GPS天线及其双频技术的研究与设计_肖龙.docx
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1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宂工作及取得的 研宄成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得或安徽大学其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签 字 曰 期 : 年 “ 月丨曰 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定,有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅。本人授权安徽大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索,
2、可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文版权使用授权书 学位论文作者签名: 签字日期:二 年 月 |日 签字日期 : (保密的学位论文在解密后适用本授权书 b Ap S 随着全球定位系统 (Global Positioning System, GPS)的不断发展,该系统的 终端天线面临着更多的挑战。因此对该终端天线的研宄成了科研的焦点。 GPS 频段主要包括 GPS LI (1575.42MHz)和 L2 (1227.6MHz)频段。而微带圆极化天 线是该天线最常用的形式。本文旨在GPS频段的单频和双频微带圆极化天线的 研宄和设计。论文的主要工作分为以下几个部分。 1、
3、 论文对圆极化天线的国内外发展现状进行了介绍。并介绍了实现圆极化 的螺旋天线和微带天线、圆极化天线的多频段技术。阐述了微带天线的相关理 论,天线分析常用的理论方法和圆极化技术的实现方法。 2、 设计了一款基于缺陷地结构 (Defected Grounded Structure, DGS)的 GPS 天线。该天线应用在 GPS L1频段。利用同轴探针对天线进行馈电。天线使用 的圆极化机理是在两个斜对角上形成幅度相同,相位相差 90度的正交模。实现 的途径是沿对角线开矩形槽和圆形槽,以此形成圆极化波。另外为了增加天线 的带宽和增益,在接地板上刻蚀了 E字形槽的 DGS结构。研究表明,在接地板 上刻
4、蚀 E字形槽的 DGS结构后天线的 -10dB阻抗带宽和增益都有所增加。其中, 带宽增加了 0.61%,增益增加了 0.61 dB。 最后,对该天线进行了加工和测试, 测试的结果与仿真结果存在微小偏差,论文对偏差进行了分析。 3、 设计了一款 GPS层叠结构 的双频圆极化天线。该天线应用在 GPSL1和 L2频段。天线的馈电方式是同轴探针馈电。馈电探针直接对上层贴片进行馈电, 下层贴片的馈电通过与上层贴片之间的耦合实现。两个贴片分别能单独实现圆 极化,最后组合在一起,形成层叠结构的双频圆极化天线。该天线的 -10dB带 宽分别是 3.7%和 5.2%。 3dB圆极化带宽分别是 0.855%和
5、0.73%。对该天线进 行了加工和测试,测试的结果与仿真的结果存在微小偏差,文中详细分析了偏 差的原因。经过多次改进,天线基本上满足了要求,并给出了天线仿真和调试 的一般经验。 关键词 : GPS;微带天线;圆极化;双频;轴比 Abstract Abstract With the continuous development of Global Positioning System (GPS), terminal antenna of the system is facing more challenges. So research on the antenna has become a ho
6、tspot of scientific research. GPS includes the frequency bands of GPS LI and L2. And microstrip circularly polarized antenna is the common way of this antenna. This thesis is aimed at studying and designing the single band and dual-band microstrip circularly polarized antenna of GPS bands. The main
7、work can be separated as the following segments. 1. This thesis introduces the development situation of circular polarization antennas at home and abroad. Then the realization techniques of circular polarized helix antennas and microstrip antennas, multiband of circular polarization antenna are intr
8、oduced. The related theory of microstrip antenna, the common theoretical methods of antenna analysis and implementation methods of circular polarization are expounded. 2. A GPS antenna based on the DGS (Defected grounded structure) structure is designed. The antenna is applied in the GPS LI frequenc
9、y band using the coaxial cable to feed the antenna. The mechanism of the circularly polarized antenna is to excite two orthogonal modes in the diagonal direction with the same amplitude and phase difference of 90 degrees. The way of doing this is to open the rectangular slots and circular slots alon
10、g the diagonal directions respectively, thus forming the circularly polarized wave. To enhance the bandwidth and gain of the antenna, E- shaped DGS structures are utilized. The results show that the minus lOdB impedance bandwidth and gain are strengthened after etching E-shaped DGS on the ground pla
11、ne. The bandwidth has increased 0.61% and the gain has been enhanced 0.61dB. Finally, the antenna is fabricated and measured. Measured results have slight deviation from simulated results, and this thesis has analyzed the deviation. 3. A dual-band circularly polarized stacked antenna is designed. Th
12、e antenna is working at the GPS LI and L2 frequency bands. The antenna is fed by coaxial probe. The upper patch is directly fed by the coaxial probe. The lower layer is fed through the coupling between the upper and the lower layers. The two patches can realize circular polarization separately. They
13、 are combined together to form the dual-band ii 安徽大学硕士学位论文: GPS天线及其双频技术的研究与设计 circularly polarized antenna with stacked structure. The -lOdB impedance bandwidths are 3.7% and 5.2% and the simulated and 3dB circular polarization bandwidths are 0.855% and 0.73% respectively. The antenna is fabricated
14、and measured. Measured results have deviation compared with the simulated results, and this thesis has analyzed causes of the deviation. Through many times of improvement, the antenna can satisfy the basis requirements and the general experience in simulation and tuning is given in this thesis. Key
15、words: GPS; Microstrip antenna; Circular polarization; Dual frequency; Axial ratio HI _ RS _ 目录 M . i Abstract . II g 录 . IV 胃一 $躲 . 1 1.1选题背景及研宄意义 . 1 1.2国内外研宄现状 . 2 1.3论文主要工作内容及安排 . 5 第二章 GPS天线的理论基础 . 6 2.1微带天线的理论知识 . 6 2.1.1微带天线概述 . 6 2.1.2微带天线的分类和辐射机理 . 6 2.1.3微带天线的基本性能参数 . 8 2.2微带天线的设计理论 . 11 2
16、.2.1天线馈电方式介绍 . 11 2.2.2基本参数设计 . 13 2.3微带天线的分析方法 . 14 2.3.1传输线理论模型 . 14 2.3_2腔模理论模型 . 16 2.3.3全波分析方法 . 21 2.3.4有限元法 . 21 2.4微带天线圆极化技术 . 21 2.4.1微带天线圆极化理论 . 21 2.4.2微带天线的圆极化实现 . 23 2.5本章小结 . 25 第三章基于 DGS结构的 GPS天线的设计 . 26 IV _ 安徽大学硕士学位论文: GPS天线及其双频技术的研究与设计 _ 3.1 弓 | 言 . 26 3.2天线结构设计 . 26 3.3仿真与优化结果分析 .
17、 29 3.3.1仿真结果分析 . 29 3.3.2增加 E字槽前后的结果对比 . 33 3.3.3天线的优化结果分析 . 34 3.4本章小结 . 38 第四章 GPS双频圆极化层叠天线的设计 . 39 4.1 39 4.2层叠天线结构设计 . 39 4.3仿真结果分析 . 41 4.4天线的参数分析 . 44 4.5本章小结 . 50 第五章天线的加工和测试 . 51 5.1加工和测试环境介绍 . 51 5.2基于 DGS结构的 GPS天线的加工和测试结果 . 52 5.3 GPS双频层叠天线的加工和测量 . 54 5.4本章小结 . 57 第六章总结与展望 . 58 #考献 . 60 f
18、m . 63 攻读硕士学位期间研宄成果 . 64 v 第一章绪论 第一章绪论 本章主要说明了卫星导航系统的概况,回顾了国内外用于实现圆极化的螺 旋天线、微带天线的研宄和发展,讨论了选题背景和意义,阐述了论文的主要 工作内容和安排。 1.1选题背景及研宄意义 当代科学技术的发展日新月异,促进了卫星导航定位技术的发展。该技术 的应用范围正在不断地扩大,应用领域可以涉及到社会生活的方方面面。近年 来该技术的应用范围也从军用逐渐转到民用领域。这意味着该技术将在国防、 国民经济和社会生活方面扮演越来越重要的角色。该转变是符合社会发展需要 的。并且有非常重大的政治和军事意义,给人类的生活也带来了可观的经济
19、效 益 . 正是因为导航定位系统有如此重要的地位和作用,世界各国也都希望能拥 有自主支配权的定位导航系统。特别是近些年来,该技术发展的热度也在持续 升温。并且按照这种发展趋势,到 2020年前世界上将会出现四大具有完整体系 的全球卫星导航系统。这四种全球定位导航系统分别是:属于美国的 GPS、 属 于俄罗斯的格 洛纳斯 GLONASS、 在建的欧盟的GALILEO系统、还有属于中 国的北斗卫星定位导航系统 21。 全球定位系统 ( Global Positioning System, GPS)最初来自于美国军方于 1958年的一个军事项目,在六年后建设完成并开始运营。在 20世纪 70年代,
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- 关 键 词:
- GPS 天线 及其 双频 技术 研究 设计 肖龙
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