主体尺寸为 20mm10mm5mm），天线结构简单、 设计方便，实用性强。关键词：三频，单极子，小型，蓝牙，手机内置天 线Simulation analysis of A tri-band monopole phone antenna with Bluetooth Funct
19、ionLiu Gang 1 Gong ShuXi Shi Hui2(National key laboratory of antennas and Microwave Technology Xidian University ,XiAn710013) 1(91917Army of PLA., euipment-repairing institution, BeiJing1024010)2Abstract: In this paper, A novel minitype tri-band monopole antenna with Bluetooth Function which is used
20、 inside the handset is proposed and analyzed. The propose antenna covers GSM900M, DCS1800M and Bluetooth. A larger dimension in wavelength is implemented in a small area by bending the antenna in three-dimensional space.The antenna is simple structure and convenient in designe. It can be a promising
21、 inside antenna for handsets.Keywords: tri-bands; monopole ; minitype; Bluetooth；inside antenna for handset1 引言随着现代通信的发展和 IEEE 802. 11b/ g (2.4 GHz2.48 GHz) 标准的提出 ,蓝牙通信技术得到了迅猛的发展。现在，除手机外，许多电子厂商在多种产品中都集成了蓝牙功能，如笔记本、MP3，甚至电视机等等，且由于蓝牙通信协议的统一标准，它们都能与蓝牙手机进行无障碍实时通信，蓝牙通信平台已经日渐壮大，因此蓝牙已经是现代手机不可或缺的主要功能之一。伴随着手机
22、小型化的发展，具有蓝牙通信频段的小型化内置手机天线也必将得到广泛应用。本 文 利 用 单 极 子 天 线 可 折 叠 、 宽 带 宽 、 H 面 全向 等 优 点 ， 利 用 DESIGNER 软 件 防 真 ， 设 计 了 一 款具 有 三 个 工 作 频 带 的 小 型 化 单 极 子 手 机 内 置 天 线 。天 线 的 工 作 频 率 完 全 覆 盖 了GSM900M（ 890MHz915MHz） ，DCS1800M（ 1.71GHz1.88GHz） ， Bluetooth（ 2.4 GHz 2.48 GHz） 的 所 有 频 率 。 而 且 ， 由 于 采 用 空 间折 叠 的 方
23、法 ， 天 线 尺 寸 得 到 了 有 效 的 减 小 ， 天 线 主 体尺 寸 仅 为 20mm10mm5mm， 非 常 适 用 于 小 型 化内 置 手 机 天 线 。2 天线设计对于内置天线来说，手机电路板对天线谐振频率的影响是不可忽略的。因此手机内置天线的设计必须考虑电路板存在的影响。这里使用接地的 RF4基带板来模拟手机电路板，电路板的设计尺寸为90mm45mm，基版背面的接地板尺寸为76mm45mm，天线位于电路板的右上方，具体位置如图 1 所示。图 2 为天线主体部分结构示意图。在仿真中，天线通过背面同轴接头实现馈电，实际中也可以从电路板上的微带接头处直接馈电。9图 1 手机基版
24、及天线位置示意图(a) 右侧面(b) 左侧面图 2 天线结构示意图单极子天线设计中，首先要确定天线贴片最大电尺寸，保持在最低工作频率的四分之一波长附近。之后，将天线在一定空间上进行折叠，一般单极子贴片天线都会出现两个谐振频率：二分之一波长谐振和四分之一波长谐振。然后，在折叠天线上添加另一个四分之一波长谐振枝节，实现第 3 个谐振频率。加入此枝节后，会令第一谐振频率向低频移动，适当减小贴片长度使第一个谐和第三个谐振频率固定在所需要频率处，这里设计频率为 0.9GHz 和2.45GHz。天线的第一谐振频率为四分之一波长谐振，第二个谐振频率因折叠方式的不同而发生变化，一般为四周折叠的尺寸比例越大频点
25、越高。而当此谐振点大于所需频率时可在侧面加枝节来拉低谐振频率，如图 2 所示枝节 B 即为调节第二谐振频率的匹配枝节。这里所设计的天线在侧面无枝节时两个谐振频率分别为 0.9GHz 和 1.97GHz，在左侧面加枝节 B后可将第二谐振点调节至 1.8GHz。调节枝节 B 的位置、尺寸都会对第二谐振频率产生影响，枝节越宽、越长谐振频率越低。图 3 给出了枝节为不同长度时（3.2mm 宽）天线的驻波比参数。图 4 给出了枝节为不同宽度时（5mm 长）天线的驻波比参数。图 3 调整枝节长度对中间频段的影响图 4 调整枝节宽度对中间频段的影响从图中可看到，当枝节宽度 W 由窄到宽变化时，第二谐振频率由
26、高到低依次变化，第一与第三个谐振频率变化很小。而枝节宽度取适当值时，长度由 0 到 5mm 变化过程中，第二谐振频率是从1.97GHz 至 1.8GHz 逐渐降低的（ L=0mm 表示无枝节） 。而且，在调节 B 枝节长度来调整节第二个谐振点时对第一谐振频率影响很小，虽然对天线设计的 2.4GHz 频率有一定的影响，但频率偏移较小，且蓝牙工作频带都在 VSWR2.5 内，也可以忽略。这里就可以根据所需天线工作频率，来确定 B枝节长度和宽度，由于所设计的天线需要工作于DCS1800M 频段，所以可以选择枝节长为 5mm、宽 3.2mm。天线包含有两个谐振枝节。最长的天线枝节对应于 GSM900M
27、 的四分之一波长，枝节处产生双模10谐振即四分之一波长谐振模式和二分之一波长谐振模式，分别对应于 GSM900M、DCS1800M，A 枝节形成第三个谐振频率 Bluetooth，从而得到三频段天线。天线谐振时的电流分布如图 4 所示，从图中可以清楚地看到天线的工作原理。（a ）0.9GHz 电流图(b) 1.8GHz 电流图(c) 2.4GHz 电流图图 4 谐振电流分布图3 天线性能分析该天线为单极子天线，利用空间弯折线来充分利用空间来实现小型化。天线折叠在置于电路板右上方的介电常数为 4.4 的 FR4 立方体介质四周。空间折叠用多枝节谐振和多模谐振来实现所需三频段。天线 C 处贴片宽度
28、为 4.0mm，A 枝节宽度为1.5mm，B 枝节宽度为 3.2mm，除此之外帖片宽度均为 2.0mm，天线主体部分具体尺寸分别如图2（a）和（b）所示。天线三个频段(VSWR2.5)带宽分别为38MHz（887MHz-925MHz ） 、 179MHz（1.706GHz-1.884GHz）和 256MHz（2.363GHz-2.619GHz ） ，完全覆盖了 GSM900M、DCS1800M、Bluetooth 的所有工作频率，图 5 为天线的驻波比仿真示意图。图 5 天线驻波比仿真示意图天线的方向图计算结果如图 6 所示。从图 6(a)和图 6(b)方向图与一般的单极子的方向图非常类似，方
29、向图的全向性非常好，另外两个频点的方向图与0.9GHz 处的方向图有着相似的结果。图 6 天线方向图仿真114 结论本文提出了一种简单有效的三频单极子内置手机天线的设计方法，并设计了一个具有蓝牙功能的三频段单极子手机天线，天线结构简单而紧凑，天线的工作频段完全覆盖了 GSM900M、DCS1800M和 Bluetooth 三个频段，并且可以通过改变天线某部分的尺寸来得到不同频率的谐振，使天线工作于不同频带，设计简单。在手机功能越来越丰富的今天，该天线可以在一定程度上满足用户的需求。参 考 文 献1 W. Geyi, Q. Rao, S. Ali, and D. Wang, Handset an
30、tenna design :practice and theory, Progress In Electromagnetics Research, PIER 80, 123160, 20082 陈蕾，张艳玲，魏峰. 一种适用于蓝牙的折叠 PIFA 天线的设计和分析. 现代电子技术3 Dong-yeon Kim, Jae W. Lee, Member, IEEE, Choon Sik Cho, Member, IEEE, and Taek K. Lee, Member, IEEE, Independent Control of the Resonant Frequencies, IEEE Transactions On Antennas And Propagation, VOL. 56, NO. 5, May 20084 C. I. Lin and K.L. Wong, Printed monopole slot antenna for internal, IEEE Trans Antennas Propagat 55 2007作者简介：刘刚，男，研究生，主要研究频率选择表面在天线罩中的应用以及微带贴片天线设计。史辉, 男，工程师，主要研究有线网络设计。
