CN107611606B - 天线结构和终端 - Google Patents

Abstract

本发明适用于天线技术领域，提供了一种天线结构和终端。该天线结构包括：介质基板；两对交叉偶极子，分别印制在所述介质基板的两侧；两对寄生元件，分别印制在所述介质基板的两侧；两个弧形连接件，分别印制在所述介质基板的两侧，分别与每对交叉偶极子的各个偶极子臂连接；馈电单元，分别与每对交叉偶极子中的一个偶极子臂连接。上述天线结构和终端，通过改变或调整各个部件的尺寸能够覆盖多个带宽频段，实现多个导航频段工作。

Description

天线结构和终端

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及天线结构和终端。

背景技术

圆极化天线是一种可以产生圆极化电磁波的天线，被广泛应用于卫星通信和导航系统等应用中。全球导航卫星系统(GNSS)在过去几十年里取得了显著进展，并提供了广泛的定位、导航和信息功能和活动。对于所有这些应用，GNSS接收器需要从相对简单的、面向消费者的手持设备，到高度精密的机载和船舶设备。除了完善的GPS（Global PositioningSystem，全球定位系统），还有一些其他类似的系统尚未完全开发或实现，但很快将成为GPS的主要竞争对手。他们是欧洲的伽利略、俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯卫星导航）和中国的北斗(指南针)。它们都使用圆极化天线来对抗电离层的法拉第旋转效应。为了避免干扰，为GNSS的使用分配了额外的频带。

GPS的频段是L1:1575.42 MHz，L2:1227.6 MHz，L3:1381.05 MHz，L4:1379.913MHz，L5:1176.45 GHz。用于民用的单波段GPS接收机通常在L1波段工作，同时双频GPS接收器在L1和L2工作，并被军方使用。L3-L5带被用于特殊用途，如核爆探测、附加电离层校正和民用安全生命信号接收。

有很多关于GNSS天线的研究，但大多数都是单带(L1)操作，一些用于双带(L1和L2)操作。大多数现有的商用小型L1/L2/GPS天线都有相对狭窄的10兆赫带宽，不足以支持高级GPS编码方案所需的带宽。对多波段或宽带圆极化天线的需求越来越大，不仅要覆盖全球定位系统的频带，还要覆盖伽利略、GLONASS或北斗频带。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了天线结构和终端，以解决现有技术中圆极化天线覆盖频段较少的问题，可以适用于所有GNSS系统，包括GPS、北斗、伽利略和GLONASS，有利于军民使用。

本发明实施例的第一方面，提供了一种天线结构，包括：

介质基板；

两对交叉偶极子，分别印制在所述介质基板的两侧；

两对寄生元件，分别印制在所述介质基板的两侧；

两个弧形连接件，分别印制在所述介质基板的两侧，分别与每对交叉偶极子的各个偶极子臂连接；

馈电单元，分别与每对交叉偶极子中的一个偶极子臂连接。

优选的，每对交叉偶极子均包括两个形状相同的偶极子臂，且两对交叉偶极子的四个偶极子臂形状均相同，均为椭圆环状。

优选的，所述椭圆形环的长轴为L1，短轴为H1，宽度为W1。

优选的，每个所述弧形连接件为每对交叉偶极子中的两个偶极子臂产生90°相位延迟，每个所述弧形连接件为弧形环，每个弧形环的半径为R1，厚度为W3。

优选的，每对寄生元件均包括两弧形环，分别设置在所述介质基板的两个端角处。

优选的，所述弧形环的长度为L2，高度为H4，厚度为W6。

优选的，所述两对交叉偶极子的材质均为印制电路板。

优选的，所述馈电单元包括第一馈电件和第二馈电件，所述第一馈电件和所述第二馈电件分别与两对交叉偶极子中的一个偶极子连接。

优选的，所述馈电单元为同轴线，第一馈电件为头轴线的内导体，第二馈电件为头轴线的外导体层。

本发明实施例的第二方面，提供了一种终端，包括如权利要求1至9任一项所述的天线结构。

本发明实施例相对于现有技术多具有的有益效果包括：本发明实施例，两对交叉偶极子分别印制在所述介质基板的两侧，两对寄生元件分别印制在所述介质基板的两侧，两个弧形连接件分别印制在所述介质基板的两侧，且分别与每对交叉偶极子的各个偶极子臂连接，馈电单元分别与每对交叉偶极子中的一个偶极子臂连接，通过改变各个部件的尺寸能够覆盖多个带宽频段，实现多个导航频段工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的天线结构的结构示意图；

图2是图1的仰视图；

图3是图1的立体图；

图4是图1的另一视角的立体图；

图5是图1的侧视图；

图6是本发明实施例提供的偶极子臂的结构示意图；

图7是图1中反馈单元和弧形连接件的结构示意图；

图8是图2中反馈单元和弧形连接件的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的寄生元件的机构示意图；

图10是本发明实施例提供的天线结构的模拟反射系数和测量反射系数的曲线图；

图11是本发明实施例提供的天线结构的模拟轴向比的曲线图；

图12是本发明实施例提供的天线结构的模拟实现增益的曲线图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例提供的天线结构包括介质基板、两对交叉偶极子、两对寄生元件、两个弧形连接件和馈电单元。两对交叉偶极子分别印制在所述介质基板的两侧。两对寄生元件分别印制在所述介质基板的两侧。两个弧形连接件分别印制在所述介质基板的两侧，分别与每对交叉偶极子的各个偶极子臂连接。馈电单元分别与每对交叉偶极子中的一个偶极子臂连接。

可选的，两对交叉偶极子均包括两个形状相同的偶极子臂且两对交叉偶极子的四个偶极子臂形状均相同。如图1至图5所示，两对交叉偶极子印制在介质基板的两侧，分别为第一侧101和第二侧102。两对交叉偶极子包括四个偶极子臂201、202、203和204，偶极子臂201和偶极子臂202位于基板的第一侧101，偶极子臂203和偶极子臂204位于基板的第二侧102。

本实施例中，偶极子臂201、偶极子臂202、偶极子臂203和偶极子臂204的形状均相同，为椭圆环状。每个偶极子臂的形状如图6所示，长轴为L1，短轴为H1，宽度为W1。

其中，影响天线性能的主要参数是长轴L1和短轴H1，以及宽度W1。天线的最低共振频率可以通过改变椭圆环状的回路的长度来控制。即，天线的尺寸主要由长轴L1的值决定，天线的阻抗带宽和圆极化带宽依赖于短轴H1；短轴H1越大，天线的阻抗带宽越大，圆极化带宽越大。本实施例中，L1可以为34.3毫米，H1可以为24.4毫米，W1为0.7毫米。

本实施例中，每个所述弧形连接件为每对交叉偶极子中的两个偶极子臂产生90°相位延迟。每个所述弧形连接件均为弧形环，如图7和图8所示，分别为弧形连接件401和弧形连接件402。弧形连接件401的半径为R1，厚度为W3；弧形连接件402的半径为R2，厚度为W5。

圆极化天线性能的频率是由弧形连接件401的半径R1决定的，因为弧形连接件401的周长等于期望频率的四分之一波长。弧形连接件401的宽度W3将会影响到圆极化天线的带宽和天线的匹配性能，因此可以通过相关软件对弧形连接件401的尺寸进行优化。例如，R1可以为7毫米，W3可以为1.5毫米，R2可以为7毫米，W5可以为1.5毫米。

一个实施例中，馈电单元包括第一馈电件和第二馈电件，所述第一馈电件和所述第二馈电件分别与两对交叉偶极子中的一个偶极子连接。例如，馈电单元可以为同轴电缆，第一馈电件为同轴电缆的内导体，第二馈电件为同轴电缆的外导体层。本实施例中，内导体的直径为1毫米。

参见图7，第一馈电件501可以通过第一矩形导体503与偶极子臂201连接。第一矩形导体503的宽度为W2，长度为H2，例如W2为6毫米，H2为7.6毫米。参见图8，第二馈电件502可以通过第二矩形导体504与偶极子臂203连接。第二矩形导体504的宽度为W4，长度为H3，例如W4为6毫米，H3为7.6毫米。其中，第一矩形导体503的长度和宽度，以及第二矩形导体504的长度和宽度，均可以影响天线结构的性能。

本实施例中，每对寄生元件均包括两个弧形环，分别设置在介质基板的两个端角处。每个弧形环对应一个偶极子臂，每个弧形环与对应的偶极子臂耦合，具体可以为电容耦合。参见图1和图2，第一对寄生元件包括弧形环301和弧形环302，第二对寄生元件包括弧形环303和弧形环304。弧形环301和弧形环302位于介质基板第一侧101的两个端角，弧形环303和弧形环304位于介质基板第二侧102的两个端角。通过使用寄生元件，天线的尺寸可以大大降低。

参见图9，每个弧形环的形状尺寸均相同，例如，弧形环201的长度为L2，高度为H4，厚度为W6。这里的长度为弧形环两个端点之间的距离，高度为弧形环上各处到两个端点之间的连线的距离的最大值。

其中，弧形环的长度L2和高度H4是影响天线性能的主要参数，宽度W6可以影响弧形环的阻抗。例如，H4可以为13.9毫米，L2可以为27.9毫米。

本实施例中，各个偶极子臂还可以作为天线的散热结构。电流可以在偶极子臂的环结构上以一个完整的圆（从0°到360°）移动。在这种情况下，可以通过使用这种椭圆的环形结构来改善天线的圆极化性能。更特别的是，可能有更多的电流路径(在不同的频率上)有相同的振幅和90°相位延迟。

此外，环形状的散热结构可以改善天线在低频时的阻抗匹配，从而使天线的天线尺寸减小，从而可以减少偶极子臂上的新型椭圆环形辐射器。

上述各个实施例中，两对交叉偶极子的材质均为印制电路板。

以下通过模拟实验对上述天线结构做进一步说明。

天线结构的模拟反射系数和测量反射系数如图10所示。该天线的宽带宽为1.16至1.9 GHz，为S11小于-10分贝。在GPS的L1波段(1.575 GHz)中，S11的值低到-30分贝，显示了极好的阻抗匹配性能。测量的结果与预期的性能很好地一致。上述天线结构确实覆盖了所需的GPS和伽利略波段，性能相对较好。

天线结构的模拟轴向比在图11中显示为频率。可以看到，天线的圆极化带宽从1.24 GHz到1.87 GHz，轴向比小于3分贝。而且在所有带宽情况下，轴向比的值小于4.5分贝。这表明，上述天线结构具有非常宽的圆极化带宽和阻抗。上述天线结构确实改善了天线的性能，减小了天线的尺寸。

图12显示了天线结构的模拟实现增益，作为频率的函数。可以看出，宽带的平均收益是2 dBi。上述各个实施例中的天线结构是一种双极型天线结构，具有双向辐射模式和宽半功率波束宽度。一个传导地平面反射器可以放置在天线结构下方以产生一种单向的辐射模式和更高的实现增益(最多可达7个dBi)。天线和反射器之间的空间可能是最低共振频率(1.164 GHz)的四分之一波长(64毫米)。对于一种低姿态的配置，一种覆盖频率波段的宽带人工磁导体(AMC)飞机可以用来取代导电的地面平面。这样，总高度的天线反射器的本发明可以低于20毫米。由于广泛的天线的带宽和紧凑的大小在目前的发明，它不仅可以用于常规GNSS应用和无线通讯，但也被用在许多便携式应用，如安装在士兵的身体或安装在车辆导航的应用程序。

上述天线结构，两对交叉偶极子分别印制在所述介质基板的两侧，两对寄生元件分别印制在所述介质基板的两侧，两个弧形连接件分别印制在所述介质基板的两侧，且分别与每对交叉偶极子的各个偶极子臂连接，馈电单元分别与每对交叉偶极子中的一个偶极子臂连接，通过改变各个部件的尺寸能够覆盖多个带宽频段，实现多个导航频段工作。

一个实施例中，终端可以包括上述任一种天线结构，且具有上述任一种天线结构所具有的有益效果，对此不再赘述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：

介质基板；

两对交叉偶极子，分别印制在所述介质基板的正反两侧；

两对寄生元件，分别印制在所述介质基板的正反两侧；

两个弧形连接件，分别印制在所述介质基板的正反两侧，分别与每对交叉偶极子的各个偶极子臂连接；

馈电单元，分别与每对交叉偶极子中的一个偶极子臂连接；

其中，各个偶极子臂还作为天线结构的散热结构，电流在偶极子臂的环结构上以一个完整的圆从0°到360°移动；

每对交叉偶极子均包括两个形状相同的偶极子臂，且两对交叉偶极子的四个偶极子臂形状均相同，均为椭圆环状；

每个所述弧形连接件为每对交叉偶极子中的两个偶极子臂产生90°相位延迟，每个所述弧形连接件为弧形环，每个弧形环的半径为R1，厚度为W3；

每对寄生元件均包括两弧形环，分别设置在所述介质基板的两个端角处。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述椭圆环的长轴为L1，短轴为H1，宽度为W1。

3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述弧形环的长度为L2，高度为H4，厚度为W6。

4.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述两对交叉偶极子的材质均为印制电路板。

5.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述馈电单元包括第一馈电件和第二馈电件，所述第一馈电件和所述第二馈电件分别与两对交叉偶极子中的一个偶极子连接。

6.根据权利要求5所述的天线结构，其特征在于，所述馈电单元为同轴线，第一馈电件为头轴线的内导体，第二馈电件为头轴线的外导体层。

7.一种终端，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的天线结构。