1、開題報告畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：GPS抗干擾天線技術(shù)一一多頻帶高增益微帶天線單元的 仿真與設(shè)計(jì)浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告班級07通信工程（）姓名XXX課題名稱XXXXXXXXXXXXXXX目錄：一、選題意義與可行性分析二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題四、總體研究思路（方法與技術(shù)路線）五、預(yù)期研究成果六、研究工作計(jì)劃參考文獻(xiàn)成績：答辯意見答辯組長簽名：年 月 日系 主 任 審 核意 見簽名：年 月 日一、選題意義與可行性分析全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)是美國國防部為陸、海、空 三軍研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)

2、航、測繪、監(jiān)測、授時、通信 等多種領(lǐng)域。近年來，GPS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域迅猛發(fā)展，特別是在車輛導(dǎo)航和手機(jī)定 位等方面潛力巨大。由于GPS信號微弱，要想獲得良好的導(dǎo)航定位效果，除了提高 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航精度以外，對接收機(jī)的抗干擾研究也非常重要。在GPS抗干擾研究 中，抗干擾天線技術(shù)對于GPS接收機(jī)的精度及其重要，因此設(shè)計(jì)出符合要求并且精 度較高的抗干擾天線意義重大。根據(jù)GPS定位原理及其衛(wèi)星信號特征，為實(shí)現(xiàn)接收機(jī)快速、連續(xù)、精確定位， 對GPS天線提出了很高的要求。雖然目前GPS天線技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但它仍舊是 制約接收機(jī)性能的瓶頸，是設(shè)計(jì)中主要考慮的因素。GPS接收天線主要有微帶貼片 天線和四臂螺

3、旋天線兩種，為滿足當(dāng)前各種便攜式、多功能接收機(jī)的需求，人們對 GPS天線的小型化、多頻段、抗干擾、圓極化等技術(shù)進(jìn)行了不斷的研究。微帶天線理論和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件使得GPS天線設(shè)計(jì)成為可能。微帶天線的 基本理論大致可分為三類：傳輸線理論、空腔理論和全波理論。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在 天線領(lǐng)域已經(jīng)越來越重要，一大批天線設(shè)計(jì)軟件使天線設(shè)計(jì)變得更加簡單，例如 Ansoft HFSS，本課題將使用該軟件做天線的初步設(shè)計(jì)和仿真，從而得出所設(shè)計(jì)的 天線參數(shù)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來便攜式接收機(jī)的應(yīng)用，對GPS天線提出了特殊的要求，包括天線的小型 化、降低天線成本、增強(qiáng)抗干擾能力和雙頻/多頻段等。隨著理論研究的深入，

4、國 內(nèi)外對GPS貼片天線的研究已經(jīng)趨于成熟。順應(yīng)近代電磁學(xué)的發(fā)展與無線應(yīng)用的眾多需求，天線技術(shù)歷經(jīng)百余年發(fā)展仍充 滿盎然生機(jī)。微帶天線作為一維小型化天線，以其低輪廓、可共形、易集成等頗具特 色的優(yōu)點(diǎn)近年來在天線開發(fā)實(shí)用中獨(dú)占鰲頭。而高性能圓極化天線在當(dāng)前的應(yīng)用愈 加廣泛。圓極化天線的實(shí)用意義主要體現(xiàn)在：1、圓極化天線可接收任意極化的來 波，且其輻射波也可由任意極化天線收到，故電子偵察和干擾普遍采用圓極化天線；2、在通信、雷達(dá)的極化分集工作和電子對抗等應(yīng)用中廣泛利用圓極化天線的旋向 正交性；3、圓極化波入射到對稱目標(biāo)(如平面、球面等)時逆向旋轉(zhuǎn)，因此圓極 化天線應(yīng)用于移動通信、GPS等能抑制雨霧

5、干擾和抗多徑反射。微帶天線圓極化方 法大致分為三類,分別為：（a）切角（b）準(zhǔn)方形、近圓形、近等邊三角形（c）表面 開槽（d）帶有調(diào)諧枝節(jié)（4）正交雙饋、曲線微帶型、行波陣圓極化枝節(jié)對天線性能的理論分析，除基于空腔模型的傳統(tǒng)方法外，矩量法和時域有限差 分法兩種數(shù)值方法成為主流?？焖俣鄻O子算法和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引入加速了 天線的優(yōu)化。各種商用軟件的開發(fā)使復(fù)雜天線的設(shè)計(jì)變得簡單。當(dāng)前圓極化微帶天 線的發(fā)展已不只是要求實(shí)現(xiàn)圓極化工作和保證帶寬，而且要求小型化和雙頻段甚至 多頻段。三、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題GPS接收天線的性能明顯影響GPS接收機(jī)的應(yīng)用效果。近些年發(fā)展起來的微 帶天線技術(shù)

6、，以其良好的性能、纖小的體積和便于安裝集成的結(jié)構(gòu)等優(yōu)良特性，引 起天線設(shè)計(jì)者的關(guān)注。3.1研究的基本內(nèi)容3.1.1微帶天線的設(shè)計(jì)理論的分析與研究微帶天線的分析與設(shè)計(jì)方法有多種，常用的有傳輸線模型法、諧振腔模型法、 矩量法及時域有限差分法等。其中，諧振腔模型法是將微帶貼片與接地板之間的空 腔看成四周為磁壁、上下位電壁的諧振腔，可用于各種規(guī)則的貼片。本課題首先分 析和比較各種設(shè)計(jì)方法，然后重點(diǎn)研究諧振腔模型法，并用來設(shè)計(jì)GPS微帶貼片天 線。GPS天線單元的設(shè)計(jì)天線單元的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)GPS天線所需的參數(shù)如，頻點(diǎn)、極化方向和輸出阻 抗等，來解決天線的理論設(shè)計(jì)，包括天線的形狀、尺寸以及所用的材料等。

7、天線單 元這些參數(shù)的設(shè)定主要是根據(jù)天線的基礎(chǔ)知識、天線設(shè)計(jì)的理論如諧振腔模型法和 簡并分離理論等知識綜合得出的。GPS天線單元的仿真與優(yōu)化即使天線單元的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，但也不能保證天線的各個參數(shù)都符合要求，因 此需要對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，利用計(jì) 算機(jī)軟件來仿真優(yōu)化天線變得越來越簡單。本課題主要使用Ansoft公司的HFSS完 成對所設(shè)計(jì)天線的仿真和優(yōu)化。3.2擬解決的主要問題（1）天線增益：增益是天線的主要參數(shù)之一，直接影響天線的抗干擾性能。（2）方向性好，提高抗干擾能力。（3）降低極化軸比。四、總體研究思路（方法和技術(shù)路線）4.1 GPS天線單元的理論設(shè)計(jì)

8、4.1.1理論研究天線的性能參數(shù)主要有輻射方向圖、帶寬、增益、極化和阻抗。輻射方向圖給 出了天線發(fā)射時離天線固定的距離上輻射隨角度的變化；帶寬給出了天線的合格的 頻率范圍；增益給出了被天線上損耗減弱了的方向性；極化是指當(dāng)天線發(fā)射時，所 發(fā)射的瞬態(tài)電場矢量隨時間變化的軌跡圖；阻抗是天線終端上的電壓與電流比。分析微帶天線的基本理論大致可分為三類：傳輸線理論、空腔理論和全波理論3最早出現(xiàn)的也最簡單的是傳輸線模型理論，主要用于矩形貼片。該理論將微帶 天線看成兩個正交的、終端開路的傳輸線，傳輸準(zhǔn)TEM波。更嚴(yán)格更有用的是空腔 模型理論，可用于各種規(guī)則貼片，該理論將貼片與接地板之間的空間看成是四周為 磁壁

9、、上下為電壁的諧振空腔,天線輻射場由空腔四周的等效磁流來得出,天線輸入 阻抗可根據(jù)空腔內(nèi)場和饋源邊界條件來求得。最嚴(yán)格而計(jì)算最復(fù)雜的是積分方程法, 即全波理論。從原理上說全波理論可用于任何微帶天線，然而要受計(jì)算模型的精度 和機(jī)時的限制。傳輸線模型法是將一矩形微帶天線等效為一段微帶傳輸線。多端口網(wǎng)絡(luò)模型法 是把貼片表示為四周帶一些端口的二維平面電路，再把貼片外部場用等效的集總參 數(shù)網(wǎng)絡(luò)來模擬；矩量法分為空間矩量法及頻域矩量法，這種方法能處理任意結(jié)構(gòu)、 任意厚度的微帶天線，根據(jù)介質(zhì)和空氣分解面處的邊界條件，利用合適的格林函數(shù) 建立貼片表面未知電流滿足的積分方程，應(yīng)用矩量法解此積分方程，算出天線的各

10、 種參數(shù)。微帶天線獲得圓極化的關(guān)鍵是激勵起兩個極化方向正交、幅度相等、相位差90 度的線極化波。對于單點(diǎn)饋電的GPS微帶天線來說，主要通過切角和偏置饋電來實(shí) 現(xiàn)，切角包括輻射元切角和基片切角。目前，用微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有以下四種方法:正交饋電的單片圓極化微帶天線；一點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線；由曲線微帶構(gòu)成的寬頻帶圓極化微帶天線；微帶天線陣構(gòu)成的圓極化微帶天線。4.1.2天線尺寸設(shè)計(jì)本課題所設(shè)計(jì)的GPS微帶天線的參數(shù)如下：頻點(diǎn):1.575G(1.551.65)；增益N2dBi、極化軸比蘭2 (15。75。仰角)；駐波比蘭2；右旋圓極化；輸出阻抗：50q。應(yīng)用常規(guī)的矩形微帶天線的求解公式

11、可以確定貼片的尺寸，以及介質(zhì)板的厚度(1)(2)(3)h：w-+ 0.264M = 0.412龍e + .3h-+ 0.8 h8 - 0.258式中W, L分別代表貼片的寬和長，c為光速，f0為中心頻率，8 e是介質(zhì)基片的實(shí)效 介電常數(shù)。當(dāng)VSWRM2. 0時，微帶天線的帶寬的經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為：BW(MHz) = 5.04f2(GHz)h(mm)，(4)其中h為介質(zhì)基板厚度。通過上述理論和計(jì)算公式，初步設(shè)計(jì)出貼片的大小，尺寸，確定介質(zhì)的材料。 利用極化知識，確定饋點(diǎn)位置以實(shí)現(xiàn)天線的右旋圓極化。根據(jù)諧振腔模型法和簡并 理論，所設(shè)計(jì)的貼片天線形狀如圖1所示：圖1貼片天線的形狀4.2 GPS天線單

12、元的仿真與優(yōu)化利用4.1可以計(jì)算出天線的尺寸，如W、L和h,利用圓極化知識，確定饋電點(diǎn) 位置，以實(shí)現(xiàn)天線圓極化。運(yùn)行HFSS，建立一個基于上述參數(shù)的矩形貼片天線。設(shè)置求解類型；設(shè)置模型單位；創(chuàng)建微帶天線模型；設(shè)置端口激勵；設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行分析；分析報告，包括方向圖、駐波比、帶寬、阻抗、軸比等參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)化變量（包括貼片大小，基片大小以及剪角大小）， 將貼片大小和剪角大小設(shè)置在更小的范圍內(nèi)，再進(jìn)行仿真，得出圓極化天線的尺寸。 在此基礎(chǔ)上，修改設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，提高所設(shè)計(jì)天線的性能。五、預(yù)期研究成果首先，設(shè)計(jì)得到GPS微帶貼片天線單元模型。根據(jù)空腔模型、簡并理論以及圓

13、極化知識等，理論上設(shè)計(jì)出符合預(yù)期指標(biāo)的貼片天線，確定貼片的尺寸，以及介質(zhì) 板的厚度h，饋電點(diǎn)在貼片中的位置等，使天線的參數(shù)符合下列要求1）頻點(diǎn):1.575G（1.551.65）；2）增益N2dBi、極化軸比蘭2 （15。75。仰角）；3）駐波比蘭2；4）右旋圓極化；5）輸出阻抗：50。然后，經(jīng)仿真優(yōu)化得到GPS微帶貼片天線單元的最終設(shè)計(jì)模型。利用HFSS仿真出所設(shè)計(jì)天線的方向圖、輸入阻抗、方向圖等參數(shù)，所得出的參數(shù)與理論值比較， 經(jīng)仿真優(yōu)化，得到性能較高的GPS微帶貼片天線單元模型。六、研究工作計(jì)劃計(jì)劃進(jìn)度:起止時間內(nèi)容2009.11.14開題報告答辯，成績評定（預(yù)定、以通知為準(zhǔn)）。2009.

14、11.152009.12.7單元天線的理論設(shè)計(jì)（理論研究階段）。2009.12.162010.1.29單元天線的理論設(shè)計(jì)（參數(shù)計(jì)算階段）20010.1.302010.01.22天線的仿真與優(yōu)化階段2010.01.23學(xué)院進(jìn)行中期檢查（提前批畢設(shè)答辯申請、上交論文）（預(yù)定、以通知為準(zhǔn)）2010.01.242010.02.15根據(jù)中期檢查及指導(dǎo)教師意見，繼續(xù)完善畢業(yè)設(shè)計(jì)、撰 寫并修改論文。2010.02.152010.3.21畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）交指導(dǎo)教師（預(yù)定、以通知為準(zhǔn)）2010.03.21 2010.04.09根據(jù)指導(dǎo)教M幢見修改論文2010.04.10學(xué)院分組進(jìn)行論文答辯（預(yù)定、以通知為準(zhǔn)）參

15、考文獻(xiàn)袁建平等.衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用M.北京：中國宇航出版社,2003： 2030.邵聯(lián)軍.基于導(dǎo)航戰(zhàn)的GPS通信干擾仿真與設(shè)計(jì)D.武漢:武漢大學(xué),2005熊志昂，李紅瑞,賴順香.GPS技術(shù)與工程應(yīng)用M.北京：國防工業(yè)出版社,2005:5060.王李軍.GPS接收機(jī)抗干擾若干關(guān)鍵技術(shù)研究D.南京:南京理工大學(xué),2006宋穎鳳，葛海龍，王四紅.對GPS的干擾與抗干擾技術(shù)研究J.艦船電子工 程，2004,24(6):2630.王運(yùn)東，徐錦，李軍.GPS接收機(jī)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)J.艦船電子工程,2006,26(3):3135.蔣海麗，鄭建生，潘慧.GPS接收機(jī)的抗干擾設(shè)計(jì)J.航天電子對抗,2004,6:

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