CN107394371A - 制作在手表玻璃表盘上的北斗/gps圆极化接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，属于智能手表技术领域，辐射单元由四根弧形金属旋臂构成，四根弧形金属旋臂围绕设置在玻璃表盘上表面边缘，在玻璃表盘的下方间隔设置介质层，在介质层上表面设置第一金属地，在介质层下表面设置馈电电路；每根弧形金属旋臂的一端与金属馈线的一端分别相连，金属馈线另一端与馈电电路的输出端相连；短路臂的一端与弧形金属旋臂相连，另一端与第一金属地相连。本发明具有高增益、低轴比和宽波束的特性，对右旋圆极化信号有较好的接收效果，实现了四臂螺旋天线的平面化，实现了四臂螺旋天线的小型化，具体参数根据手表的具体尺寸结构灵活调整，可以适应不同的手表结构。

Description

制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线
技术领域
本发明属于智能手表技术领域，具体涉及制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线。
背景技术
智能手表是一种新兴的个人终端设备，可以具备通信、定位、健康监测、移动支付等功能。智能手表的定位方式主要有基站定位、wifi定位和卫星定位。卫星定位的优势在于其可靠性和泛用性，可以在没有基站信号覆盖、没有网络信号的地方进行精确定位。
由于卫星导航定位系统多星定位的特点，接收天线需要具备宽波束特性，以接收来自不同方向的卫星信号；卫星导航信号的极化方式为右旋圆极化，因此接收天线可以有线极化和圆极化两种选择。这两种极化方式在智能手表中都有应用，但都有缺陷。线极化天线方案的缺陷在于，以线极化天线接收圆极化信号会有3dB的极化损失，会导致定位时间较长。
现有的智能手表圆极化天线方案主要采用将小型的北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System，BDS)接收模块或GPS(Global Positioning System，全球定位系统)接收模块直接装进手表内部。现有的小型北斗/GPS接收模块的天线方案通常为微带天线，用高介电常数陶瓷作为介质以减小尺寸，但是较高的介电常数会造成带宽减小以及增益降低。
另一种常见的圆极化天线为四臂螺旋天线(QuadrifilarHelixAntenna,QHA)。四臂螺旋天线是一种具有圆极化和宽波束特征的天线，它广泛应用于卫星通信和全球定位系统等无线电技术领域。四臂螺旋天线的优点在于结构紧凑、成本低廉、波束宽度大，以及良好的圆极化轴比。但是传统的四臂螺旋天线，整体结构呈圆柱体，不适合制作在平面结构上。而微带贴片天线虽然适合制作成平面结构，但天线辐射部分为不透明的金属贴片，不适合制作在玻璃等透明结构表面。如果使用透明导电材料，如ITO(氧化铟锡)，来制作天线的辐射部分，其表面电阻高达30至50，天线的辐射效率会降低很多。
此外智能手表作为一种小型手持终端，对终端天线的尺寸结构有特殊的要求。手表天线需要满足小型化、低剖面的特点。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，以满足使用者对于利用智能手表进行快速、高精度卫星定位的使用需求。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，包括射单元、玻璃表盘、短路臂、金属馈线、馈电电路、第一金属地和介质层，所述的辐射单元由四根弧形金属旋臂构成，四根弧形金属旋臂围绕设置在玻璃表盘上表面边缘，在玻璃表盘的下方间隔设置介质层，在介质层上表面设置第一金属地，在介质层下表面设置馈电电路；每根弧形金属旋臂的一端与金属馈线的一端分别相连，金属馈线另一端与馈电电路的输出端相连；所述的短路臂的一端与弧形金属旋臂相连，另一端与第一金属地相连。
所述的短路臂和金属馈线均为四根，短路臂和金属馈线均为直导线。
每根所述的弧形金属旋臂长度相等，单个弧形金属旋臂为倒F天线的形式，调节弧形金属旋臂的长度可以调整天线的谐振频率。
所述的馈电电路为微带线形式的功率分配网络，馈电电路有四个输出端，每个输出端输出的信号幅度相同，相位沿逆时针依次落后90°。
所述的玻璃表盘为圆形。
当玻璃表盘直径较大，或所需的谐振频率较高时，弧形金属旋臂是弧形线的形状。当玻璃表盘直径较小，或所需的谐振频率较低时，构成弧形金属旋臂的弧形金属线可以绕至内圈，增加折线的结构。
所述的辐射单元的材质为高电导率材料。
在所述的弧形金属旋臂与金属馈线和短路臂的连接处设有便于焊接的焊盘。
在所述的介质层的底面设置第二金属地和第三金属地；所述的第二金属地和第三金属地均通过金属通孔与介质层上表面的第一金属地相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，具备以下优势：
(1)手表天线辐射单元采用四臂螺旋结构，具有高增益、低轴比和宽波束的特性，对右旋圆极化信号有较好的接收效果；
(2)手表天线的四个辐射旋臂印刷于平面玻璃片上表面边缘，而不是的圆柱体侧面，实现了四臂螺旋天线的平面化；
(3)手表天线采用金属直导线馈电并且加载短路臂的阻抗匹配结构，将单个旋臂做成倒F天线的形式，实现了四臂螺旋天线的小型化；
(4)手表天线可以通过调节旋臂长度、阻抗匹配结构以及金属地和玻璃表盘之间的距离来改变谐振频率，具体参数可以根据手表的具体尺寸结构灵活调整，可以适应不同的手表结构。
附图说明
图1是天线的横截面结构示意图；
图2是天线辐射单元示意图；
图3是天线馈电电路的俯视图；
图4是天线的S参数；
图5是天线在1.561GHz处的增益曲线；
图6是天线在1.561GHz处的轴比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，包括辐射单元1、玻璃表盘2、短路臂3、金属馈线4、馈电电路5、第一金属地6和介质层7。玻璃表盘2为圆形。
辐射单元1印刷于玻璃表盘2上表面边缘；辐射单元1由四根弧形金属旋臂构成，四根弧形金属旋臂与四根金属馈线4分别相连。金属馈线4为直导线，金属馈线4的一端与弧形金属旋臂相连，另一端与馈电电路5的输出端相连。馈电电路5为微带形式的功率分配网络。短路臂3也为四根，短路臂3的一端与弧形金属旋臂相连，另一端与第一金属地6相连。
辐射单元1为旋转对称结构，四根弧形金属旋臂印刷于玻璃表盘2上表面边缘。每根弧形金属旋臂长度相等，调节弧形金属旋臂的长度可以调整天线的谐振频率。
单个弧形金属旋臂为倒F天线的形式，玻璃表盘2上的每根弧形金属旋臂通过一根金属馈线4与馈电电路5的输出端相连，同时通过一根短路臂3与金属地6相连。调节短路臂3的长度和短路臂3与金属馈线4之间的距离，可以调节天线的谐振频率和圆极化性能。短路臂3与金属馈线4均为直导线。
馈电电路5为微带线形式的功率分配网络。微带功率分配网络由不同阻抗的微带线段拼接而成，功能是将输入功率分成四等份。馈电电路5有四个输出端，每个输出端输出的信号幅度相同，相位沿逆时针依次落后90°。馈电电路5的输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。
如图1所示，为一种典型结构横截面示意图。包括玻璃表盘2表面边缘的辐射单元1、短路臂3和馈电电路5。辐射单元1位于圆形玻璃表盘2上表面边缘，由四根弧形金属旋臂构成，辐射单元1的四根弧形金属旋臂分别与四根金属馈线4连接。馈电电路5为微带线形式的功率分配网络。金属馈线4为直导线，一端穿过玻璃表盘2上的金属通孔与辐射单元1相连，另一端与馈电电路5的输出端相连。短路臂3为直导线，一端穿过玻璃表盘2上的金属通孔连接弧形金属旋臂，另一端连接金属地6。
如图2所示，辐射单元1制作在玻璃表盘2的上表面，由四根弧形金属旋臂构成，其弧形金属旋臂为沿着玻璃表盘2边缘的弧形金属线。当玻璃表盘2直径较大，或所需的谐振频率较高时，弧形金属旋臂是弧形线11的形状。当玻璃表盘直径较小，或所需的谐振频率较低时，构成弧形金属旋臂的弧形金属线可以绕至内圈，在每个弧形线11的末端增加折线12。辐射单元1的材料可以是金属，如铜，也可以是其他高电导率材料，如导电银浆。如有必要，可以在弧形金属旋臂与金属馈线4和短路臂3的连接处增加面积较大的焊盘13，便于焊接。
如图3所示，馈电电路5的俯视图。馈电电路5可以由微带线实现，用PCB工艺加工。为了便于连接下一级电路，在金属导带同一层的平面上设置第二金属地61和第三金属地62。第二金属地61和第三金属地62均通过金属通孔与介质层7上表面的第一金属地6相连。馈电电路5由不同宽度的微带线段拼接而成，实现功率分配和相移的功能。馈电电路的每一个输出端输出的电流幅度相等，相位沿逆时针依次落后90°。
如图4-6所示，本发明一个具体实施例的天线性能参数。曲线通过电磁仿真软件CST得到。图4示出了手表天线的工作频段。图5示出了手表天线在北斗卫星导航系统B1频段中心频率1.561GHz的远场区增益。图6示出了手表天线在1.561GHz上的圆极化性能。设计参数为：玻璃表盘2厚度1mm、直径20mm、介电常数4.8；介质层7厚度0.254mm、直径20mm、介电常数2.2；第一金属地6与玻璃表盘2间距9mm；短路臂3长度1.5mm；辐射单元1的弧形金属旋臂宽度0.6mm。图4示出的仿真结果表明，天线VSWR<2的频段为1.51GHz至1.61GHz。该实施例的工作频段覆盖北斗卫星导航系统B1频段和GPS的L1频段。

Claims (8)

1.制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：包括辐射单元(1)、玻璃表盘(2)、短路臂(3)、金属馈线(4)、馈电电路(5)、第一金属地(6)和介质层(7)，所述的辐射单元(1)由四根弧形金属旋臂构成，四根弧形金属旋臂围绕设置在玻璃表盘(2)上表面边缘，在玻璃表盘(2)的下方间隔设置介质层(7)，在介质层(7)上表面设置第一金属地(6)，在介质层(7)下表面设置馈电电路(5)；每根弧形金属旋臂的一端与金属馈线(4)的一端分别相连，金属馈线(4)另一端与馈电电路(5)的输出端相连；所述的短路臂(3)的一端与弧形金属旋臂相连，另一端与第一金属地(6)相连。
2.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：所述的短路臂(3)和金属馈线(4)均为四根，短路臂(3)和金属馈线(4)均为直导线。
3.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：每根所述的弧形金属旋臂长度相等，单个弧形金属旋臂为倒F天线的形式，调节弧形金属旋臂的长度可以调整天线的谐振频率。
4.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：所述的馈电电路(5)为微带线形式的功率分配网络，馈电电路(5)有四个输出端，每个输出端输出的信号幅度相同，相位沿逆时针依次落后90°。
5.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：所述的玻璃表盘(2)为圆形。
6.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：所述的辐射单元(1)的材质为高电导率材料。
7.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：在所述的弧形金属旋臂与金属馈线(4)和短路臂(3)的连接处设有便于焊接的焊盘(13)。
8.根据权利要求1所述的制作在手表玻璃表盘上的北斗/GPS圆极化接收天线，其特征在于：在所述的介质层(7)的底面设置第二金属地(61)和第三金属地(62)；所述的第二金属地(61)和第三金属地(62)均通过金属通孔与介质层(7)上表面的第一金属地(6)相连。
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