CN102809752B - 导航装置 - Google Patents

Abstract

一种导航装置包括一PCB板及与PCB板相连的天线，天线上设置有公共地和馈电点，其特征在于，所述天线包括介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线，围绕第二金属片设置有第二馈线，所述第一馈线通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第二馈线通过耦合方式馈入所述第二金属片，第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，第一馈线与第二馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间，可以通过改变嵌入的电子元件的性能对天线的收发电路匹配做出了各种优化，设计出满足适应性及通用性的要求的天线。

Description

导航装置

技术领域

本发明涉及一种导航领域，尤其涉及一种GPS导航装置。

背景技术

随着全球定位系统(Global Positioning System)技术的飞速进步和应用的普及，全球定位系统最主要的是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。当前，利用多基站网络实时动态差分法(Real-time Kinematic，RTK)技术建立的连续运行卫星定位服务中和系统(Continuous Operational Reference System，CORS)已经成为城市GPS应用的发展热点之一。众所周知，民用的全球定位系统(Global Positioning System)工作频率分别为1575.42MHZ，且电磁波信号采用为圆形极化波，因此导航仪器上需要配备高效率的圆形极化波天线以保证接收导航卫星电磁波信号。

现有的导航仪器多数采用内置式的微带天线，微带天线是在电介质板上设置矩形或圆形辐射贴片，这种微带天线带宽窄且频点低。虽然上述微带天线适合大规模生产。但是，由于导航仪器得工作环境随时随地变化，地形环境比较复杂，经常遇到灾地下商场、山坡地形、隧道、建筑群等封闭或半封闭场合，电磁波信号被屏蔽衰减，或者经过绕射反射等各种损耗，导致导航仪器中微带天线收发信号灵敏度降低；而且微带天线在工作状态下并不能将电信号完全转化为向外辐射的电磁波信号，也存在能量的损耗，如电路板的介质损耗，天线周围电子元件的耦合辐射干扰等。传统的天线设计方法是将天线的结构或者天线的收发电路匹配做出了各种优化，但是还是不能很好解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提高GPS导航装置灵敏度低且工作效率低等问题，于是提出一种设计出高灵敏度且高效率GPS导航装置。

一种导航装置包括一PCB板及与PCB板相连的天线，所述天线上设置有公共地和馈电点，所述天线包括介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线，围绕第二金属片设置有第二馈线，所述第一馈线通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第二馈线通过耦合方式馈入所述第二金属片，所述第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与第二馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

进一步地，所述空间设置在第一馈线、第一馈线与第一金属片之间及第一金属片这三个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在第二馈线、第二馈线与第二金属片之间及第二金属片这三个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在第一金属片上的第一金属走线上，或者所述空间设置在第一微槽结构上。

进一步地，所述空间设置在第二金属片上的第二金属走线上，或者所述空间设置在第二微槽结构上。

进一步地，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。

进一步地，所述空间为形成在所述天线上的焊盘。

进一步地，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间。

进一步地，所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

进一步地，所述天线通过螺接方式PCB板相连。

通过在导航装置增加上述天线，通过在天线上设置供电子元件嵌入的空间，可以通过改变嵌入的电子元件的性能对天线的收发电路匹配做出了各种优化，设计出满足适应性及通用性的要求的天线。另外，介质基板两面均设置有金属片，充分利用了天线的空间面积，在此环境下天线能在较低工作频率下工作，满足天线小型化、低工作频率、宽带多模的要求。为导航装置上增设新业务提供了平台。

同时，上述天线结构设计使得其收信号灵敏度进一步增强，降低天线周围电子元件的耦合辐射干扰等，确保了导航装置接收到完整且准确的电磁波信息。

附图说明

图1是本发明中一实施例的导航装置的侧面剖视简略图；

图2为图1所示天线的立体图；

图3为图2的另一视角图；

图4是本发明的天线第一实施例的结构示意图；

图5是本发明的天线第二实施例的结构示意图；

图6是本发明的天线第三实施例的结构示意图；

图7是本发明的天线第四实施例的结构示意图；

图8是本发明的天线第五实施例的结构示意图。

图9a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图9b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图9c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图9d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图9e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图10a为图9a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图10b为图9a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图11a为三个图9a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图11b为两个图9a所示的互补式开口谐振环结构与图9b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图12为四个图9a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。

具体实施方式

请参考图1，所述导航装置10包括一壳体99、设置于所述壳体99内的PCB板98及与PCB板98相连的天线100。所述天线100基于上述超材料原理来设计的且通过螺接方式固定于PCB板98的一角。在其他实施方式中，天线100特定形状的导电薄片也可直接印制于所述PCB板98上。

请一并参考图2及图3，所述天线包括介质基板1、附着在介质基板1相对两表面的第一金属片4及第二金属片7，围绕第一金属片4设置有第一馈线2，围绕第二金属片7设置有第二馈线8，所述第一馈线2及第二馈线3均通过耦合方式分别馈入所述第一金属片4及第二金属片7，所述第一金属片4上镂空有第一微槽结构41以在第一金属片上形成第一金属走线42，所述第二金属片7上镂空有第二微槽结构71以在第二金属片上形成第二金属走线72，所述第一馈线2与第二馈线8电连接，所述天线100预设有供电子元件嵌入的空间6。此种设计等效于增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限。

所述第一馈线2与第二馈线8通过在介质基板1上开的金属化通孔10电连接。

图2至图8中，第一金属片画剖面线的部分为第一金属走线，第一金属片上的空白部分(镂空的部分)表示第一微槽结构。另外，第一馈线也用剖面线表示。同样的，图3中，第二金属片画剖面线的部分为第二金属走线，第二金属片上的空白部分(镂空的部分)表示第二微槽结构。另外，第二馈线也用剖面线表示。

图2所述天线的立体图，图2为其另一视角图。综合两个图可以看出，介质基板的a表面及b表面上附着的结构相同。即第一馈线、第一金属片在b表面的投影分别与第二馈线、第二金属片重合。当然，这只是一个优选的方案，a表面与b表面的结构根据需要也可以不同。

第一馈线2围绕第一金属片4设置以实现信号耦合。另外第一金属片4与第一馈线可以接触，也可以不接触。当第一金属片4与第一馈线2接触时，第一馈线2与第一金属片4之间感性耦合；当第一金属片4与第一馈线2不接触时，第一馈线2与金属片4之间容性耦合。

第二馈线8围绕第二金属片7设置以实现信号耦合。另外第二金属片7与第二馈线8可以接触，也可以不接触。当第二金属片7与第二馈线8接触时，第二馈线8与第二金属片7之间感性耦合；当第二金属片7与第二馈线8不接触时，第二馈线8与第二金属片7之间容性耦合。

所述介质基板两相对表面的第一金属片与第二金属片可以连接，也可以不连接。在第一金属片与第二金属片不连接的情况下，所述第一金属片与第二金属片之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板的厚度可以实现第一金属片与第二金属片的谐振。在第一金属片与第二金属片电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述第一金属片与第二金属片之间通过感性耦合的方式馈电。

所述第一微槽结构41及第二微槽结构71可以是图9a所示的互补式开口谐振环结构、图9b所示的互补式螺旋线结构、图9c所示的开口螺旋环结构、图9d所示的双开口螺旋环结构、图9e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图9a至图9e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图9a所示的互补式开口谐振环结构为例，图10a为其几何形状衍生示意图，图10b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图9a至图9e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图11a所示，为三个图9a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图11b所示，为两个图9a所示的互补式开口谐振环结构与图9b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图9a至图9e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图12所示，为多个如图9a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下均以图9c所示的开口螺旋环结构为例阐述本发明。

下面分五个实施例来详细介绍本发明。应当理解的是，本发明的下述五个实施例中，介质基板的相对两面结构相同，因此，下述五个实施例中，均只描述了介质基板一表面的结构。

第一实施例

如图4所示，在本实施例中，在第一馈线2上预设有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间51，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是第一馈线2上的任意位置，并且可以有多个。可在空间51中嵌入感性电子元件，以改变第一馈线2的电感值。运用公式：可知电感值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电感或感性电子元件实现。本实施例中，加入的感性电子元件的电感值范围在0-5uH之间，若太大交变信号将会被感性元件消耗从而影响到天线的辐射效率。本实施例的所述天线具有多个频段的良好辐射特性，可通过对第一馈线及第二馈线上的电感值进行调节达到改变天线工作频率的目的。当然，也可以在空间51电阻，以改善天线的辐射电阻。当然，第一馈线上的空间也可以是多个，其中分别嵌入电阻以及感性电子元件，既实现了工作频率的调节，又能改善天线的辐射电阻。未加入电子元件的空间可用导线短接。第二馈线上预设空间的情况与上艺术品情况相同。

实施例二

如图5所示，在本实施例中，在第一馈线2与第一金属片4之间预设有嵌入容性电子元件的空间53，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是第一馈线2与第一金属片4之间的任意位置。图4中空间53为本实施例中嵌入容性电子元件的空间，第一馈线2与第一金属片4之间本身具有一定的电容，这里通过嵌入容性电子元件调节第一馈线2与第一金属片4之间的信号耦合，运用公式： 可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电容或感性电子元件实现。本实施例中，加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。当然，也可以在第一馈线2与第一金属片4之间预设多个空间。同样，在未连接有电子元件的空间中，采用导线短接。第二馈线与第二金属片之间预设空间的情况与上述情况相同相同。

实施例三

如图6所示，在本实施例中，在第一金属片的第一金属走线42上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间，嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图中给出的空间55和空间56，其他位置只要满足条件均可。此处嵌入感性电子元件的目的是增加第一金属片内部谐振结构的电感值，从而对天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；与实施例一相同，此处嵌入电阻的目的是改善天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。第二金属片的第二金属走线上预留空间的情况与上述情况相同。

实施例四

如图7所示，在本实施例中，在第一微槽结构41上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接两侧的第一金属走线42。嵌入电子元件的空间不仅仅局限与图5中给出的空间57，其他位置只要满足条件均可。嵌入容性电子元件可以改变第一金属片的谐振性能，最终改善天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w₀和品质因数Q的关系为：BW＝w₀/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。另有：Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。第二微槽结构上预留空间的情况与上述情况相同。

实施例五

如图8所示，在本实施例中，在第一馈线2、第一馈线2与第一金属片4之间及第一金属片4这三个位置上都设置供电子元件嵌入的空间。其中，第一金属片4上的空间包括设置在第一金属走线42上的空间以及设置在第一微槽结构41上且连接两侧的第一金属走线42的空间。具体地，本实施例中的空间包括第一馈线2上的空间61，第一馈线2与第一金属片4之间的空间63，第一金属走线42上的空间65、66，第一微槽结构41上的空间67，当然，本实施例中给出的位置并不是唯一性的，本实施例中，在上述的空间中加入电子元件以调节天线的性能，其原理与实施例一至四的原理类似，本实施例不再描述。在第二馈线、第二馈线与第二金属片之间及第二金属片这三个位置上设置供电子元件嵌入的空间的情况与上述情况相同。

所述天线100上空间的预留位置并不限于上述五种形式，空间只要设置在天线上即可。例如，空间还可以设置在介质基板上。

本发明的所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。在天线的预留空间中加入此类电子元件后，可以改善天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现天线性能参数的可调。因此，本发明的天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)，来实现不同天线的性能参数。即实现了通用性。可以大幅降低生产成本。

所述空间可以是焊盘，也可以是一个空缺。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

另外，介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本发明中，第一金属片及第二金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。

本发明中，第一馈线及第二馈线选用与第一金属片及第二金属片同样的材料制成。优选为铜。

本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种导航装置，其包括一PCB板及与PCB板相连的天线，所述天线上设置有公共地和馈电点，其特征在于，所述天线包括介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线，围绕第二金属片设置有第二馈线，所述第一馈线通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第二馈线通过耦合方式馈入所述第二金属片，所述第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，所述第一微槽结构和第二微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构，所述第一馈线与第二馈线电连接，所述天线的第一馈线和第二馈线具有嵌入的感性电子元件、第一馈线与第一金属片之间及第二馈线与第二金属片之间具有嵌入的容性电子元件，第一金属片的第一金属走线上及第二金属片的第二金属走线上具有嵌入的感性电子元件，所述第一微槽结构和第二微槽结构上具有嵌入的容性电子元件。

2.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间。

3.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

4.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，所述天线通过螺接方式与PCB板相连。