CN111490357A - 一种圆极化定位天线装置和可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

一种圆极化定位天线装置和可穿戴设备，圆极化定位天线装置包括：功分电路、正交布置的第一天线以及第二天线，功分电路通过对两个天线进行馈电简化了圆极化天线的整体结构，更容易在可穿戴产品上进行实现，从而使得定位天线能够更好地接收导航卫星信号，同时环形辐射体所产生的右旋圆极化辐射也可对经高楼或者地面反射的左旋圆极化导航卫星信号进行过滤，以减少多径干扰，从而有效提高可穿戴设备的定位天线的定位精度。

Description

一种圆极化定位天线装置和可穿戴设备

技术领域

本申请属于天线技术领域，尤其涉及一种圆极化定位天线装置和可穿戴设备。

背景技术

在智能手表或手环领域，定位精度一直是人们所关注的痛点。传统的智能手表或手环定位天线多为线极化天线，但是导航卫星发出的信号通过电离层后是右旋圆极化信号，因此智能手表或手环的定位天线无法全部接收导航卫星的信号，而导航卫星的信号又被地面、高楼、树木等奇数次反射后，会变成左旋圆极化信号，将会产生的多径干扰严重影响整机的定位效果。

发明内容

本申请的目的在于提供一种圆极化定位天线装置和可穿戴设备，旨在解决现有的可穿戴设备的天线定位精度较低的问题。

本申请实施例的第一方面提了一种圆极化定位天线装置，包括：

功分电路，具有第一输出端和第二输出端，所述第一输出端和第二输出端输出第一馈电信号，所述第二输出端输出第二馈电信号，所述第一馈电信号和所述第二馈电信号等幅、相位相差90°；

第一倒F天线，与所述第一输出端连接，接入所述第一馈电信号；

第二倒F天线，与所述第二输出端连接，接入所述第二馈电信号，所述第二倒F天线的首端间隔设置于所述第一倒F天线的尾端的一侧，且所述第一倒F天线与所述第二倒F天线呈一角度，以形成两个正交模式的激励。

上述的圆极化定位天线装置通过设置两个线极化倒F天线的位置关系，形成两个正交模式的激励，两者搭配功分电路实现等幅、相位相差90°馈电，形成圆极化天线，并保证有效带宽内的轴比在3dB以内，圆极化的实现，保证了接收机天线在辐射面上各个方向上的场形圆整，获得性能优良的圆极化半球波束，达到理想搜星效果；如此，通过控制两个天线的摆放位置和供电相位的控制，能够实现天线右旋圆极化的辐射特性，同时右旋圆极化接收天线可以减少左旋圆极化信号的干扰，在工程上可以起到抑制多径反射的效果，从而有效提高定位精度。

其中一个实施例中，所述第一天线为第一倒F天线，所述第一天线具有第一长边、第一端部以及第二端部，所述第一长边与所述第一端部连接的一端作为所述第一倒F天线的首端，所述第一长边的另一端作为所述第一倒F天线的尾端，所述第一端部、所述第二端部其中一个与所述第一输出端连接，另一个用于接地。

其中一个实施例中，所述第二天线为第二倒F天线，所述第二天线具有第二长边、第三端部以及第四端部，所述第二长边与所述第三端部连接的一端作为所述第二倒F天线的首端，所述第二长边的另一端作为所述第二倒F天线的尾端，所述第三端部、所述第四端部其中一个与所述第二输出端连接，另一个用于接地。

其中一个实施例中，所述第一长边、所述第二长边的长度与所述圆极化定位天线装置的工作波长对应。

其中一个实施例中，还包括一介质基板，所述第一天线和所述第二天线立设与所述介质基板的同一表面上。

其中一个实施例中，所述功分电路为威尔金森功分器或T型功分器；或

所述功分电路包括第一输入端、第二输入端、所述第一输出端及所述第二输出端，其中，所述第一输入端和所述第二输入端之间串接有两个第一电容，所述第一输出端和所述第二输出端之间串接有两个二电容，所述第一输入端和所述第一输出端之间串接有第一电感器，所述第二输入端和所述第二输出端之间串接有第二电感器，两个第一电容的共接端和两个第二电容的共接端之间连接有第三电感器。

其中一个实施例中，所述第一天线和所述第二天线分别为相对称的耦合式CHIP天线；或所述第一天线和所述第二天线分别为相对称的线极化PATCH天线

在其中一个实施例中，所述角度的范围为75°～105°。

其中一个实施例中，所述第一倒F天线和/或所述第二倒F天线上加载有电感器件。

本申请实施例的第二方面提了一种可穿戴设备，包括电路板和如上所述的圆极化定位天线装置，所述功分电路的输入端连接于所述电路板的射频端口，所述功分电路的根据所述射频端口提供的馈电信号分成所述第一馈电信号和所述第二馈电信号。

上述可穿戴设备采用了上述圆极化定位天线装置的所有实施例，因而至少具有上述实施例的所有有益效果，在此不再一一赘述。

附图说明

图1为本发明实施例提供的圆极化定位天线装置的俯视图；

图2为本发明实施例提供的圆极化定位天线装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的功分电路的电路图；

图4为本发明实施例提供的圆极化定位天线装置的S参数示意图；

图5为本发明实施例提供的圆极化定位天线装置的三维方向图；

图6为本发明实施例提供的圆极化定位天线装置的phi＝0°、90°切面的二维四轴比仿真图；

图7为本发明实施例提供的圆极化定位天线装置的phi＝0°、90°切面的右旋圆极化增益二维方向图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本申请实施例提供的可用于可穿戴设备的圆极化定位天线装置包括功分电路10、第一天线11和第二天线12。

功分电路10具有第一输出端3和第二输出端4，第一输出端3输出第一馈电信号，第二输出端4输出第二馈电信号，第一馈电信号和第二馈电信号等幅、相位相差90°；第一天线11与功分电路10的第一输出端3连接，接入第一馈电信号；第二天线12与功分电路10的第二输出端4连接，接入第二馈电信号，第二天线12的首端121A间隔设置于第一天线的尾端111B的一侧，且第一天线11与第二天线12呈一角度α，形成两个正交模式的激励，可以使得分布电流在需要的工作频点上实现幅度相等，相位相差90°，具体可以使得分布电流相位在介质基板100的正面按逆时针相位依次滞后90°，使得定位天线的极化方式为右旋圆极化，并保证有效带宽内的轴比在3dB以内，圆极化的实现，保证了接收机天线在辐射面上各个方向上的场形圆整，获得性能优良的圆极化半球波束，达到理想搜星效果。

在一个实施例中，第一天线11与第二天线12在介质基板100的正面上的夹角α的范围为70°～110°之间，实验证明其依旧能辐射良好的圆极化波，夹角α优选可以为75°～105°之间。

在一个实施例中，第一天线11沿第一方向x布置，第二天线12沿与第一方向x垂直的第二方向y布置，即第一倒F天线11与第二倒F天线12的夹角α为90°。在如图1所示，在俯视介质基板100正面角度看，第二天线12需位于第一天线11的顺时针方向(即右侧)，以保证当第一天线11和第二天线12谐振在工作频点附近时，比如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)L1频段1.575GHz或L5频段1.176GHz处，第一天线11和第二天线12的电流幅度相等，第一天线11的电流相位早于第二天线12上的电流相位90°，从而可以实现右旋圆极化辐射。在其他实施例种，夹角α可以在75°～105°。

请参阅图2，在一些实施例中，第一天线11和第二天线12立设在介质基板100同一表面(正面)上，比如该第一天线11和第二天线12是垂直于介质基板100的，且介质基板100为接地板用于让圆极化定位天线装置接地。

在一个实施例中，第一天线11为(第一)倒F天线，第一天线11具有第一长边111、第一端部112以及第二端部113，第一长边111与第一端部112连接的一端作为第一天线11的首端111A，第一长边111的另一端作为第一天线11的尾端111B，第一端部112、第二端部113其中一个与功分电路10的第一输出端3连接，用于接入第一馈电信号，另一个用于接地。即本实施例中第一天线11中与第一长边111侧边相连的两个端部112、113，可以电流分布、尺寸大小或性能优异可以将其中一个作为接地端用于接地，另一个作为馈电端用于馈电，两种实施方式性能相近，应用时可以根据需要选择，在此不作限定。

同样地，第二天线12为(第二)倒F天线，第二天线12具有第二长边121、第三端部122以及第四端部123，第二长边121与第三端部122连接的一端作为第二天线12的首端121A，第二长边121的另一端作为第二天线12的尾端121B，第三端部122、第四端部123其中一个与功分电路10的第二输出端4连接，用于接入第二馈电信号，另一个用于接地。即本实施例中第二倒F天线12中与第二长边121侧边相连的两个端部122、123，可以电流分布、尺寸大小或性能优异可以将其中一个作为接地端用于接地，另一个作为馈电端用于馈电，两种实施方式性能相近，应用时可以根据需要选择，在此不作限定。

在图1示例中，第一端部112连接于第一天线11的首端111A，第二端部113距离第一天线11的首端111A近于其尾端111B，第三端部122连接于第二天线12的首端121A，第四端部123距离第二天线12的首端121A近于其尾端121B，可以理解的是，该方案仅为其中一种实施方案的示例，在其他实施方案中，第一端部112、第二端部113连接第一长边111的位置，第三端部122、第四端部123连接第二长边121的位置可以根据其辐射性能和设备空间的需求而调整，图1示例并不能作为本申请技术方案的限定。

本申请中，第一倒F天线11的末端111B与第二天线12的首端121A之间形成耦合缝隙，调整耦合缝隙以调节第一天线11和第二倒F天线12的耦合度。并且利用缝隙耦合馈电更容易匹配调谐，而通过调节耦合缝隙的间距，可以调整耦合度，实现天线的匹配调谐。

第一长边111、第二长边121的长度与圆极化定位天线装置的工作波长对应。比如第一长边111、第二长边121的等效长度与圆极化定位天线装置的工作波长基本相等，或第一长边111、第二长边121的等效长度与圆极化定位天线装置的工作波长的1/4波长基本相等，保证天线谐振在所需要的频点。需要注意的是，第一长边111、第二长边121的等效长度虽然都1或1/4个工作波长基本相等，但是为了保证实现简并模分离第一长边111、第二长边121是不等长的。

在其中一个实施例中，第一长边111、第二长边121为直条型。在其他实施例中，受到设备空间的限制，第一长边111和/或第二长边121在实际布置中可能会呈一定的弧度的弯曲，但并不影响其是沿着一个方向布置的。并且，第第一长边111和/或第二长边121还可以在其主体之外延伸设置其他枝节以有助于增加天线的增益、轴比等性能，例如，设置向垂直于介质基板100方向的枝节，设置平行于介质基板100的枝节。

在其中一个实施例中，第一天线11和/或第二天线12上加载有电感器件(未图示)，电感器件为集中电感或分布电感。本实施例设置该电感器件主要用于延伸第一天线的等效长度，以缩小定位天线尺寸，使天线有效实现小型化。可选地，电感器件通常可以是集中电感，即电感器，还可以是蛇形弯曲走线。第一天线11和第二天线12为立体天线、贴片陶瓷天线或微带天线。可以理解的是，本申请的圆极化定位天线装置除却采用已经呈现的倒F天线的分支天线形式之外，已经试验成功的分支天线形式可以有：相对称的耦合式的片式(CHIP)天线，或相对称的线极化的贴片(PATCH)天线，可根据可放置的空间、可实现的环境进行自由的选择适配，较于传统圆极化天线的固定形式，CHIP天线一般是用陶瓷做基材，天线的辐射结构也会比较多样化，比如一根线(金属条)或者一个面(金属平面)；而圆形或者方形PATCH天线，具有新型的结构和多样的形式构成。

请参阅图1和图3，在其中一个实施例中，功分电路10为威尔金森功分器或T型功分器；或用价格更为优廉的分立电路构成，分立电路的功分电路包括第一输入端1、第二输入端2、第一输出端3及第二输出端4，其中，第一输入端1和第二输入端2之间串接有两个第一电容C1、C2，第一输出端1和第二输出端2之间串接有两个二电容C3、C4，第一输入端1和第一输出端3之间串接有第一电感器L1，第二输入端2和第二输出端4之间串接有第二电感器L2，两个第一电容C1、C2的共接端和两个第二电容C3、C4的共接端之间连接有第三电感器L3。功分电路10的第一输入端1连接于电路板的GPS模块的射频端口，功分电路10根据GPS模块的射频端口提供的馈电信号进行功率分配，在第一输出端3输出第一馈电信号，在第二输出端4输出所述第二馈电信号。

如上的圆极化定位天线装置采用结构形式相同的天线作为分支，便于调试和实际应用，可根据可穿戴设备的内部环境灵活选择分支天线形式，但是两个分支天线的形式必须相同；可通过功分网络较好的保证两个天线的90°相位差供电。

从图4可见，上述圆极化定位天线装置在GPS L1频段1.575GHz处产生谐振，并且阻抗带宽(S11＜-6dB)能够完全覆盖整个GPS-L1频段(1575±2MHz)说明上述定位天线有效实现了右旋圆极化辐射，对导航卫星信号接收良好。

从图5可见，上述定位天线工作在GPS的L1频段1.575GHz时，定位天线上述定位天线在空间特定角度(phi＝0°，theta＝0°)能够实现最好的圆极化性能(即轴比最小)，在GPSL1频段内，轴比＜5dB，说明上述定位天线的轴比特性很好，达到定位天线的性能要求。

从图6和图7可见，上述定位天线工作在GPS-L1频段1.575GHz时，定位天线的顶部(phi＝0°，theta＝0°)实现最大的右旋圆极化方向性系数是2.71dB，在方向性系数相同的情况下，该圆极化天线接收到的卫星信号要比线极化天线接收到的高出3dB，同时对干扰信号具有抑制功能，所以上述定位天线的定位效果优于传统线极化天线。

本申请实施例的第二方面提了一种可穿戴设备，包括电路板和如上的圆极化定位天线装置，功分电路10的输入端连接于电路板的射频端口，功分电路的根据射频端口提供的馈电信号分成第一馈电信号和第二馈电信号

上述可穿戴设备采用了上述圆极化定位天线装置的所有实施例，因而至少具有上述实施例的所有有益效果，在此不再一一赘述。上述可穿戴设备定位天线能够更好地接收导航卫星信号，并且所产生的右旋圆极化辐射也可对经高楼或者地面反射的左旋圆极化导航卫星信号进行过滤，以减少多径干扰，从而有效提高可穿戴设备的定位天线的定位精度。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆极化定位天线装置，其特征在于，包括：

功分电路，具有第一输出端和第二输出端，所述第一输出端和第二输出端输出第一馈电信号，所述第二输出端输出第二馈电信号，所述第一馈电信号和所述第二馈电信号等幅、相位相差90°；

第一天线，与所述第一输出端耦合，接入所述第一馈电信号；

第二天线，与所述第二输出端耦合，接入所述第二馈电信号，所述第二天线的首端间隔设置于所述第一天线的尾端的一侧，且所述第一天线与所述第二天线呈一角度，以形成两个正交模式的激励。

2.如权利要求1所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述第一天线为第一倒F天线，所述第一天线具有第一长边、第一端部以及第二端部，所述第一长边与所述第一端部连接的一端作为所述第一倒F天线的首端，所述第一长边的另一端作为所述第一倒F天线的尾端，所述第一端部、所述第二端部其中一个与所述第一输出端连接，另一个用于接地。

3.如权利要求2所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述第二天线为第二倒F天线，所述第二天线具有第二长边、第三端部以及第四端部，所述第二长边与所述第三端部连接的一端作为所述第二倒F天线的首端，所述第二长边的另一端作为所述第二倒F天线的尾端，所述第三端部、所述第四端部其中一个与所述第二输出端连接，另一个用于接地。

4.如权利要求3所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述第一长边、所述第二长边的长度与所述圆极化定位天线装置的工作波长对应。

5.如权利要求1至4任一项所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，还包括一介质基板，所述第一天线和所述第二天线立设与所述介质基板的同一表面上。

6.如权利要求1至4任一项所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述功分电路为威尔金森功分器或T型功分器；或

所述功分电路包括第一输入端、第二输入端、所述第一输出端及所述第二输出端，其中，所述第一输入端和所述第二输入端之间串接有两个第一电容，所述第一输出端和所述第二输出端之间串接有两个二电容，所述第一输入端和所述第一输出端之间串接有第一电感器，所述第二输入端和所述第二输出端之间串接有第二电感器，所述两个第一电容的共接端和所述两个第二电容的共接端之间连接有第三电感器。

7.如权利要求1所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述第一天线和所述第二天线分别为相对称的耦合式CHIP天线；或所述第一天线和所述第二天线分别为相对称的线极化PATCH天线。

8.如权利要求1所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述角度的范围为75°～105°。

9.如权利要求1至4任一项所述的圆极化定位天线装置，其特征在于，所述第一天线和/或所述第二天线上加载有电感器件。

10.一种可穿戴设备，其特征在于：包括电路板和如权利要求1至9任一项所述的圆极化定位天线装置，所述功分电路的输入端连接于所述电路板的射频端口，所述功分电路的根据所述射频端口提供的馈电信号在所述第一输出端输出所述第一馈电信号，在所述第二输出端输出所述第二馈电信号。

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