CN110718750B - 小型化和圆极化的贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化和圆极化的贴片天线，包括：贴片，具有第一侧、第二侧、与第一侧相对立的第三侧以及与第二侧相对立的第四侧；接地板，形成在贴片的下方；第一金属连接线，与贴片的第一侧和接地板电性连接；第二金属连接线，与贴片的第二侧和接地板电性连接；第三金属连接线，与贴片的第三侧和接地板电性连接；第四金属连接线，与贴片的第四侧和接地板电性连接；贴片、第一金属连接线、接地板和第三金属连接线电性连通形成第一环形共振体，贴片、第二金属连接线、接地板和第四金属连接线电性连通形成第二环形共振体，第一环形共振体和第二环形共振体交叉设置，具有体积小、结构简单、制造工艺简单、重量轻、成本低、可调试、不需要高介电常数材料的优点。

Description

小型化和圆极化的贴片天线

技术领域

该发明涉及通信天线的技术领域，具体提出了一种小型化和圆极化的贴片天线，可用于新一代卫星定位和卫星通信领域。

技术背景

贴片天线在无线通信技术有着广泛的应用，特别是在移动通信，车载通信，卫星通信等领域。

如图1a和1b所示，传统的贴片天线100主要由贴片102、介质基片104和接地板106组成。贴片102与接地板106平行放置，其间距等于介质基片104的厚度。所述贴片102的长度和宽度分别为a和b，贴片102的长度一般为半个波长，从而产生共振模式并决定工作频率。所述接地板106的尺寸一般大于贴片102的尺寸，从而接地板106可以作为天线的反射体，以提高天线的指向性和增益。所述贴片天线100一般采用同轴馈电线108提供电源，该同轴馈电线108的内导体和外导体分别连接贴片102和接地板106，用以馈入RF信号。以传统的线极化天线为例，电场分布120会在贴片102的两端产生，并集中分布在贴片102和接地板106之间。基于传统贴片天线的基本辐射原理，该电场分布120并不完全被束缚在贴片102和接地板106之间，产生边缘场；该边缘场可辐射至自由空间内，从而决定了贴片天线100的辐射性能。虽然传统的贴片天线结构和工艺比较简单，但加工出来的天线尺寸会很大,成本和体积也都会限制贴片天线在无线终端产品中的应用。

现代无线通信技术的迅猛发展对超小型化贴片天线的需求越来越高，而现有的天线小型化技术主要集中在高介电常数材料的应用、增加电流的有效路径和加载技术等几个方面。

一方面，提高介质基片的介电常数可以有效地缩小贴片的尺寸，从而实现小型化。例如，高密度、低损耗的高分子材料已经广泛应用在贴片天线领域，极大地缩小了天线的尺寸。但是，该方法的主要缺点在于加工工艺要求高、制造成本高、重量大等方面。另外，加载高介电常数的介质基片会导致贴片天线的电场分布被束缚在高介质基片内部，从而导致天线辐射性能低下，频带变窄。另外，该类型天线不具备可调性，因而无法补偿各种应用场景中的失配，也无法避免共振移至所需频带之外，从而导致通信质量下降或无法实现高精度定位。

另一方面，在贴片内嵌入开槽、引入电容性或电感性负载等方法可以增加贴片上电流的有效路径或者增加贴片天线的等效面积，从而实现小型化、高增益或者宽带等特性。类似的方法可以参考U.S.Pat.No.6,462,712B1、U.S.Pat.No.6,864,843B2或者U.S.Pat.No.7,928,913B2。

此外，在贴片和接地板之间加载电容性负载可以有效地降低贴片天线的工作频率，从而实现天线小型化。例如，U.S.Pat.No.2009/0140930A1和CN110098472提出了利用金属加载来实现天线小型化；U.S.Pat.No.4780724和CN109149091A提出了利用变容二极管来实现频率可重构天线。

但是，上述现有的小型化技术存在如下缺点：

1)上述技术尽管有效地降低了天线的尺寸，但是天线整体结构较为复杂，对制造工艺要求较高，增加了制造成本。尤其在可重构天线中，有源器件的使用大大增加了其复杂性和成本。

2)上述技术的调谐能力有限，仅能将天线频率降低到有限的频率范围内，因而天线小型化的能力也受到极大的限制，即天线的体积和重量依旧很大。

3)上述技术中多数方法难以实现圆极化特性，不能满足在卫星通信和高精度定位等新一代信息领域中的应用。

圆极化作为贴片天线的另一个重要特性，具有抗干扰能力强、降低多径衰落、降低极化失配等优势，可有效地提高通信质量，节约频谱资源，可很好地满足未来移动通信系统的要求。随着5G技术和物联网技术的推广，特别是在高精度定位和卫星通信领域，小型化和圆极化天线有着广阔的应用前景。

一些现有的技术可以实现圆极化特性，例如，U.S.Pat.No.4367474、U.S.Pat.No.6680703B1、U.S.Pat.No.2009/0140930A1、CN109149091A、CN205583136U和CN108987913A，但是它们结构复杂，成本高，并且体积庞大，因而很难适应于现代终端产品中。反之，陶瓷贴片天线凭借其结构简单、体积小、易安装等优势，在国际市场上占据了很大的份额，尤其是在定位产品中。但是，如上文所示，陶瓷天线的缺点主要体现在成本高和重量大等方面。另外，它们具有带宽窄和不可调等特点，很难补偿各种应用场景中的失配情况(包括极化失配、阻抗失配、频率移动等)以及加工误差引起的失配，从而难以保证性能的最优化。

因而，有必要提出一种体积小、结构简单、重量轻、成本低、制造工艺简单、不需要高介电常数材料的圆极化贴片天线，以取代市场上常用的陶瓷贴片天线；有必要提出一种天线小型化技术，在实现超小型化的同时实现优异的辐射性能(高增益等)；有必要提出一种可调谐的小型化贴片天线技术，不仅可以在较大的频率范围内调谐至任意的工作频段内，无需改变天线的尺寸和结构，大大节约制造成本和研发周期，又可以抵消不同应用场景下的失配干扰，保证天线始终可以获得最佳的辐射性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种简易且高效的贴片天线小型化技术，从而实现了一种体积小、结构简单、制造工艺简单、重量轻、成本低、可调试、不需要高介电常数材料的小型化和圆极化的贴片天线。该发明可适用于各种无线通信设备中，并且特别适合于卫星通信和卫星定位等应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种小型化和圆极化的贴片天线，包括：贴片，具有第一侧、第二侧、与第一侧相对立的第三侧以及与第二侧相对立的第四侧；接地板，形成在贴片的下方；第一金属连接线，与贴片的第一侧和接地板电性连接；第二金属连接线，与贴片的第二侧和接地板电性连接；第三金属连接线，与贴片的第三侧和接地板电性连接；第四金属连接线，与贴片的第四侧和接地板电性连接；所述贴片、第一金属连接线、接地板和第三金属连接线电性连通形成第一环形共振体，所述贴片、第二金属连接线、接地板和第四金属连接线电性连通形成第二环形共振体，所述第一环形共振体和第二环形共振体交叉设置。

优选地，所述第一金属连接线、第二金属连接线、第三金属连接线和第四金属连接线均与矩形贴片和接地板垂直设置。

优选地，所述第一金属连接线与第三金属连接线对称设置，所述第二金属连接线与第四金属连接线对称设置，且第一环形共振体和第二环形共振体相互正交。

优选地，所述第一金属连接线连接在贴片第一侧最外边的中间位置，所述第二金属连接线连接在贴片第二侧最外边的中间位置，所述第三金属连接线连接在贴片第三侧最外边的中间位置，所述第四金属连接线连接在贴片第四侧最外边的中间位置。

优选地，还包括第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器，所述第一电容器连接第一金属连接线至接地板，第二电容器连接第二金属连接线至接地板，第三电容器连接第三金属连接线至接地板，第四电容器连接第四金属连接线至接地板。

优选地，所述贴片为平行设置于接地板上方的金属片。

优选地，所述贴片和接地板之间无高介电常数材料。

优选地，还包括同轴馈电线，所述同轴馈电线用于对贴片天线进行馈电。

优选地，所述贴片为矩形、正方形、椭圆形、圆形、十字形或者环状型。

不同于传统方法，本发明通过有效地利用接地板上的电感成分，将传统的贴片天线转换成两个正交的环形共振体，以实现天线小型化；且利用镜像理论，所述的环形共振体等效为平行于接地板上的磁流，以提高天线辐射性能；同时，其正交性可以保证圆极化波的产生s。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明可实现超小型化和圆极化的贴片天线，具有体积小，结构简单，重量轻，制造工艺简单，制造成本低等优势；

2)与传统贴片天线相比，本发明不依赖高介电常数材料即可实现超小型化，甚至不需要任何介质基片；

3)本发明具有很强的调谐功能，一方面可以在较大的频率范围内调谐至任意的工作频段内，而不需要改变天线的尺寸和结构，大大节约制造成本和研发周期，另一方面可以有效地抵消不同应用场景下的失配干扰，确保该天线始终可以获得最优化的辐射性能；

4)与现有的陶瓷贴片天线相比，具有重量轻、成本低、可调谐等优势，因而本发明的目的之一是取代现有的陶瓷贴片天线，尤其是用于GPS的陶瓷贴片天线。

附图说明

图1a是传统贴片天线结构的立体结构示意图；

图1b是传统贴片天线结构的剖视结构示意图；

图2是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线的立体结构示意图；

图3a是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线xz平面内的剖视结构示意图；

图3b是图3a的等效电路示意图；

图4a是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线yz平面内的剖视示意图；

图4b是图4a的等效电路示意图；

图5是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线的等效磁流模型示意图；

图6是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线安装于单层电路板时xz平面内的剖视示意图；

图7是本发明实施例二中的小型化和圆极化的贴片天线的立体结构示意图；

图8是本发明实施例三中的小型化和圆极化的贴片天线的立体结构示意图；

图9a是本发明实施例中的小型化和圆极化的贴片天线仿真得到的反射系数和轴比示意图；

图9b是本发明实施例中的小型化和圆极化的贴片天线仿真得到的辐射方向图示意图；

附图标记说明：200、700、800-小型化和圆极化的贴片天线；202-矩形贴片；204-接地板；206-同轴馈电线；210a-第一金属连接线；210b-第二金属连接线；210c-第三金属连接线；210d-第四金属连接线；230a-第一电容器；230b-第二电容器；230c-第三电容器；230d-第四电容器；300-第一环形共振体；400-第二环形共振体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基于传统贴片天线的基本辐射原理，可以得知，相关的现有技术局限于通过改变贴片本身的构造来优化贴片的辐射能体。因此，现有的天线技术不能有效地利用接地板的功能，这直接导致了复杂的结构和昂贵的成本。

相反，本发明则通过灵活应用接地板的功能来实现天线的小型化和高性能。具体表现为：一方面，本发明通过将贴片连接至接地板上，利用接地板上的电感成分，构成两个正交的环形共振体，从而可以将接地板作为天线的一部分，以实现小型化；另一方面，根据镜像理论，本发明中构造的环形共振体等效为平行于接地板的磁流，利用镜像磁流来加强辐射性能，以实现高辐射性能。

因此，本发明提出了一种基于磁源的简易且高效的小型化和圆极化的贴片天线，包括:贴片，具有第一侧、第二侧、与第一侧相对立的第三侧以及与第二侧相对立的第四侧；接地板，形成在贴片的下方；第一金属连接线，与贴片的第一侧和接地板电性连接；第二金属连接线，与贴片的第二侧和接地板电性连接；第三金属连接线，与贴片的第三侧和接地板电性连接；第四金属连接线，与贴片的第四侧和接地板电性连接；所述贴片、第一金属连接线、接地板和第三金属连接线电性连通形成第一环形共振体，所述贴片、第二金属连接线、接地板和第四金属连接线电性连通形成第二环形共振体，所述第一环形共振体和第二环形共振体交叉设置。本发明的小型化和圆极化的贴片天线在实现圆极化的同时，具有尺寸小、重量轻、成本低、可调谐等方面的优势，具体阐述如下。

实施例一

图2是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线的立体结构示意图。

如图2所示，一种小型化和圆极化的贴片天线200，包括矩形贴片202、形成在矩形贴片202下方的接地板204、电性连接在矩形贴片202第一侧220a的第一金属连接线210a、电性连接在矩形贴片202第二侧220b的第二金属连接线210b、电性连接在矩形贴片202第三侧220c的第三金属连接线210c、电性连接在矩形贴片202第四侧220d的第四金属连接线210d，所述矩形贴片202第一侧220a与矩形贴片202第三侧220c相对立，所述矩形贴片202第二侧220b与矩形贴片202第四侧220d相对立。所述第一金属连接线210a、第二金属连接线210b、第三金属连接线210c和第四金属连接线210d分别与接地板204电性连接。

所述矩形贴片202、第一金属连接线210a、接地板204和第三金属连接线210c电性连通形成第一环形共振体300(如图3a所示)，所述矩形贴片202、第二金属连接线210b、接地板204和第四金属连接线210d电性连通形成第二环形共振体400(如图4a所示)，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉设置。

具体地，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉的角度范围优选为90°±10°，可以满足圆极化的性能要求。所述矩形贴片202为平行设置于接地板204上方的金属片，其长度和宽度分别为a和b，所述第一金属连接线210a、第二金属连接线210b、第三金属连接线210c和第四金属连接线210d形成在矩形贴片202与接地板204之间。所述矩形贴片202和接地板204之间为无高介电常数材料，例如可以是空气介质。所述贴片天线200采用同轴馈电线206进行馈电，也可以采用其它常见的的馈电方式，例如耦合馈电等。

作为本发明实施例的进一步改进，所述第一金属连接线210a、第二金属连接线210b、第三金属连接线210c和第四金属连接线210d优选均与矩形贴片202和接地板204垂直设置，加工更简便，成本更低。

作为本发明实施例的进一步改进，所述第一金属连接线210a与第三金属连接线210c对称设置，所述第二金属连接线210b与第四金属连接线210d对称设置，且第一环形共振体300所在的环形平面和第二环形共振体所在的平面相互正交(即第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉的角度为90°)。更优地，所述第一金属连接线210a连接在矩形贴片202第一侧220a最外边的中间位置，所述第二金属连接线210b连接在矩形贴片202第二侧220b最外边的中间位置，所述第三金属连接线210c连接在矩形贴片202第三侧220c最外边的中间位置，所述第四金属连接线210d连接在矩形贴片202第四侧220d最外边的中间位置，使第一环形共振体300所在的环形平面和第二环形共振体所在的平面相互正交，从而为产生圆极化波提供先决条件，同时加工简单，成本低。

本发明实施例一中还包括第一电容器230a、第二电容器230b、第三电容器230c和第四电容器230d，所述第一电容器230a连接第一金属连接线210a至接地板204，第二电容器230b连接第二金属连接线210b至接地板204，第三电容器230c连接第三金属连接线210c至接地板204，第四电容器230d连接第四金属连接线210d至接地板204。所述的电容器为集总电路组件，例如芯片电容器，具有体积小、价格低、易于集成、低损耗等优点，广泛应用于各类无线通信设备之中。所述的电容器可由一单一电容器构成，或可借由将二或更多个电容器彼此连接而构成。同时，为了获得特定的电容值，也可以用电容器和电感器的组合代替电容器。

图3a是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线xz平面内形成第一环形共振体300的剖视示意图。

如图3a所示,所述第一环形共振体300由矩形贴片202、第三金属连接线210c、第三电容器230c、第一电容器230a、第一金属连接线210a以及第三金属连接线210c与第一金属连接线210a之间的接地板组成。所述第一金属连接线210a和第三金属连接线210c与矩形贴片202的侧边最外边连接，可最大化第一环形共振体300的体积，从而最大化其辐射性能。

第一金属连接线210a通过第一电容器230a连接至接地板204，第三金属连接线210c通过第三电容器230c连接至接地板204，从而导致矩形贴片202上x轴方向的电流会通过第三金属连接线210c流入接地板204，通过第一金属连接线210a流回矩形贴片202，形成一个环形电流模式。具体来讲，接地板204上的电流集中分布在第一金属连接线210a和第三金属连接线210c之间的接地板部分，并且沿x轴方向流动。

图3b是图3a中第一环形共振体300的等效电路示意图，以阐述上述实施例的发明思路和工作原理。

如图3b所示，图3a中的第一环形共振体300可等效为一个串联回路302，所述的串联回路302由L_px、L₁、C₁、L_gx、C₃和L₃串联组成。其中，L_px为矩形贴片202沿x轴方向的电感成分，L₁为第一金属连接线210a中的电感成分，C₁为第一电容器230a中的电容成分，L_gx为上述两条金属连接线之间的接地板中的电感成分，C₃为第三电容器230c中的电容成分，L₃为第三金属连接线210c中的电感成分。

根据等效电路示意图，所述的第一环形共振体300的输入阻抗可以等效地表达为：

因而，第一环形共振体300的共振频率可以表达为：

通过上述可知，第一电容器230a的电容值和第三电容器230c的电容值可以有效地控制第一环形共振体300的共振频率，而不需要改变第一环形共振体300的结构。具体来说，通过增加第一电容器230a或第三电容器230c的电容值，可以降低第一环形共振体300的共振频率，而不需要增加矩形贴片202的长度a。

此外，所述的第一环形共振体300的共振频率也可以通过改变矩形贴片202沿x轴方向的电感成分(L_px)，第一金属连接线210a中的电感成分(L₁)，两条金属连接线之间的接地板中的电感成分(L_gx)，或第三金属连接线210c中的电感成分(L₃)来实现。因此，第一环形共振体300的共振频率也可以通过在矩形贴片或接地板内嵌入开槽、在金属连接线上负载电感组件等其它方式来改变。但是，调节电容器的电容值最为简单和直观，可实现天线固定尺寸和固定结构下的调谐功能，达到不同的设计要求。

图4a是本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线yz平面内形成第二环形共振体400的剖视示意图。

如图4a所示,所述第二环形共振体400由矩形贴片202、第二金属连接线210b、第二电容器230b、第四金属连接线210d、第四电容器230d、和第二金属连接线210b与第四金属连接线210d之间的接地板组成。同理，该连接方式会围绕第二环形共振体400形成另一个环形电流模式，并且该环形电流模式会在矩形贴片202和接地板204之间产生沿y轴方向流动的电流。同时，第二金属连接线210b和第四金属连接线210d与矩形贴片202的侧边最外边连接，可最大化第二环形共振体400的体积，从而最大化其放射性能。

所述矩形贴片202、第一金属连接线210a、接地板204和第三金属连接线210c电性连通形成第一环形共振体300，矩形贴片202、第二金属连接线210b、接地板204和第四金属连接线210d电性连通形成第二环形共振体400，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400相互正交，因而，第一环形共振体300与第二环形共振体400为相互正交的两个共振体，从而为产生圆极化波提供先决条件。

图4b是图4a中第二环形共振体400的等效电路示意图，以阐述上述实施例的发明思路和工作原理。

如图4b所示，图4a中的第二环形共振体400可等效为一个串联回路402，所述的串联回路402由L_py、L₄、C₄、L_gy、C₂和L₂串联组成。其中，L_py为矩形贴片202沿y轴方向的电感成分，L₄为第四金属连接线210d中的电感成分，C₄为第四电容器230d中的电容成分，L_gy为上述两条金属连接线之间的接地板中的电感成分，C₂为第二电容器230b中的电容成分，L₂为第二金属连接线210b中的电感成分。因而，第一金属连接线210a和第三金属连接线210c通过将矩形贴片202连接至接地板204，并有效地利用接地板中的电感成分，形成第二环形共振体400。所述的第二环形共振体400的共振频率可通过增加第二电容器230b或第四电容器230d的电容值来降低，而不需要增加矩形贴片202的宽度b，也不需要改变第一金属连接线210a、第三金属连接线210c和接地板的结构。

据上述可知，通过利用四条金属连接线将矩形贴片202连接至接地板204，传统的贴片天线就可以有效地利用接地板中的电感成分，从而转换成两个小型的环形共振体。该方法可以将一个大小约为λ/2×λ/2的传统贴片天线缩小至λ/10×λ/10以下，而不依赖高分子材料的介质基片，从而大大减小了天线的重量和尺寸，还可以减小高介电常数材料对天线辐射的影响，实现优异的辐射性能。

更重要的是，所述的两个环形共振体300和400相互正交，因而可以通过单独调控两个环形共振体的频率来产生合适的相位差，从而在贴片天线的垂直方向产生圆极化波。不仅如此，通过调节两个环形共振体的频率差，本发明也可以实现线极化、左旋圆极化、右旋圆极化、椭圆极化等，也可以以线极化的方式工作在两个频段。

此外，电容器的引入使得该小型化贴片天线可以在较大的频率范围内调谐至任何工作频段，无需改变天线的尺寸和结构，即可达到不同的设计要求，大大节约制造成本和缩短研发周期。

图5展示了本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线的等效磁流模型示意图，来说明本发明的辐射原理。

请结合图5，一并参照图3a，位于xz平面的第一环形共振体300产生了一个与接地板204相垂直的环形电流模式。因而，所述的第一环形共振体300等效为一个沿y轴方向的、平行置于接地板204上方的磁流M₁。

请结合图5，一并参照图4a，位于yz平面的第二环形共振体400产生了另一个与接地板204相垂直的环形电流模式。因而，所述的第二环形共振体400等效为一个沿x轴方向的、平行置于接地板204上方的磁流M₂。

根据镜像理论，平行置于接地板204上方的磁流M₁和磁流M₂会分别生成一个镜像磁流和镜像磁流/>且镜像磁流/>和/>与磁流M₁和M₂的相位相同，从而可以增强天线上方的电磁场辐射，实现高增益的性能。因而，将贴片天线转换成两个正交的环形共振体，不仅可以实现天线小型化，又可以得到优异的辐射性能，而且两个环形共振体的正交性确保了圆极化波的产生。

如图2至图5所示，本发明展示了一种小型化和圆极化的贴片天线，本发明采用的方法是利用四个有电容器负载的金属连接线将贴片连接至接地板上，并且充分利用了接地板上的电感成分，从而将传统的贴片天线转化成两个交叉的环形共振体。该方法具有尺寸小、重量小、制造成本低、可调谐强等优势。

图6展示了本发明实施例一中的小型化和圆极化的贴片天线安装于单层电路板时xz平面内的剖视示意图。图2至图5展示了本发明理想情况下的构造，图6则举例说明本发明在实际应用中的安装方法以及电容器的嵌入方式。

请结合图6，一并参照图3a，接地板204印刷在介质基片600的下侧，构成了常见的单层电路板，贴片202平行设置于所述单层电路板的上方。第一金属导线230a-1连接第一金属连接线210a至第一芯片电容器230a′的一端；第一芯片电容器230a′的另一端则通过第一金属导线230a-2连接至第一过孔230a-3。所述第一过孔230a-3穿过介质基片600，将第一金属导线230a-2连接至接地板204。同理，第三金属导线230c-1连接第三金属连接线210c至第三芯片电容器230c′的一端；第三芯片电容器230c′的另一端则通过第三金属导线230c-2连接至第三过孔230c-3。所述的第三过孔230c-3穿过介质基片600，将第三金属导线230c-2连接至接地板204。

该连接方式，可以将第一金属导线230a-1、第一金属导线230a-2、第三金属导线230c-1和第三金属导线230c-2印刷在介质基片600的上侧，同时可以将第一芯片电容器230a′和第三芯片电容器230c′焊接在介质基片600的表面。该安装和连接方式具有加工工艺简单、成本低等优点。此外，根据设计要求的不同或制造工艺的限制，也可以采用其它的连接方式，从而得到本发明的其它实施案例，例如，矩形贴片202和第一金属连接线210a、第三金属连接线210c、可以印刷在很薄的绝缘性支撑板上，从而维持天线整体结构的强度。

同理，图4a也可以采取上述的方式连接，在此不再赘述。

如图2至图6所示，本发明中的矩形贴片202和四条金属连接线优选为一体式结构，适用于大规模量产，可安装至各种无线终端设备中，作为通用的天线装置，只需调节焊接在接地板或电路板表面得电容器的电容值即可工作在任意频段，而无需改变天线的尺寸和结构，大大节省了制造成本，缩短了研发周期。

实施例二

图7是本发明实施例二中的小型化和圆极化的贴片天线的立体示意图。

请结合图7，并一并参考图2，图7展示了一种小型化和圆极化的贴片天线700，包括接地板704、形成在接地板上方的十字形贴片702，以及第一金属连接线710a、第二金属连接线710b、第三金属连接线710c、第四金属连接线710d。十字形贴片702可以由相互正交的两个长方形贴片构成十字形，也可以是一体成型形成，其长度分别为a和b，其中长度a对应十字形贴片702的第一侧和第三侧，长度b对应十字形贴片702的第二侧和第四侧。所述第一金属连接线710a电性连接在十字形贴片702的第一侧，所述第二金属连接线710b电性连接在十字形贴片702的第二侧，所述第三金属连接线710c电性连接在十字形贴片702的第三侧，所述第四金属连接线710d电性连接在十字形贴片702的第四侧，并且所述第一金属连接线710a、第二金属连接线710b、第三金属连接线710c和第四金属连接线710d分别与接地板704电性连接。

所述十字形贴片702、第一金属连接线710a、接地板704和第三金属连接线710c电性连通形成第一环形共振体300，所述十字形贴片702、第二金属连接线710b、接地板704和第四金属连接线710d电性连通形成第二环形共振体400，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉设置。

具体地，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉的角度范围优选为90°±10°，可以满足圆极化的性能要求。所述十字形贴片702为平行设置于接地板704上方的金属片，所述第一金属连接线210a、第二金属连接线210b、第三金属连接线210c和第四金属连接线210d形成在矩形贴片202与接地板204之间。所述十字形贴片702和接地板704之间为空气介质。所述贴片天线700采用同轴馈电线806进行馈电，也可以采用其它常见的的馈电方式，例如耦合馈电等。

作为本发明实施例二的进一步改进，所述第一金属连接线710a和第三金属连接线710c对称连接在十字形贴片702的长度a的两端，所述第二金属连接线710b和第四金属连接线710d对称连接在十字形贴片702的长度b的两端。优选地，所述第一金属连接线710a、第二金属连接线710b、第三金属连接线710c、第四金属连接线710d均与贴片702和接地板704垂直设置。优选地，所述第一金属连接线710a通过第一电容器730a连接至接地板704，第三金属连接线710c通过第三电容器730c连接至接地板704，从而利用接地板上的电感成分，构成第一环形共振体300；第二金属连接线710b通过第二电容器730b连接至接地板704，第四金属连接线710d通过第四电容器730d连接至接地板704，构成第二环形共振体400，使得所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉设置。更优地，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400相互正交，从而可以将传统的贴片天线转换成两个正交的环形共振体，实现天线的小型化、圆极化以及优异的辐射性能。

实施例三

图8是本发明实施例三中的小型化和圆极化的贴片天线的立体示意图。

请结合图8，并一并参考图2，图8展示了一种小型化和圆极化的贴片天线800，包括接地板804、椭圆形贴片802、第一金属连接线810a、第二金属连接线810b、第三金属连接线810c、第四金属连接线810d。椭圆形贴片802的长轴和短轴的长度分别为a和b，长度a的两端对应椭圆形贴片802的第一侧和第三侧，长度b的两端对应椭圆形贴片802的第二侧和第四侧。所述第一金属连接线810a电性连接在椭圆形贴片802的第一侧，所述第二金属连接线810b电性连接在椭圆形贴片802的第二侧，所述第三金属连接线810c电性连接在椭圆形贴片802的第三侧，所述第四金属连接线810d电性连接在椭圆形贴片802的第四侧，并且所述第一金属连接线810a、第二金属连接线810b、第三金属连接线810c和第四金属连接线810d分别与接地板804电性连接。

所述椭圆形贴片802、第一金属连接线810a、接地板804和第三金属连接线810c电性连通形成第一环形共振体300，所述椭圆形贴片802、第二金属连接线810b、接地板804和第四金属连接线810d电性连通形成第二环形共振体400，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉设置。

具体地，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400交叉的角度范围优选为90°±10°，可以满足圆极化的性能要求。所述椭圆形贴片802为平行设置于接地板804上方的金属片，所述第一金属连接线810a、第二金属连接线810b、第三金属连接线810c和第四金属连接线810d形成在椭圆形贴片802与接地板804之间。所述椭圆形贴片802和接地板804之间为空气介质。所述贴片天线800采用同轴馈电线806进行馈电，也可以采用其它常见的的馈电方式，例如耦合馈电等。

作为本发明实施例三的进一步改进，所述第一金属连接线810a和第三金属连接线810c对称连接在椭圆形贴片802的长度a的两端，所述第二金属连接线810b和第四金属连接线810d对称连接在椭圆形贴片802的长度b的两端。优选地，所述第一金属连接线810a、第二金属连接线810b、第三金属连接线810c、第四金属连接线810d均与贴片802和接地板804垂直设置。第一金属连接线810a通过第一电容器830a连接至接地板804，第三金属连接线810c通过第三电容器830c连接至接地板804，从而利用接地板上的电感成分，构成第一环形共振体300；第二金属连接线810b通过第二电容器830b连接至接地板804，第四金属连接线810d通过第四电容器830d连接至接地板804构成第二环形共振体400。优选地，所述第一环形共振体300和第二环形共振体400相互正交。该连接方式可以将传统的贴片天线转换成两个正交的环形共振体，实现天线的小型化、圆极化以及优异的辐射性能。

如图2至图8所示，本发明的小型化和圆极化的贴片天线中的贴片可以为任意形状,例如矩形、正方形、椭圆形、圆形、十字形、环状型等。优选通过采用四条有电容器负载的金属连接线垂直连接于贴片边缘，来构造两个正交的环形共振体，在实现天线的小型化的同时，得到圆极化特性和优异的辐射性能。本发明无需采用高分子材料的介质基片，甚至无需采用任何介质基片，因而加工工艺简单，重量轻，价格低。此外，通过将贴片和四条金属连接线加工为一体式结构，有利于大规模量产，并且通过与焊接在电路板表面的电容器相连接，可以保证天线可以在较大的频率范围内调谐至任意的工作频段内，而无需改变天线的尺寸和结构，可以大大节约制造成本和研发周期，又可以抵消不同应用场景下的失配干扰，保证天线始终可以获得最佳的辐射性能。

图9是本发明实施例中的小型化和圆极化的贴片天线仿真得到的性能参数。

图9a是本发明实施例中的小型化和圆极化的贴片天线仿真得到的反射系数和轴比示意图。实施例中天线尺寸为20mm×20mm×4mm,接地板的尺寸为50mm×50mm,且天线的尺寸与市场上用于GPS的陶瓷贴片天线的尺寸相似。曲线902和904分别是天线的反射系数和轴比示意图。可以得知，天线的工作频带为1.575GHz附近，且在天线的上方产生了圆极化波，可广泛用于GPS定位系统。

图9b是本发明实施例中的小型化和圆极化的贴片天线仿真得到的辐射方向图示意图。曲线906和908分别为xz平面和yz平面的辐射图。可以得知，本发明实施案例的天线产生了稳定的宽波束，另外，主瓣增益可高达5dB以上，与市场上的陶瓷贴片天线相比有着优异的辐射性能。

综上所述，上述实施例相比现有技术，具有如下特点：

1)本发明实现了简易且高效的天线小型化技术，在实现圆极化的同时，具有体积小，重量轻，制造工艺简单，成本低等特点；

2)与传统贴片天线相比,本发明灵活利用接地板上的电感,将传统贴片转化为环形共振体,并通过镜像理论,增强天线的增益和辐射性能；

3)本发明具有很强的调谐功能，通过将贴片与四条金属连接线一体式，有利于产品量产，通过连接电路板上的电容器，一方面可以在较大的频率范围内调谐至任意的工作频段内，无需要改变天线的尺寸和结构，大大节约制造成本和研发周期，另一方面可以有效地抵消不同应用场景下的失配干扰，确保该天线始终可以获得最优化的辐射性能；

4)本发明可取代现有的陶瓷贴片天线，尤其是用于GPS的陶瓷贴片天线，具有重量轻、成本低、可调谐等优势。

以上所述是本发明的优选实施方式，并非对本发明做出任何形式上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也是为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，包括：

贴片，具有第一侧、第二侧、与第一侧相对立的第三侧以及与第二侧相对立的第四侧；

接地板，形成在贴片的下方；

第一金属连接线，与贴片的第一侧和接地板电性连接；

第二金属连接线，与贴片的第二侧和接地板电性连接；

第三金属连接线，与贴片的第三侧和接地板电性连接；

第四金属连接线，与贴片的第四侧和接地板电性连接；

所述贴片、第一金属连接线、接地板和第三金属连接线电性连通形成第一环形共振体，所述贴片、第二金属连接线、接地板和第四金属连接线电性连通形成第二环形共振体，所述第一环形共振体和第二环形共振体交叉设置；

所述第一环形共振体和第二环形共振体交叉的角度范围为90°±10°。

2.如权利要求1所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，所述第一金属连接线、第二金属连接线、第三金属连接线和第四金属连接线均与矩形贴片和接地板垂直设置。

3.如权利要求2所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，所述第一金属连接线与第三金属连接线对称设置，所述第二金属连接线与第四金属连接线对称设置，且第一环形共振体和第二环形共振体相互正交。

4.如权利要求3所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，所述第一金属连接线连接在贴片第一侧最外边的中间位置，所述第二金属连接线连接在贴片第二侧最外边的中间位置，所述第三金属连接线连接在贴片第三侧最外边的中间位置，所述第四金属连接线连接在贴片第四侧最外边的中间位置。

5.如权利要求1所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，还包括第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器，所述第一电容器连接第一金属连接线至接地板，第二电容器连接第二金属连接线至接地板，第三电容器连接第三金属连接线至接地板，第四电容器连接第四金属连接线至接地板。

6.如权利要求1-5任一项所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，所述贴片为平行设置于接地板上方的金属片。

7.如权利要求1-5任一项所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，所述贴片和接地板之间无高介电常数材料。

8.如权利要求1-5任一项所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，还包括同轴馈电线，所述同轴馈电线用于对贴片天线进行馈电。

9.如权利要求1-5任一项所述的小型化和圆极化的贴片天线，其特征在于，所述贴片为矩形、正方形、椭圆形、圆形、十字形或者环状型。