CN107425262B - 制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，属于智能手表技术领域，在手表金属外壳上方设置玻璃表盘，在手表金属外壳下方依次设置第一金属地、介质层和馈电网络；缝隙辐射单元包括四道旋转对称的缝隙，每道缝隙包括印刷于玻璃表盘上表面边缘的弧形缝隙，以及延伸印刷于手表金属外壳侧面的直缝隙两部分；微带馈线设置在手表金属外壳内侧，微带馈线的一端与直缝隙交叉相连，微带馈线的另一端与馈电网络的输出端相连。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
技术领域
本发明属于智能手表技术领域，具体涉及制作在玻璃表盘上的缝隙耦合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，本发明提供制作在玻璃表盘上的缝隙耦合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：
制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，包括手表金属外壳、缝隙辐射单元、微带馈线、介质层、馈电网络、第一金属地和玻璃表盘；在所述的手表金属外壳上方设置玻璃表盘，在所述的手表金属外壳下方依次设置第一金属地、介质层和馈电网络；所述的缝隙辐射单元包括四道旋转对称的缝隙，每道缝隙包括印刷于玻璃表盘上表面边缘的弧形缝隙，以及延伸印刷于手表金属外壳侧面的直缝隙两部分；所述的微带馈线设置在手表金属外壳内侧，微带馈线的一端与直缝隙交叉相连，微带馈线的另一端与馈电网络的输出端相连。
所述的馈电网络为微带线形式的功率分配网络，将输入功率分成四等份。
所述的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°。
所述的微带馈线有四根；所述的缝隙辐射单元和微带馈线一一对应设置。
所述的馈电网络的输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。
所述的第一金属地与手表金属外壳相连。
在所述的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通过金属通孔与介质层背面的第一金属地相连。
所述的玻璃表盘为圆形。
有益效果：与现有技术相比，本发明的制作在玻璃表盘上的缝隙耦合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是天线辐射缝隙示意图；
图3是天线馈电网络示意图；
图4是天线的S参数仿真结果；
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。
本发明的手表天线为右旋圆极化天线，可以制作在手表金属外壳表面，可以用于北斗、GPS和其他卫星导航系统的接收终端。
如图1所示，制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，包括手表金属外壳1、缝隙辐射单元2、微带馈线3、介质层4、馈电网络5、第一金属地6、玻璃表盘7。玻璃表盘7为圆形。
缝隙辐射单元2为旋转对称结构，缝隙辐射单元2由四道旋转对称的缝隙组成，每道缝隙包括印刷于玻璃表盘7上表面边缘的弧形缝隙21，以及延伸印刷于手表金属外壳1侧面的直缝隙22两部分。天线馈电方式为微带馈电，微带馈线3从手表金属外壳1内侧跨过缝隙辐射单元2。微带馈线3的宽度和长度影响天线的反射系数。馈电网络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。馈电网络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°。
馈电网络5的每个输出端与微带馈线3相连。馈电网络5的输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。微带馈线3一端与微带功率分配网络的输出端相连，另一端从手表金属外壳1内侧跨过缝隙辐射单元2。金属地6与手表金属外壳1相连。
如图2所示，缝隙辐射单元2位于手表金属外壳1上，缝隙辐射单元2由四道旋转对称的缝隙组成，每道弧形缝隙延伸到手表金属外壳1侧面。
如图3所示，馈电电路可以由微带线实现，用PCB工艺加工。为了便于连接下一级电路，可以在馈电网络5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通过金属通孔与介质层4背面的第一金属地6相连。馈电网络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。馈电网络5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，为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7厚度1mm、直径20mm、介电常数4.8；介质层4厚度0.254mm、直径20mm、介电常数2.2；第一金属地6与玻璃表盘7间距9mm；微带馈线3长度1.5mm；缝隙辐射单元2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 (6)
1.制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：包括手表金属外壳(1)、缝隙辐射单元(2)、微带馈线(3)、介质层(4)、馈电网络(5)、第一金属地(6)和玻璃表盘(7)；在所述的手表金属外壳(1)上方设置玻璃表盘(7)，在所述的手表金属外壳(1)下方依次设置第一金属地(6)、介质层(4)和馈电网络(5)；所述的缝隙辐射单元(2)包括四道旋转对称的缝隙，每道缝隙包括印刷于玻璃表盘(7)上表面边缘的弧形缝隙(21)，以及延伸印刷于手表金属外壳(1)侧面的直缝隙(22)两部分；所述的微带馈线(3)设置在手表金属外壳(1)内侧，微带馈线(3)的一端与直缝隙(22)交叉相连，微带馈线(3)的另一端与馈电网络(5)的输出端相连；
所述的馈电网络(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°；
所述的微带馈线(3)有四根；所述的缝隙辐射单元(2)和微带馈线(3)一一对应设置。
2.根据权利要求1所述的制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的馈电网络(5)为微带线形式的功率分配网络，将输入功率分成四等份。
3.根据权利要求1所述的制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的馈电网络(5)的输入端和外部的SMA接头相连，馈入信号。
4.根据权利要求1所述的制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的第一金属地(6)与手表金属外壳(1)相连。
5.根据权利要求1所述的制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：在所述的馈电网络(5)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)通过金属通孔与介质层(4)背面的第一金属地(6)相连。
6.根据权利要求1所述的制作在玻璃表盘上的缝隙耦合平面四臂螺旋圆极化天线，其特征在于：所述的玻璃表盘(7)为圆形。
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