CN110556625B

CN110556625B - 高稳定相位中心的圆极化pifa天线、gps定位系统

Info

Publication number: CN110556625B
Application number: CN201910471939.9A
Authority: CN
Inventors: 尹应增; 王思奇; 张皓; 任建
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: CN110556625A

Abstract

本发明属于无线通信系统技术领域，公开了一种高稳定相位中心的圆极化PIFA天线、GPS定位系统，包括：馈电结构和辐射结构；辐射结构包括印制在圆形FR4介质板上层的八个矩形金属片和一根金属柱；馈电结构包括印制在矩形FR4介质板下层的三级Wilkinson功分移相器和四根同轴线。功分器的各个端口经由馈电探针激励PIFA天线辐射能量，通过设计对称的天线结构、对称的四点均匀馈电结构以及对称的四个馈电点，实现了天线的圆极化性能以及较稳定的相位中心。本发明的端射天线具有辐射圆极化、高稳定相位中心、低剖面、质量轻和易加工等特点，在新型圆极化PIFA天线领域有着广阔的应用前景。

Description

高稳定相位中心的圆极化PIFA天线、GPS定位系统

技术领域

本发明属于无线通信系统技术领域，尤其涉及一种高稳定相位中心的圆极化PIFA(倒F)天线、GPS定位系统。

背景技术

目前，最接近的现有技术：随着无线通信系统的快速发展，卫星导航定位技术也随之快速发展。已经成熟的导航系统有4个，其中全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航，为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范。GPS接收频段一般为L1频段，即1575.42MHz，工作方式为右旋圆极化。GPS接收器设计的关键在于天线的设计，所设计的天线需具有有效接收卫星信号的能力，即能接收到任意极化方向的电磁波，因此，在设计GPS天线时，天线的圆极化设计是非常重要的。平面倒F天线(PIFA)由于结构简单，体积小和制造成本低，易于形成圆极化等优良特性，常用于无线通信系统。而圆极化(CP)辐射的PIFA天线有助于减轻多径效应造成的损失，同时具有抗干扰与抗多路径效应的优点，多用于射频识别(RFID)系统、全球定位系统(GPS)等。基于这些优点，圆极化PIFA受到了国内外众多学者越来越多的关注，研究圆极化PIFA具有深远的意义。

现有技术一提出了一种用于多模卫星导航的新型分集/MIMO宽带圆极化PIFA天线。该圆极化天线由两个PIFA天线单元组成，单元之间引入的十字型枝节为天线提供了圆极化的产生。该设计轴比AR<3dB的频段覆盖1.07GHz-1.73GHz，带宽达到630MHz，但与电压驻波比带宽相比，轴比带宽还不够。

现有技术二提出了一种用于纳米卫星的圆极化PIFA天线。该天线系统由四个PIFA天线单元组成，各天线单元之间相位相差90°形成圆极化。由仿真测试得到该天线系统谐振于2.35GHz，在S11<-14dB的带宽达到179MHz，其可实现的阻抗和轴比带宽比较局限。

现有技术三提出了工作于2.52GHz的单馈圆极化PIFA天线。该天线系统由两个短路片和一个用于辐射圆极化的锥形贴片组成。仿真结果显示阻抗带宽约为240MHz，计算得到的3dB轴比带宽在阻抗带宽范围内，其可实现的阻抗和轴比带宽仍旧比较局限。

综上所述，圆极化PIFA天线已逐渐运用于无线通信系统、全球定位系统中，但由于圆极化贴片天线自身的局限性，其可实现的阻抗和轴比带宽仍较窄。目前常用的微带天线圆极化的方法主要有：单点馈电、多馈点馈电和多元阵法。上述技术一采用了多单元法，带宽稍有提高；技术二采用了多点馈电法，但由于其馈电结构设计不佳，带宽的增加并不显著；技术三采用了单点馈电的方法，结构简单但带宽较窄。因而对于不同情况下应合理选择实现圆极化的方法。此外，由于PIFA天线辐射体与接地金属板之间的距离和天线辐射体的长度对天线性能有较大影响，主要体现在谐振频率和工作带宽上，因而利用圆极化PIFA天线设计用于GPS接收频段(L1频段，即1575.42MHz)的天线系统还很少。

综上所述，现有技术存在的问题是：圆极化PIFA天线在运用于无线通信系统、全球定位系统时，其可实现的阻抗和轴比带宽不够大，且利用圆极化PIFA天线设计用于GPS接收频段(L1频段，即1575.42MHz)的天线系统还很少。

解决上述技术问题的难度：解决圆极化PIFA天线可实现的阻抗和轴比带宽较窄的问题，关键在于选择合适的圆极化方法，这里选择多点馈电法，采用四端口馈电，设计由移相器和功率分配器组成的馈电网络进行馈电，使带宽变宽，轴向对称的多馈电结构还带来了高稳定的相位中心。同时，合理设计PIFA天线的尺寸，使其工作在L1频段。

解决上述技术问题的意义：采用轴向对称的四端口馈电结构，能够实现使圆极化PIFA天线更好的实现宽频带与低轴比等特性，且使方向图稳定，性能优良，有很大的技术创新。工作于L1频段的天线系统，具有抗干扰与抗多路径效应的优点，可广泛应用于GPS定位领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高稳定相位中心的圆极化PIFA天线、GPS定位系统。

本发明是这样实现的，一种高稳定相位中心的圆极化PIFA天线，所述高稳定相位中心的圆极化PIFA天线包括：辐射结构、馈电结构；

辐射结构、馈电结构通过馈电探针连接；

辐射结构包括印制在圆形FR4介质板上层的八个矩形金属片以及位于天线中央的短路探针；

馈电结构包括印制在矩形FR4介质板下层的三级Wilkinson功分移相器。

进一步，印制在圆形FR4介质板上层的八个矩形金属片按相等的夹角围成一圈、一端聚于一点；矩形金属片沿圆形径向分布。

进一步，所述辐射结构中的八个矩形金属片所聚成的一点与金属柱连接，即矩形金属片相连接的一端均与金属片连接。

进一步，金属柱的末端连接至矩形FR4介质板上层，构成短路探针。

进一步，八个金属片中的四个金属片通过馈电探针连接至馈电结构；其余四个金属片悬空，不进行激励。

进一步，八个金属片中被激励的四个金属片与位于天线中央的短路探针以及各自的馈电探针分别构成平面PIFA天线。

进一步，四根馈电探针将印制在圆形FR4介质板上的辐射结构与印制在矩形FR4介质板上的Wilkinson功分移相器进行连接，完成高稳定相位中心的圆极化平面PIFA天线的馈电。

进一步，Wilkinson功分移相器为微带电路形式，功分器的四个输出端口的功率大小一致、相位分别为0度，90度，180度以及270度，相邻端口间存在90度相位差。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述高稳定相位中心的圆极化PIFA天线的GPS定位系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明使用平面倒F(PIFA)天线作为基础，采用8个PIFA天线组合的对称结构，不仅克服了传统的PIFA天线带宽较窄的缺点，|S11|<-10dB的工作频段覆盖范围达到1.4-1.8GHz，很大程度上展宽了带宽；还发挥了PIFA天线本身易于形成圆极化的优良特性。综上，该圆极化PIFA天线具有结构简单，工作频带宽，易加工等特点，在新型PIFA天线领域有着广阔的应用前景。

本发明使用多端口馈电的设计方法，采用8辐射臂、4馈电点耦合的方法，同时各个端口的馈电相位幅度相同、相位差依次相差90°，这样可实现良好的圆极化辐射特性。同时轴向对称的多馈电结构使天线具有高稳定相位中心。天线在x-z面与y-z面方向图最大辐射方向都在0°方向，3dB波束宽度为61°左右，交叉极化在-10dB左右，方向图具有稳定特性。

本发明的馈电部分采用Wilkinson功分器的方法设计，设计了一个一分四的功分器，各馈电端口等幅、相位依次相差90°，使圆极化PIFA天线更好的实现宽频带与低轴比等特性。|S11|<-10dB的工作频段由未加馈电网络时的1.54-1.62GHz展宽至1.4-1.8GHz，轴比AR在1.4-1.8GHz频段范围内都小于3dB。综上，高稳定相位中心的圆极化平面倒F天线结构，不仅具有良好的圆极化特性，还具有高稳定相位中心，具有良好的工程实际意义，可应用于GPS定位系统实现准确定位。

与现有技术相比，本发明的优势是：

本发明利用PIFA天线易于圆极化的特点，采用8个PIFA天线组合的对称结构，充分发挥圆极化天线可接收任意极化来波的优良特性，同时，其辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线所接收。此外，圆极化波具有抗干扰与抗多路径效应的优点使得本发明天线可广泛应用于GPS定位领域。

本发明采用Wilkinson功分器与移相器结合的馈电方式，设计了一个一分四的功分器作为天线的馈电网络，相位差依次相差90°，这样能够保证天线实现圆极化性能，使圆极化PIFA天线更好的实现宽频带与低轴比等特性。

本发明设计的倒F天线结构对称，四点馈电结构相互对称、馈电点位置对称，从而改善天线的相位稳定性，具有较稳定的相位中心。

本发明结构简单，易加工，成本低，重量轻。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高稳定相位中心的圆极化PIFA天线的结构示意图；

图中：1、矩形片；2、馈电探针；3、馈电网络；4、馈电端口；5、短路柱(短路探针)。

图2是本发明实施例提供的高稳定相位中心的圆极化PIFA天线原理示意图。

图3是本发明实施例提供的圆极化PIFA天线的S参数的结果示意图。

图4是本发明实施例提供的圆极化PIFA天线的轴比的结果示意图。

图5是本发明实施例提供的圆极化PIFA天线的增益的结果示意图。

图6是本发明实施例提供的圆极化PIFA天线在不同频点的辐射方向图；

图中：(a)、(b)是天线在1.5GHz处的辐射方向图；(c)、(d)是天线在1.575GHz处的辐射方向图；(e)、(f)是天线在1.6GHz处的辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过矩形介质板底部的一分四Wilkinson功分器对辐射部分进行馈电，通过在功分器的输出支路上适当连接微带线以便在各个输出端口形成所需要的相移，最终实现各端口馈电相位幅度相同、相位差依次相差90°的馈电结构。功分器的各个端口经由馈电探针激励PIFA天线辐射能量。通过设计对称的天线结构、对称的四点均匀馈电结构以及对称的四个馈电点，实现了天线的圆极化性能以及较稳定的相位中心。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高稳定相位中心的圆极化PIFA天线、GPS定位系统包括：矩形片1、馈电探针2、馈电网络3、馈电端口4、短路柱5。

辐射结构为印制在圆形FR4介质板上层的八个矩形金属片1和一根短路柱5组成。其中每个矩形金属片可以看作是一段终端短路的传输线与一段终端开路的传输线并联。当天线被激励时，可以看作是一段电阻串联电感和一段电阻并联电容并联，该PIFA天线的电容主要分布在接地的短路部分和水平部分，馈电处的电流分布很小。

馈电结构由馈电网络3、四根馈电探针2和一根短路柱5组成，馈电端口4设置在FR4基板的侧面。馈电网络为三级Wilkinson功分移相器，其印刷在介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4基板上，隔离电阻的阻值为100Ω。Wilkinson功分器的移相功能通过改变微带线的长度得以实现。第一级为一分二、相位差相差90°的功分移相器。第二级和第三级均为一分二、相位差相差180°的功分移相器。这样，信号从输入端口输入，在四个输出端口处幅度基本相同，输出相位差依次为0°、90°、180°和270°。

天线的主要参数有W，L，H，D，Lg，A，r1，r2，w1，w2。其中W是辐射部分中每个矩形金属片(即PIFA天线辐射体)的宽度，L是辐射部分中每个矩形金属片的长度，H是圆形FR4介质板与矩形FR4介质板的间距，即辐射体距离接地金属板的高度，D是圆形FR4介质板的直径，Lg是矩形FR4介质板的长度，A是馈电结构中的同轴线与金属柱之间的距离，r1是金属柱的半径，r2是馈电结构中的同轴线的半径，w1为Wilkinson功分移相器中1/4λ的70.7Ω的传输线的宽度，w2为Wilkinson功分移相器中50Ω的传输线的宽度。

这里设置w1＝1mm，w2＝1.9mm，实现一分四、幅度相同、相位差依次相差90°、中心频率为1.575GHz的馈电网络，还使天线系统由未加馈电网络时的1.54-1.62GHz展宽至1.4-1.8GHz。设置W＝10mm，L＝38.5mm，H＝17mm，D＝110mm，Lg＝150mm，A＝15mm，r1＝1.5mm，r2＝0.65mm。其中H、L和A决定了天线的谐振频率以及相对带宽，随着H和L的增加，天线的谐振频率向低频移动，相对带宽也相应减小；随着A的增大，天线的谐振频率向高频处移动，相对带宽也随之有一定的增大。r1决定了天线的轴比，随着r1的减小，轴比减小。上述参数的作用，最终使天线系统得到的阻抗带宽覆盖1.4-1.8GHz、且在1.4-1.8GHz内轴比小于3dB，最大增益在1.56GHz处获得，约为7.52dBi。相比现有技术，更好的实现宽频带与低轴比等特性，且具有较稳定的相位中心。

下面结合附图对本发明的应用效果作详细的描述。

图3给出了本发明涉及的天线的S参数的结果。结果表明，该天线|S11|<-10dB的工作频段覆盖了1.4-1.8GHz，实现一个很宽的阻抗频率带宽特性。

图4给出了本发明涉及的天线的轴比的结果。结果表明，在1.4-1.8GHz频段范围内，轴比AR都小于3dB，满足圆极化天线设计的轴比指标要求。

图5给出了本发明涉及的天线的增益的结果。结果表明，在低频和高频段增益值急剧下降，在1.4-1.8GHz频段范围内，天线的增益值介于1.61-7.52dBi之间。天线具有较高增益，天线能够实现实际意义的用途。

图6给出了该天线在工作频带内不同频点处的辐射方向图。图6(a)、图6(b)是天线在1.5GHz处的辐射方向图，图6(c)、图6(d)是天线在1.575GHz处的辐射方向图，图6(e)、图6(f)是天线在1.6GHz处的辐射方向图。结果表明，天线在x-z面与y-z面方向图最大辐射方向都在0°方向，3dB波束宽度为61°左右，交叉极化在-10dB左右。天线的辐射方向图有低的交叉极化和较宽的辐射波束，方向图具有稳定特性。

在本发明采用平面倒F天线进行圆极化天线的设计，基于倒F天线的工作原理，设计了工作于L1频段的天线单元，该天线单元在|S11|<-10dB的工作频段覆盖1.48GHz-1.66GHz，相对带宽为11.46％。接着，讨论了常用的实现微带天线圆极化的方法，其中多馈点馈电法通过引入多个馈点，且借助结构复杂的馈电网络来控制各馈电点的相位，能很好的抑制交叉极化，获得更宽的带宽。基于这样的理论，选择了轴向对称的四端口馈电结构，采用8辐射臂、4馈电点耦合的方法实现圆极化。之后，根据上面分析可知，需要设计一个一分四功分移相器使得四个输出端口满足馈电幅度相同、相位差依次相差90°。无耗T型功分器并不能使所有端口均匹配，而存在损耗的三端口网络，如威尔金森(Wilkinson)功分器，则能使所有端口均匹配。因而馈点网络设计为由三级Wilkinson功分移相器构成，通过改变微带线的长度使得相位实现偏移。在全波仿真软件中对天线的性能仿真可以验证预估的结果，理论分析正确。同时，将天线进行了实物加工，并进行测试，测试结果同样验证这种天线能够很好的实现宽频带与低轴比等特性，且具有较稳定的相位中心，最终使天线系统得到的阻抗带宽覆盖1.4-1.8GHz、且在1.4-1.8GHz内轴比小于3dB，最大增益在1.56GHz处获得，约为7.52dBi。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高稳定相位中心的圆极化PIFA天线，其特征在于，所述高稳定相位中心的圆极化PIFA天线包括：辐射结构、馈电结构；

辐射结构、馈电结构通过馈电探针连接；

馈电结构包括印制在矩形FR4介质板下层的三级Wilkinson功分移相器；Wilkinson功分移相器为微带电路形式，功分器的四个输出端口的功率大小一致、相位分别为0度，90度，180度以及270度，相邻端口间存在90度相位差；

印制在圆形FR4介质板上层的八个矩形金属片按相等的夹角围成一圈、一端聚于一点；矩形金属片沿圆形径向分布；

所述辐射结构中的八个矩形金属片所聚成的一点与金属柱连接，即矩形金属片相连接的一端均与金属柱连接；

八个金属片中互不相邻的四个金属片通过馈电探针连接至馈电结构；其余四个金属片悬空，不进行激励；

八个金属片中被激励的四个金属片与位于天线中央的短路探针以及各自的馈电探针分别构成PIFA天线；

四根馈电探针将印制在圆形FR4介质板上的辐射结构与印制在矩形FR4介质板上的Wilkinson功分移相器进行连接，完成高稳定相位中心的圆极化PIFA天线的馈电；

金属柱的末端连接至矩形FR4介质板上层，构成短路探针。

2.一种应用权利要求1所述高稳定相位中心的圆极化PIFA天线的GPS定位系统。

3.一种应用权利要求1所述高稳定相位中心的圆极化PIFA天线的无线通信系统。