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在全球产业对于电子产品要求其“轻、薄、短、小”等发展趋势下，使得GPS系统小型化成为一种趋势，而GPS天线的尺寸也成为GPS系统小型化设计的瓶颈问题。
现有的GPS天线大多采用陶瓷基片天线或螺旋天线[1]。其中，陶瓷基片天线因其在辐射元的正交面上有最大增益，即在水平面上的辐射元对从天顶发来的讯号具有最大增益，因此，陶瓷基片天线广泛适用于主要朝上方的终端产品中，例如运用在车载导航设备中。由于陶瓷基片其介电常数高，利用陶
瓷基片作为介质的天线体积较小，故GPS天线广泛采用陶瓷基片设计。
但是，目前市场上现有的结构的陶瓷基片GPS天线存在以下缺点而限制了其在工程中的实用性和应用范围：
1. 陶瓷基片GPS天线现有结构限制了其尺寸的进一步小型化；
2. 介质厚度大、易碎、重量大；
3. 不耐高温，加工成本偏高；
4. 由于介质具有较高的介电常数，导致加工时天线的一致性不高，影响批量生产成品率，提高了制造成本。
2 GPS天线的分析和新的设计
2.1 天线结构
本设计的目的是为了解决现行的陶瓷基片GPS天线易碎，温度效应差，介电常数高，一致性不好及价格偏高，不易集成等缺点，提出了一种基于印制板技术的GPS天线，它在保证其他电性能不变的前提下，可以减小天线的重量和厚度等，降低天线的加工难度和加工成本。
实现如下：
按照变型微带的方法来设计GPS天线，为了解决普通微带天线尺寸大的问题，把微带环天线的结构用于GPS设计，并通过中间方形贴片的耦合馈电解决环天线所带来的阻抗失配问题。该天线包括1-介质层，2-环形天线，3-倒T型槽，4-耦合馈电贴片，5-金属地板和6-金属地板。
如图1所示，构造一种GPS天线，包括介质层1，设置在该介质层第一表面的天线地板5和设置在该介质层第一表面相对的第二表面的天线贴片和馈电点6，其特征在于，所述天线贴片包括沿所述介质层第二表面周边环形布置的环形天线2和在该环形天线内部并临近该环形天线一侧间隔设置的耦合馈电贴片4，所述馈电点设置在该耦合馈电贴片上; 在所述环形天线临近所述耦合馈电贴片部分中部设置一个T形槽3，该T形槽的脚与该环形天线的内边缘连通，该T形槽的上横边与该环形天线的内边缘平行。天线中提出的耦合馈电很好解决了环天线带来的阻抗失配问题，在实现小型化的同时，提高了天线的阻抗特性，并通过在环形天线上开倒T型槽来实现天线的圆极化特性，改变了通常采用的切角来实现微带圆极化的方法，提高了天线批量生产时的一致性。通过选用低介电常数的材料，相比通用陶瓷基片的天线，由于结构的创新，在减小天线体积的情况下，降低了成本，改善了耐温度和易碎等不良特性，提高了批量生产的一致性。
2.2 天线性能比较
本设计的GPS天线，与现有技术比较，其有益效果是：
1. 天线结构进一步小型化。如采用陶瓷基片时，本设计的GPS天线尺寸可做到17mm×17mm×4mm，与普通陶瓷基片GPS天线尺寸25mm×25mm×4mm比较（图2所示），其面积仅为普通陶瓷基片GPS天线的46.2%；而采用εr =2.65的低介电常数介质时，本设计的GPS天线尺寸可做到40mm×40mm×1mm，与普通εr =2.65介质GPS天线尺寸58mm×58mm× 1mm比较，其面积仅为普通εr =2.65介质GPS天线的47.6%；
图2 传统陶瓷GPS天线
如下表1所示：
表1
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介质
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本设计GPS天线
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传统GPS天线
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面积比
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陶瓷
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17 x 17 x 4mm
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25 x 25 x 4mm
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46.2%
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εr =2.65介质
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40 x 40 x 1mm
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58 x 58 x 1mm
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47.6%
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2. 本设计的GPS天线采用低介电常数介质后，温度效应好、不易碎，解决了常用的GPS天线温度效应差，易碎等缺点；
3. 本设计的GPS天线采用低介电常数的普通印制板，在降低成本和加工难度的同时，提高了天线批量加工的一致性；
4. 本设计的GPS天线解决了陶瓷基片GPS天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与GPS接收链路一体化设计。
2.3 天线实测结果
本设计天线频带内的增益用比较法测量的数据见表2。表2中的标准天线为标准圆极化螺旋天线，待测天线为GPS天线。
表2
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频率（MHz）
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待测天线接收电平（dB）
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标准天线接收电平（dB）
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标准天线增益（dB）
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待测天线增益（dB）
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1575
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-30.0
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-24.0
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10.0
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4.0
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GPS天线的电性能可通过如下的测试曲线和实测方向图给以反映：
图3 实测新型GPS天线频带内驻波和
1575MHz频点的H面方向图
频带内电压驻波比测试结果表明，天线在1575MHz频带内电压驻波比均小于1.5。
天线在1575MHz频点的辐射方向图测试结果表明，天线在频带内满足了方向图覆盖要求。
3 与传统GPS天线优点比较
本设计与现有技术相比具有如下的优点：
1. 天线结构上实现了小型化，体积为：长´宽´高=40mm´40mm´1mm。
由于采用环天线技术，使电流沿环路分布，这就形成了一种慢波辐射结构，就可以在更小的尺寸内使频率谐振，使其驻波和辐射特性达到较佳水平。且由于微带结构本身所具有的低剖面特性，使得其体积可以做到很小。且采用了矩形贴片耦合馈电的方式，解决了环天线阻抗匹配差，匹配网络效率低的特点。
2. 天线解决了常用的GPS天线温度效应差，易碎等缺点。
由于常用的陶瓷GPS天线受到本身材料性能的约束，其结构本身非常易碎，且在高温焊接的时候，由于受热不均匀，极容易裂开。当采用印刷电路板制作时，由于材料本身耐高温，不易碎，强度大，这就大大改善了天线的结构性能参数。
3. 天线采用低介电常数的普通印制板，在降低成本和加工难度的同时，提高了天线批量加工的一致性。
陶瓷材料介电常数高，加工工艺复杂，所以会产生一致性不好的缺点。由于介电常数高，其谐振频率对尺寸相当敏感，调试时很小的误差就可能产生较大的偏移，这给实际生产提出了很高的容差要求。当改变其结构，使用较低的介电常数也能减小GPS天线的体积，这就改变了高介电常数材料的不足，提高了产品的一致性。且由于采用低介电常数的材料，成本大大降低。
4. 天线解决了陶瓷基片GPS天线不易与电路板集成的缺点，利用印制板技术，便于与GPS接收链路一体化设计。
由于和电路板的加工工艺一样，同样是基于PCB印制板技术，当采用多层微带结构时，就很容易做到与电路板一体化设计，设计难度小，集成度高，成本低，便于批量生产。
5. 天线达到了如下指标：
频率范围：1.575GHz；
电压驻波比：≤1.5；
增益：4dB；
极化方式：右旋圆极化；
轴比：≤1.5；
重量：10克。
由于本设计具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。
4 结论
本文所设计的GPS天线在保证其他电性能不变的前提下，减小了天线的体积和重量，降低天线的加工难度和加工成本。它可应用于通信、探测、定位、制导等领域。所提出的小型化技术和阻抗匹配技术可推广应用于其他频段天线的设计中。
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提升卡
变色卡
千斤顶
