CN105958194A - 圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆极化天线，用于接收卫星信号，包括辐射层、介质层、反射层。所述辐射层和反射层分别位于所述介质层的两侧。所述反射层的材料为铜箔；所述介质层的材料为PCB基材。所述辐射层的材料为铜箔且形状为正方形；所述辐射层设有辐射振子、馈点及简并分离结构。其中，所述辐射振子用于产生第一简并模及第二简并模，且所述第一简并模及第二简并模均为线极化波。所述馈点及简并分离结构满足使所述第一简并模及第二简并模形成圆极化波并适用于所述卫星信号的条件。该圆极化天线能够在反射层上设置低噪音信号模块，从而能够将天线与电路合为一体式产品，克服了传统的GPS天线中陶瓷天线与低噪音信号模块只能分开组装的问题，节约了成本。

Description

圆极化天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种圆极化天线。
背景技术
卫星导航产业已成为第三个IT经济的又一个新的增长点，尤其是以美国的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)为代表的卫星导航与定位产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。
在GPS定位技术中，需通过接受卫星信号以进行定位或者导航的终端，而接收信号就必须用到天线。GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHZ和1228MHZ，其中L1为开放的民用信号，信号为圆形极化。信号强度为-166DBM左右，属于比较弱的信号。这些特点决定了要为GPS信号的接收准备专门的天线。在传统的GPS天线中，应用较广的是陶瓷天线，整套GPS天线包括陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆及接头。然而，传统的GPS天线中陶瓷天线与低噪音信号模块只能分开组装、成本高、调试难度大，因此不便于使用。
发明内容
基于此，有必要针对传统的GPS天线中陶瓷天线与低噪音信号模块只能分开组装的问题，提供一种圆极化天线。
一种圆极化天线，用于接收卫星信号，包括辐射层、介质层及反射层；所述辐射层和反射层分别位于所述介质层的两侧；
所述反射层的材料为铜箔；所述介质层的材料为PCB基材；所述辐射层的材料为铜箔且形状为正方形；所述辐射层设有辐射振子、馈点及简并分离结构；
其中，所述辐射振子用于产生第一简并模及第二简并模，且所述第一简并模及第二简并模均为线极化波；所述馈点及简并分离结构满足使所述第一简并模及第二简并模形成圆极化波并适用于所述卫星信号的条件。
在其中一个实施例中，所述圆极化天线的馈电方式为中心馈入方式；所述圆极化波为右旋圆极化波，且所述第一简并模的频率小于所述第二简并模。
在其中一个实施例中，所述简并分离结构包括第一相位调试单元，且所述第一相位调试单元位于所述第一简并模的电流路径及第二简并模的电流路径之间；
所述第一相位调试单元用于通过沿第一区域并向所述辐射层的中心方向进行雕刻的方式，控制所述圆极化天线的相位沿逆时针方向旋转。
在其中一个实施例中，所述简并模分离结构包括第二相位调试单元及第三相位调试单元；所述第二相位调试单元及第三相位调试单元分别位于所述辐射层中心相对的两侧，并均位于所述第一简并模的电流路径及第二简并模的电流路径之间；
所述第二相位调试单元及第三相位调试单元用于通过沿第二区域并向所述辐射层的中心方向进行雕刻的方式，控制所述圆极化天线的相位沿顺时针方向旋转；同时，所述第二区域垂直于所述第一区域。
在其中一个实施例中，所述简并分离结构还包括第一频率调试单元和第二频率调试单元；所述第一频率调试单元用于通过沿垂直于所述第一简并模所处对角线的方向进行刻槽缝的方式，降低所述第一简并模的频率；所述第二频率调试单元用于通过沿垂直于所述第二简并模所处对角线的方向进行刻槽缝的方式，降低所述第二简并模的频率。
在其中一个实施例中，所述简并分离结构还包括第三频率调试单元和第四频率调试单元；所述第三频率调试单元用于通过沿所述第一简并模所处对角线的方向进行截角的方式，提高所述第一简并模的频率；所述第四频率调试单元用于通过沿所述第二简并模所处对角线的方向进行截角的方式，提高所述第二简并模的频率。
在其中一个实施例中，所述馈点设有销钉。
在其中一个实施例中，所述第一简并模的电流路径及第二简并模的电流路径长度均等于各自谐振频率对应的1/4波长与缩短系数的乘积，且所述缩短系数介于0.1至1之间。
在其中一个实施例中，所述圆极化天线的厚度介于2mm至4mm之间。
在其中一个实施例中，所述圆极化天线的长和宽均大于或等于12mm。
上述圆极化天线具有的有益效果为：在该圆极化天线中，辐射振子用于产生第一简并模及第二简并模，且第一简并模及第二简并模均为线极化波。同时馈点及简并分离结构满足使第一简并模及第二简并模形成圆极化波并适用于对应卫星信号的条件。
因此，该圆极化天线能够接收卫星信号。同时，在该圆极化天线中，由于反射层的材料为铜箔，介质层的材料为PCB基材，辐射层的材料为铜箔，因此，与传统的陶瓷天线相比，该圆极化天线能够在反射层上设置低噪音信号模块，从而能够将天线与电路合为一体式产品，克服了传统的GPS天线中陶瓷天线与低噪音信号模块只能分开组装的问题，节约了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为一实施例提供的圆极化天线中辐射层的结构示意图；
图2为图1所示实施例的圆极化天线中介质层的截面示意图；
图3为图1所示实施例的圆极化天线中反射层的结构示意图；
图4为图1所示实施例的圆极化天线中反射层的另一结构示意图；
图5为图1所示实施例的圆极化天线中辐射层的另一结构示意图；
图6为图1所示实施例的圆极化天线中介质层的另一截面示意图；
图7为图1所示实施例的圆极化天线中关于第一简并模及第二简并模的史密斯圆图；
图8为图5所示实施例的圆极化天线中第一相位调试单元调试前后结果对比的史密斯圆图；
图9为图5所示实施例的圆极化天线中第二相位调试单元和第三相位调试单元前后结果对比的史密斯圆图；
图10为图5所示实施例的圆极化天线中第一频率调试单元调试前后结果对比的史密斯圆图；
图11为图5所示实施例的圆极化天线中第二频率调试单元调试前后结果对比的史密斯圆图；
图12为图5所示实施例的圆极化天线中第三频率调试单元调试前后结果对比的史密斯圆图；
图13为图5所示实施例的圆极化天线中第四频率调试单元调试前后结果对比的史密斯圆图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施例提供的圆极化天线，用于接收卫星信号。其中，卫星信号为GPS卫星信号、北斗卫星信号或其他能够进行定位的卫星信号。同时，该圆极化天线针对传统的陶瓷天线在结构方面作了改进，具体原理如下。
如图1至图3所示，该圆极化天线包括辐射层100、介质层200及反射层300。其中，辐射层100和反射层300分别位于介质层200的两侧。辐射层100用于辐射和接收圆极化波，同时对于不同类型的卫星信号能够进行微调以适应该卫星信号的要求。反射层300用于减小反射信号，抑制多径，从而提高测量精度和接收灵敏度。
其中，反射层300的材料为铜箔。介质层200的材料为PCB基材，其介电常数介于4.0至5.0之间。其中，PCB基材可以为纸基板、环氧玻纤布基板、复合基板、特殊基板或其他类型。辐射层100的材料同样为铜箔，且辐射层100的形状为正方形，从而能够提高均匀收星的效果。因此，本实施例中的圆极化天线为PCB双面板。基于上述特性，如图4所示，在反射层300上即可设置低噪音信号模块400。其中，低噪音信号模块400是指将信号进行放大和滤波的电路。
另外，辐射层100设有辐射振子110、馈点120及简并分离结构。其中，辐射振子110为由铜箔构成，其能够产生第一简并模及第二简并模。同时，第一简并模及第二简并模均为线极化波，即陶瓷天线中的X轴振子和Y轴振子。如图1所示，第一简并模的电流路径为111，第二简并模的电流路径为112。同时，馈点120及简并分离结构满足使第一简并模及第二简并模形成圆极化波并适用于相应卫星信号的条件。
具体的，馈点120的位置使产生的第一简并模及第二简并模的电场方向垂直，例如馈点120采用中心馈入或偏心馈入的方式。同时，馈点120及简并分离结构的形状及位置使该圆极化天线阻抗匹配，例如使该圆极化天线的输入阻抗为50欧。馈点120和简并分离结构的形状及位置还使该圆极化天线能够产生中心频率与相应卫星信号频率相同的圆极化波，从而保证该圆极化天线能够接收该卫星信号。
综上所述，本实施例提供的圆极化天线能够在反射层300上设置低噪音信号模块，从而能够将天线与电路合为一体式产品，克服了传统的GPS天线中陶瓷天线与低噪音信号模块只能分开组装的问题，节约了成本。同时由于是本实施例提供的圆极化天线基于PCB板进行调试，与陶瓷天线相比，也降低了调试难度。
具体的，本实施例中提供的圆极化天线为GPS接收天线，并能够通过对简并分离结构进行微调而调试成适用于其他卫星信号的圆极化天线。同时，该圆极化天线的馈电方式为中心馈入方式。中心馈入方式指馈点120处于辐射层100正中心微向上偏移的位置，从而既能产生电场方向相互垂直的第一简并模及第二简并模，又便于进行阻抗匹配的调试而无需增加其他器件，从而节约成本。
同时，该圆极化天线产生的圆极化波为右旋圆极化波，且第一简并模的频率小于第二简并模，即第一简并模的电流路径111长于第二简并模的电流路径112。由于GPS卫星使用的发射天线为右旋圆极化天线，因此本实施例中将圆极化天线同样设计为右旋圆极化天线，以保证能够顺利接收到GPS卫星信号。如图7所示，该圆极化天线中fL为第一简并模，fH为第二简并模。
可以理解的是，圆极化天线的馈电方式及产生的圆极化波类型不限于上述一种情况，只要能够满足卫星信号的要求即可。
具体的，如图5所示，简并模分离结构包括第一相位调试单元131，且第一相位调试单元131位于第一简并模的电流路径111及第二简并模的电流路径112之间。其中，第一相位调试单元131为对辐射层100从边缘开始向内进行雕刻后形成的部分，因此第一相位调试单元131不经过电流。
第一相位调试单元131用于通过沿第一区域150并向辐射层100的中心方向进行雕刻的方式，控制圆极化天线的相位沿逆时针方向旋转，即使该圆极化天线的阻抗偏向感性，从而便于进行阻抗匹配的调试。如图8所示，对第一相位调试单元131进行雕刻后，圆极化天线的阻抗相位沿逆时针方向旋转。
另外，简并模分离结构还包括第二相位调试单元132及第三相位调试单元133。第二相位调试单元132及第三相位调试单元133分别位于辐射层100中心相对的两侧，并均位于第一简并模的电流路径111及第二简并模的电流路径112之间。
其中，第二相位调试单元132、第三相位调试单元133分别为对辐射层100从另外两条相互平行的边缘开始向内进行雕刻后形成的部分，因此第二相位调试单元132及第三相位调试单元133同样不经过电流。同时，第二相位调试单元132及第三相位调试单元133之间不相通。第二相位调试单元132及第三相位调试单元133的面积均大于第一相位调试单元131。
第二相位调试单元132及第三相位调试单元133用于通过沿第二区域160并向辐射层100的中心方向进行雕刻的方式，控制圆极化天线的相位沿顺时针方向旋转，即使该圆极化天线的阻抗偏向容性，从而便于进行阻抗匹配的调试。其中，第二区域160垂直于第一区域150。如图9所示，对第二相位调试单元132及第三相位调试单元133进行相应雕刻后，该圆极化天线的阻抗相位沿顺时针方向旋转。
同时，在本实施例中，第一相位调试单元131、第二相位调试单元132、第三相位调试单元133及馈点120共同使该圆极化天线的阻抗为50欧，从而阻抗匹配。同时对于其他类型的卫星信号而言，只需对第一相位调试单元131、第二相位调试单元132及第三相位调试单元133进行微调即可调节该圆极化天线的阻抗以使阻抗匹配。
可以理解的是，圆极化天线关于调节阻抗的结构不限于上述一种情况，只要最终使圆极化天线的阻抗匹配即可。
具体的，如图5所示，简并分离结构还包括第一频率调试单元134和第二频率调试单元135。第一频率调试单元134和第二频率调试单元135均包括若干相互平行的槽缝。同时，第一频率调试单元134中的各槽缝之间不连通，并垂直于第一简并模所处的对角线。第二频率调试单元135中的各槽缝之间同样不连通，并垂直于第二简并模所处的对角线。因此，本实施例通过设置第一频率调试单元134和第二频率调试单元135，使第一简并模、第二简并模的电流路径均为蛇形走线，增长了电流路径，从而便于调节第一简并模、第二简并模之间的相位差，且将该圆极化天线的中心频率调节为相应卫星信号的频率。
其中，第一频率调试单元134用于通过沿垂直于第一简并模所处对角线的方向进行刻槽缝的方式，延长第一简并模的电流路径111，即使其成为蛇形走线，使第一简并模的频率相比微调前的频率向低频偏移，从而使圆极化谐振圈变小，进而相应降低整个圆极化天线的中心频率。如图10所示，对第一频率调试单元134刻槽缝后，第一简并模(即fL)的频率降低。
第二频率调试单元135用于通过沿垂直于第二简并模所处对角线的方向刻槽缝的方式，延长第二简并模的电流路径112，即使其成为蛇形走线，使第二简并模的频率相比微调前的频率向低频偏移，从而使圆极化谐振圈变小，同时也降低整个圆极化天线的中心频率。如图11所示，对第二频率调试单元135刻槽缝后，第二简并模(即fH)的频率降低。
另外，简并分离结构还包括第三频率调试单元136和第四频率调试单元137。其中，第三频率调试单元136用于通过沿第一简并模所处对角线的方向进行截角的方式，提高第一简并模的频率。第三频率调试单元136分别位于第一简并模所处对角线的两端。同时，在进行截角时尽量保持截角形状为等腰三角形，且两端的截角大小保持一致。由于截角会使第一简并模的电流路径111变短，因此相应提高第一简并模的频率，从而使圆极化谐振圈变大，进而相应提高圆极化天线的中心频率。如图12所示，对第三频率调试单元136截角后，第一简并模(即fL)的频率升高。
第四频率调试单元137用于通过沿第二简并模所处对角线的方向进行截角的方式，提高第二简并模的频率。其中，第四频率调试单元137分别位于第二简并模所处对角线的两端。同时，在进行截角时尽量保持截角形状为等腰三角形，且两端的截角大小保持一致。由于截角会使第二简并模的电流路径112变短，因此相应提高第二简并模的频率，从而使圆极化谐振圈变大，进而相应提高圆极化天线的中心频率。如图13所示，对第四频率调试单元137截角后，第二简并模(即fH)的频率升高。
本实施例中，在第一频率调试单元134、第二频率调试单元135、第三频率调试单元136及第四频率调试单元137的共同作用下，使第一简并模的电流路径111、第二简并模的电流路径112均等于与GPS信号相应的各自谐振频率对应的1/4波长与缩短系数的乘积。其中，缩短系数介于0.1至1之间，且由介质层200的厚度及大小、空气中的温湿度等因素决定。同时，由上述各频率调试单元构成的第一简并模与第二简并模之间的共振长度差异，使第一简并模与第二简并模的相位相差90度，从而保证能够接收GPS信号。
同时，对于其他类型的卫星信号而言，只需通过调试第一频率调试单元134、第二频率调试单元135降低第一简并模、第二简并模的频率、或调试第三频率调试单元136及第四频率调试单元137提高第一简并模、第二简并模的频率，最终使第一简并模、第二简并模产生适用于相应卫星信号的圆极化波。
可以理解的是，该圆极化天线关于调节第一简并模、第二简并模频率的结构不限于上述一种情况，只要能够使该圆极化天线接收相应的卫星信号即可。
进一步的，本实施例中采用同轴线进行馈电，并将探针与同轴线的内导体相连。对于同轴馈电的方式，由于馈线位于反射层300下方，因此不会影响圆极化天线的辐射，同时还具有制造简单、易于匹配的优点。另外，如图6所示，馈点120处设有销钉140。销钉140能够调谐各个谐振频率，从而能够增加圆极化天线的带宽。
同时，该圆极化天线的厚度c介于2mm至4mm之间，例如为3mm。该圆极化天线的长a和宽b均大于或等于12mm，例如为25mm。
可以理解的是，圆极化天线的具体馈电方式及相关尺寸不限于上述一种情况，只要能够满足GPS信号的要求即可。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种圆极化天线，用于接收卫星信号，其特征在于，包括辐射层、介质层、反射层；所述辐射层和反射层分别位于所述介质层的两侧；
所述反射层的材料为铜箔；所述介质层的材料为PCB基材；所述辐射层的材料为铜箔且形状为正方形；所述辐射层设有辐射振子、馈点及简并分离结构；
其中，所述辐射振子用于产生第一简并模及第二简并模，且所述第一简并模及第二简并模均为线极化波；所述馈点及简并分离结构满足使所述第一简并模及第二简并模形成圆极化波并适用于所述卫星信号的条件。
2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线的馈电方式为中心馈入方式；所述圆极化波为右旋圆极化波，且所述第一简并模的频率小于所述第二简并模。
3.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述简并分离结构包括第一相位调试单元，且所述第一相位调试单元位于所述第一简并模的电流路径及第二简并模的电流路径之间；
所述第一相位调试单元用于通过沿第一区域并向所述辐射层的中心方向进行雕刻的方式，控制所述圆极化天线的相位沿逆时针方向旋转。
4.根据权利要求3所述的圆极化天线，其特征在于，所述简并模分离结构包括第二相位调试单元及第三相位调试单元；所述第二相位调试单元及第三相位调试单元分别位于所述辐射层中心相对的两侧，并均位于所述第一简并模的电流路径及第二简并模的电流路径之间；
所述第二相位调试单元及第三相位调试单元用于通过沿第二区域并向所述辐射层的中心方向进行雕刻的方式，控制所述圆极化天线的相位沿顺时针方向旋转；同时，所述第二区域垂直于所述第一区域。
5.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述简并分离结构还包括第一频率调试单元和第二频率调试单元；所述第一频率调试单元用于通过沿垂直于所述第一简并模所处对角线的方向进行刻槽缝的方式，降低所述第一简并模的频率；所述第二频率调试单元用于通过沿垂直于所述第二简并模所处对角线的方向进行刻槽缝的方式，降低所述第二简并模的频率。
6.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述简并分离结构还包括第三频率调试单元和第四频率调试单元；所述第三频率调试单元用于通过沿所述第一简并模所处对角线的方向进行截角的方式，提高所述第一简并模的频率；所述第四频率调试单元用于通过沿所述第二简并模所处对角线的方向进行截角的方式，提高所述第二简并模的频率。
7.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述馈点设有销钉。
8.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述第一简并模的电流路径及第二简并模的电流路径长度均等于各自谐振频率对应的1/4波长与缩短系数的乘积，且所述缩短系数介于0.1至1之间。
9.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线的厚度介于2mm至4mm之间。
10.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线的长和宽均大于或等于12mm。
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