CN113193350A - 一种用于定位的无银浆微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于定位的无银浆微带天线，该微带天线包括：微带天线元件，包括介质基板以及设置于所述介质基板第一端面的金属贴片和设置于所述介质基板第二端面上的馈电结构；加载元件，设置在所述金属贴片上；所述加载元件的介电常数在8‑60之间。如此设置，通过将加载元件的介电常数控制在8‑60之间，改变微带天线的等效介电常数，可以降低天线的Q值，从而可以获得较宽的阻抗带宽，无需人工进行调试。并且，由于高介电常数的加载元件只是作为加载结构，而不作为辐射结构，辐射结构是介质基板上的金属贴片，从而无需印刷银层，降低天线价格。

Description

一种用于定位的无银浆微带天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于定位的无银浆微带天线。

背景技术

随着北斗卫星导航系统的商用，北斗卫星通信和导航服务不断与各行各业进行产业融合，用于北斗通信和导航服务的天线拥有广阔市场前景。定位作为卫星导航服务的一种重要业务，在私人位置服务、气象应用、道路交通、应急救援、航空、水运海运等领域有重要的用途。北斗导航定位天线拥有大量的市场需求，但北斗服务是新型服务，现有的部分通信系统仍只支持GPS定位。仅有北斗/GPS定位天线能够同时兼容北斗定位或GPS定位功能，适用于多种卫星导航系统。

但是，作为卫星定位的传统天线类型，普通的陶瓷片微带天线因其阻抗带宽和轴比带宽太窄，仅能工作在北斗定位或GPS定位的单一频带。不过，市面上部分北斗/GPS双模定位天线能够同时工作于北斗1代定位和GPS定位的频带内。

但是该种定位天线由陶瓷片和射频连接板组成，陶瓷片为辐射结构，射频连接板增加天线的增益，使得天线正常工作于BD3代定位和GPS定位频段。由于其阻抗带宽窄，需要人工调试消除产品加工误差产生的性能偏差，需要人工调试把频段矫正，并且人工调试的难度较大，还需要印刷银层进行辐射，导致此天线价格昂贵。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中定位天线的阻抗带宽窄，并且需要印刷银层进行辐射的问题，从而提供一种用于定位的无银浆微带天线。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种用于定位的无银浆微带天线，该无银浆微带天线包括：微带天线元件，包括介质基板以及设置于所述介质基板第一端面的金属贴片和设置于所述介质基板第二端面上的馈电结构；加载元件，设置在所述金属贴片上；所述加载元件的介电常数在8-60之间。

可选地，所述金属贴片上蚀刻有圆孔缝隙。

可选地，所述金属贴片在所述圆孔缝隙的周向边缘蚀刻有边缘缝隙。

可选地，所述边缘缝隙呈L型，包括相互连通的短部缝隙和长部缝隙；所述短部缝隙与所述圆孔缝隙连通。

可选地，所述馈电结构为金属导带；所述短部缝隙的中心线与所述金属导带的中心线之间设置有夹角；沿所述短部缝隙的延长方向上，位于所述短部缝隙中心的延长线为所述短部缝隙的中心线；沿所述金属导带的延长方向上，位于所述金属导带中心的延长线为所述金属导带的中心线。

可选地，所述夹角在20°至45°之间。

可选地，所述金属贴片在所述圆孔缝隙的周向边缘蚀刻有两个所述边缘缝隙，两个所述边缘缝隙关于所述圆孔缝隙的圆心中心对称。

可选地，所述加载元件同时覆盖在所述圆孔缝隙和所述边缘缝隙之上。

可选地，所述加载元件呈圆柱状，所述加载元件的圆形端面与所述金属贴片相贴合。

可选地，所述加载元件为陶瓷材质，所述介质基板为FR4材质。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明实施例提供了一种用于定位的无银浆微带天线，该微带天线包括：微带天线元件，包括介质基板以及设置于所述介质基板第一端面的金属贴片和设置于所述介质基板第二端面上的馈电结构；加载元件，设置在所述金属贴片上；所述加载元件的介电常数在8-60之间。

如此设置，通过将加载元件的介电常数控制在8-60之间，改变微带天线的等效介电常数，可以降低天线的Q值，从而可以获得较宽的阻抗带宽，无需人工进行调试，使微带天线能够正常工作于北斗/GPS定位的频段范围，并且满足北斗/GPS定位的辐射指标要求，使得天线实现北斗/GPS导航系统的定位功能。并且，由于高介电常数的加载元件只是作为加载结构，而不作为辐射结构，辐射结构是介质基板上的金属贴片，从而无需印刷银层，降低天线价格。

2.本发明实施例通过蚀刻圆孔缝隙，使得微带天线采用耦合馈电的馈电方式，从而会多产生一个传输极点用于辐射，拓宽阻抗带宽。

3.由于天线Q值低而轴比带宽更宽，本发明实施例通过蚀刻边缘缝隙，可以产生圆极化辐射特性，还能引入微扰，实现较宽的圆极化带宽。

4.本发明实施例通过在所述短部缝隙的中心线与所述金属导带的中心线之间设置夹角，并且可以对夹角进行调节，从而引入微扰，使微带天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90°，使天线具有圆极化特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通工人来讲，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为本发明实施例无银浆微带天线的侧视图；

图2为本发明实施例无银浆微带天线的整体结构图；

图3为本发明实施例无银浆微带天线的俯视图；

图4为本发明实施例A部分的放大图；

图5为本发明实施例反射系数S11的仿真结果图；

图6为本发明实施例轴比带宽的仿真结果图；

图7为本发明实施例在1561MHz频点处E面和H面的极化增益辐射方向图。

图8为本发明实施例在1575MHz频点处E面和H面的极化增益辐射方向图。

附图标记：

1、微带天线元件；11、介质基板；12、金属贴片；13、馈电结构；14、圆孔缝隙；15、边缘缝隙；151、短部缝隙；152、长部缝隙；

2、加载元件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通工人在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通工人而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

随着北斗卫星导航系统的商用，北斗卫星通信和导航服务不断与各行各业进行产业融合，用于北斗通信和导航服务的天线拥有广阔市场前景。定位作为卫星导航服务的一种重要业务，在私人位置服务、气象应用、道路交通、应急救援、航空、水运海运等领域有重要的用途。北斗导航定位天线拥有大量的市场需求，但北斗服务是新型服务，现有的部分通信系统仍只支持GPS定位。我国正处于卫星导航服务转型的阶段，研发的北斗/GPS定位天线同时工作于北斗定位或GPS定位的频段，该种天线兼容北斗定位或GPS定位功能，适用于多种卫星导航系统，这对加速现阶段导航服务转型具有重大意义。

作为卫星定位的传统天线类型，陶瓷片微带天线以其尺寸小、容易批量生产等优势，常用于设计各种规格的卫星定位天线。但普通的陶瓷片微带天线因其阻抗带宽和轴比带宽太窄，仅能工作在北斗定位或GPS定位的单一频带。市面上的北斗/GPS双模定位天线为保证天线的小型化，以牺牲带内轴比为代价，拓宽其阻抗带宽使天线同时工作于北斗1代定位和GPS定位的频带内。陶瓷片天线一般的工作带宽较窄，S11带宽仅有不到20MHz，轴比带宽只有3-5MHz。而现服役北斗定位频段为1561.02MHz±2.046MHz，GPS定位为1575.42MHz±1.023MHz，即使天线实现两频段的正常工作，因为其轴比带宽太窄而导致圆极化特性较差，实际上其在两个频段不能同时按照业内标准要求的圆极化指标。

该种由于其阻抗带宽窄，使人工调试的难度增大，并且需要印刷银层，导致此天线价格昂贵。例如，现有技术中一种天线由陶瓷片和射频连接板组成，陶瓷片为辐射结构，射频连接板增加天线的增益，使得天线正常工作于BD3代定位和GPS定位频段。此天线轻盈小巧，横向尺寸仅为25mm*25mm，但结构复杂且需要印刷银层，材料成本较高，由于其阻抗带宽和轴比带宽较窄，因此需要人工调试消除产品加工误差产生的性能偏差。陶瓷片天线因为其带宽窄，加工出来因为加工误差，需要人工调试把频段矫正，且人工调试难度大。陶瓷片在加工完成后需要印刷银层，一般有两种方式，人工印刷和机器覆银，人工印刷为丝网印刷，成本较低，此道工序的费用涉及人力成本和材料成本。

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中定位天线的阻抗带宽窄，并且需要印刷银层进行辐射的问题，从而提供一种用于定位的无银浆微带天线。

实施例1

如图1至图8所示，本发明实施例提供了一种用于定位的无银浆微带天线，该无银浆微带天线包括微带天线元件1和加载元件2。

具体地，微带天线元件1包括介质基板11以及设置于所述介质基板11第一端面的金属贴片12和设置于所述介质基板11第二端面上的馈电结构13，加载元件2设置在所述金属贴片12上，所述加载元件2的介电常数在8-60之间。

如此设置，通过将加载元件2的介电常数控制在8-60之间，改变微带天线的等效介电常数，可以降低天线的Q值，从而可以获得较宽的阻抗带宽，无需人工进行调试，使微带天线能够正常工作于北斗/GPS定位的频段范围，并且满足北斗/GPS定位的辐射指标要求，使得天线实现北斗/GPS导航系统的定位功能。并且，由于高介电常数的加载元件2只是作为加载结构，而不作为辐射结构，辐射结构是介质基板11上的金属贴片12，从而无需印刷银层，降低天线价格。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述加载元件2呈圆柱状，所述加载元件2的圆形端面与所述金属贴片12相贴合。所述加载元件2可以为具有高介电常数的陶瓷材质，所述介质基板11可以为FR4材质。使用FR4是因为1.5GHz所在的频段相对较低，且FR4板材便宜，可以节省成本。

在本发明实施例中，具体地，微带缝隙天线1的高度可以为H1＝1.6mm，加载元件2的高度为H2＝5mm。如图2所示，微带天线元件1的形状为正方形。加载元件2采用介电常数为20、损耗角正切为0.00005的陶瓷材质，其底面半径R2＝20mm，高度H2＝5mm。介质基板11的介电常数为4.4、损耗角正切为0.02，其边长W1＝50mm。

通过改变加载元件2的介电常数、形状和尺寸，可以权衡带宽和天线横向尺寸，带宽越小，天线的横向尺寸越小。Q值受到介质基板11和加载陶瓷的影响，只要改变加载元件2的介电常数、形状和尺寸，都可以改变天线实际的Q值，但Q值改变等效介电常数的变化，带来带宽的变化。因此，Q值越大，天线的等效介电常数的减小和带宽越小，天线的横向尺寸也随天线的等效介电常数的减小而减小。

当然，本领域技术人员可以根据实际情况对加载元件2和介质基板11的材质、具体参数进行改变，本实施例仅仅是举例说明，并不加以限制，能够起到相同的技术效果即可。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述金属贴片12上蚀刻有圆孔缝隙14。发明实施例通过蚀刻圆孔缝隙14，使得微带天线采用耦合馈电的馈电方式，从而会多产生一个传输极点用于辐射，拓宽阻抗带宽。

并且，所述金属贴片12还在在所述圆孔缝隙14的周向边缘蚀刻有边缘缝隙15。所述加载元件2同时覆盖在所述圆孔缝隙14和所述边缘缝隙15之上。具体地，所述金属贴片12在所述圆孔缝隙14的周向边缘蚀刻有两个所述边缘缝隙15，两个所述边缘缝隙15关于所述圆孔缝隙14的圆心中心对称。所述边缘缝隙15呈L型，包括相互连通的短部缝隙151和长部缝隙152，所述短部缝隙151与所述圆孔缝隙14连通。由于天线Q值低而轴比带宽更宽，本发明实施例通过蚀刻边缘缝隙15，可以产生圆极化辐射特性，还能引入微扰，实现较宽的圆极化带宽。并且，相对于现有技术中的双端口馈电实现轴比带宽较宽的圆极化，在本发明实施例中，由于微带天线具有产生圆极化的L型边缘缝隙15，所以可以使用单端口进行馈电。

在本发明实施例中，金属贴片12的边长与介质基板11的边长相同，为W1＝50mm，圆孔缝隙14蚀刻在金属贴片12中心，圆孔缝隙14的半径R1＝15.7mm。边缘缝隙15的宽度W2＝0.5mm，短部缝隙151为长度L1＝2.3mm，长部缝隙152呈弧状，并与圆孔缝隙14同圆心设置，长部缝隙152为半径R1+L1＝18mm的圆上的一段弧，长部缝隙152的弧角度θ1可以为20°。

当然，本领域技术人员可以根据实际情况对圆孔缝隙14和边缘缝隙15的形状和具体参数进行改变，本实施例仅仅是举例说明，并不加以限制，能够起到相同的技术效果即可。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述馈电结构13为金属导带，所述短部缝隙151的中心线与所述金属导带的中心线之间设置有夹角。沿所述短部缝隙151的延长方向上，位于所述短部缝隙151中心的延长线为所述短部缝隙151的中心线。沿所述金属导带的延长方向上，位于所述金属导带中心的延长线为所述金属导带的中心线。具体地，金属导带的一端位于介质基板11下方的边缘，其长度L0＝24mm，宽度W0＝2.4mm。在本发明实施例中，所述短部缝隙151的中心线与所述金属导带的中心线之间的夹角在20°至45°之间，例如，夹角可以为27°。

本发明实施例通过在所述短部缝隙151的中心线与所述金属导带的中心线之间设置夹角，并且可以对夹角进行调节，从而引入微扰，使微带天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90°，使天线具有圆极化特性。

本发明的工作原理如下：

本发明实施例提供的一种用于定位的无银浆微带天线，以金属导带作为馈电结构13，以圆孔缝隙14作为辐射结构，金属导带将馈入天线的能量传输到圆孔缝隙14上，且通过改变金属导带长度使得金属导带与圆孔缝隙14相匹配。通过调节圆孔缝隙14的大小控制天线的工作频率，通过调节L形缝隙的尺寸和与金属导带的夹角，可以引入微扰，使天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90°，使天线具有圆极化特性。在本发明实施例中，加载元件2是Q值的射频材料，用于天线的小型化，通过改变加载元件2的形状、尺寸和介电常数，可以改变天线的Q值，从而权衡天线的小型化程度和带宽，同时能够使天线正常工作于北斗/GPS定位的频段范围，并且满足北斗/GPS定位的辐射指标要求，使得天线实现北斗/GPS导航系统的定位功能。

本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：

1.1、对本发明实施例在同轴馈电情况下，对天线的反射系数S11曲线进行仿真计算，结果如图5所示。图5中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从1.40GHz到1.70GHz，纵坐标为S11参数幅度的分贝值，单位为dB，范围为-25dB—0dB。S11在1.48GHz-1.60GHz频段范围内均小于-10dB，绝对带宽为100MHz；S11在1561MHz频点处为-15.6dB、在1575MHz频点处为-15.2dB，因此天线在此频带内能够正常工作。

1.2、对本发明实施例在同轴馈电情况下，对天线的轴比随频率变化曲线进行仿真计算，结果图6所示。图6中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从1.40GHz到1.70GHz，纵坐标为轴比AR参数幅度的分贝值，单位为dB，范围为0dB—18dB。AR在1.542GHz-1.575GHz频段范围内均小于3dB，轴比带宽为37MHz，天线在此频带内拥有良好的右旋圆极化特性。

1.3、对本发明实施例在同轴馈电情况下，对在1561MHZ频率处天线的E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)的极化增益方向图进行仿真计算，结果图7所示。图7为天线在频率为1561MHz的方向图。天线在E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)的右旋圆极化增益曲线几乎重合，右旋圆极化增益为3.4dBic，且增益最大方向为0°，轴比为0.6dB，波束宽度从-51°到50°，实现了101°的3dB波束宽度，表明天线在满足北斗1代定位的性能指标。

1.4、对本发明实施例在同轴馈电情况下，对在1575MHZ频率处天线的E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)的极化增益方向图进行仿真计算，结果图8所示。图8为天线在频率为1575MHz的方向图。天线在E面(Phi＝0°)和H面(Phi＝90°)的右旋圆极化增益曲线几乎重合，右旋圆极化增益为3.3dBic，且增益最大方向为0°，轴比为2.9dB，波束宽度从-57°到51°，实现了108°的3dB波束宽度，表明天线在满足北斗3代定位和GPS定位的性能指标。

通过以上仿真结果得出，天线可正常工作于1561MHz±2.046MHz和1575MHz±1.023MHz两个频段范围内，天线性能满足北斗定位、GPS定位的频率范围、驻波、极化、增益的指标要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通工人来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于定位的无银浆微带天线，其特征在于，包括：

微带天线元件(1)，包括介质基板(11)以及设置于所述介质基板(11)第一端面的金属贴片(12)和设置于所述介质基板(11)第二端面上的馈电结构(13)；

加载元件(2)，设置在所述金属贴片(12)上；所述加载元件(2)的介电常数在8-60之间。

2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述金属贴片(12)上蚀刻有圆孔缝隙(14)。

3.根据权利要求2所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述金属贴片(12)在所述圆孔缝隙(14)的周向边缘蚀刻有边缘缝隙(15)。

4.根据权利要求3所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述边缘缝隙(15)呈L型，包括相互连通的短部缝隙(151)和长部缝隙(152)；所述短部缝隙(151)与所述圆孔缝隙(14)连通。

5.根据权利要求4所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述馈电结构(13)为金属导带；所述短部缝隙(151)的中心线与所述金属导带的中心线之间设置有夹角；沿所述短部缝隙(151)的延长方向上，位于所述短部缝隙(151)中心的延长线为所述短部缝隙(151)的中心线；沿所述金属导带的延长方向上，位于所述金属导带中心的延长线为所述金属导带的中心线。

6.根据权利要求5所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述夹角在20°至45°之间。

7.根据权利要求3或4所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述金属贴片(12)在所述圆孔缝隙(14)的周向边缘蚀刻有两个所述边缘缝隙(15)，两个所述边缘缝隙(15)关于所述圆孔缝隙(14)的圆心中心对称。

8.根据权利要求3或4所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述加载元件(2)同时覆盖在所述圆孔缝隙(14)和所述边缘缝隙(15)之上。

9.根据权利要求1至4任一项所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述加载元件(2)呈圆柱状，所述加载元件(2)的圆形端面与所述金属贴片(12)相贴合。

10.根据权利要求1至4任一项所述的无银浆微带天线，其特征在于，所述加载元件(2)为陶瓷材质，所述介质基板(11)为FR4材质。

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