CN117117494B - 天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线装置，包括介质板和频段控制单元，频段控制单元包括：辐射环路，其在介质板上方与介质板基本平行设置；及在第一和第二馈入点与所述辐射环路联接的第一和第二馈电结构，第一和第二馈电结构与第一和第二馈电线电连接，第一馈入点和辐射环路中心的连线与第二馈入点和辐射环路中心的连线垂直，沿辐射环路周向在预定位置处形成有自辐射环路本体朝向介质板拱起的多个弯折部，辐射环路本体沿一假想平面基环延伸，弯折部形成环路部分走线，弯折部底部在距离介质板一预定距离处且基本平行于介质板的一平面上延伸，弯折部的尺寸和位置设计成使得在弯折部底部与介质板之间引入的并联电容加载能够使辐射环路的主模在设计频段内实现谐振。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及卫星通信设备领域，特别地涉及用于卫星定位的天线装置。

背景技术

目前涵盖高精度GNSS（Global Navigation Satellite System）卫星定位的车载圆极化天线大多为陶瓷基材的贴片天线，该类陶瓷天线虽然尺寸较小，但基材制作成本较高，单频带扩展至双频带的设计开销更大。其他天线形式如偶极子、单极子、环天线等虽可以实现GNSS设计，但必须满足半波长的谐振长度要求，物理尺寸太大，不易于车载集成设计。

在卫星定位天线系统和其他高精度定位应用中，双频段天线通常用于接收和处理不同频率的信号，以实现更高的定位精度。由于不同频段的信号在传播过程中会出现不同的相位延迟，因此需要保证天线在两个频段上的相位中心位置相同，才能使得两个频段的信号能够正确地组合和处理，从而提高定位精度。而针对由两块较厚的陶瓷块上下堆叠组合而成的高精度双频陶瓷贴片天线，两个频点的等效相位中心在垂直方向上存在高度差，不利于高精度定位双频相位中心一致的需求。

因此，现有的车载天线（例如双频双馈圆极化卫星天线）的设计过程中存在以下这些棘手的设计难题：天线尺寸太大、多天线集成度不够、天线剖面较高不利于装配、高精度卫星定位系统双频相位中心高度方向不一致、天线研发制造成本高等等。

发明内容

本发明旨在克服现有天线中的一个或多个问题，提供了一种高精度GNSS卫星定位、车载圆极化天线，该天线在性能以及结构方面都得到了优化，具有低剖面性、高紧凑性、尺寸小、制造成本低等优点。该天线既可用于实施单频段的GNSS车载卫星定位，也可一体集成用于实施双频段（例如GNSS L1（1.559–1.606 GHz）、GNSS L5（1.166–1.186 GHz）双频段）或更多频段的GNSS车载卫星定位，应用场景较为广泛。

鉴于此，根据本发明的一方面，提出了一种天线装置，其特征在于，包括介质板和频段控制单元，所述频段控制单元包括：辐射环路，其在所述介质板上方与所述介质板基本平行设置，且具有旋转对称几何形状；以及第一馈电结构和第二馈电结构，第一馈电结构和第二馈电结构分别在所述辐射环路的第一馈入点和第二馈入点与所述辐射环路联接以实现对所述辐射环路的馈电，第一馈电结构和第二馈电结构分别与设置在所述介质板上的第一馈电线和第二馈电线电连接，所述第一馈入点和所述辐射环路的旋转对称中心的连线与所述第二馈入点和所述辐射环路的旋转对称中心的连线相互垂直，沿所述辐射环路周向在预定位置处形成有自辐射环路的本体朝向所述介质板拱起的多个弯折部，所述辐射环路的本体沿一假想平面基环延伸，该多个弯折部形成辐射环路的部分走线，该多个弯折部的底部在距离所述介质板一预定距离处且基本平行于所述介质板的一平面上延伸，所述多个弯折部的尺寸和位置设计成使得在弯折部的底部与介质板之间引入并联电容加载并且所引入的并联电容加载能够使辐射环路的主模在所述频段控制单元的设计频段内实现谐振。

根据本发明的天线装置具有平面环天线结构，采用GNSS 单频双馈圆极化天线架构。其中，辐射环路采用垂直凹槽曲折走线设计（下面简称为“带凹槽辐射环路”），有效地引入接地并联电容效应，显著地缩小天线尺寸，占用较小的车载空间。此外，根据本发明的天线装置可构造成为具有小（例如0.05）的侧面高度，可以灵活地融入车身平面设计，构成车载隐藏式高精度卫星定位天线系统。另外，根据本发明的天线装置可实施为铁件天线的形式，制造成本低，易于加工和实施。

有利地，多个所述弯折部各具有两相对的竖直壁部和水平底部。

有利地，所述辐射环路的本体沿一方形的假想平面基环延伸，并且所述辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别设置在辐射环路的本体上且落在所述基环的两条相邻边的中心点处。

有利地，投影落在第一馈入点或第二馈入点所在基环的边上的弯折部的数量为偶数，并布置成关于穿过相应边的中心点的竖直对称平面对称。

有利地，所述天线装置包括两个适用于不同频段的所述频段控制单元，其中第一频段控制单元的辐射环路与第二频段控制单元的辐射环路同心地设置在所述介质板上方。

有利地，所述第一频段控制单元的辐射环路与所述第二频段控制单元的辐射环路形状相似，且对称面重合，所述第一频段控制单元的辐射环路设置在所述第二频段控制单元的辐射环路的内侧的预定间距处。

有利地，第一频段控制单元的辐射环路的本体所在的平面与第二频段控制单元的辐射环路的本体所在的平面重合，第一频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面与第二频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面重合。

有利地，所述第一频段控制单元的辐射环路的假想平面基环与所述第二频段控制单元的辐射环路的假想平面基环为方形，所述第一频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别设置在所述第一频段控制单元的辐射环路的本体上，所述第二频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别设置在所述第二频段控制单元的辐射环路的本体上，两辐射环路的假想平面基环具有两条公共的对角线，第一频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别关于所述两条公共的对角线中的第一对角线对称地设置在第一频段控制单元的辐射环路的假想平面基环的两条相邻边的中心点处，第二频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别关于第一对角线对称地设置在第二频段控制单元的辐射环路的假想平面基环的两条相邻边的中心点处，第一频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点与第二频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点位于所述两条公共的对角线中的第二对角线的不同侧。

根据本发明的双频天线装置的设计结构，除了有单频天线装置的优点（例如，在缩减尺寸的同时实现主模在期望的频段内产生谐振）外，还能够通过调整嵌套的两个带凹槽辐射环路之间的相对位置使得对应两个不同的GNSS工作频点的两辐射环路中心重合，满足较为理想的双频等效相位中心一致性，提升高精度卫星定位系统性能。此外，根据本发明的双频天线装置与现有的双频天线装置相比，具有低剖面结构特性（例如0.05λ₀的整体侧面高度），可以灵活地融入车身平面设计构成车载隐藏式卫星定位天线系统。

有利地，所述天线装置包括三个或三个以上的所述频段控制单元，各频段控制单元的辐射环路同心地设置在所述介质板上方，相邻两辐射环路相隔预定间距，所有频段控制单元的辐射环路形状相似，且对称面重合，所有频段控制单元的辐射环路的本体所在的平面重合，所有频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面重合。

有利地，所述第一馈电结构和所述第二馈电结构以耦合馈电的方式实现对所述辐射环路的馈电。

有利地，所述第一馈电结构和/或所述第二馈电结构具有竖直柱部分和横向耦合部分，大体形成为T或L形形状。

有利地，所述横向耦合部分具有面向辐射环路的本体的下侧面的耦合馈电面。

有利地，所述辐射环路为一体成型的金属环。因此，根据本发明的天线装置各辐射环路可具体实施为环形铁件，因而还具有制造成本低的优点。

有利地，所述介质板为PCB板/印制电路板。

根据本发明的天线装置针对车载卫星定位天线的小型化设计提供了一种优化方案，使得能够以更小尺寸实现单频/双频高精度卫星定位性能。根据本发明的天线装置有利地可用作高精度GNSS卫星定位的隐藏式车载圆极化天线。该圆极化天线可用于接收和发送各种类型的圆极化信号，如GPS信号、移动通信信号、卫星电视信号、广播电台信号等。这种圆极化信号相比于线性极化信号具有更好的传输性能，并且可以有效地减少信号衰减和多径干扰。此外，根据本发明的圆极化天线装置除了能够实现单频段的信号传输以外，还可一体集成用于GNSS车载卫星定位的双频段或更多工作频段的信号传输，具有显著减小的尺寸以及低剖面结构特性，可以灵活地融入车身平面设计。本发明易于提供具有较为理想的等效相位中心一致性的双频或多频天线装置。而且这些天线装置制造工艺简单，制造成本低，也便于批量生产。

附图说明

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以说明。

图1示出根据本发明的第一实施例的天线装置的立体示意图；

图2示出根据本发明的第一实施例的天线装置的侧视图；

图3示出根据本发明的第一实施例的天线装置在不同弯折部深度的情形下的S参数曲线；

图4示出根据本发明的第一实施例的天线装置中馈电结构的第一示例；

图5示出图4所示的天线装置的S参数曲线；

图6示出根据本发明的第一实施例的天线装置中馈电结构的第二示例；

图7示出图6所示的天线装置的S参数曲线；

图8示出根据本发明的第一实施例的天线装置中馈电结构的第三示例；

图9示出图8所示的天线装置的S参数曲线；

图10示出根据本发明的第二实施例的天线装置的立体示意图；

图11示出图10所示的天线装置的S参数曲线。

具体实施方式

下面将参照附图并通过实施例来描述根据本发明的天线装置。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定。

根据本发明的天线装置的第一实施例

图1-2示出根据本发明的第一实施例的天线装置1’。所示的天线装置1’具有单频环天线结构。天线装置1’包括介质板12和构造用于控制天线装置的特定频段的性能的频段控制单元10’。介质板12可实施为PCB板。参见图1所示，介质板大致水平放置。介质板底面覆有整面的金属层，例如铜层。介质板的上表面刻蚀有第一馈电线101’和第二馈电线102’。

频段控制单元10’包括辐射环路100’以及第一馈电结构1001’和第二馈电结构1002’。辐射环路100’例如构造成一体金属环的形式。辐射环路在介质板12上方与介质板基本平行设置，且具有旋转对称几何形状。辐射环路100’相对于介质板的定位可通过支承结构（未示出）来实现。第一馈电结构1001’和第二馈电结构1002’一方面分别与设置在介质板12上的第一馈电线101’和第二馈电线102’电连接，另一方面分别在辐射环路的第一馈入点F1和第二馈入点F2与辐射环路100’联接，以实现对辐射环路的馈电。

第一馈入点F1和辐射环路100’的旋转对称中心O的连线与第二馈入点F2和辐射环路100’的旋转对称中心O的连线相互垂直，使得其中一个馈入点会在由另一馈入点在辐射环路上激发的电场的零点位置处馈入信号。在图1中所示的实施例中，对辐射环路的馈电方式为耦合馈电。介质板底面上覆设的金属层（例如铜），用作接地层，即用作用于第一馈电线101’和第二馈电线102’以及辐射环路100’的地。虽然图中示出接地层位于介质板的底部，但可以理解，接地层也可设置为介质板的其他层。例如，接地层可以设置于介质板的上层，相应地，第一馈电线101’和第二馈电线102’可以设置于介质板的底层。

根据本发明的天线装置1’中，沿辐射环路100’周向在预定位置处形成有自辐射环路的本体朝向介质板拱起的多个弯折部100w’。该多个弯折部100w’的底部在距离介质板12一预定距离处且基本平行于介质板的一平面P1上延伸。辐射环路100’的本体100b’沿一假想平面基环BC延伸。该假想平面基环为整个辐射环路100’在辐射环路的本体所在的平面P2上的投影而得到的闭合环。辐射环路的该多个弯折部100w’形成辐射环路的部分走线。这部分走线对于假想平面基环的闭合而言必不可少。

也就是说，整个辐射环路可以看成是一个闭合环形走线，该闭合环形走线由辐射环路的本体所对应的本体走线部分以及弯折部所对应的弯折部走线部分相继以首尾相连的方式形成。本体走线部分沿假想平面基环的周向间隔分布。弯折部走线部分位于辐射环路本体所在平面的下方，其在辐射环路本体所在平面上的投影恰好落在本体走线部分之间的空缺，由此形成闭合的假想平面基环。由于弯折部的设置，整个辐射环路所对应的闭合环形走线为立体曲折走线。整个辐射环路可以称作为带凹槽辐射环路。

根据本发明的天线装置1’中，弯折部100w’的尺寸和位置（包括形状、尺寸、构型、分布、定位）设计成使得在弯折部的底部与介质板之间引入并联电容加载并且所引入的并联电容加载能够使辐射环路的主模在频段控制单元10’的设计频段内实现谐振。

在图1所示的具体实施例中，弯折部100w’各设计成基本的凹槽形式，即具有两相对的竖直壁部100w1’和水平底部100w2’。辐射环路本体所对应的假想平面基环示出为方形。辐射环路100’的第一馈入点F1和第二馈入点F2分别设置在辐射环路的本体100b’上且落在方形的假想平面基环BC的两条相邻边的中心点处。

在第一馈电线101’和第一馈电结构1001’共同作用的情况下，辐射环路形成两侧电场最强、中心电场最弱的电场分布模式。并且，在该种电场工作模式下，电场强度最弱处恰好处于第二馈电线102’和第二馈电结构1002’的馈电处，同时第二馈电结构对辐射环路进行耦合馈电，由此，形成双馈电端口的高隔离度。在此双馈结构下，可以在远场空间中激发出两个正交的线极化辐射分量，并进一步地结合馈电移相形成圆极化辐射。虽然图1中示出第一馈入点F1和第二馈入点F2分别处于辐射环路的方形假想平面基环的相邻两边的中心点，可以理解，第一馈入点F1和第二馈入点F2也可处于辐射环路的方形假想平面基环BC的相邻两边的非中心点位置，只要第一馈入点F1和辐射环路100’的旋转对称中心O的连线与第二馈入点F2和辐射环路100’的旋转对称中心O的连线相垂直即可。

在图1示出的实施例中，辐射环路的每条边上都设置有弯折部。辐射环路的每条边上的弯折部100w’的数量为2。位于辐射环路的同一条边上的两个弯折部关于辐射环路的穿过假想平面基环的相应边的中心点的竖直对称平面对称。辐射环路上各边上的弯折部100w’的形状和位置设计成使得整个辐射环路依然具有旋转对称特性，即，整个辐射环路绕穿过其旋转对称中心的竖直轴水平旋转特定的角度后与原辐射环路重合。该旋转对称特性确保了第一馈入点F1与其正交90°方向上的第二馈入点F2产生等幅正交的线极化分量，便于在空间中形成圆极化的辐射波束。

在图1所示的根据本发明的天线装置的实施例中，带凹槽辐射环路的每一条边都形成有两个弯折部。以边kk为例，其上所设置的2个弯折部关于第一馈电结构F1所在的竖直对称面M（该竖直对称面垂直于图2的纸面）对称。假想平面基环BC的外环边长长度为L₀。弯折部100w’的竖直壁部100w1’的长度（即，弯折部的深度）为gap_z。辐射环路本体所在平面P2与介质板12之间的竖向间隔为H₀。弯折部的水平底部100w2’与介质板12之间的间隔为g=H₀-gap_z。弯折部100w’的水平底部沿辐射环路100’走线方向上的宽度为L。在垂直于走线的方向上，弯折部的水平底部具有带宽W。在弯折部的底部与介质板12之间引入的电容加载C=f(g, L, W)，该式表示加载电容为g、L、W的函数。

辐射环路的每一条边上所形成的弯折部在底部与介质板耦合，由此形成分布式并联电容加载效应。由于弯折部的设置，可以在辐射环路的假想平面基环BC的外环边长长度L0不变的情况下，延长电流环路径长度。也就是说，对于特定的电流环路径长度，辐射环路的假想平面基环的边长长度可以设计得更小，这意味着辐射环路的整体水平方向的尺寸缩小。

而且带凹槽辐射环路在同样的水平方向尺寸限制的要求下，电流所流经的路径越长，谐振点越低。在图2所示的实施例中，每加设一个弯折部，电流所流经的路径则增加2gap_z。

也就是说，弯折部100w’的增设，使得在辐射环路本体所在平面下方引入密集的局部走线，既能够巧妙地引入弯折部与介质板的紧密耦合作用，又能够在降低天线装置的剖面高度的同时，延长电尺寸。

根据本发明的天线装置有选择性地调节弯折部与介质板之间的紧密耦合强度以及因而形成的并联电容加载效应。以等效为如图2中所示的电容C1、电容C2的电容加载部分为例，在电气原理上，电容 C1、电容C2为分布于弯折部底部与介质板之间的紧密耦合空间所等效出的分布式电容。在电气位置上，弯折部走线部分所引入的并联电容加载在电流回路组合结构的有效节点上。电容 C1、电容C2的容性大小与弯折部底部和介质板12之间产生的耦合程度有关，换言之，弯折部底部与介质板之间的距离g越小，耦合程度越强，电容值越大；反之，弯折部底部与介质板之间距离g越大，耦合程度越弱，电容值越小。而距离g越小，耦合程度越强，电容值越大，越趋近于斯密斯圆图（Smith Chart）左侧短路点，并联电容越趋近短路状态；距离g越大，耦合程度越弱，电容值越小，并联电容起到的缩小尺寸的效果越弱，加载效果不明显。

因此，在本发明天线装置1’中，通过弯折部100w’的尺寸和位置的特定设计，将所引入的并联电容加载有选择性地控制在适当范围，使得电容值适中，并联电容将谐振结构的相位变化量增大，使得主模（即，基次模）在更低频点实现谐振，所需物理长度更短，能够有效地将谐振点向低频偏移。例如参见图3所示，在天线装置的整体剖面尺寸不变的情况下，当电流回路曲折走线竖直向下降低剖面高度后，随着弯折部深度gap_z从6.5mm变化到8.0mm，谐振点由1.3GHz变化到1.15GHz，频点偏移变化明显。

虽然上文以假想平面基环为方形的辐射环路为例对本发明的天线装置进行说明，可以理解，辐射环路可实施为具有其他旋转对称形状。辐射环路的弯折部也可设计成其他构型的凹槽，例如侧视图为水滴形或三角形等。在假想平面基环为方形的辐射环路中，每一条边上设置的弯折部的数量也可以是不同于2的偶数。

耦合式馈电结构的实施例

在本发明的天线装置的第一实施例中，第一和第二馈电线分别通过第一馈电结构和第二馈电结构与辐射环路进行耦合式馈电。耦合式馈电可以等效出分布式串联电容效应。

耦合式馈电结构的第一示例

如图4所示，第一馈电结构1001’和第二馈电结构1002’示出为分别包括在辐射环路100’和介质板12之间延伸的金属连接柱1001’-1a、1002’-1a和位于金属连接柱的穿过在辐射环路上蚀刻的圆孔的上端且与辐射环路在竖直方向上间隔开的贴片1001’-2a、1002’-2a。贴片1001’-2a、1002’-2a优选具有圆形形状。第一馈电结构1001’和第二馈电结构1002’的贴片在辐射环路上的投影位置即为辐射环路的第一馈入点F1和第二馈入点F2。金属连接柱1001’-1a、1002’-1a的底端与例如在介质板12的上表面上刻蚀的馈电线101’、102’连接。

在图4所示的实施例中，第一馈入点F1和第二馈入点F2分别设置在辐射环路100’的本体100b’上且落在方形的假想平面基环BC的两条相邻边的中心点处。在此情况下，第一馈电结构和第二馈电结构在电场零极点天然高隔离度的情况下进行耦合馈电，进一步减小双馈电端口之间的耦合，有利于获得双馈形式的天线设计。

借助采用耦合式馈电结构的第一示例形式的第一和第二馈电结构，根据本发明的天线装置的电气参数如图5所示。在方形的假想平面基环的尺寸为48mm ╳ 48mm的情况下，根据本发明的天线装置的S参数谐振点可以满足GNSS卫星定位的工作要求。

耦合式馈电结构的第二示例

图6示出第一和第二馈电结构为不同于图4所示形式的耦合式馈电结构。第一馈电结构1001’和第二馈电结构1002’实施为包括在辐射环路和介质板之前延伸的竖直金属柱部分1001’-1b、1002’-1b和靠近辐射环路本体的横向耦合部分1001’-2b、1002’-2b。竖直金属柱部分1001’-1b的底端与例如在介质板的上表面上刻蚀的馈电线101’、102’连接。竖直金属柱部分1001’-1b、1002’-1b定位在辐射环路所包围的内侧空间中。在竖直金属柱部分1001’-1b、1002’-1b的上部例如以一体方式设置的横向耦合部分1001’-2b、1002’-2b沿辐射环路本体100b’内侧延伸。图6所示的第一和第二馈电结构可大体形成为T形。横向耦合部分具有面向辐射环路的本体100b’的内侧面的耦合馈电面1001’-CF、1002’-CF。耦合馈电面与辐射环路本体之间的间距以及耦合馈电面的大小可根据耦合强度要求进行设置。

虽然图6中示出馈电结构大致为T形，可以理解，其也可以构造成L形或其他形状，只要其能满足对辐射环路的耦合馈电强度的要求即可。

借助采用图6所示的耦合式馈电结构第二示例形式的第一和第二馈电结构，根据本发明的天线装置1’可获得如图7示出的电气参数。

耦合式馈电结构的第三示例

图8示出第一和第二馈电结构为与图6所示耦合式馈电结构类似的耦合式馈电结构，其包括在辐射环路100’和介质板12之间延伸的竖直金属柱部分1001’-1c、1002’-1c和靠近辐射环路本体的横向耦合部分1001’-2c、1002’-2c。竖直金属柱部分1001’-1c、1002’-1c的底端与例如在介质板的上表面上刻蚀的馈电线101’、102’连接。竖直金属柱部分1001’-1c、1002’-1c定位在辐射环路100’的本体100b’下侧。在竖直金属柱部分的上部例如以一体方式设置的横向耦合部分1001’-2c、1002’-2c沿辐射环路本体100b’下侧延伸。图8所示的第一和第二馈电结构可大体形成为T形。横向耦合部分1001’-2c、1002’-2c具有面向辐射环路的本体100b’的下侧面的耦合馈电面1001’-CF、1002’-CF。耦合馈电面与辐射环路本体之间的间距以及耦合馈电面的大小可根据耦合强度要求进行设置。

虽然图7中示出耦合式馈电结构大致为T形，可以理解，其也可以构造成L形或其他形状，只要其能满足对辐射环路的耦合馈电强度的要求即可。

采用该耦合式馈电结构，辐射环路的耦合馈电构造得极为隐蔽，并且也不会挤占周围其他零部件的安装空间。此外，根据本发明的天线装置在采用此耦合式馈电结构可获得优异的电气参数，如图9所示。

虽然只对三种不同形式的耦合式馈电结构进行了举例说明，但可以理解，适用于本发明的天线装置的耦合式馈电结构不限于上述三种形式。

虽然图1、图4、图6和图8所示的实施例中，在第一馈入点F1和第二馈入点F2处对辐射环路100’进行耦合馈电，耦合馈电结构具有优化阻抗匹配、增加端口之间的隔离度的更有益的效果。但是，可以理解，在根据本发明的天线装置中，也可以对辐射环路进行直接馈电，例如通过焊接方法将耦合金属柱的上端与辐射环路电连接。在文中，“馈入点”指的是发生馈电的区域，例如图4中贴片在竖直方向上的投影区域或图6和图8中耦合面在耦合方向上的投影区域。

无论是采用直接馈电结构还是耦合式馈电结构，根据本发明的天线装置由于采用了曲折走线设计，可以得到引入与介质板的耦合以及竖直方向上电流路径延长这两种有益效果。与介质板间的耦合作用由带凹槽辐射环路中弯折部区域中曲折走线至降低的高度而形成，该耦合形成了分布式并联电容加载效应，将谐振结构的相位变化量增大，使得主模在更低频点实现谐振，所需物理长度更短。此外，曲折走线使得竖直方向上路径拉长，进一步增加电流环路的物理长度。在这两种效果的组合作用下，该带凹槽辐射环路可以有效地将GNSS工作谐振点向低频偏移。换言之，同样的尺寸限定下，带凹槽辐射环路的曲折走线更易实现GNSS天线的谐振工作频点。

根据本发明的天线装置大体具有平面环天线结构，基于金属环（例如环状铁件）实现。其中紧凑型带凹槽辐射环路设计具有缩小尺寸、降低剖面高度（整体侧面高度）、天线集成度高的优点，可以灵活地融入车身平面设计，构成车载隐藏式卫星定位天线系统。同时，整体结构对称性保障了等幅度的两个正交极化分量，便于圆极化卫星定位波束的生成。该天线架构也易于扩展出其中双辐射环路处于同一平面且两环路中心一致的双频段双馈电天线结构，保证了高精度卫星定位所要求的相位中心一致性。另外，整个辐射环路可通过铁件一体成型等加工工艺实现，制造简单且成本低。

根据本发明的天线装置的第二实施例

基于以上所述的具有单频环天线架构的第一实施例，可以进一步扩展出具有双频设计的第二实施例。

参见图10所示，根据本发明的第二实施例的天线装置1’’包括两个频段控制单元，其中第一频段控制单元10’’-1和第二频段控制单元10’’-2具有与本发明第一实施例的频段控制单元相同的构型。

即，第一频段控制单元10’’-1具有辐射环路100’’-1、用于对相应的辐射环路100’’-1进行馈电耦合的第一馈电结构1001’’-1和第二馈电结构1002’’-1。第一频段控制单元10’’-1的第一馈电结构1001’’-1在第一馈入点F1-1对辐射环路进行耦合馈电，而且在其底端与设置在介质板12上的第一馈电线101’’-1连接。第一频段控制单元10’’-1的第二馈电结构1002’’-1在第二馈入点F2-1对辐射环路100’’-1进行耦合馈电，而且在其底端与设置在介质板12上的第二馈电线102’’-1连接。

第二频段控制单元10’’-2具有辐射环路100’’-2、用于对相应的辐射环路100’’-2进行馈电耦合的第一馈电结构1001’’-2和第二馈电结构1002’’-2。第二频段控制单元10’’-2的第一馈电结构1001’’-2在第一馈入点F1-2对辐射环路进行耦合馈电，而且在其底端与设置在介质板12上的第一馈电线101’’-2连接。第二频段控制单元10’’-2的第二馈电结构1002’’-2在第二馈入点F2-2对辐射环路100’’-2进行耦合馈电，而且在其底端与设置在介质板12上的第二馈电线102’’-2连接。

第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1与第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2同心地设置在介质板12上方。此处，“同心”指的是两辐射环路的旋转中心轴基本重合，两辐射环路的旋转对称中心基本重合。

在图10所示的实施例中，第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1与第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2形状相似，且对称面重合。第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1设置在第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2的内侧，且两者相隔预定距离。

在图10所示的双频环天线实施例中，具有处于内侧的辐射环路100’’-1的第一频段控制单元10’’-1为高频段控制单元。具有处于外围的辐射环路100’’-2的第二频段控制单元10’’-2为低频段控制单元。也就是说，第一频段控制单元的适用频率比第二频段控制单元的适用频率高。

在所示的有利实施例中，第一频段控制单元的辐射环路100’’-1的本体所在的平面与第二频段控制单元的辐射环路100’’-2的本体所在的平面重合，第一频段控制单元的辐射环路100’’-1的弯折部100w’’-1的底部所在的平面与第二频段控制单元的辐射环路100’’-2的弯折部100w’’-2的底部所在的平面重合。由此，确保两辐射环路基本处于同一平面内。

在图10所示实施例中，第一频段控制单元的辐射环路100’’-1的假想平面基环BC-1与第二频段控制单元的辐射环路100’’-2的假想平面基环BC-2为方形。第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1的第一馈入点F1-1和第二馈入点F2-1分别设置在第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1的本体100b’’-1上，第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2的第一馈入点F1-2和第二馈入点F2-2分别设置在第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2的本体100b’’-2上。

两辐射环路的假想平面基环BC-1、BC-2具有两条公共的对角线k1、k2。第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1的第一馈入点F1-1和第二馈入点F2-1分别关于两条公共的对角线中的第一对角线k1对称地设置在第一频段控制单元的辐射环路的假想平面基环BC-1的两条相邻边的中心点处。第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2的第一馈入点F1-2和第二馈入点F2-2分别关于第一对角线k1对称地设置在第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2的假想平面基环BC-2的两条相邻边的中心点处。第一频段控制单元10’’-1的辐射环路100’’-1的第一馈入点F1-1和第二馈入点F2-1与第二频段控制单元10’’-2的辐射环路100’’-2的第一馈入点F1-2和第二馈入点F2-2位于两条公共的对角线中的第二对角线k2的不同侧。

也即，在不影响高频段控制单元的带凹槽辐射环路的设计的情况下，通过在介质板12上方在辐射环路外围设置具有较大尺寸的带凹槽辐射环路和相应配套的馈电结构，以便于在同一介质板12上方增设低频段控制单元。换言之，在单环工作不受影响的情况下，可以方便地增加一个不同的GNSS工作频段的带凹槽辐射环路，形成带凹槽双环路天线。带凹槽双环路天线一体集成了用于GNSS车载卫星定位的两个工作频段（例如卫星定位频段GNSSL1（1.559–1.606 GHz）和GNSS L5（1.166–1.186 GHz））。

根据本发明的第二实施例的天线装置中，环形平面天线架构有益于独立开发双频双馈的圆极化GNSS卫星定位天线，一体集成双频的平面设计中两辐射环路中心一致、高度方向上无距离差，有益于满足相位中心一致的高精度卫星定位要求，超低的剖面结构可以灵活地融入车身平面设计，便于车载隐藏式卫星定位天线系统的开发。

扩展出的根据本发明的双频天线装置的电气性能如图11所示，天线装置的整体尺寸在48mm×48mm情况下，S参数谐振点可以满足GNSS定位的工作要求。

总体而言，根据本发明的天线装置的带凹槽辐射环路的设计有益于缩小天线尺寸，超低的剖面结构可以灵活地融入车身平面设计，便于车载隐藏式卫星定位天线系统的开发。此外，扩展出的双频天线装置采用一体集成设计，有利于实现相位中心的一致性，满足高精度卫星定位系统的要求。此外，带凹槽环路和其对应的耦合馈电结构均可采用一体成型铁件工艺，制造成本低，便于加工装配。

根据本发明的多频天线装置

基于根据本发明的第一实施例的单频天线装置和/或根据本发明的第二实施例的双频天线装置外，可扩展出具有更多（即三个或三个以上）频段控制单元的多频天线装置（未示出）。在多频天线装置中，各频段控制单元的辐射环路同心地设置在介质板上方，相邻两辐射环路相隔预定间距，所有频段控制单元的辐射环路形状相似，且对称面重合，所有频段控制单元的辐射环路的本体所在的平面重合，所有频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面重合。

根据本发明的多频天线装置同样具有超低的剖面特性、小尺寸的环形平面天线结构，可以灵活地融入车身平面设计，适用于高精度GNSS卫星定位系统的车载隐藏式天线。此外，在不影响当前辐射环路工作的情况下，可以方便地增加用于不同的GNSS频段的辐射环路和配套的馈电结构，得到多频段多馈电天线结构，扩展天线装置的频段适用范围，使得将多个频段的控制部分集成在同一介质板上方，进一步提高天线装置的紧凑性以及集成特性。此外，所有频段控制单元的辐射环路基本处于同一平面，辐射环路中心一致，高度方向上无距离差，保证了用于高精度卫星定位的相位中心一致性。而且，通过对弯折部参数的灵活调节，可以将辐射环路设计成具有合适的物理尺寸，易于在保证相位中心一致的情况下同时实现用于不同频段的辐射环路的集成。

虽然上述单频天线装置、双频天线装置以及多频天线装置的辐射环路都示出为具有方形结构，可以理解，除方形之外的其他旋转对称几何形状的辐射环路同样可用于根据本发明的天线装置。例如，圆形、椭圆形、三角形、五边形、六边形等。虽然以单频天线装置为例对耦合式馈电结构进行说明，可以理解，所述耦合式馈电结构也可用于双频或多频天线装置。此外，每一频段控制单元中，第一馈入点和第二馈入点在相应辐射环路上的布置方式使得形成了特有的零极点电场分布模式。该零极点电场分布模式结合耦合式馈电方式，大大降低了馈电端口之间的耦合。整体呈环型的辐射结构具有对称特性，保障了等幅度的两个正交极化分量，便于圆极化波束（例如圆极化卫星定位波束）的生成。

综上所述，根据本发明的天线装置能够实现以下优点中的至少一者：

结构特性：具有平面环天线结构，利用紧凑且缩小尺寸的立体曲折走线设计，获得隐藏式的低剖面天线架构以及平面式一体集成的单频段/双频段/多频段天线；

电气特性：便于实现高集成度的多端口多频段的扩展，此外，对于双频段或多频段天线架构，相位中心的高一致性确保满足高精度GNSS卫星定位需求；以及

工程特性：基于金属环（例如环状铁件）实现，工艺简单，低制造成本，装配方式简易，便于批量生产。

在本文中，方位词“上”、“下”、“顶”和“底”表示的是天线装置按照图1所示的姿态放置时所指代的方位。这些方位词的引入是为了便于描述天线装置的结构，而并不对其构成任何实质性的限制。

在本文中，“高频段控制单元”和“低频段控制单元”中的“高”和“低”是指各适用的频率相对彼此而言的高低比较，具体频段所在范围的大小与相应辐射环路的尺寸相对应。此处，并非限制高频段控制单元和低频段控制单元的适用频率在某一特定范围内。

本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的方法的各个步骤并不限于按照上述所列举的次序来实施。此外，在本发明中，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的步骤以外，本申请的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它步骤的情形。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种天线装置，其特征在于，包括介质板（12）和频段控制单元（10’），

所述频段控制单元包括：辐射环路（100’），其在所述介质板上方与所述介质板基本平行设置，且具有旋转对称几何形状；以及第一馈电结构（1001’）和第二馈电结构（1002’），第一馈电结构和第二馈电结构分别在所述辐射环路的第一馈入点（F1）和第二馈入点（F2）与所述辐射环路联接以实现对所述辐射环路的馈电，第一馈电结构和第二馈电结构分别与设置在所述介质板上的第一馈电线（101’）和第二馈电线（102’）电连接，

所述第一馈入点和所述辐射环路的旋转对称中心（O）的连线与所述第二馈入点和所述辐射环路的旋转对称中心的连线相互垂直，

沿所述辐射环路周向在预定位置处形成有自辐射环路的本体朝向所述介质板拱起的多个弯折部（100w’），所述辐射环路的本体（100b’）沿一假想平面基环（BC）延伸，该多个弯折部形成辐射环路的部分走线，该多个弯折部的底部在距离所述介质板一预定距离处且基本平行于所述介质板的一平面上延伸，多个所述弯折部各具有两相对的竖直壁部和水平底部，所述竖直壁部的长度为6.5mm-8.0mm，

所述辐射环路的每一条边上所形成的所述弯折部在底部与所述介质板耦合，以形成分布式并联电容加载效应，所述多个弯折部的尺寸和位置设计成使得在弯折部的底部与介质板之间引入并联电容加载并且所引入的并联电容加载能够使辐射环路的主模在所述频段控制单元的设计频段内实现谐振，

所述辐射环路为一体成型的金属环，所述介质板的底面覆有整面的金属层。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述辐射环路的本体沿一方形的假想平面基环延伸，并且所述辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别设置在辐射环路的本体上且落在所述基环的两条相邻边的中心点处。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，投影落在第一馈入点或第二馈入点所在基环的边上的弯折部的数量为偶数，并布置成关于穿过相应边的中心点的竖直对称平面对称。

4.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置（1’’）包括两个适用于不同频段的所述频段控制单元，其中第一频段控制单元（10’’-1）的辐射环路（100’’-1）与第二频段控制单元（10’’-2）的辐射环路（100’’-2）同心地设置在所述介质板（12）上方。

5.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于，所述第一频段控制单元（10’’-1）的辐射环路（100’’-1）与所述第二频段控制单元（10’’-2）的辐射环路（100’’-2）形状相似，且对称面重合，所述第一频段控制单元的辐射环路设置在所述第二频段控制单元的辐射环路的内侧的预定间距处。

6.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于，第一频段控制单元的辐射环路的本体（100b’’-1）所在的平面与第二频段控制单元的辐射环路的本体（100b’’-2）所在的平面重合，第一频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面与第二频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面重合。

7.根据权利要求5或6所述的天线装置，其特征在于，所述第一频段控制单元的辐射环路的假想平面基环与所述第二频段控制单元的辐射环路的假想平面基环为方形，所述第一频段控制单元的辐射环路的第一馈入点（F1-1）和第二馈入点（F2-1）分别设置在所述第一频段控制单元的辐射环路的本体上，所述第二频段控制单元的辐射环路的第一馈入点（F1-2）和第二馈入点（F2-2）分别设置在所述第二频段控制单元的辐射环路的本体上，两辐射环路的假想平面基环具有两条公共的对角线（k1,k2），第一频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别关于所述两条公共的对角线中的第一对角线（k1）对称地设置在第一频段控制单元的辐射环路的假想平面基环（BC-1）的两条相邻边的中心点处，第二频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点分别关于第一对角线对称地设置在第二频段控制单元的辐射环路的假想平面基环（BC-2）的两条相邻边的中心点处，第一频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点与第二频段控制单元的辐射环路的第一馈入点和第二馈入点位于所述两条公共的对角线中的第二对角线（k2）的不同侧。

8.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置包括三个或三个以上的所述频段控制单元，各频段控制单元的辐射环路同心地设置在所述介质板上方，相邻两辐射环路相隔预定间距，所有频段控制单元的辐射环路形状相似，且对称面重合，所有频段控制单元的辐射环路的本体所在的平面重合，所有频段控制单元的辐射环路的弯折部底部所在的平面重合。

9.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述第一馈电结构（1001’）和所述第二馈电结构（1002’）以耦合馈电的方式实现对所述辐射环路（100’）的馈电。

10.根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，所述第一馈电结构（1001’）和/或所述第二馈电结构（1002’）具有竖直柱部分（1001’-1a, 1002’-1a; 1001’-1b, 1002’-1b;1001’-1c, 1002’-1c）和横向耦合部分（1001’-2a, 1002’-2a; 1001’-2b, 1002’-2b;1001’-2c, 1002’-2c），大体形成为T或L形形状。

11.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述横向耦合部分具有面向辐射环路的本体的下侧面的耦合馈电面（1001’ -CF;1002’-CF）。

12.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述介质板（12）为PCB板。