多频段GPS有源微带天线

发布时间：2017-03-30 00:12

  本文关键词：多频段GPS有源微带天线，，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【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
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN822;P228.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• List of Abbreviations9-13
• Chapter 1 Introduction13-23
• 1.1 Active Antennas13
• 1.2 Previous Researches of Active Antennas and GPS Antennas13-18
• 1.2.1 Researches of Active Antennas14-16
• 1.2.2 Researches of GPS Antennas16-18
• 1.3 The Analytical Softwares18-21
• 1.3.1 High Frequency Structure Simulator (HFSS)18-20
• 1.3.2 Advanced Design System (ADS)20-21
• 1.4 Thesis Objectives21
• 1.5 Outline of thesis21-23
• Chapter 2 GPS System and Characteristics of GPS Patch Antenna23-31
• 2.1 GPS System23-24
• 2.2 GPS Signals24-26
• 2.3 Characteristics of GPS Patch Antenna26-31
• 2.3.1 Resonant Frequency26-27
• 2.3.2 Bandwidth (BW)27
• 2.3.3 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)27-28
• 2.3.4 Axial Ratio (AR)28
• 2.3.5 Polarization28
• 2.3.6 Gain28-31
• Chapter 3 Theory of Low Noise Amplifier and Microstrip Patch Antenna31-47
• 3.1 Low Noise Amplifier (LNA)31
• 3.2 Characteristics of LNA31-34
• 3.2.1 Gain31-32
• 3.2.2 Stability32
• 3.2.3 Noise Figure (NF)32-33
• 3.2.4 Linearity33-34
• 3.3 Microstrip Antenna34
• 3.4 Basic Structure of Microstrip Patch Antenna34-38
• 3.4.1 Patch35
• 3.4.2 Dielectric Substrate35-36
• 3.4.3 Ground36
• 3.4.4 Feeding Techniques36-38
• 3.4.4.1 Coaxial cable/probe feed36-37
• 3.4.4.2 Microstrip line feed37-38
• 3.4.4.3 Aperture-coupled feed38
• 3.5 Methods of Analysis38-39
• 3.5.1 Transmission Line Model39
• 3.5.2 Cavity Model39
• 3.6 Characteristics of Rectangular Microstrip Patch Antenna39-44
• 3.6.1 Dimension of the Patch40-41
• 3.6.2 Radiation Mechanism41-42
• 3.6.3 Circular Polarization42-44
• 3.6.3.1 Single Feed Circularly Polarized Microstrip Antenna42-43
• 3.6.3.2 Dual feed circularly polarized microstrip antenna43-44
• 3.7 Multi-Frequency Microstrip Patch Antenna44-47
• Chapter 4 Design and Simulation of Low Noise Amplifier and Microstrip PatchAntenna47-65
• 4.1 Wideband Low Noise Amplifier Design47-55
• 4.1.1 Selection of Active Device47-48
• 4.1.2 Transistor Biasing48-49
• 4.1.3 Low Noise Amplifier Stability Analysis49-52
• 4.1.4 Low Noise Amplifier Matching Circuit Design52-53
• 4.1.5 Simulation Results of LNA53-55
• 4.2 Multiband Microstrip Patch Antenna Design55-65
• 4.2.1 Design Procedure56-60
• 4.2.1.1 Approximation of Design Parameters56-58
• 4.2.1.2 Modeling and Simulation58-59
• 4.2.1.3 Design Tuning59-60
• 4.2.2 Simulated Results and Discussions60-65
• Chapter 5 Implementation and Measurement65-73
• 5.1 Introduction65
• 5.2 Fabrication of Low Noise Amplifier and Measured Results65-66
• 5.3 Fabrication of Microstrip Patch Antenna and Measured Results66-69
• 5.4 Simulated and Measured Results of Active Multiband Antenna69-73
• Chapter 6 Conclusions and Future Works73-75
• 6.1 Summaries and conclusions73-74
• 6.2 Future works74-75
• References75-79
• Acknowledgments79-80

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