本發(fā)明涉及小型化gps天線的
技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
：現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對天線的小型化需求日益增強(qiáng)，近年來小型化天線在gps導(dǎo)航終端得到了廣泛的應(yīng)用，小型化，圓極化和寬帶化等問題也成為gps導(dǎo)航領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)，gps導(dǎo)航系統(tǒng)要求天線有良好的圓極化性能，圓極化有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，圓極化天線可以接受任意極化來波；第二，在很多領(lǐng)域中圓極化天線中旋向正交性有很廣泛的應(yīng)用；第三，圓極化波入射到對稱目標(biāo)發(fā)生旋向旋轉(zhuǎn)。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(shè)計(jì)方法很多，其中包括使用加載技術(shù)，開槽縫法，附加有源網(wǎng)絡(luò)，以及使用超材料等等。現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，2013年nasimuddin,zhiningcheng在ieeeantennasandpropagationmagazine發(fā)表題為“slottedmicrostripantennasforcircularpolarizationwithcompactsize”的文章，2013年chenm,chencc在ieeeantennasandwirelesspropagationletters發(fā)表題為“acompactdual-bandgpsantennadesign”的文章，1998年chenws,wuck,wongkl在comcuts發(fā)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(shí)現(xiàn)小型化，但天線的阻抗帶寬較窄?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)中，2012年yuandandong,hiroshitoyao在ieeetransa-ctionsandpropagation發(fā)表題為“designandcharacterizationofminiaturizedpatchantennasloadedwithcomplementarysplit-ringresonators”的文章，2013年hexiuxu,guangmingwang在ieeetransactionsandpropagation發(fā)表題為“compactcircularlypolarizedantennascombiningm-eta-surfacesandstrongspace-fillingmeta-resonators”的文章，2011年hsingyichen,yutao在ieeetransa-ctionsonantennasandpropagation發(fā)表題為“performanceimprovementofau-slotpatchantennausingadual-bandfrequencyselectivesurfacewithmodifiedjerualemcrosselement-s”的文章，在文章中通過使用ris結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，提高了阻抗帶寬，但天線增益有待提高?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)中，2003年j.s.guoandg.b.hsieh在ieeetransactionsonantennasandpropagation發(fā)表題為“gainenhancementofacircularlypolarizedequilatera-ltriangularmicrostripantenawithaslottedgroundplane”的文章，2013年j.w.baik,s.j.kim在microwaveandopticaltechnologyletters發(fā)表題為“circularlypolarizedmicrostripantennausingasymmetricalringsectorslotsembeddedonthegroundplane”的文章，在文章中將互補(bǔ)諧振環(huán)（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(fā)明針對以上設(shè)計(jì)的不足，提供了一種新型的小型化gps天線及其設(shè)計(jì)方法，使得天線的尺寸有了很大的減少，同時(shí)在阻抗帶寬和增益方面也有顯著提高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)并在地板上嵌入八個(gè)互補(bǔ)諧振環(huán)方式減少天線尺寸，同時(shí)利用在貼片上開2對沿著對角線方向?qū)ΨQ且大小不同的環(huán)狀縫隙來激發(fā)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(jié)構(gòu)緊湊，便于加工。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：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(jié)構(gòu)，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(shù)為3.38的介質(zhì)基板上面。所述中間貼片位于2個(gè)介質(zhì)板中間。所述下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數(shù)為4.4的fr4材料底部。所述并且兩個(gè)介質(zhì)基板大小都為51mm*51mm*3mm。采用ris結(jié)構(gòu)并在地板上嵌入八個(gè)互補(bǔ)諧振環(huán)。同時(shí)利用在貼片上開2對沿著對角線方向?qū)ΨQ且大小不同的環(huán)狀縫隙來激發(fā)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(shí)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(jié)果分別為1.5745~1.590ghz。天線在1.575ghz處的實(shí)測的最大增益為3.703dbi。參數(shù)x0優(yōu)選為7.8。參數(shù)l優(yōu)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(lì)出2個(gè)幅度相等,極化方式正交,相位相差90°的線極化波,本發(fā)明采用切2對沿著對角線方向的環(huán)狀縫隙，在輻射貼片單元表面激勵(lì)幅度相等，極化方式正交的2個(gè)簡并模，同時(shí)通過調(diào)節(jié)2對環(huán)狀縫隙邊的大小和相對位置在2個(gè)簡并模之間形成90°相差，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化。該天線利用同軸饋電的方式，采用雙層結(jié)構(gòu)，從上至下3層貼片依次對應(yīng)上中下3層貼片，上層貼片加工在厚度為3mm，介電常數(shù)為3.38的介質(zhì)基板上面，中間貼片位于2個(gè)介質(zhì)板中間，下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數(shù)為4.4的fr4材料底部，并且兩個(gè)介質(zhì)基板大小都為51mm*51mm*3mm，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表一所示:表一天線的設(shè)計(jì)參數(shù)ris單元有一個(gè)正方形金屬導(dǎo)體貼片，由介質(zhì)材料（相對介電常數(shù)=4.4）制成的介質(zhì)基板及金屬導(dǎo)體,接地板組成。根據(jù)傳輸線理論可知，該ris單元可以用并聯(lián)諧振lc電路等效，ris單元的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)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(wèi)主要來自印刷介質(zhì)基板上的方形導(dǎo)體貼片；集總電容c則由相鄰方形金屬導(dǎo)體貼片之間的平行電壓形成。等效為lc并聯(lián)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(gè)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(huán)是實(shí)現(xiàn)左手材料最常用結(jié)構(gòu)之一，srr諧振頻率為：其中l(wèi)為srr的自感，c為兩環(huán)之間的總電容，且c＝2πr0cpul式中，cpul為兩環(huán)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(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)。如果將srr環(huán)金屬部分用真空代替，而將其原來環(huán)中空白用金屬結(jié)構(gòu)填充，則就形成了csrr.本文主要將互補(bǔ)諧振環(huán)嵌入地板同時(shí)與電抗性金屬面（ris）的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，這樣設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，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(shí)測的結(jié)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(zhì)的不穩(wěn)定性，實(shí)測的頻率略為偏低，并且實(shí)測帶寬比仿真帶寬小。所設(shè)計(jì)天線的軸比的仿真和測試結(jié)果，天線的3db軸比帶寬仿真結(jié)果分別為1.5745~1.590ghz；實(shí)測和仿真的帶寬基本趨于一致。工作在1.575ghz時(shí)，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(xiàn)出右旋圓極化輻射模式.即在1.575ghz時(shí)在+z方向，天線輻射右旋圓極化波。天線在1.575ghz處的實(shí)測的最大增益為3.703dbi，由于制作誤差和材料的損耗，實(shí)測增益低于仿真增益。在中心頻率1.575ghz時(shí)，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(shù)x0和l的變化對天線的影響，當(dāng)x0=7.8時(shí)，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(shí)l=41時(shí)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(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文在最后將這種新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的gps天線結(jié)構(gòu)做了對比，傳統(tǒng)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(dāng)在傳統(tǒng)天線基礎(chǔ)上分別只加his結(jié)構(gòu)和同時(shí)加his和csrr結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)不僅中心頻率變低，同時(shí)帶寬也變寬了很多。一種基于超材料的小型化gps天線上發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)，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(shù)為3.38的介質(zhì)基板上面。所述中間貼片位于2個(gè)介質(zhì)板中間。所述下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數(shù)為4.4的fr4材料底部。所述并且兩個(gè)介質(zhì)基板大小都為51mm*51mm*3mm。采用ris結(jié)構(gòu)并在地板上嵌入八個(gè)互補(bǔ)諧振環(huán)。同時(shí)利用在貼片上開2對沿著對角線方向?qū)ΨQ且大小不同的環(huán)狀縫隙來激發(fā)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(shí)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(jié)果分別為1.5745~1.590ghz。天線在1.575ghz處的實(shí)測的最大增益為3.703dbi。參數(shù)x0優(yōu)選為7.8。參數(shù)l優(yōu)選為41mm，中心頻率f=1.575ghz。附圖說明圖1示出了本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)。圖2示出了本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)側(cè)面圖。圖3示出了本發(fā)明的從上向下的整體天線圖。圖4示出了本發(fā)明的ris單元模型。圖5示出了本發(fā)明的srr結(jié)構(gòu)。圖6示出了本發(fā)明的天線的s11仿真與實(shí)測的結(jié)果。圖7示出了本發(fā)明的天線的軸比的仿真和測試結(jié)果。圖8示出了本發(fā)明的天線表面電流分布隨相位變化。圖9示出了本發(fā)明的參數(shù)x0的變化對天線的影響。圖10示出了本發(fā)明的參數(shù)l的變化對天線的影響。圖11示出了本發(fā)明的天線與傳統(tǒng)的gps天線結(jié)構(gòu)的對比圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。實(shí)施例1本發(fā)明以型號為fr4的基板為例進(jìn)行說明，在實(shí)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(fā)明的寬帶四單元天線系統(tǒng)包括天線，天線整體結(jié)構(gòu)見圖1（a），貼片印刷在相對介電常數(shù)為4.4、損耗正切為0.02、尺寸為108mm×60mm×1.6mm的fr4介質(zhì)板正面，灰色的地板在其背面。該天線系統(tǒng)由四個(gè)完全相同的“∏”型平面倒f天線單元組成，對稱分布在介質(zhì)板正面的四個(gè)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(shí)延伸出地枝節(jié),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(lì)出2個(gè)幅度相等,極化方式正交,相位相差90°的線極化波,本發(fā)明采用切2對沿著對角線方向的環(huán)狀縫隙，在輻射貼片單元表面激勵(lì)幅度相等，極化方式正交的2個(gè)簡并模，同時(shí)通過調(diào)節(jié)2對環(huán)狀縫隙邊的大小和相對位置在2個(gè)簡并模之間形成90°相差，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化。所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1,2,3所示，該天線利用同軸饋電的方式，采用雙層結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出圖1從上至下3層貼片依次對應(yīng)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(shù)為3.38的介質(zhì)基板上面，中間貼片位于2個(gè)介質(zhì)板中間，下層貼片加工在厚度為3mm，介電常數(shù)為4.4的fr4材料底部，并且兩個(gè)介質(zhì)基板大小都為51mm*51mm*3mm，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表一所示:表一天線的設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)abls1s2gh0尺寸/mm5147.141126.90.63參數(shù)hx0a1a2cdg1尺寸/mm37.87.188.80.70.5如圖3所示，ris單元有一個(gè)正方形金屬導(dǎo)體貼片，由介質(zhì)材料（相對介電常數(shù)=4.4）制成的介質(zhì)基板及金屬導(dǎo)體,接地板組成。從圖中可以看出，其中a1為ris單元介質(zhì)基片的尺寸，a2為正方形金屬導(dǎo)體貼片的尺寸，金屬導(dǎo)體貼片與地板之間的介質(zhì)基片的厚度為h1+h2。根據(jù)傳輸線理論可知，該ris單元可以用并聯(lián)諧振lc電路等效，如圖4所示，ris單元的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)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(wèi)主要來自印刷介質(zhì)基板上的方形導(dǎo)體貼片；集總電容c則由相鄰方形金屬導(dǎo)體貼片之間的平行電壓形成。等效為lc并聯(lián)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(gè)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(huán)是實(shí)現(xiàn)左手材料最常用結(jié)構(gòu)之一，經(jīng)典srr結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中g(shù),s,w,l分別表示方形開口諧振環(huán)的開口大小，內(nèi)外環(huán)距離，金屬帶寬度，外環(huán)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(wèi)為srr的自感，c為兩環(huán)之間的總電容，且c＝2πr0cpul式中，cpul為兩環(huán)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(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)。如果將srr環(huán)金屬部分用真空代替，而將其原來環(huán)中空白用金屬結(jié)構(gòu)填充，則就形成了互補(bǔ)諧振環(huán)（csrr）。本文主要將互補(bǔ)諧振環(huán)嵌入地板同時(shí)與電抗性金屬面（ris）的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，這樣設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，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(shí)測的結(jié)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(zhì)的不穩(wěn)定性，實(shí)測的頻率略為偏低，并且實(shí)測帶寬比仿真帶寬小。所設(shè)計(jì)天線的軸比的仿真和測試結(jié)果如圖7所示，天線的3db軸比帶寬仿真結(jié)果分別為1.5745~1.590ghz；實(shí)測和仿真的帶寬基本趨于一致。圖8為工作在1.575ghz時(shí)，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(xiàn)出右旋圓極化輻射模式.即在1.575ghz時(shí)在+z方向，天線輻射右旋圓極化波。天線在1.575ghz處的實(shí)測的最大增益為3.703dbi，由于制作誤差和材料的損耗，實(shí)測增益低于仿真增益。在中心頻率1.575ghz時(shí)，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(shù)x0和l的變化對天線的影響如圖9-10所示,由圖9可知，當(dāng)x0=7.8時(shí)，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(shí)l=41時(shí)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(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文在最后將這種新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的gps天線結(jié)構(gòu)做了對比，對比圖如圖10所示，由圖10可知，傳統(tǒng)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(dāng)在傳統(tǒng)天線基礎(chǔ)上分別只加his結(jié)構(gòu)和同時(shí)加his和csrr結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)不僅中心頻率變低，同時(shí)帶寬也變寬了很多。本文發(fā)明提供了一種基于超材料的新型小型化gps天線，利用互補(bǔ)諧振環(huán)嵌入地板與電抗性金屬面（ris）的設(shè)計(jì)相結(jié)合方法，不僅使得天線的尺寸明顯減少，同時(shí)在天線的阻抗帶寬和增益方面也有很大的提高，這樣設(shè)計(jì)的天線性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，在衛(wèi)星導(dǎo)航方面具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前第1頁12