CN109449584A - 一种卫星导航天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种卫星导航天线，用以缩小天线厚度，本发明实施例提供的卫星导航天线，包括介质基板、接地板、金属贴片、以及短路结构；所述金属贴片包括对应于第一天线阵元的第一金属贴片和对应于第二天线阵元的第二金属贴片，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片共面设置于所述介质基板的第一面，所述接地板设置于所述介质基板与所述第一面相对的第二面，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片之间存有间隙；所述短路结构包括第一短路结构和第二短路结构，所述第一短路结构用于将所述第一金属贴片与所述接地板相连，所述第二短路结构用于将所述第二金属贴片与所述接地板相连。

Description

一种卫星导航天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种卫星导航天线。
背景技术
近年来，随着卫星导航定位技术的不断发展，卫星导航产业成为继移动通信和互联网之后，全球发展最快的信息产业。世界各大国和组织都在积极发展自己的卫星导航定位系统，其中影响最大有美国的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)、欧盟的GALILEO(Galileo satellite navigation system，伽利略卫星导航系统)和我国的BDS(BeiDouNavigation Satellite，北斗卫星导航系统)。终端天线作为卫星导航系统的重要部件之一，对整个系统的性能有着非常重要的影响。
目前，微带贴片天线结构设计，一般采用上下叠层的方式，即上层天线谐振于高频，下层天线谐振于低频，为满足这种结构设计，其叠层厚度往往较厚。
为了减小天线的厚度，现有的天线小型化设计方案包括使用高介电常数的介质基板、金属贴片表面开槽等，但是这两种方案都会牺牲天线的关键性能，如使用高介电常数的介质基板会引入更大的切角损耗，而且介电常数过高会进一步束缚辐射，造成带宽变窄、增益降低等后果；而表面开槽技术增加匹配与调试难度，还会增加天线的交叉极化，恶化轴比，甚至因为结构的不对称性引起相位中心不稳定等。
因此，需要一种在不影响天线性能的前提下，缩小天线厚度的设计方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种卫星导航天线，以缩小天线的厚度和体积。
本发明实施例提供的一种卫星导航天线，包括介质基板、接地板、金属贴片、以及短路结构；
所述金属贴片包括对应于第一天线阵元的第一金属贴片和对应于第二天线阵元的第二金属贴片，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片共面设置于所述介质基板的第一面，所述接地板设置于所述介质基板与所述第一面相对的第二面，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片之间存有间隙；
所述短路结构包括第一短路结构和第二短路结构，所述第一短路结构用于将所述第一金属贴片与所述接地板相连，所述第二短路结构用于将所述第二金属贴片与所述接地板相连。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片为嵌套结构，所述第一金属贴片被所述第二金属贴片所包围。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属贴片为圆形，所述第二金属贴片为与所述第一金属贴片共圆心的环状结构。
在一种可能的实现方式中，所述短路结构为金属化过孔。
在一种可能的实现方式中，所述第一短路结构为第一金属化过孔，所述第一金属化过孔位于所述第一金属贴片的中心。
在一种可能的实现方式中，所述第二短路结构为多个第二短路金属化过孔，所述第二短路金属化过孔均匀分布于所述第二金属贴片的内圈位置，所述多个第二短路结构形成了第一天线单元的电壁腔结构。
在一种可能的实现方式中，还包括第二天线单元的电壁腔结构，所述第二天线单元的电壁腔结构设置于所述介质基板的最外围，所述第二天线单元的电壁腔结构与所述第二金属贴片之间存在间隙。
在一种可能的实现方式中，所述第二天线单元的电壁腔结构为金属墙，所述金属墙内表面紧贴所述介质基板的侧面；所述介质基板的侧面为所述第一面与所述第二面之间的侧表面。
在一种可能的实现方式中，所述第二天线单元的电壁腔结构为多个第三金属化过孔，所述多个第三金属化过孔均匀分布。
在一种可能的实现方式中，任意两个相邻的所述第三金属化过孔之间的距离小于第二金属贴片对应导波波长的十分之一。
本发明上述实施例中，卫星导航天线的金属贴片包括第一金属贴片和第二金属贴片，第一金属贴片对应于第一天线阵元，第二金属贴片对应于第二天线阵元，第一金属贴片与第二金属贴片共面设置于介质基板的第一面，第一金属贴片与第二金属贴片之间存在间隙。其中第一金属贴片与第二金属贴片共面设置于介质基板的第一面，接地板设置于介质基板与第一面相对第二面上。卫星导航天线的短路结构包括第一短路结构和第二短路结构，其中，第一短路结构用于将第一金属贴片与接地板相连，第二短路结构用于将第二金属贴片与接地板相连。本发明实施例中，第一金属贴片与第二金属贴片共面设置，且第一金属贴片与第二金属贴片共用一个接地板，从而卫星导航天线的厚度等于第一天线阵元的厚度或第二天线阵元的厚度，相较于现有技术中卫星导航天线的厚度等于第一天线阵元的厚度加上第二天线阵元的厚度，卫星导航天线的厚度大大减小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍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的附图。
图1为现有技术提供的一种卫星导航阵列天线的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的卫星导航天线的截面示意图；
图3为本发明实施例中第二天线单元的电壁腔结构为金属化过孔的卫星导航天线的整体结构示意图；
图4为本发明实施例中第二天线单元的电壁腔结构为金属化过孔的卫星导航天线的截面示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种卫星导航天线的结构示意图；
图6为本发明实施例中第二天线单元的电壁腔结构为金属墙的卫星导航天线的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面介绍本发明实施例的技术背景。
下面结合附图介绍本发明实施例提供的技术方案。
需要说明的是，本发明实施例中，“上”“下”对应图片的上方和下方，即“上表面”是指在图片中装置上方对应的面，“下表面”是指图片中装置下方对应的面，本发明实施例仅是示例作用。
本发明实施例提供了一种卫星导航阵列天线，可以应用于卫星导航定位系统的各类手持机、基站、车载、机载等终端设备应用平台。
图1示例性地示出了现有技术提供的一种卫星导航阵列天线的截面示意图。如图1所示，卫星导航阵列天线100包括第一天线阵元200和第二天线阵元300，第一天线阵元200和第二天线阵元300层叠设置，第二天线阵元300层叠于第一天线阵元200之上。
第一天线阵元200包括第一介质基板201，设置于第一介质基板201上表面的第一贴片202，以及设置于第一介质基板201下表面的第一接地板203。第一贴片202上还设置有第一馈电点204(图中未显示)。
第二天线阵元300包括第二介质基板301，设置于第二介质基板301上表面的第二贴片302，以及设置于第二介质基板301下表面的第二接地板303。第二贴片302上还设置有第二馈电点304(图中未显示)。
第二天线阵元300的第二介质基板301上表面的面积小于第一天线阵元200的第一介质基板301上表面的面积，且，第二天线阵元300的第二贴片302的面积小于第一天线阵元200的第一贴片202的面积。这样，第一天线阵元200与第二天线阵元300工作于不同的频段。
由图1可以看出，第一天线阵元200与第二天线阵元300叠层设置。下层的第一天线阵元200谐振于低频，上层的第二天线阵元300谐振于高频，其叠层厚度较厚。
为了解决上述问题，图2示例性示出了本发明实施例提供的卫星导航天线的截面示意图，在不影响天线性能的前提下，缩小天线的体积。如图2所示，卫星导航天线400包括介质基板401、接地板402、金属贴片、以及短路结构。
金属贴片包括对应于第一天线阵元的第一金属贴片431和对应于第二天线阵元的第二金属贴片432。与现有技术不同的是，第一金属贴片431与第二金属贴片432共面设置于介质基板401的第一面，接地板402设置于介质基板401与第一面相对的第二面，第一金属贴片431与第二金属贴片432之间存有间隙。
短路结构包括第一短路结构441和第二短路结构442，第一短路结构441用于将第一金属贴片431与接地板402相连，第二短路结构442用于将第二金属贴片432与接地板402相连。
本发明实施例中，第一金属贴片431与第二金属贴片432共面设置，且第一金属贴片431与第二金属贴片432共用一个接地板402，从而卫星导航天线的厚度等于第一天线阵元的厚度或第二天线阵元的厚度，相较于现有技术中卫星导航天线的厚度等于第一天线阵元的厚度加上第二天线阵元的厚度，卫星导航天线的厚度大大减小。
本发明实施例中，第一金属贴片431与第二金属贴片432为嵌套结构，第一金属贴片431被第二金属贴片432所包围。
图3示例性示出了本发明实施例中卫星导航天线的一种较佳的结构。如图3所示的卫星导航天线400，第一金属贴片431为圆形，第二金属贴片432为与第一金属贴片共圆心的环装结构。
图3所示的卫星导航天线中，与第一金属贴片431对应的第一短路结构为第一金属化过孔441，第一金属化过孔位于第一金属贴片的中心。与第二金属贴片432对应的第二短路结构为多个第二金属化过孔442，第二金属化过孔442位于第二金属贴片432的内圈位置。较佳地，第二金属化过孔紧邻第二金属贴片的内圈，且均匀分布。通过在第二金属贴片的内圈设置多个第二金属化过孔，作为第二金属贴片对应的短路点，相邻的第二金属化过孔间隔5°左右。此外，多个第二金属化过孔又对第一金属贴片形成了一圈电壁腔，从而对第一天线单元起到降频的效果，从而缩小了第一单元天线的面积，减小了天线整体体积。
本发明实施例中的卫星导航天线还包括馈电点，如图3所示，第一天线阵元的馈电点设置于第一金属贴片431的中间，具体的，设置了4个第一馈电点451，4个第一馈电点451围绕第一金属化过孔均匀分布。第二天线阵元的馈电点设置于第二金属贴片432上，也设置了4个第二馈电点452，4个第二馈电点452位于第二金属化过孔442的外侧，围绕卫星导航天线的中心轴均匀分布。
对于卫星导航天线，金属贴片的表面电流会在开路端和短路端之间形成驻波，因此通过调整金属化过孔与开路端之间的距离，就可以对天线的谐振频率进行调节。在图3所示的卫星导航天线中，第一金属贴片431与第二金属贴片432之间存在间隙，间隙宽可以设置为1.5mm。则，可以将第一金属贴片431与第二金属贴片432之间的间隙作为第一天线阵元的开路端。第一金属化过孔441与间隙之间的距离，决定了第一金属贴片431对应的第一天线阵元的谐振点，又第一金属化过孔441位于第一金属贴片431的正中心，因此，只需调整第一金属贴片431的大小即可调节第一天线阵元的谐振点，使其谐振于高频。对于第二天线阵元，由于第二金属化过孔442的位置位于第二金属贴片432的内圈，所以可以通过调节第二金属贴片432的外圈与内圈的距离，使第二金属贴片432对应的第二天线阵元谐振于低频。
一般来说，卫星导航天线的边缘处电压最大，电流最小，输入电阻最大；中心短路结构处电流最大，电压最小，输入电阻最小(接近0Ω)。基于此，在卫星导航天线的短路结构处至边缘处存在与馈电线相匹配的位置，比如，馈电端口的输入阻抗为50Ω，则可以在短路结构处至边缘处找到与50Ω相匹配的位置，该位置即可作为馈电点。在本发明实施例中，对于第一天线阵元，通过调节第一金属化过孔441与第一馈电点451之间的距离，实现输入阻抗接近50Ω的阻抗匹配；对于第二天线阵元，通过调节第二金属化过孔442与第二馈电点452之间的距离，实现输入阻抗接近50Ω的阻抗匹配。
进一步地，介质基板的材质可以有多种，比如，可以为陶瓷、PCB板等，具体不做限定。具体实施过程中，天线加载的介质厚度和介电常数需要就卫星导航天线的工作带宽和实际使用环境做折衷选择：介质基板的厚度越厚，则带宽越宽，同时也会激励更多的表面波从而影响辐射效率；介质基板的介电常数越高，则尺寸越小，但是伴随辐射效率降低，带宽变窄，匹配设计难度增大等缺点。本发明实施例中的介质基板采用厚度为6mm、相对介电常数为6.15(加上切角损耗只有千分一)的高性能微波复合材料。
进一步地，本发明实施例中的卫星导航天线还包括第二天线单元的电壁腔结构。如图3所示，第二天线单元的电壁腔结构443设置于介质基板401的最外围，第二天线单元的电壁腔结构443与第二金属贴片432之间存在间隙。第二天线单元的电壁腔结构443与接地板402电性相连，第二天线单元的电壁腔结构的高度与介质基板401的厚度相同，例如可以设置为6mm。本发明实施例中，通过第二天线单元的电壁腔结构，在卫星导航天线的外围形成电壁腔，起到降频的效果，即降低了第二天线阵元的频率。本发明实施例中，第二天线阵元工作在低频，则第二天线阵元的第二金属化过孔与第二金属贴片432外圈之间的距离就需要较大，从而第二金属贴片的面积就需要设置为很大。本发明实施例通过在卫星导航天线的最外围设置第二天线单元的电壁腔结构，可以实现降低第二天线阵元的频率的效果，从而起到进一步缩小天线体积的目的。且第二天线单元的电壁腔与第二金属贴片之间的距离越近，降频效果越明显，但两者不能相连。
除此之外，设置在第二金属贴片上的第二短路结构，除了起到改变第二金属贴片的电流分布，影响第二天线阵元谐振频率的作用外，还可以作为第一天线阵元的电壁腔，从而缩小第一天线阵元的体积。
本发明实施例中，第二天线单元的电壁腔结构可以设置为多种形式，如第二天线单元的电壁腔结构为金属樯，或者第二天线单元的电壁腔结构为多个第三金属化过孔。
图3示出了本发明实施例提供的卫星导航天线中第二天线单元的电壁腔结构为金属化过孔的形式。图4示出了第二天线单元的电壁腔结构为金属化过孔的卫星导航天线的截面示意图。如图3和图4所示，第三短路结构为多个第三金属化过孔443。为了使多个第三金属化过孔形成第二电壁腔，任意两个相邻的第三金属化过孔之间的距离小于第二金属贴片对应导波波长的十分之一。较佳地，可以将任意两个相邻第三金属化过孔之间的距离设置为1/10*λ2，其中，λ2为第二金属贴片对应的第二天线阵元的导波波长。
与之相似的，本发明实施例中的第二金属化过孔之间的距离小于第一金属贴片对应波长的十分之一。较佳地，将任意两个相邻第二金属化过孔之间的距离设置为1/10*λ1，其中，λ1为第一金属贴片对应的第一天线阵元的导波波长。
图5示出了本发明实施例提供的卫星导航天线中第二天线单元的电壁腔结构为金属墙的形式。图6示出了第二天线单元的电壁腔结构为金属墙的卫星导航天线的截面示意图。如图5和图6所示，第二天线单元的电壁腔结构为金属墙444，金属墙444内表面紧贴介质基板401的侧面；介质基板401的侧面为第一面与第二面之间的侧表面。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种卫星导航天线，其特征在于，包括介质基板、接地板、金属贴片、以及短路结构；
所述金属贴片包括对应于第一天线阵元的第一金属贴片和对应于第二天线阵元的第二金属贴片，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片共面设置于所述介质基板的第一面，所述接地板设置于所述介质基板与所述第一面相对的第二面，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片之间存有间隙；
所述短路结构包括第一短路结构和第二短路结构，所述第一短路结构用于将所述第一金属贴片与所述接地板相连，所述第二短路结构用于将所述第二金属贴片与所述接地板相连。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片为嵌套结构，所述第一金属贴片被所述第二金属贴片所包围。
3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述第一金属贴片为圆形，所述第二金属贴片为与所述第一金属贴片共圆心的环状结构。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述短路结构为金属化过孔。
5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第一短路结构为第一金属化过孔，所述第一金属化过孔位于所述第一金属贴片的中心。
6.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第二短路结构为多个第二短路金属化过孔，所述第二短路金属化过孔均匀分布于所述第二金属贴片的内圈位置，所述多个第二短路结构形成了第一天线单元的电壁腔结构。
7.如权利要求1至6中任一项所述的天线，其特征在于，还包括第二天线单元的电壁腔结构，所述第二天线单元的电壁腔结构设置于所述介质基板的最外围，所述第二天线单元的电壁腔结构与所述第二金属贴片之间存在间隙。
8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述第二天线单元的电壁腔结构为金属墙，所述金属墙内表面紧贴所述介质基板的侧面；所述介质基板的侧面为所述第一面与所述第二面之间的侧表面。
9.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述第二天线单元的电壁腔结构为多个第三金属化过孔，所述多个第三金属化过孔均匀分布。
10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，任意两个相邻的所述第三金属化过孔之间的距离小于第二金属贴片对应导波波长的十分之一。
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