CN107394372A - 一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，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，四根弧形金属旋臂印刷于玻璃表盘上表面边缘，在玻璃表盘的下表面设置阻抗匹配结构；每根弧形金属旋臂的一端与同轴线内导体的一端分别相连，同轴线内导体的另一端与微带馈电网络的输出端相连；弧形金属旋臂通过金属通孔与玻璃表盘下表面的阻抗匹配结构相连；阻抗匹配结构与同轴线外导体的一端相连，同轴线外导体的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，可以适应不同的手表结构。

Description

一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线
技术领域
本发明属于智能手表技术领域，具体涉及一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线。
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，本发明提供一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，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：
一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，包括辐射单元、玻璃表盘、阻抗匹配结构、同轴线内导体、同轴线外导体、第一金属地、介质基板和微带馈电网络，所述的辐射单元由四根弧形金属旋臂构成，四根弧形金属旋臂印刷于玻璃表盘上表面边缘，在玻璃表盘的下表面设置阻抗匹配结构；在玻璃表盘的下方间隔设置介质基板，在介质基板上表面设置第一金属地，在介质基板下表面设置微带馈电网络；每根所述的弧形金属旋臂的一端与同轴线内导体的一端分别相连，同轴线内导体的另一端与微带馈电网络的输出端相连；所述的弧形金属旋臂通过金属通孔与玻璃表盘下表面的阻抗匹配结构相连；所述的阻抗匹配结构为弧形金属短路线，阻抗匹配结构与同轴线外导体的一端相连，同轴线外导体的另一端与第一金属地相连。
所述的四根弧形金属旋臂为旋转对称结构，每根弧形金属旋臂长度相等。
微带馈电网络有四个输出端，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°。
所述的微带馈电网络输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。
在所述的微带馈电网络同一层的平面上设置第二金属地和第三金属地；第二金属地和第三金属地均通过金属通孔与介质基板背面的第一金属地相连。
所述的阻抗匹配结构包括玻璃表盘下表面边缘的金属短线和短线通孔；所述的短线通孔位于每个弧形金属旋臂末端，辐射单元与金属短线通过短线通孔相连。
所述的玻璃表盘为圆形。
在所述的同轴线内导体和同轴线外导体之间设置同轴线介质层。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，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绕制在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)手表天线采用加载短路臂的阻抗匹配结构，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是阻抗匹配结构示意图；
图5是天线的S参数；
图6是天线在1.561GHz处的增益曲线；
图7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，一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，包括辐射单元1、玻璃表盘2、阻抗匹配结构3、同轴线内导体4、同轴线外导体5、第一金属地6、介质基板7和微带馈电网络8。玻璃表盘2为圆形。介质基板7材质为FR4。
辐射单元1位于玻璃表盘2上表面边缘，阻抗匹配结构3位于玻璃表盘2下表面边缘；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同轴线内导体4的一端分别相连，同轴线内导体4的另一端与微带馈电网络8的输出端相连；阻抗匹配结构3与同轴线外导体5的一端相连，同轴线外导体5的另一端与第一金属地6相连。
四根弧形金属旋臂为旋转对称结构，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。
玻璃表盘2上表面的每根弧形金属旋臂通过一个金属通孔与玻璃表盘下表面的阻抗匹配结构3相连。阻抗匹配结构3为弧形金属短路线，与同轴线外导体5相连，用于阻抗匹配。调节玻璃表盘2下表面阻抗匹配结构3的长度和金属通孔的位置，可以调节天线的谐振频率和圆极化性能。第一金属地6和玻璃表盘2之间的距离会影响天线的谐振频率，调节第一金属地6和玻璃表盘2之间的距离可以调整谐振频率。
天线的馈电电路由微带馈电网络8构成。微带馈电网络8由不同阻抗的微带线段拼接而成，功能是将输入功率分成4等份。微带馈电网络8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°。微带馈电网络8输出端通过同轴线内导体4与弧形金属旋臂相连。微带馈电网络8输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。
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，弧形金属旋臂为沿着圆形玻璃表盘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2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。
如图3所示，微带馈电网络8由PCB工艺加工。为了便于连接下一级电路，在微带馈电网络8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基板7背面的第一金属地6相连。微带馈电网络8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。微带馈电网络8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所示，阻抗匹配结构3包括玻璃表盘2下表面边缘的金属短线31和短线通孔32。短线通孔32位于辐射单元1的每个辐射臂末端，辐射单元1与金属短线31通过短线通孔32相连，连接方式可以是焊接。
同轴线内导体4与辐射单元1相连，连接方式可以是在玻璃表盘2相应位置打金属通孔，让同轴线内导体4从下方向上穿过金属通孔，与辐射单元1焊接在一起。在同轴线内导体4和同轴线外导体5之间设置同轴线介质层9，同轴线介质层9材质为Teflon,介电常数是2.08。
如图5-7所示，曲线通过电磁仿真软件CST得到。图5示出了手表天线的工作频段。图6示出了手表天线在设计频段上的增益。图7示出了手表天线在设计频段上的圆极化性能。设计参数为：玻璃表盘2厚度1mm、直径20mm、介电常数4.8；介质基板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；辐射单元旋臂宽度0.6mm。设计频段为北斗卫星导航系统B1频段，同时部分覆盖GPS的L1频段。图5示出的仿真结果表明，天线VSWR<2的频段为1551MHz至1574MHz。

Claims (8)

1.一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：包括辐射单元(1)、玻璃表盘(2)、阻抗匹配结构(3)、同轴线内导体(4)、同轴线外导体(5)、第一金属地(6)、介质基板(7)和微带馈电网络(8)，所述的辐射单元(1)由四根弧形金属旋臂构成，四根弧形金属旋臂印刷于玻璃表盘(2)上表面边缘，在玻璃表盘(2)的下表面设置阻抗匹配结构(3)；在玻璃表盘(2)的下方间隔设置介质基板(7)，在介质基板(7)上表面设置第一金属地(6)，在介质基板(7)下表面设置微带馈电网络(8)；每根所述的弧形金属旋臂的一端与同轴线内导体(4)的一端分别相连，同轴线内导体(4)的另一端与微带馈电网络(8)的输出端相连；所述的弧形金属旋臂通过金属通孔与玻璃表盘(2)下表面的阻抗匹配结构(3)相连；所述的阻抗匹配结构(3)为弧形金属短路线，阻抗匹配结构(3)与同轴线外导体(5)的一端相连，同轴线外导体(5)的另一端与第一金属地(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的四根弧形金属旋臂为旋转对称结构，每根弧形金属旋臂长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：微带馈电网络(8)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°。
4.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的微带馈电网络(8)输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。
5.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：在所述的微带馈电网络(8)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基板(7)背面的第一金属地(6)相连。
6.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的阻抗匹配结构(3)包括玻璃表盘(2)下表面边缘的金属短线(31)和短线通孔(32)；所述的短线通孔(32)位于每个弧形金属旋臂末端，辐射单元(1)与金属短线(31)通过短线通孔(32)相连。
7.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的玻璃表盘(2)为圆形。
8.根据权利要求1所述的一种制作在手表玻璃表盘上的平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：在所述的同轴线内导体(4)和同轴线外导体(5)之间设置同轴线介质层(9)。
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