多频段GPS有源微带天线

【摘要】随着全球定位系统(GPS)在军事和民用方面的发展,人们对高性能GPS天线的要求不断增加。尽管许多通用的GPS天线能够覆盖单频带或者双频带,但对于设计和制作高性能多频带GPS天线仍有很大的需求。与无源天线相比,有源天线可以显著提高天线的增益、展宽天线频带并易于实现天线的小型化,因而受到了广泛的欢迎。本文设计了一款能用于GPS接收机的有源多频带GPS天线,它是由天线辐射单元和低噪声放大器组成的。因为微带具有体积小,成本低,易加工等优点,因此采用微带贴片作为天线的辐射单元。然而,微带天线带宽较窄,难以实现宽频带工作。因此,为了实现多个频率的GPS信号接收,采用三个不同尺寸的方形贴片的叠层构成了三频微带天线的结构,可以接收GPS的L1、L2、L5频段的信号；GPS信号都是通过圆极化波发送的,因此对方形贴片进行切角,以实现右旋圆极化的辐射特性；馈电方式则是采用了同轴探针馈电。三频微带贴片天线的仿真是通过HFSS软件完成的,在仿真结果达到设计要求的基础上,进行了天线的制作与测量。测量结果表明,在L1、L2、L5频段上,天线的10dB阻抗相对带宽分别达到了2%、1.5%、2%；在L1频段上天线的轴比小于0.42dB,在L2频段上轴比小于4.94dB,而在L5频段上轴比则小于2.59dB；天线右旋圆极化增益在L1、L2、L5频段上,分别达到了0.7dBi、-2dBi和-1.9dBi。在低噪声放大器的设计中,选用了Avago公司的ATF-54143的晶体管。该晶体管在1.1GHz-1.62GHz范围内的S参数变化不大,容易实现阻抗匹配。低噪声放大器采用了两级放大的设计方案,并应用射频电路仿真软件ADS进行了原理仿真和版图仿真。在仿真和优化的基础上,进行了低噪声放大器的制作和测量。实测表明,输入端回波损耗在1-1.7GHz频率范围内大于11dB,而输出端回波损耗在1.19-1.65GHz频率范围内大于15dB；增益在1-1.65GHz频率范围内大于28dB；噪声系数在1.1-1.7GHz频率范围内小于0.85dB。在低噪声放大器和天线设计成功的基础上,采用ADS软件对无源天线和低噪声放大器进行协同仿真,并将二者连接后进行测量。实测表明,有源天线的回波损耗10dB阻抗频带为1.1-1.62GHz,天线右旋圆极化增益在L1、L2、L5频段上,分别达到了28.7dBi、26dBi和26.1dBi。最后,对所研制的有源多频GPS天线进行了导航定位应用实验。实验表明,采用本文研制的天线,GPS接收机跟踪了七颗卫星,能够对L1和L2频段信号进行解码,定位误差分别为2.12m和1.75m。
【作者】兰佳（WahWahLwin）；
【导师】房少军；
【作者基本信息】大连海事大学，信息与通信工程，2014，硕士
【关键词】有源多频带天线；GPS；微带贴片天线；圆极化；低噪声放大器；

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