因此，在上述的前提下，本文将针对GPS天线结构进行研究和讨论，着重研究微带天线的圆极化和小型化技术，设计了几种新型的天线结构。
§1.2 GPS天线的研究现状
早在1953年德尚教授就己经提出利用微带线的辐射来制成微带天线的概念。但是在随后的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森和豪威尔等研究者制成了第一批实用微带天线。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的的专题会议。70年代是微带天线取得突破性进展的时期。在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展。对于微带天线
的圆极化技术，由三种主要的方法，分别是单馈法、多馈法以及多元法。实现方式多以切角、表面开槽或准方形、近圆形来实现。对于制作小型化微带天线的方法，最基本的可以利用较大的介电常数当基板。结构不但可以缩小天线且能制造双频的效果，这样只需要一组天线的面积。还有文献「7」是在微带天线上挖出凹槽等，借由金属片上电流的变化使得天线被缩小。还有一种结构，则是在辐射金属片与接地面间加上晶片电阻，不但可以缩小天线也可以改善天线的频宽问题。在许多移动终端的GPS天线中，多使用的是陶瓷介质的切角微带天线来实现其圆极化小型化的要求。目前这种陶瓷天线可以做到IOnun*1Onnll，但是的其成本也会相对提高。国内由于GPS业务在手机上的使用还为十分普及，因此这种天线的需求不是很高，制作厂商也相对较少。文献〔8〕给出了一种短路环形贴片结构，它可以降低多径效应，满足
其辐射方向图的要求。
为了满足GPS天线宽波束的要求，文献〔9」中的两位作者研究了地对GPS天线性能的影响，并得出当接地面的半径接近于半波长时，可以得到最优的天线波束。螺旋天线结构是1946年，由JohnD.KruaS第一个发现的，其建立整个螺旋的理论基础，并且也从实际的实验中去验证，使得日后螺旋性天线不单只用在GPS上，在卫星通一讯上也是不可或缺的。Kilgus第一个提出了谐振式螺旋天线。
谐振式螺旋天线主要有四条螺旋臂组成，后来为了满足双频的要求，又提出了八臂螺旋结构。在文献〔101中给出了印刷电路板式螺旋天线，通过对螺旋臂结构的设计实现了螺旋天线的小型化。
随着科技和天线技术的发展，以及GPS系统在人类生活中的广泛使用，人们对天线的要求也越来越高，人们最初使用的是微带贴片天线，这个技术己基本成熟，通过设计各种形状的贴片来实现圆极化以满足GPS系统的需求。以双频天线举例来说，由于无线通信的发展使得在雷达、通信和定位系统等领域都迫切需要双频、双极化的天线，以实现频率复用、收发双工和天线共用。2004年，加拿大NovAtel公司新近推出一种GPS700型天线。这是一种以孔径祸合缝隙天线阵
技术为特征的自主式GPS天线。同年，美国伊利诺斯州的Mxarda公司推出了一种GPS移动式天线，它是Mxa一Matics公司用于综合信息服务、产品系列的部件，它由一个密封高增益27dB的GPS天线。它适用于货车和贵重物品的跟踪。
§1.3 论文的基本内容
对微带天线的圆极化及小型化做了详细分析通过使用D3电磁场仿真软件ADS(Advanced Design System)对天线进行仿真，研究了这天线在增益、方向图及极化等特性。
此篇论文的具体研究内容包括: 1.微带贴片天线的理论研究方法 2.天线实现圆极化和小型化的各种方法 3.圆极化微带贴片天线的设计和研究。 4.几种微带结构的贴片天线的研究和对比 拟解决的关键问题:
1.GPS微带天线的设计、研究和制作。 2.圆形贴片上开槽，切角实现圆极化。
第二章 天线的基本知识及基础理论
§2.1 天线的作用及地位
通信、雷达、遥感、广播、电视、导航等无线电设备，都是依靠无线电波来工作的，都需要有无线电波的辐射和接收，例如，最基本的无线电通信系统如图所示。在某地的发射系统有发射机、馈线和发射天线组成；在另一地的接收系统有接收天线、馈线和接收机组成。信号经发射机调制成高频电磁能量，以导波形式经馈线送至发射天线。发射天线将该能量转换成空间辐射的某种极化的无线电波。电波按指定方向经过一定方式传播之后到达接收端，一部分规定极化的电波能量经接收天线转变成导波形式的高频电磁能量，经
馈线发至接收机，最后经解调取出信号，完成信息的转送。
发射机
辐射或接收无线电波的设备称为天线，天线主要完成导行波与空间电波能量之间的转换
一 天线基础知识
表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式等。
1.1 天线的输入阻抗
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。
接收机
1.2 天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）
1.3 天线的增益
增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信
号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。 如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W . 换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。
半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂直
四元阵，其增益约为G = 8.15 dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。
如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd 。