CN212626049U - 圆极化天线以及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及智能穿戴设备技术领域，具体提供了一种圆极化天线以及可穿戴设备。天线包括：环形的缝隙结构，所述缝隙结构包括一环形的金属辐射体，所述金属辐射体环绕一周的有效周长等于所述圆极化天线的中心工作频率的一个波长；馈电端子，跨接于所述缝隙结构，其一端与所述金属辐射体电性连接，另一端连接所述主板的馈电模块；以及至少一个第一接地端子，所述第一接地端子跨接于所述缝隙结构，其一端与所述金属辐射体电性连接，另一端通过电感与所述主板的接地模块电性连接。本公开天线可实现不同尺寸的穿戴式设备的圆极化，且结构简单，在大大简化了圆极化天线的结构和设计成本的同时还可以增加应用的适应性和灵活性。

Description

圆极化天线以及可穿戴设备

技术领域

本公开涉及智能穿戴设备技术领域，具体涉及一种圆极化天线以及可穿戴设备。

背景技术

随着智能穿戴设备的发展，卫星定位已经成为其最主要的功能之一，为了实现卫星定位和轨迹记录的目的，卫星定位天线是其必不可少的。为了增强卫星到地面的传输效率(例如增强穿透能力和覆盖面积等)，卫星向地面的发射天线采用圆极化的形式，同样，为了增强定位天线的接收能力，设备的接收天线也应当采用与发射天线相同的圆极化天线。

然而，相关技术中，智能穿戴设备受限于体积或工业设计，难以实现圆极化天线，而是普遍采用线极化天线，这就导致设备的卫星定位性能较差，比如，当用户在树荫下等复杂环境时天线对卫星信号的接收效率不高，进而导致对定位和运动轨迹的抓取不够准确。

实用新型内容

为提高智能穿戴设备的卫星定位准确性，本公开实施方式提供了一种圆极化天线以及可穿戴设备。

第一方面，本公开实施方式提供了一种圆极化天线，应用于可穿戴设备，所述天线包括：

环形的缝隙结构，所述缝隙结构包括一环形的金属辐射体，所述金属辐射体环绕一周的有效周长等于所述圆极化天线的中心工作频率的一个波长；

馈电端子，跨接于所述缝隙结构，其一端与所述金属辐射体电性连接，另一端连接所述主板的馈电模块；以及

至少一个第一接地端子，所述第一接地端子跨接于所述缝隙结构，其一端与所述金属辐射体电性连接，另一端通过电感与所述主板的接地模块电性连接。

在一些实施方式中，所述馈电端子与所述金属辐射体中心点的连线为第一连线，所述第一接地端子与所述金属辐射体中心点的连线为第二连线，所述金属辐射体的顺时针环绕方向为第一方向，沿所述第一方向上，所述第一连线至所述第二连线形成第一夹角α；

其中，

或者，

在一些实施方式中，所述的圆极化天线，还包括：

至少一个第二接地端子，所述第二接地端子的一端与所述金属辐射体电性连接，另一端通过电容与所述主板的接地模块电性连接。

在一些实施方式中，所述馈电端子与所述金属辐射体中心点的连线为第一连线，所述第二接地端子与所述金属辐射体中心点的连线为第三连线，所述金属辐射体的逆时针环绕方向为第二方向，沿所述第二方向上，所述第一连线至所述第三连线形成第二夹角β；

其中，

或者，

在一些实施方式中，所述的圆极化天线，还包括：

至少一个瞬态二极管TVS，所述TVS的一端与所述金属辐射体电性连接，另一端与所述主板的接地模块电性连接，所述TVS形成所述第二接地端子。

在一些实施方式中，所述金属辐射体的环形结构为以下任意之一：

圆形环状、椭圆环状、矩形环状、菱形环状或多边形环状。

在一些实施方式中，所述圆极化天线为以下任意之一：

卫星定位天线、蓝牙天线、WiFi天线或4G/5G天线。

第二方面，本公开实施方式提供了一种可穿戴设备，包括根据第一方面任一实施方式中所述的圆极化天线。

在一些实施方式中，所述的可穿戴设备，还包括：

壳体，包括非金属的中框和金属或非金属的底壳，所述主板设于所述壳体内部；

环形的金属面框，固设于所述中框远离所述底壳的一侧端面上，所述金属面框位于所述主板上方，以使得所述金属面框与所述主板之间形成所述缝隙结构，所述金属面框形成所述金属辐射体。

在一些实施方式中，所述的可穿戴设备，还包括：

第二天线，设于所述主板上，且所述第二天线的辐射枝节与所述金属面框相耦合。

在一些实施方式中，所述圆极化天线结构为卫星定位GPS天线，所述第二天线为蓝牙或WiFi天线。

在一些实施方式中，所述的可穿戴设备，还包括：

壳体，包括金属的中框以及非金属的底壳，所述主板设于所述壳体内部，且所述主板与所述中框之间形成所述缝隙结构，所述中框形成所述金属辐射体。

在一些实施方式中，所述的可穿戴设备，还包括：

壳体，包括金属的中框以及金属或非金属的底壳，所述主板设于所述壳体内部，且所述中框与所述主板的接地模块电性连接；

环形的金属面框，固设于所述中框远离所述底壳的一侧端面上，所述中框与所述金属面框之间设有绝缘层，以使得所述中框与所述金属面框之间形成所述缝隙结构，所述金属面框形成所述金属辐射体。

在一些实施方式中，所述可穿戴设备为智能手表、智能手环、智能耳机或者智能眼镜。

本公开实施方式的圆极化天线，应用于可穿戴设备，包括环形的缝隙结构，缝隙结构包括环形的金属辐射体，辐射体环绕一周的有效周长等于天线中心工作频率的一个波长，馈电端子跨接于缝隙结构的缝隙，天线还包括至少一个第一接地端子，第一接地端子的一端与辐射体电性连接，另一端通过电感与主板的接地模块电性连接。通过电感实现对辐射体的电流牵引，使得环形辐射体产生旋转的有效环形电流，从而形成圆极化波，实现圆极化天线。相较线极化天线，圆极化天线的接收效率更高，从而在卫星定位时定位更加准确。并且通过对辐射体直接馈电形成圆极化天线结构，无需耦合其它结构，大大简化了圆极化天线的结构和成本，更容易在体积较小的智能穿戴设备上实现。而且，通过电感接地可以减小天线结构的有效电长度，从而可利用较大尺寸的天线结构实现更加高频的工作频率，为圆极化天线的设计提供更多可能。

本公开实施方式提供的圆极化天线，馈电端子与辐射体中心点的连线为第一连线，第一接地端子与辐射体中心点的连线为第二连线，第一连线至第二连线顺时针的夹角为第一夹角，通过调整第一夹角的大小，也即改变电感的位置，从而可实现不同方向的圆极化天线。当第一夹角为0°～90°或者180°～270°时，辐射体电流为逆时针旋转，从而形成右旋圆极化天线；当第一夹角为90°～180°或者270°～360°时，辐射体上电流为顺时针旋转，从而形成左旋圆极化天线。本公开天线结构通过对第一夹角的调整，即可实现不同方向的圆极化波，满足不同方向圆极化天线的设计需求。并且，一个电感实现圆极化的天线结构，可以等效为多个不同角度不同电感值的电感形成的天线结构，从而利用多个第一接地端子实现更多结构的圆极化天线的设计。

本公开实施方式提供的圆极化天线，还包括至少一个第二接地端子，第二接地端子的一端与辐射体电性连接，另一端通过电容与主板的接地模块电性连接。通过电容实现对辐射体的电流牵引，使得环形辐射体产生旋转的有效环形电流，从而形成圆极化波，实现圆极化天线。并且电容与电感对电流的牵引能力可以叠加，从而可同时采用电容和电感来实现圆极化天线的设计，为圆极化天线的设计提供更多可能。

本公开实施方式提供的圆极化天线结构，馈电端子与辐射体中心点的连线为第一连线，第二接地端子与辐射体中心点的连线为第三连线，第一连线至第三连线逆时针方向的夹角为第二夹角，通过调整第二夹角的大小，也即改变电容的位置，从而可实现不同方向的圆极化天线。第二夹角与第一夹角方向相反，也即电容与电感效果相反，当第二夹角为0°～90°或者180°～270°时，辐射体电流为逆时针旋转，从而形成右旋圆极化天线；当第二夹角为90°～180°或者270°～360°时，辐射体上电流为顺时针旋转，从而形成左旋圆极化天线。并且，一个电容实现圆极化的天线结构，可以等效为多个不同角度不同电容值的电容形成的天线结构，从而利用多个第二接地端子实现更多结构的圆极化天线的设计。

本公开实施方式提供的圆极化天线，还包括瞬态二极管TVS，TVS可以对天线结构形成静电保护，并且在本公开所涉及的天线频率下，TVS管的寄生电容本身可以等效为一个容值为0.13pF的电容，从而利用TVS作为其中一个第二接地端子，即实现圆极化天线设计，又实现对天线的静电保护。

本公开实施方式的可穿戴设备，包括上述实施方式中的圆极化天线，因此具有上述所有有益效果。并且可利用可穿戴设备上的金属面框或中框形成辐射体，一方面金属面框或中框可以作为手表装饰结构，提高设备美观度；另一方面利用金属面框或中框作为辐射体，可以减少天线结构对手表内部空间的占用，而且更大的辐射体也大大增强天线的辐射性能。此外，本公开提出的组合式回地方案可以适用于天线辐射体的原始固有谐振频率小于或大于GPS工作频率1.575GHz的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施方式，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是根据本公开一些实施方式中圆极化天线结构的示意图。

图2是根据本公开另一些实施方式中圆极化天线结构的示意图。

图3是根据本公开一些实施方式中圆极化天线结构的原理图。

图4是根据本公开另一些实施方式中圆极化天线结构的原理图。

图5是根据本公开一个实施方式中天线的轴比随电容容值变化的曲线图。

图6是根据本公开一个实施方式中天线的轴比变化曲线图。

图7是根据本公开一个实施方式中天线的轴比随电感值变化的曲线图。

图8是根据本公开一个实施方式中天线的轴比随电感值变化的曲线图。

图9是根据本公开一个实施方式中天线结构的辐射增益图。

图10是根据本公开一个实施方式中可穿戴设备的爆炸结构图。

图11是根据本公开一个实施方式中可穿戴设备的装配结构剖面图。

图12是根据本公开一个实施方式中GPS天线的结构示意图。

图13是根据本公开一个实施方式中天线的轴比随频率的变化曲线。

图14是根据本公开一个实施方式中天线的回波损耗随频率的变化曲线。

图15是根据本公开一个实施方式中天线的天线效率随频率的变化曲线。

图16是根据本公开一个实施方式中天线在XOZ平面的增益曲线。

图17是根据本公开一个实施方式中天线在YOZ平面的增益曲线。

图18是根据本公开一个实施方式中天线在XOZ平面的辐射方向图。

图19是根据本公开一个实施方式中天线在YOZ平面的辐射方向图。

图20是根据本公开另一个实施方式中可穿戴设备的爆炸结构图。

图21是根据本公开另一个实施方式中可穿戴设备的装配结构剖面图。

图22是根据本公开另一个实施方式中天线的轴比随频率的变化曲线。

图23是根据本公开另一个实施方式中天线的回波损耗随频率的变化曲线。

图24是根据本公开另一个实施方式中天线的天线效率随频率的变化曲线。

图25是根据本公开另一个实施方式中天线在XOZ平面的增益曲线。

图26是根据本公开另一个实施方式中天线在YOZ平面的增益曲线。

图27是根据本公开另一个实施方式中天线在XOZ平面的辐射方向图。

图28是根据本公开另一个实施方式中天线在YOZ平面的辐射方向图。

图29是根据本公开一个实施方式中天线结构的装配剖面图。

图30是根据本公开另一个实施方式中天线结构的示意图。

图31是根据本公开另一个实施方式中天线结构的示意图。

图32是根据本公开另一个实施方式中天线结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。此外，下面所描述的本公开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。

圆极化天线较为普遍的应用于卫星导航系统中，这是由于圆极化天线所产生的圆极化波可以被任何方向的线极化天线所接收，同时圆极化天线也可以接受任何线极化的来波，具有良好的天线性能，故卫星定位或侦查干扰中普遍采用圆极化天线。与线极化天线相比，圆极化天线的主要优点是在天线效率相当的情况下地面设备接收到的卫星信号强度有3dB左右的提升；同时还能在复杂环境下增强接收设备的卫星定位系统的抗干扰能力，进而可以得到更精确的定位和运动轨迹。

圆极化天线可以分为左旋圆极化(LHCP，Left-Hand Circular Polarization)和右旋圆极化(RHCP，Right-Hand Circular Polarization)。以卫星定位天线为例，全球主要的卫星导航定位系统包括GPS、北斗、GLONASS、伽利略，这些定位系统的民用卫星定位均采用右旋圆极化的形式。

随着智能穿戴设备的发展，卫星定位功能已经成为必不可少的功能。以智能手表为例，卫星定位功能可以用于运动辅助、轨迹检测、定位等多种应用场景。在市售的相关穿戴设备中，其卫星定位天线多采用线极化天线来实现，例如IFA、缝隙天线等，但是通过前述可知，线极化天线对卫星发射的圆极化波接收效率较低，这就导致穿戴设备的定位精度和轨迹检测性能较差，难以满足高准确性的定位需求。

为了解决上述问题，相关技术中的一些智能手表采用圆极化天线实现卫星定位天线。

一个已知方案(中国专利公开号：CN104051865A)是通过在手表上表面金属圈的下方对一个倒F天线(IFA)进行馈电，并通过另外一个天线寄生单元(寄生单元也即IFA边上的接地分支)和手表的金属圈进行耦合产生的圆极化天线性能。在该圆极化设计中，为了在金属圈上产生环形电流，只有当IFA天线和寄生单元的长度以及它们和金属圈之间的缝隙满足一定的要求时才能实现牵引金属圈上的电流呈现出有效的环形电流。这里所说的“有效的环形电流”指的是所产生的环形电流可以随着位相的变化较均匀地沿着金属圈循环转动，以实现圆极化天线的轴比能达到3dB及以下的要求。

另一个已知方案(中国专利公开号：CN 110994131 A)相对于上述方案将寄生单元省去，也即仅使用了馈电的IFA天线和手表金属圈耦合来实现圆极化。该方案虽然简化了部分结构，但是其原理与上述方案类似，金属环上的环形电流都是通过IFA天线(和寄生单元)与金属圈之间的耦合来实现的。因此，在上述两个已知方案中对IFA天线、寄生单元以及手表金属圈的长度以及相互之间的缝隙都有特殊的要求，这无疑增加了天线设计的难度。而且，在上述两个已知方案中，IFA天线(和寄生单元)是被放置在天线支架上的FPC或者LDS天线，该支架无疑侵占了手表的有限空间，对于体积受限的穿戴设备难以应用。此外，上述两个已知方案中的圆极化天线，只适用于天线辐射体本身的原始或固有谐振频率大于GPS工作频率1.575GHz的情况，适用性较差，具体解释见下文的描述，在此暂不详述。

基于上述相关技术存在的缺陷，本公开实施方式提供了一种结构简单且有效的圆极化天线，该天线可用于智能穿戴设备，从而实现设备的圆极化形式的天线。特别，本公开提出的圆极化天线可适用于天线辐射体本身的原始或固有谐振频率小于或大于GPS工作频率1.575GHz的情况。

可以理解的是，本公开下述实施方式中所述的智能穿戴设备，可以是任何适于实施的设备形式，例如智能手表、智能手环等watch类设备；又例如智能眼镜、VR眼镜、AR眼镜等glass类设备；再例如智能服饰、智能耳机、佩戴件等穿戴类设备；等，本公开对此不作限制。

在一些实施方式中，本公开的天线结构包括环形的缝隙结构，例如图1所示实施方式中，缝隙结构包括一环形的辐射体200，辐射体200为金属辐射体，例如金属环圈。辐射体200平行设于主板100上方，且两者之间具有一定的间隔，该间隔形成天线的所述的缝隙结构，通过对该间隔进行馈电和回地实现天线的功能。并且在本实施方式中，主板100的外围和环形辐射体200具有类似的形状，从而使得主板100与辐射体200之间形成较均匀的完整环形缝隙。

主板100为设备主PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)，其上集成有处理器和相应的控制电路模块等(附图未示出)。辐射体200为环形的金属辐射体，例如金属环圈，辐射体200设置在主板100上方，从而与主板100之间的间隔形成缝隙。辐射体200与主板100通过馈电端子110和至少一个第一接地端子120电性相连，馈电端子110在馈电点111与主板的馈电模块连接，接地端子120通过电感121连接主板的接地模块，从而形成天线结构。

馈电端子110跨接于主板100和辐射体200形成的缝隙之间，也即，馈电端子110一端电性连接于辐射体200上，另一端连接于主板100的馈电模块。可以理解的是，馈电端子110和辐射体200的连接，可以是通过连接组件构成的电连接，也可以是一体成型，本公开对此无需限制。在一个示例中，馈电端子110与辐射体200一体成型，其自由端则通过主板100上的弹片结构或者pop pin(弹簧针)结构与主板100的馈电模块电性连接，其中馈电端子110与主板100连接的位置形成馈电点111。

继续参照图1，在本实施方式中，仅示出了一个第一接地端子120，第一接地端子120跨接于主板100和辐射体200形成的缝隙之间，也即，第一接地端子120的一端电性连接于辐射体200上，另一端连接于主板100的接地模块。可以理解，接地端子120和辐射体200的连接，可以是通过连接组件构成的电连接，也可以是一体成型，本公开对此无需限制。

第一接地端子120连接有电感121，辐射体200通过电感121接地。具体来说，电感121可设置在主板100上，其一端与第一接地端子120的一端连接，另一端与主板100的接地模块连接。值得说明的是，本公开所述的主板100的接地模块指的是设备的PCB板，PCB板即为整个系统的地。

可以理解，第一接地端子120的数量还可以是多个，本公开下文中会针对多个第一接地端子120的方案进行详细说明，在此暂不详述。

对于环形辐射体的圆极化天线，其辐射体的有效周长即等于天线中心工作频率的一个波长，因此在实现不同频率的天线时，需要设置辐射体的有效周长等于该频率的一个波长。

值得说明的是，在自由空间下，辐射体200环绕一周的物理周长即为辐射体200的有效周长。但是在装配结构下，辐射体200周围的装配结构和其周围的材料将增大辐射体的有效周长，也即会减小辐射体的谐振频率。例如辐射体200与塑料材料(例如塑料支架或者纳米注塑材料)装配时，该材料会增加辐射体的有效周长。同时，辐射体200附近的屏幕也会起到增加辐射体有效周长的效果，例如屏幕组件的玻璃盖板等。

辐射体200的有效周长被增加的原因是塑料材料和玻璃盖板的介电常数(塑料和纳米注塑材料的介电常数一般为2-3之间，玻璃盖板的介电常数一般在6-8之间)大于空气中的介电常数，高介电常数材料的引入将增加辐射体附近的电流强度，进而增加辐射体200的有效长度。从而使用较小的辐射体200的实际物理周长可以实现比其物理长度更低的天线谐振，即辐射体200在实现相同谐振频率的情况下，可以减小辐射体200的实际物理周长。因此，本领域技术人员可以理解，本公开实施方式所述的“有效周长”指的是辐射体实际产生谐振电波的有效电长度，并不局限于理解为物理长度。

在本实施方式中，辐射体200为圆环形结构，在其他实施方式中，辐射体200还可以是其他任何适于实施的环形结构，例如三角形环、菱形环、矩形环、圆角矩形环或者其他多边形环等，本公开对此不作限制。此时，主板的外围形状将随着辐射体的形状的改变而改变，以此来保持主板的外围形状始终和辐射体的形状类似的要求，本领域技术人员对此可以理解，本公开不再赘述。

本公开天线结构的至少一个发明构思在于：通过对环形辐射体200直接馈电，并且利用接地的电感121对辐射体200产生电流进行牵引，使其形成旋转的环形电流，从而形成圆极化波。对于圆极化波产生的原理和性能探究在下文进行详细说明，在此暂不详述。

通过上述可知，本公开实施方式的圆极化天线结构，可以实现设备的圆极化天线形式，从而在实现卫星定位功能时定位更加准确。并且通过对环形辐射体直接馈电，无需设置其他耦合天线结构，大大简化了圆极化天线的结构和成本，更易于在手表等体积空间较小的设备上实现。而且，通过电感接地可以减小天线结构的有效电长度，从而可利用较大尺寸的天线结构实现更加高频的工作频率，为圆极化天线的设计提供更多可能。例如，在利用本公开天线结构实现卫星定位GPS天线时，本公开方案将适用于天线辐射体本身的原始或固有谐振频率小于GPS工作频率1.575GHz的情况。

上述实施方式通过对辐射体直接馈电，利用电感接地对辐射体产生电流进行牵引，以实现圆极化。而在本案发明人其他专利中，探讨了利用电容回地同样可以对辐射体产生电流进行牵引，以在辐射体上形成环形的旋转电流，进而实现圆极化。

在一些实施方式中，如图2所示，天线结构与图1实施方式的区别在于：不再采用包括电感121的第一接地端子120接地，而是利用第二接地端子130通过电容131接地。对于本实施方式其他未作说明之处，参见前述图1实施方式即可，本领域技术人员在前述基础上可以理解，在此不再赘述。

值得说明的是，图2中仅示出了一个第二接地端子130，在其他实施方式中，第二接地端子130还可以是多个。而且第二接地端子130和第一接地端子120也可以同时设于同一个天线结构中，本公开下文中会进行详细说明，在此暂不详述。

下面针对电容和电感产生圆极化的原理，以及电容和电感对于天线性能的影响，以及本公开实施方式天线设计的思路进行对比说明。

基于图1和图2所示的天线结构，对本实施方式中圆极化天线的实现原理进行说明。圆极化天线可以通过两种方式实现：第一是有效周长为波长整数倍的旋转环形电流可以形成圆极化；第二是两个等幅正交且相位差90°的线电流可以形成圆极化。本实施方式即是通过第一种形式实现。对于有效周长为一个波长的辐射体200，本公开实施方式中，通过对辐射体200直接馈电，并且利用电感121和/或电容131对产生的电流进行有效牵引，使得辐射体内部形成单方向转动的旋转电流场，进而即可实现圆极化波。

在实现圆极化的基础上，电感121和电容131同时还可以影响天线结构的有效电长度。图3示出了图1天线结构的电流分布图，下面结合图3对电感接地方式的原理进行说明。

首先，定义馈电点111与辐射体200中心点的连线为第一连线，而电感121与辐射体200中心点的连线为第二连线，辐射体200顺时针环绕方向为第一方向，定义沿第一方向上由第一连线至第二连线形成的夹角为第一夹角α，也即，第一夹角α为顺时针方向。

如图3所示，天线结构在馈电和应用回地方式后，由于在实现圆极化时辐射体200的有效长度为工作频率的一个波长，因此在辐射体200上产生的环形旋转电流具有两个电流零点A1和A2，其瞬间电流分布如辐射体200外圈箭头所示。因为在交流电路中电感两端的电流相位比电压相位滞后，因此电感121与馈电点111之间产生反向的局部电流。电感121产生的局部电流与辐射体200本身产生的电流叠加后，对辐射体200的电流进行局部减弱，而辐射体200的电流强度和其有效电长度成正比，因此该局部电流将导致辐射体200的有效长度被减小。此外，由于辐射体200的谐振频率与其有效电长度成反比，也即有效电长度越大，谐振频率越低，因此辐射体200的谐振频率将向高频偏移。

在一个示例中，以实现卫星定位GPS天线为例，GPS天线中心工作频率为1.575GHz，在施加电感121之前，辐射体200的原始或固有谐振频率应当小于1.575GHz。

图4示出了图2天线结构的电流分布图，下面结合图4对电容接地方式的原理进行说明。

同样，定义馈电点111与辐射体200中心点的连线为第一连线，而电容131与辐射体200中心点的连线为第三连线，辐射体200逆时针环绕方向为第二方向，定义沿第二方向上由第一连线至第三连线形成的夹角为第二夹角β，也即，第二夹角β为逆时针方向。

如图4所示，天线结构在馈电后，由于辐射体200的有效长度为工作频率的一个波长，因此在辐射体200上产生的环形旋转电流具有两个电流零点B1和B2，其瞬间电流分布如辐射体200外圈箭头所示。由于在交流电路中电容两端的电流相位比电压相位超前，因此在馈电点111和电容131之间产生同向的局部电流。电容131产生的局部电流与辐射体200本身产生的电流叠加后，对辐射体200的电流进行局部增强，而辐射体200的电流强度和其有效电长度成正比，因此该局部电流将导致辐射体200的有效长度被增大。此外，由于辐射体200的谐振频率与其有效电长度成反比，也即有效电长度越大，谐振频率越低，因此辐射体200的谐振频率将向低频偏移。

在一个示例中，仍以实现卫星定位GPS天线为例，GPS天线中心工作频率为1.575GHz，在施加电容131之前，辐射体200的原始或固有谐振频率应当大于1.575GHz。

通过上述可以得到如下结论：在实现圆极化的基础上，利用电感回地可以减小天线的有效电长度，而利用电容回地可以增加天线的有效电长度。基于此结论，在进行天线设计时就可以有更多的设计方案，例如，可以在较大的手表有效周长或直径下，利用电感回地实现更高频的圆极化天线；又例如，可以在较小的手表有效周长或直径下，利用电容回地实现更低频的圆极化天线。

值得说明的是，前述相关技术中的已知方案，其本质上相当于通过耦合式电容回地实现圆极化，因此，其方案仅适用于辐射体原始谐振频率大于工作频率的情况，而无法适用于辐射体原始谐振频率小于工作频率的情况。这也是本公开方案相对于相关技术的其中一个有益效果，本公开实施方式通过电感回地可适用于辐射体原始谐振频率小于工作频率的情况，实现更加高频的圆极化天线。例如，在利用本公开天线结构实现卫星定位GPS天线时，本公开实施方式中的电感或电容回地方式以及它们之间的组合回地方式，可以适用于辐射体的原始谐振频率大于或小于GPS工作频率1.575GHz的情况。这也就是说，本公开提出的方案具有较强的适应性和灵活性。

在前述基础上，下面进一步探究电容和电感的位置对圆极化天线的影响。参见图3和图4可知，由于辐射体200为环形结构，因此可以用第一夹角α表示电感121的位置，用第二夹角β表示电容131的位置，需要特别注意，这里的第一夹角α和第二夹角β表示的方向是相反的。

首先，由于环形辐射体实现圆极化的条件是辐射体有效周长等于工作频率的一个波长，根据谐振波的电流分布可知，在整个圆周上必然存在两个电流零点和两个电流峰值(通过图3和图4也可以看到)。因此在某个时刻可根据电流分布将整个辐射体一周分为四个区域，即：

在该区域中电流从0°的零值达到90°的峰值；

在该区域中电流从90°峰值降至180°的零值；

在该区域中电流从180°的零值达到270°的峰值；

在该区域中电流从270°的峰值降至360°的零值。

上述电流分布为一个周期的电流变化分布，在电感121和电容131的作用下，该周期性电流分布将随着时间在环形的辐射体中周期性旋转，也即上述的形成圆极化波。并且，电流在辐射体中沿顺时针方向旋转时，则产生左旋圆极化波，而电流在辐射体中逆时针方向旋转时，则产生右旋圆极化波。

如图3所示，辐射体200的电流在电感121作用下产生旋转，以馈电点111为0点，当第一夹角

时，即牵引电流逆时针旋转；相反当第一夹角

时，则牵引电流顺时针旋转。这是由于在交流电路中电感121两端的电流的位相比其两端电压的位相滞后，因此当第一夹角

时，上述的位相滞后将导致环形辐射体200上的电流沿着逆时针方向旋转，进而实现右旋圆极化天线。同理，当第一夹角

时，电感121两端的电流位相的滞后将导致环形辐射体200上的电流沿着顺时针旋转进而实现左旋圆极化天线。

同时，结合圆极化波在环形辐射体存在时电流在辐射体上具有一个周期的特征，可知图3所示的圆极化天线应当满足如下规律：当第一夹角

时，电流逆时针旋转，产生右旋圆极化波；而当第一夹角

时，电流顺时针旋转，产生左旋圆极化波。其中，“∪”表示两者并集。

基于上述规律，即可通过设置不同的电感121的位置来实现左旋圆极化或者右旋圆极化天线。例如在一个示例中，利用图3所示的天线结构实现GPS天线，则可以将电感121设于第一夹角

的区间，从而实现右旋圆极化天线。

如图4所示，辐射体200的电流在电容131作用下产生旋转，以馈电点111为0点，当第二夹角

时，即牵引电流逆时针旋转；相反当第二夹角

时，则牵引电流顺时针旋转。这是由于在交流电路中电容131两端的电流的位相比其两端电压的位相超前，因此当第二夹角

时，上述的位相超前将导致环形辐射体200上的电流沿着逆时针方向旋转，进而实现右旋圆极化天线。同理，当第二夹角

时，电容131两端的电流位相的超前将导致环形辐射体200上的电流沿着顺时针旋转进而实现左旋圆极化天线。

同时，结合圆极化波在环形辐射体存在时电流在辐射体上具有一个周期的特征，可知图4所示的圆极化天线应当满足如下规律：当第二夹角

时，电流逆时针旋转，产生右旋圆极化波；而当第二夹角

时，电流顺时针旋转，产生左旋圆极化波。其中，“∪”表示两者并集。

基于上述规律，即可通过设置不同的电容131的位置来实现左旋圆极化或者右旋圆极化天线。例如在一个示例中，利用图4所示的天线结构实现GPS天线，则可以将电容131设于第二夹角

的区间，从而实现右旋圆极化天线。

具体来说，第一夹角α(电感回地方式)和第二夹角β(电容回地方式)对于天线圆极化方向的关系可参见表一所示：

表一

第一夹角α	0°～90°	90°～180°	180°～270°	270°～360°
					圆极化方向	右旋	左旋	右旋	左旋
第二夹角β	0°～90°	90°～180°	180°～270°	270°～360°
					圆极化方向	右旋	左旋	右旋	左旋

基于上述以及圆极化电流分布的周期性规律，可以得到本公开圆极化天线设计的如下特点1，

特点1：在第一夹角α₀位置施加电感L₀回地，圆极化效果等同于在第一夹角(α₀+180°)位置施加电感L₀回地；在第二夹角β₀位置施加电容C₀回地，圆极化效果等同于在第二夹角(β₀+180°)位置施加电容C₀回地。

在特点1的基础上，我们继续来探讨两个电感(或两个电容)同时施加对于圆极化天线的影响。

在图1所示的基础上，利用两个第一接地端子120回地，两个第一接地端子120均通过一个电感121与设备主板100的接地模块连接。其中一个电感值为2L₀的电感设于第一夹角α₀位置，另一个电感值为2L₀的电感设于第一夹角(α₀+180°)位置。基于上述可知，两个电感产生的圆极化方向相同，并且两个电感为并联，根据电感并联特点可以得到：

式(1)中，L表示等效电感的电感值。通过公式可以看到，两个分设于α₀和(α₀+180°)位置的2L₀的电感，产生的圆极化效果等同于在α₀(或α₀+180°)处设置L₀的电感。

在图1所示的基础上，利用两个第二接地端子130回地，两个第二接地端子130均通过一个电容131与设备主板100的接地模块连接。其中一个电容值为0.5C₀的电容设于第二夹角β₀位置，另一个电容值为0.5C₀的电容设于第二夹角(β₀+180°)位置。基于上述可知，两个电容产生的圆极化方向相同，并且两个电容为并联，根据电容并联特点可以得到：

C＝0.5C₀+0.5C₀＝C₀ (2)

式(2)中，C表示等效电容的电容值。通过公式可以看到，两个分设于β₀和(β₀+180°)位置的0.5C₀的电容，产生的圆极化效果等同于在β₀(或β₀+180°)处设置C₀的电容。

基于此，我们可以在特点1的基础上，得到如下特点2，

特点2：在第一夹角α₀(或α₀+180°)处设置L₀的电感，产生的圆极化效果等同于分别在α₀和(α₀+180°)位置施加2L₀的电感；在第二夹角β₀(或β₀+180°)处设置C₀的电容，产生的圆极化效果等同于分别在β₀和(β₀+180°)位置施加0.5C₀的电容。

基于上述特点2，我们可以利用两个电容或两个电感设计出等效的圆极化天线，从而可以提供更多的天线设计形式。

在上述特点2的基础上，我们进一步探讨电感值(或电容值)以及电感(或电容)位置对于圆极化天线的影响。基于此，可以计算出不同电感值(或电容值)的多个电感(或电容)的位置分布对天线圆极化的影响。

轴比是表征圆极化天线性能的一个重要参数，轴比是指圆极化波的两个正交电场分量的比值，轴比越小表示圆极化性能越好，相反轴比越大表示圆极化性能越差。在本公开实施方式中，圆极化天线性能的一个衡量标准是轴比应当小于3dB。

对于环形辐射体200而言，在某个角度位置施加不同的电感或电容，通过调整电感或电容的值，即可以得到该位置处的最佳圆极化轴比，该最佳轴比相对应于天线的最佳频率。

在一个示例中，辐射体200在未施加电感和电容情况下的原始谐振频率为1.69GHz，图5示出了，当在第二夹角β＝45°位置分别施加0.2pF、0.3pF以及0.4pF的电容时天线的轴比变化曲线。从图5可以看到，当电容值为0.3pF时，天线圆极化的轴比在频率为1.63GHz时达到最佳，此时，电容的容值0.3pF即可定义为该第二夹角下的最佳容值，而最佳轴比对应的频率1.63GHz即可定义为该第二夹角下的最佳频率。

基于上述示例，可以分别得到电容在不同角度下的最佳频率(GHz)和最佳容值(pF)，表二中给出部分示例

表二

第二夹角β	10°	20°	30°	45°	60°
						最佳频率	1.68	1.665	1.645	1.63	1.56
最佳容值	0.8	0.5	0.4	0.3	0.5

从表二可以看出，当第二夹角β为45°时所需要的最佳容值最小，随着第二夹角β的逐渐增大或减小，所需要的最佳容值也会逐渐增大，而且第二夹角β越大最佳频率越低。由于最佳频率是第二夹角β和容值的函数，因此定义

P₀＝C₀*β₀ (3)

式(3)中，C₀表示电容的容值，β₀表示第二夹角，因此P₀表示容值为C₀的电容在第二夹角β₀位置时的电容牵引能力。所定义的“电容牵引能力”表示施加电容后，电容牵引环形辐射体200上的电流旋转形成圆极化的能力，正是由于电容牵引能力的存在，才可以通过在不同第二夹角β施加适当的电容，使得天线形成轴比小于3dB的圆极化天线。并且电容牵引能力越大，天线最佳频率朝向低频偏移也越大。

需要特别说明的是，在本公开示例中，由于辐射体200为圆环形，第二夹角β₀与其对应的弧长始终成正比，因此可以利用第二夹角β₀的角度来表示电容的位置。而在其他形状的辐射体中，则应当利用第二夹角β₀所对应的辐射体弧长来表示电容的位置，也即，式(2)中的β₀应当利用电容至馈电点之间的辐射体弧长来表示。

另外，结合前述特点1可知，同一电容施加于β₀与(β₀+180°)位置是等效的，因此在式(3)中，β₀应当位于0°～180°，当β₀大于180°的情况下，应当使β₀减去180°，使其落入0°～180°的范围内。同样，当在非圆环形辐射体情况下，辐射体的长度也应当是β₀∈(0°，180°)时对应的辐射体弧长。

再有，通过前述可知，第二夹角β₀在0°～90°和90°～180°的情况下圆极化的方向相反，为了便于理解，避免不同圆极化方向区间的多个电容之间产生干扰，首先定义下述中第二夹角β₀属于0°～90°区间，也即多个电容均产生右旋圆极化。

在定义电容牵引能力后，结合上述特点2，根据电容并联的原理可知：一个电容牵引能力可以被拆分成两个或多个不同的电容牵引能力分量，也即，在第二夹角β₀位置施加电容C₀，可以等效为：分别在第二夹角β₁位置施加电容C₁、在第二夹角β₂位置施加电容C₂、在第二夹角β₃位置施加电容C₃……

为了证明上述结论，在一个示例中，图6中示出了以下四种情况下圆极化天线轴比的变化曲线：

情况1：第二夹角β₀＝45°，容值C₀＝0.3pF；

情况2：第二夹角β₁＝30°，容值C₁＝0.13pF；

情况3：第二夹角β₂＝50°，容值C₂＝0.19pF；

情况4：将情况2和情况3结合。

如图6可以看出，情况2与情况3中的电容单独施加时，其轴比和情况1的轴比差异很大。但是当情况2和情况3中的电容同时施加时，也即情况4中，可以看到其轴比和最佳频率与情况1非常接近。

图6也证明了，在某个位置施加一个电容，可以等效为把多个不同容值的电容施加到不同的位置上，事实上，这多个电容的牵引能力总和大致相当于等效的一个电容的牵引能力。据此经验，可以得到如下公式：

C₀*β₀≈C₁*β₁+C₂*β₂+…+C_n*β_n (4)

公式(4)在特点1情况下将严格相等，也即两个电容分别设于β₀和(β₀+180°)位置时。因为如上所述，在特点1情况下的两个位置具有完全对等的关系，在上述两个特殊位置上施加相同的电容时，其最佳频率也是完全相同的。但是，在其他不同的位置施加多个电容时，公式(4)的两端只是一种非常近似的关系，同样可以较为准确地指导对多个电容情况的计算。

例如在上述情况1和情况2的参数，同时情况3的角度固定的情况下，利用公式(4)可以计算得到情况下的电容容值C₂＝0.192pF，非常接近情况4中使用的电容C₂＝0.19pF。由此也可以证明上述公式(4)是完全可以用于指导多个电容实现圆极化的天线设计的，利用公式(4)可以帮助我们快速地判断和选取相应的电容位置和电容值。

值得说明的是，本实施方式中，通过针对多个电容的方案说明，一方面可以提供更多的圆极化天线的设计形式，另一方面可以实现对天线结构的静电保护，下面进行简单说明。

TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态二极管)是一种静电保护器件，当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时，能够将其两极间的高阻抗变为低阻抗，有效地保护电子线路中的精密元器件。

TVS管是一个呈现一定容值的器件，也即它本身具有一定的寄生电容。在本公开所涉及的天线频率下，TVS管可以等效于一个容值为0.13pF的电容，因此在本公开的天线结构中，可以利用一个或多个TVS管作为其中的一个或多个第二接地端子，也即利用一个TVS管作为其中一个电容(也可以将一个0.13pF的电容视为一个TVS管)。例如前述情况2中的电容即可视为一个TVS管。在该TVS管的容值和位置固定的情况下，则可根据上述公式(4)快速计算得到其他一个或多个电容的位置和容值。在实现圆极化天线的基础上，还可以对天线进行有效的静电保护，并且可利用多个TVS管实现更好的静电保护效果。

值得说明的是，为了保持圆极化天线的方向不变，上述的多个电容应当位于同一圆极化方向的区间内，例如实现右旋圆极化的情况下，多个电容的第二夹角β应当均位于0°～90°和180°～270°的区间内。当然，在利用公式(4)进行计算时，同样需要将第二夹角β转换至0°～180°范围内，前述已经说明，本领域技术人员能够理解，在此不再赘述。

上述对多个电容的天线原理以及结构进行了说明，在此基础上，根据电感并联的原理可知，同样可以将某一个位置的电感等效为多个不同位置和电感值的电感并联。

在一个示例中，辐射体200在未施加电感和电容情况下的原始谐振频率为1.69GHz，图7示出了，当在第一夹角α＝45°位置分别施加11nH、13nH以及15nH的电感时天线的轴比变化曲线。从图7可以看到，当电感值为13nH时，天线圆极化的轴比在频率为1.745GHz时达到最佳，此时，电感的电感值13nH即可定义为该第一夹角下的最佳电感，而最佳轴比对应的频率1.745GHz即可定义为该第二夹角下的最佳频率。

基于上述示例，可以分别得到电感在不同角度下的最佳频率(GHz)和最佳电感(nH)，表三中给出部分示例

表三

第一夹角α	10°	20°	30°	45°	60°
						最佳频率	1.70	1.71	1.72	1.745	1.785
最佳电感	4	8	11	13	11

从表三可以看出，当第一夹角α为45°时所需要的最佳电感最大，随着第一夹角α的逐渐增大或减小，所需要的最佳电感也会逐渐减小。而且第一夹角α越大最佳频率越高。由于最佳频率是第一夹角α和电感的函数，因此定义

Q₀＝L₀*α₀ (5)

式(5)中，L₀表示电感的电感值，α₀表示第一夹角，因此Q₀表示电感值为L₀的电感在第一夹角α₀位置时的电感牵引能力。所定义的“电感牵引能力”表示施加电感后，电感牵引环形辐射体200上的电流旋转形成圆极化的能力，正是由于电感牵引能力的存在，才可以通过在不同第一夹角α施加适当的电感，使得天线形成轴比小于3dB的圆极化天线。并且电感牵引能力越大，天线最佳频率朝向高频偏移也越大。

需要特别说明的是，在本公开示例中，由于辐射体200为圆环形，第一夹角α₀与其对应的弧长始终成正比，因此可以利用第一夹角α₀的角度来表示电感的位置。而在其他形状的辐射体中，则应当利用第一夹角α₀所对应的辐射体弧长来表示电感的位置，也即，式(5)中的α₀应当利用电感至馈电点之间的辐射体弧长来表示。

另外，结合前述特点1可知，同一电感施加于α₀与(α₀+180°)位置是等效的，因此在式(5)中，α₀应当位于0°～180°，当α₀大于180°的情况下，应当使α₀减去180°，使其落入0°～180°的范围内。同样，当在非圆环形辐射体情况下，辐射体的长度也应当是α₀∈(0°，180°)时对应的辐射体弧长。

再有，通过前述可知，第一夹角α₀在0°～90°和90°～180°的情况下圆极化的方向相反，为了便于理解，避免不同圆极化方向区间的多个电容之间产生干扰，首先定义下述中第一夹角α₀属于0°～90°区间，也即多个电感均产生右旋圆极化。

在定义电感牵引能力后，结合上述特点2，根据电感并联原理可知：一个电感牵引能力可以被拆分成两个或多个不同的电感牵引能力分量，也即，在第一夹角α₀位置施加电容L₀，可以等效为：分别在第一夹角α₁位置施加电感L₁、在第一夹角α₂位置施加电感L₂、在第一夹角α₃位置施加电感L₃……结合公式(1)的电感并联原理，可以得到如下经验公式：

公式(6)在特点1情况下将严格相等，也即两个电感分别设于α₀和(α₀+180°)位置时，因为如上所述，在特点1情况下的两个位置具有完全对等的关系，在上述两个特殊位置上施加相同的电感时，其最佳频率也是完全相同的。但是，在其他不同的位置施加多个电感时，公式(6)的两端只是一种非常近似的关系，同样可以较为准确地指导对多个电感情况的计算。通过公式(6)的指导，可以实现更多的圆极化天线的设计形式。

通过上述对多个电容和多个电感设计方案的详细说明，可以得到本公开天线结构的如下特点3，

特点3：在同一圆极化方向的区间内，施加多个不同位置和不同电感值的电感，等效于在某一个固定位置施加一个电感的圆极化效果；在同一圆极化方向的区间内，施加多个不同位置和不同容值的电容，等效于在某一个固定位置施加一个电容的圆极化效果。

基于特点3，在进行多电感或多电容天线设计时，可以首先利用一个电感或电容调整至某一角度下的最佳值，然后根据上述公式(4)或(6)即可得到等效的多个电感或电容的最佳值和位置。

值得说明的是，通过观察表二和表三的最佳频率可以看到，对于原始谐振频率为1.69GHz的辐射体来说，当施加电感回地时，最佳轴比对应的最佳频率均大于原始谐振频率1.69GHz；而当施加电容回地时，最佳轴比对应的最佳频率均小于原始谐振频率1.69GHz。这也证明了前述的结论的正确性，即：利用电感回地可以减小天线的有效电长度，而利用电容回地可以增加天线的有效电长度。

通过上述说明可知，通过电感或者电容均可以实现圆极化，并且在适当的位置施加电感或电容可以实现左旋或者右旋圆极化。上述说明还进一步讨论了，位于相同圆极化方向区间的多个电感的电感牵引能力、多个电容的电容牵引能力可以叠加。下面针对不同圆极化方向区间的电感或电容对圆极化的影响进行说明。

首先，如前所示，对于电感回地或者电容回地产生圆极化天线的效果定义为电容或电感的“牵引能力”，在此基础上，定义电感或电容处在右旋圆极化区间内时产生的牵引能力定义为“右旋牵引能力”，定义电感或电容处在左旋圆极化区间内时产生的牵引能力定义为“左旋牵引能力”。

基于圆极化产生的原理，可以得到如下结论：在多个电感或电容被设于不同的左旋或右旋的圆极化区间内时，只要多个电感或电容的右旋牵引能力大于左旋牵引能力，天线的圆极化方向即为右旋；相反，只要多个电感或电容的左旋牵引能力大于右旋牵引能力，天线的圆极化方向即为左旋。

为了证明该结论，在一个示例中，分别在天线结构的右旋圆极化区间内设置一个电感、在左旋圆极化区间内设置一个电容。具体来说，电感L设于第一夹角α＝60°位置；电容C设于第二角度β＝-15°(也即β＝345°)且C＝0.13pF。如上所述，容值为0.13pF的电容C可以等效为一个TVS管，从而对天线结构形成静电保护，对此不再赘述。

首先，图8示出了当电感L固定设于第一夹角α＝60°位置，且电容C＝0.13pF设于第二夹角β＝-15°时，天线的轴比和频率随电感值的变化曲线。通过图8可以看到，当电感L＝9nH时圆极化的轴比达到最佳，该最佳轴比对应的最佳频率为1.8GHz。然而对比前文表三，在同一角度(α＝60°)下单独施加电感回地最佳频率为1.785GHz。由此可以证明，在同时施加电感和电容之后，电容的牵引能力将对电感牵引能力产生一定程度的影响，在进行天线设计时，也可以据此对天线谐振频率进行调整，增加天线设计的适应性和灵活性。

图9示出了本示例中天线结构的辐射增益图，通过图9即可看出，天线结构仍为右旋圆极化，这是因为由电感产生的右旋牵引能力大于由电容产生的左旋牵引能力，因此两者叠加之后天线仍为右旋圆极化天线。由此，也证明了上述结论的正确性。

通过上述讨论，可以得到本公开圆极化天线的如下特点4，

特点4：多个电容和多个电感可以同时设于天线的不同位置，当电容和电感均位于相同方向的圆极化区间时，其圆极化的效果叠加增强；当电容和电感被设于不同方向的圆极化区间时，其圆极化方向取决于牵引能力更强的一方，例如产生右旋圆极化的右旋牵引能力大于产生左旋圆极化的左旋牵引能力，那么该天线结构保持右旋圆极化。

通过上述四个特点，本领域技术人员毫无疑问可以实现更加灵活和适用的天线结构设计方案，例如，通过使用不同牵引能力的电感和/或电容回地组合，可以实现保持天线圆极化方向的同时对最佳谐振进行调节；又例如，通过分布式的电容和电感回地组合，可以对天线施加TVS管，进而实现天线结构的静电保护；等。

上述对本公开圆极化天线结构的原理以及结构进行了说明，上述圆极化天线可实现任何适于实施的天线类型，例如卫星定位天线、蓝牙天线、Wifi天线以及4G/5G天线等，本公开对此不作限制。下面，以利用上述的天线结构实现智能手表中的卫星定位GPS天线为例，对本公开实施方式的可穿戴设备以及GPS天线进行详细说明。

如图10所示，在本实施方式中，智能手表包括壳体，壳体包括中框310和底壳320，中框310和底壳320采用非金属材质制成，例如塑料、陶瓷、硅胶等。在本实施方式中，手表主体为圆形，因此壳体形成圆柱形的外壳结构。可以理解，壳体还可以是其他任何适于实施的形状，本公开对此不作限制。这里需要说明的是，虽然在本实施方式中底壳320采用了非金属材料制成，但是事实上，当底壳320采用金属材料时也可以实现本公开所需要的右旋圆极化GPS天线，本公开对此不作限制。

主板100和电池400设于壳体内部，电池400可以采用锂电池，从而为主板100供电。主板100为设备主PCB板，其上集成有处理器和各种电路模块等，本公开对此不作赘述。

值得说明的是，主板100上设有屏蔽罩190，屏蔽罩190用于对主板100上的处理器以及其他电路模块进行电磁屏蔽，从而避免对天线性能产生影响，提高天线性能稳定性。

圆环形的金属面框200设于中框310远离底壳320的一侧端面上，也即金属面框200固设于手表的正面边缘一圈。金属面框200即可以作为金属装饰，提高手表质感和外观美观度，也可以用来装配屏幕组件500，也即屏幕组件500固定装配于金属面框200上。更重要的是，在本实施方式中，金属面框200置于主板100上方作为本公开GPS天线的辐射体，也即图1中的辐射体200。

在本实施方式中，馈电端子110一端成型于金属面框200上，另一端连接主板100的馈电模块。同时，金属面框200上还成型有一个第一接地端子120和第二接地端子130，第一接地端子120通过电感与主板100的地连接，第二接地端子130通过电容与主板100的地连接。对于第一接地端子120和第二接地端子130的实现方式，本领域技术人员参见前述说明即可，对此不再赘述。

本实施方式的智能手表装配后结构如图11所示。由于本实施方式中主要针对GPS天线结构进行说明，因此对本实施方式的智能手表结构进行简化，简化后的GPS天线结构如图12所示。

如图12所示，本实施方式的GPS天线在设计时，在未通过第一接地端子120和第二接地端子130回地的情况下，天线的原始谐振频率为1.46GHz左右，也即小于GPS天线的工作频率1.575GHz，基于前述的原理可知，需要采用电感为主导牵引能力的方式来提高天线的谐振频率。

在本实施方式中，第二接地端子130的电容采用容值为0.13pF的电容，通过前述，其可等效为一个TVS管，从而实现天线的静电保护。当然，本领域技术人员可以理解，在本实施方式中，也可以采用TVS管作为第二接地端子130，其实质上是相同的。第二接地端子130设于第二夹角β＝15°的位置。

在确定电容的容值和位置之后，根据以实现GPS天线“右旋圆极化且最佳频率为1.575GHz”为目标，即可确定出电感的位置和电感值。具体来说，可以根据表三中最佳频率随着电感值和第一夹角的规律得到合适的电感值和位置。在本实施方式中，经过优化设计，得到电感值为11nH的电感值被施加于第一夹角α＝65°时，可以实现GPS天线所需要的右旋圆极化性能。也即，在本实施方式中，当电感参数为：α＝65°，电感值为11nH；和电容参数为β＝15°，电容至为0.13pF时，智能手表的右旋圆极化GPS天线性能最佳。

图13示出了本实施方式的GPS天线的轴比随频率的变化曲线。图14示出了本实施方式的GPS天线的回波损耗随频率的变化曲线。图15示出了本实施方式的GPS天线的天线效率随频率的变化曲线。通过图13至图15可以看出，该天线在包括GPS，北斗和格洛纳斯(Glonass)的频段内(1560～1610MHz，带宽为50MHz)均有良好的轴比、天线回波损耗和天线效率，也证明了本实施方式的圆极化GPS天线具有良好的天线性能，能够满足智能手表的使用需求。

为了进一步说明本实施方式GPS天线的佩戴性能，图16示出了在频率1.575GHz的情况下，本实施方式天线的总增益、右旋圆极化增益和左旋圆极化增益在XOZ平面随θ角的变化曲线。图17示出了在频率1.575GHz的情况下，本实施方式天线的总增益、右旋圆极化增益和左旋圆极化增益在YOZ平面随θ角的变化曲线。这里所说的XOZ平面和YOZ平面分别表示图18和图19中，手表在佩戴过程中的空间坐标系平面。通过图16和图17可以看出，右旋圆极化波的增益和天线的总增益在θ角为±60°的范围内均有良好的一致性，而且其左旋圆极化波得到了很好的抑制，也证明了本实施方式的圆极化波具有良好的右旋圆极化性能。

图18和图19示出了在频率1.575GHz的情况下，本实施方式天线的右旋圆极化波在XOZ和YOZ平面上的辐射方向图。通过图18和图19可以看出，本实施方式的GPS天线最大的增益出现在手臂的上方，恰好可以满足在手表佩戴在手臂的情况下我们主要需要关心的三个平面上：也即抬腕观察手表的方向(手表指向天空)，跑步和走步手臂的摆动时所需要的6点方向指向天空以及9点方向指向天空的两个方向。此外，通过图18和图19还可以看出，在XOZ平面上的左右两边天线的辐射有较好的对称性，这也说明本实施方式的GPS天线对左手和右手佩戴具有较好的一致性，换句话说，可以同时满足左手和右手佩戴手表的用户需求。上述结果表明本实施方式的右旋圆极化GPS天线具有良好的天线性能，可以满足快速搜星和准确导航的需求。

在图10所示的实施方式中，天线结构在未施加电容和电感时的原始谐振频率为1.46GHz，低于GPS天线的1.575GHz，因此采用以电感为主导牵引能力的方式实现右旋圆极化GPS天线。在图10实施方式其它环境(比如塑料壳体的材质等)不变的情况下，仅将金属面框200的半径缩小2.5mm的话(当然屏幕和主板等器件也要同时相应的缩小)，该手表的金属面框的原始谐振频率将会变为1.69GHz左右，也即大于GPS天线的1.575GHz。在此情况下，根据上述的原理可知，即需要采用电容为主导牵引的回地方式来实现右旋圆极化GPS天线。

为了进一步说明，图20中示出了一种采用电容回地实现右旋圆极化GPS天线的实施方式。

如图20所示，在本实施方式中，智能手表包括壳体，壳体包括中框310和底壳320；特别在本实施方式中，中框310和底壳320均采用金属材质制成，金属的中框和底壳具有更好的质感，提高设备外观美观度，也提高产品竞争力。当然，当底壳320采用非金属材质制成(例如塑料、陶瓷、硅胶等)时右旋圆极化GPS天线仍可以按照本公开提出的方案来实现，本领域技术人员对此能够理解。

主板100和电池400设于壳体内部，电池400可以采用锂电池，从而为主板100供电。主板100为设备主PCB板，其上集成有处理器和各种电路模块等，屏蔽罩190对主板100上的各电路模块进行电磁屏蔽，本公开对此不作赘述。主板100的地与金属的中框310连接，例如主板100的地通过四个连接端子分别于中框310连接，由于中框310与主板100的地连接，因此中框310即等同于主板100的大地。

金属面框200固设于中框310远离底壳320的一侧端面上，也即金属面框200固设于手表的正面边缘一圈。金属面框200即可以作为金属装饰，提高手表质感和外观美观度，也可以用来装配屏幕组件500，也即屏幕组件500固定装配于金属面框200上。更重要的是，在本实施方式中，金属面框200作为本公开GPS天线的辐射体，也即图1中的辐射体200。

需要说明的是，本实施方式中，金属面框200与中框310之间设置有一圈绝缘层600，绝缘层600的目的是使得金属面框200与主板100的地绝缘隔离形成缝隙结构，从而通过对形成的缝隙结构馈电实现天线功能。换句话说，在图10实施方式中，天线的缝隙结构是通过主板100与金属面框200之间的缝隙形成的，而在本实施方式中，天线的缝隙结构是通过金属中框310与金属面框200之间的缝隙(也即绝缘层600)形成的。不同的天线结构也证明了本公开方案的发明构思可以适用于多种形式的天线结构，均可以实现圆极化的设计要求，从而可以为手表的天线设计提供更多的形式。

在本实施方式中，智能手表的装配结构如图21所示，馈电端子110跨接于金属面框200与金属中框310形成的缝隙中，且馈电端子110连接主板100的馈电模块。同时，本实施方式的GPS天线结构还包括两个第二接地端子130，也即通过两个电容回地。

在本实施方式中，在不施加两个电容的情况下，金属面框200的原始谐振频率在1.69GHz左右，大于GPS天线的工作频率1.575GHz，因此采用电容回地的方式降低天线的谐振频率。

首先，为了对天线结构实现静电保护，设置其中一个容值为0.13pF的电容位于第二夹角β＝190°位置，其可等效为一个TVS管，从而实现天线的静电保护。当然，本领域技术人员可以理解，在本实施方式中，也可以采用TVS管作为其中一个第二接地端子130，其实质上是相同的。

在确定其中一个电容的容值和位置之后，根据以实现GPS天线“右旋圆极化且最佳频率为1.575GHz”为目标，即可确定出另一个电容的位置和容值。在本实施方式中，经过优化设计得到另一个电容容值为0.2pF，其设置于第二夹角β＝50°位置。通过前述可知，这两个电容的位置均位于右旋圆极化区间，因此最终得到的天线也是右旋圆极化形式。

图22示出了本实施方式的GPS天线的轴比随频率的变化曲线。图23示出了本实施方式的GPS天线的回波损耗随频率的变化曲线。图24示出了本实施方式的GPS天线的辐射效率随频率的变化曲线。从图22至图24可以看出，本实施方式的GPS天线具有良好的轴比、天线回波损耗和天线效率。

为了进一步说明本实施方式的GPS天线具有良好的佩戴性能，图25示出了在频率1.575GHz的情况下，本实施方式天线的总增益、右旋圆极化增益和左旋圆极化增益在XOZ平面随θ角的变化曲线。图26示出了在频率1.575GHz的情况下，本实施方式天线的总增益、右旋圆极化增益和左旋圆极化增益在YOZ平面随θ角的变化曲线。这里所说的XOZ平面和YOZ平面分别表示图27和图28中，手表在佩戴过程中的空间坐标系平面。通过图25和图26可以看出，右旋圆极化波的增益和天线的总增益在θ角为±60°的范围内均有良好的一致性，而且其左旋圆极化波得到了很好的抑制，也证明了本实施方式的圆极化波具有良好的右旋圆极化性能。

图27和图28示出了在频率1.575GHz的情况下，本实施方式天线的右旋圆极化波在XOZ和YOZ平面上的辐射方向图。通过图27和图28可以看出，本实施方式的GPS天线最大的增益出现在手臂的上方，恰好可以满足在手表佩戴在手臂的情况下我们主要需要关心的三个平面上：也即抬腕观察手表的方向(手表指向天空)，跑步和走步手臂的摆动时所需要的6点方向指向天空以及9点方向指向天空的两个方向。此外，通过图27和图28还可以看出，在XOZ平面上的左右两边天线的辐射有较好的对称性，这也说明本实施方式的GPS天线对左手和右手佩戴具有较好的一致性，换句话说，可以同时满足左手和右手佩戴手表的用户需求。上述结果表明本实施方式的右旋圆极化GPS天线具有良好的天线性能，可以满足快速搜星和准确导航的需求。

通过上述两个具体实施方式对于智能手表的GPS右旋圆极化天线的说明，本领域技术人员可以理解，本公开的天线结构通过对环形辐射体直接馈电，利用电感和/或电容对辐射体的电流牵引，使得环形辐射体产生旋转的有效环形电流，从而形成圆极化波，实现圆极化天线。相较线极化天线，圆极化天线的接收效率更高，从而在卫星定位时定位更加准确。相较已知方案中的圆极化方案，本公开无需耦合其他结构，大大简化了圆极化天线的结构和难度，更容易在体积较小的智能穿戴设备上实现。并且，通过上述对于电容和电感位置以及数量的说明，还有电感和电容对于天线有效电长度影响的讨论，可以提供更多设计形式的天线结构，满足天线结构在各种设备上的适用性。

在图10和图20的两个实施方式中分别示出了两种不同的天线结构，前述也以及提到，在图10实施方式中，天线的缝隙是通过主板100与金属面框200之间的缝隙形成的，而在图20实施方式中，天线的缝隙是通过金属中框310与金属面框200之间的缝隙形成的。事实上，实现本方案的天线形式不局限于此，例如图29示出了一种替代实施方式。

如图29所示，在本实施方式中，智能手表包括壳体，壳体包括中框和非金属底壳320，中框包括金属的上边框311和非金属的下边框312，在本实施方式中，天线的缝隙结构通过主板100与金属的上边框311之间的缝隙313实现，通过对该缝隙313进行馈电和电感和/或电容回地方式来实现本公开方案，也即上边框311形成天线的主辐射体。本领域技术人员结合前述，能够理解并充分实施本实施方式的方案，对此不再赘述。

另外，在图29实施方式的基础上，本领域技术人员能够理解，上边框311和下边框312也可以采用一个完整的金属中框替代，其原理相同，本公开对此不作赘述。

值得说明的是，本公开实施方式中，为了达到较好的激发环形辐射体上的圆极化波的目的，主板100应当与环形辐射体具有相类似的形状，从而两者之间形成尽可能均匀的缝隙。然而，在实际应用中，主板100受到设备内部堆叠设计的影响，一般难以保证具有完整的环形外型。例如图30中所示，为了避让电池等原件，主板被部分去除形成不规则形状。在本实施方式中，为了保证较好的激发环形辐射体上的圆极化波，利用补充部101对不规则的主板100边缘进行补充，使其具有与辐射体200相类似的形状，从而保证天线性能。

在一个示例中，以智能手表为例，主板100的边缘补充部101宽度只要大于1.5mm即可。此外，该补充部101可以是与主板一体成型的结构，也可以是用于固定其它器件(比如扬声器等)的两端和PCB板相互电连接的钢片来代替，也即只要可以保证主板的环形地部分与环形辐射体具有类似的形状即可。而且，主板的环形地与环形辐射体大致形状近似即可，主板外围的微小的凹形缺欠不会影响本公开实施方式的天线结构的性能。

另外值得说明的是，以智能手表为例，智能手表一般至少包括一个卫星定位天线和一个蓝牙/Wifi天线。在本公开方案中，在图12实施方式的基础上，本公开蓝牙/Wifi天线可以有多种设计方式。由于蓝牙天线和Wifi天线中心工作频率相同，均为2.45GHz左右，为便于描述，以下简称“蓝牙天线”。

方案1：直接利用上述实施方式中GPS天线的高阶谐振所产生的2.45GHz左右的谐振来作为蓝牙天线，该高阶谐振多为可用于蓝牙天线的线极化波。

这种情况属于GPS和蓝牙共享同一个馈电的情况，此方案虽然结构简单，但是需要使用和/分路器，和/分路器对天线具有一定的损耗，并且适用性一般。

方案2：在手表内部比如PCB板上单独设计蓝牙天线，并且蓝牙天线与GPS天线的馈电互相独立，此时蓝牙天线和GPS天线之间的耦合较弱，可以忽略不计。

方案3：如图31所示，在主板100和辐射体200之间设置蓝牙天线700，该蓝牙天线可以采用单极天线或者IFA天线实现，在图示中蓝牙天线700采用单极天线，单极天线的辐射枝节与辐射体200平行。此时，蓝牙天线700与辐射体200之间具有一定的耦合作用，其等效于在主板100与辐射体200之间施加了一个固定并且具有相对较小容值的电容。因此，该蓝牙天线也会根据前述的电容效果相同，对GPS天线产生圆极化具有一定的影响，因此可根据前述对蓝牙天线的位置进行设置，例如将蓝牙天线设于右旋圆极化区间。也即，按照本案提出的电容的拆分以及电感和电容组合的原理，该蓝牙天线的实现方式不会影响右旋圆极化GPS天线的实现。

上述以智能手表为例对本公开圆极化天线的结构以及原理进行了说明，可以理解的是，本公开圆极化天线在不同的可穿戴设备中应用时，还可以根据设备的结构相应变形。

例如图32中示出了一种圆极化天线。在前述智能手表的实施方式中，由于设备主板100位于手表内部，因此主板100的大小均小于辐射体200。而在本实施方式中，主板100的大小可以大于辐射体200，另外辐射体200也可以是非圆环形的其他环状结构，例如图示的矩形环。可以理解，本实施方式的天线的其他结构和原理参见前述即可，在此不再赘述。

图32实施方式中的天线结构，可适用于智能眼镜、智能耳机等智能可穿戴设备之后。本领域技术人员可以理解，在实施方式仅作为一种示例，在本公开实现圆极化天线的发明构思基础上，还可以有其他任何适于实施的方式，本公开对此不再枚举。

本公开实施方式的圆极化天线结构，通过对环形辐射体直接馈电，利用电感和/或电容对辐射体的电流牵引，使得环形辐射体产生旋转的有效环形电流，从而形成圆极化波，实现圆极化天线。相较线极化天线，圆极化天线的接收效率更高，从而在卫星定位时定位更加准确。相较已知方案中的圆极化方案，本公开无需耦合其他结构，大大简化了圆极化天线的结构和难度，更容易在体积较小的智能穿戴设备上实现。并且，通过上述对于电容和电感位置以及数量的说明，还有电感和电容对于天线有效电长度影响的讨论，可以提供更多设计形式的天线结构，满足天线结构在各种具有不同尺寸的设备上的适用性。

显然，上述实施方式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技术人员来说，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公开创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种圆极化天线，其特征在于，应用于可穿戴设备，所述天线包括：

环形的缝隙结构，所述缝隙结构包括一环形的金属辐射体，所述金属辐射体环绕一周的有效周长等于所述圆极化天线的中心工作频率的一个波长；

馈电端子，跨接于所述缝隙结构，其一端与所述金属辐射体电性连接，另一端连接主板的馈电模块；以及

至少一个第一接地端子，所述第一接地端子跨接于所述缝隙结构，其一端与所述金属辐射体电性连接，另一端通过电感与所述主板的接地模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，

所述馈电端子与所述金属辐射体中心点的连线为第一连线，所述第一接地端子与所述金属辐射体中心点的连线为第二连线，所述金属辐射体的顺时针环绕方向为第一方向，沿所述第一方向上，所述第一连线至所述第二连线形成第一夹角α；

其中，

或者，

3.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，还包括：

至少一个第二接地端子，所述第二接地端子的一端与所述金属辐射体电性连接，另一端通过电容与所述主板的接地模块电性连接。

4.根据权利要求3所述的圆极化天线，其特征在于，

所述馈电端子与所述金属辐射体中心点的连线为第一连线，所述第二接地端子与所述金属辐射体中心点的连线为第三连线，所述金属辐射体的逆时针环绕方向为第二方向，沿所述第二方向上，所述第一连线至所述第三连线形成第二夹角β；

其中，

或者，

5.根据权利要求3所述的圆极化天线，其特征在于，还包括：

至少一个瞬态二极管，所述瞬态二极管的一端与所述金属辐射体电性连接，另一端与所述主板的接地模块电性连接，所述瞬态二极管形成所述第二接地端子。

6.一种可穿戴设备，其特征在于，包括根据权利要求1至5任一项所述的圆极化天线。

7.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，还包括：

壳体，包括非金属的中框和金属或非金属的底壳，所述主板设于所述壳体内部；

环形的金属面框，固设于所述中框远离所述底壳的一侧端面上，所述金属面框位于所述主板上方，以使得所述金属面框与所述主板之间形成所述缝隙结构，所述金属面框形成所述金属辐射体。

8.根据权利要求7所述的可穿戴设备，其特征在于，还包括：

第二天线，设于所述主板上，且所述第二天线的辐射枝节与所述金属面框相耦合。

9.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，还包括：

壳体，包括金属的中框以及非金属的底壳，所述主板设于所述壳体内部，且所述主板与所述中框之间形成所述缝隙结构，所述中框形成所述金属辐射体。

10.根据权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，还包括：

壳体，包括金属的中框以及金属或非金属的底壳，所述主板设于所述壳体内部，且所述中框与所述主板的接地模块电性连接；

环形的金属面框，固设于所述中框远离所述底壳的一侧端面上，所述中框与所述金属面框之间设有绝缘层，以使得所述中框与所述金属面框之间形成所述缝隙结构，所述金属面框形成所述金属辐射体。

11.根据权利要求6至10任一项所述的可穿戴设备，其特征在于，

所述可穿戴设备为智能手表、智能手环、智能耳机或者智能眼镜。

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