专利名称：一种共面集成的gps/its天线的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术的终端天线技术领域，特别涉及一种共面集成的GPS/ ITS天线。
背景技术：
随着无线通信技术的迅猛发展，在现代生活中各种各样的通信服务变得相互关联、相辅相成。为了提高终端天线空间资源的有效利用率，用户终端需要将多种服务集成在同一天线上。由于不同通信服务对方向图和极化的要求不同，传统的单端口馈电的多频天线并不能满足多功能天线的需求。一个典型例子是车载多功能天线，它既产生一个对应卫星定位系统的圆极化方向图，又提供一个对应陆地移动通信服务的垂直极化全向方向图。 这是因为许多陆地移动通信服务需要通过全球定位系统(GPS)来获知车辆所在位置。智能交通系统(ITS)收集高速公路上的车辆信息来实施交通指挥和控制，达到减少堵塞时间、降低交通事故、出行便捷及保护环境的目的。智能交通系统发展潜力巨大， 将引领我国交通管理体制与模式的变革，是我国交通管理走上信息化、智能化、高效化、 社会化的必然选择。目前，中国和美国已经将5. 8GHz频段分配给ITS的短距离通信服务 (DSRCS)。而在英国，全球无线接入技术(WiMAX)未授权的5. 470-5. 725GHz频段也被认为 ITS有可能的候选频段。根据电气和电子工程师协会(IEEE)的标准，ITS服务必须通过全球定位系统(GPS)授时，从而获得同步时钟。因此，汽车电子市场对研发结构简单紧凑、低成本的GSP/ITS多功能天线有着迫切需求。GPS全球定位系统是美国第二代卫星导航系统，被普遍用于消费类电子产品中，如手机和个人数据助理(PDA)设备上。车载GSP导航系统为近年发展迅速，已经成为汽车市场的标准配备。GSP用户终端中最重要的接收部件即为GPS天线，其性能的好坏将直接决定 GPS终端的收发性能。传统的GPS天线常采用四壁螺旋结构，伸出四个螺旋金属臂作为天线使用。四壁螺旋天线的体积庞大，剖面高，即不适合用于车载天线中，也不利于同ITS天线集成。因此，目前迫切需要本领域技术人员解决的一个技术问题就是如何能够创新地提出一种新型的GPS/ITS多功能天线，来满足车载ITS服务的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种共面集成的GPS/ITS天线，同时面向全球定位系统(GPS)和智能交通系统(ITS)的应用，满足终端天线制作工艺简单、低成本、低剖面的要求。为了解决上述问题，本发明公开了一种共面集成的GPS/ITS天线，包括正方形微波介质基板(1)、方形环贴片( 、正方形贴片(3)、地板(4)、微带馈电(5)、短路通孔(6)、 中心馈电探针(7)、GPS信号馈电端口⑶和ITS信号馈电端口(9)，所述的圆形微波介质基板(1)为聚四氟乙烯材料，介电常数为2. 65，损耗正切角为0.002，厚度为3mm，大小为 IOOmmX 100mm，基板双面覆铜的厚度均为0. 07mm。
优选的，所述的正方形贴片C3)位于微波介质基板(1)上表面的中心，其被方形环贴片(2)均勻包围，正方形贴片(3)和方形环贴片(2)之间刻蚀有缝隙。优选的，所述的微带馈线(5)的终端通过短路通孔(6)与地板(4)短路连接。优选的，所述的GPS信号馈电端口⑶的一端与上表面的微带馈线(5)相接，另一端与地板(4)相接。优选的，所述的ITS信号馈电端口(9)的一端通过中心馈电探针(7)与上表面的正方形贴片( 相连，另一端与地板(4)相接。优选的，GPS天线和ITS天线的集成通过采用了普通的印刷电路双层板来实现，并且天线的所有结构都是共面的。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明提供一种共面集成的GPS/ITS天线，同时面向全球定位系统(GPS)和智能交通系统(ITS)的应用，满足终端天线制作工艺简单、低成本、低剖面的要求。所述天线限制在空间体积55 X 55 X 3mm3内，非常适合安置在交通设备的顶部。该共面集成的GPS/ITS 多功能天线即可以产生一个满足GPS L2频段(1.227GHz)的右旋圆极化信号，又能够提供覆盖ITS服务5. 8GHz频段的垂直极化全向方向图。实现中仅采用了普通的印刷电路双层板，制作工艺简单、成本低，并且天线的所有结构都是共面的，非常适合安置在交通设备的顶部。同时，本发明提供的共面集成的GPS/ITS多功能天线的设计方法，不仅可以GPS/ ITS服务中，也可以应用于移动通信其它多功能天线的设计中，相应根据业务工作频率调整所述天线的尺寸。此外，本发明为ITS服务的推广和产业化提供了良好的支持，促进ITS天线技术的发展，让小型化、共面易安装的多功能车载天线成为现实。
图1为本发明提供的共面集成的GPS/ITS天线的三维图示意图；图2为图1的A向视图即俯视图；图3为图1的B向视图即中心截面图；图4为图1的A、B向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)；图5为图4实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的GPS馈电端口反射系数 (Sll)和轴比系数的测量图；图6为图4实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的ITS馈电端口反射系数 (S22)的测量图；图7为图4的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线端口隔离度的测量图 (a) GPS L2频段的端口隔离度；(b) ITS频段的端口隔离度；图8为图4的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的GPS馈电端口工作于 1227MHz时的功率增益方向图(——右旋圆极化分量的功率增益方向图；——左旋圆极化分量的功率增益方向图)(a) :X-Z平面功率增益方向图；(b) :Y-Z平面功率增益方向图；图9为图4的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的ITS馈电端口工作于5800MHz时的功率增益方向图(-■-: θ分量功率增益方向图；一分量功率增益方向图)(a) :X-Z平面功率增益方向图；(b) :Y-Z平面功率增益方向图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。参照图1、图2和图3，示出了本发明的一种共面集成的GPS/ITS天线，所述天线具体包括正方形微波介质基板1、方形环贴片2、正方形贴片3、地板4、微带馈电5、短路通孔 6、中心馈电探针7、GPS信号馈电端口 8和ITS信号馈电端口 9 ；正方形微波介质基板1含上表面和下表面两层；通过刻蚀的方法方形环贴片2、正方形贴片3、微带馈电5加工在微波介质基板1的上表面；微波介质基板1的下表面均为金属，即地板4;微带馈线5的终端通过短路通孔6与地板4短路连接；GPS信号馈电端口 8的一端与微带馈线5相接，另一端与地板4相接；ITS信号馈电端口 9的一端通过中心馈电探针7与上表面的正方形贴片2相连，另一端与地板4相接；本发明的技术方案之实现思想要实现GPS/ITS多功能天线，必须获得覆盖GPS频段的右旋圆极化方向图和覆盖ITS频段的垂直极化全向方向图。本发明新型的共面电容耦合的单端口激励的设计方法来实现圆极化，通过终端短路的微带馈线5耦合馈电的方式来激励方形环贴片2的行波模式，从而获得GPS右旋圆极化信号，其工作模式看近似认为是一个定向耦合器。为了获得覆盖ITS频段的垂直极化全向方向图，通过中心馈电探针7来激励正方形贴片3，使它工作在TM02模式下。TM02模式是贴片天线的径向线模式，方向图类似于单极子，即所需的垂直极化全向方向图。然而TM02模式是高次模，Q值高，阻抗带宽窄， 并不能满足完全覆盖ITS频段。为了拓宽ITS天线的带宽，将方形环贴片2环套在正方形贴片3上。正方形贴片3通过缝隙与方形环贴片2耦合，使方形环贴片2也工作在TM02模式下，从而在ITS频段获得双谐振，从而增强ITS天线的带宽。该结构具体说明如下要实现GPS右旋圆极化天线，首先根据GPS L2频段(1. 227GHz)来设计方形环贴片2的尺寸大小，方形环贴片2的平均周长约等于一个GPS L2频段的等效工作波长；其次通过调节微带馈线5的宽度和与方形环贴片的距离来实现GPS馈电端口 8的阻抗匹配；最后通过调节微带馈线5长度来调节其方向图的轴比系数；要实现ITS垂直极化全向天线，首先据ITS频段(5. 8GHz)来设计正方形环贴片3 的尺寸大小；其次通过中心馈电探针7在正方形贴片的中心对其进行激励，通过改变中心馈电探针7的直径实现ITS馈电端口 9的阻抗匹配；然后，调节正方形贴片3与方形环贴片的缝隙大小，来改变它们的耦合强度，来实现在ITS频段的双谐振，从而拓宽ITS频段的带宽。微波介质基板1采用低成本的聚四氟乙烯材料，介电常数为2. 65，损耗正切角为 0. 002，厚度为3mm，大小为IOOmmXlOOmm ；GPS馈电端口和ITS馈电端口均采用SMA头，特性阻抗为50 Ω ；其余各部份尺寸如图4所示，单位均为毫米(mm)。以图4所示尺寸制作的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的GPS馈电端口反射系数(Sll)和轴比系数的测试结果如图5所示，该GPS天线的回波损耗Sll<-10dB 的带宽为1210-1238MHz 09MHz)，轴比带宽为9MHz，中心频率为1227MHz，可以覆盖GPS L2 频段(1. 227GHz)。以图4所示尺寸制作的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的ITS馈电端口反射系数(S22)的测试结果如图6所示，该ITS天线的回波损耗Sll<-10dB的带宽为 5550-6570MHz (1020MHz, 17. 5% ) 以图4的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线端口隔离度的测试结果如图 7所示，在GPS工作频段和ITS工作频段，GPS馈电端口 8和ITS馈电端口 9的隔离度均高于 20dB。以图4所示尺寸制作的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的GPS馈电端口工作于1227MHz时的功率增益方向图如8所示。在X-Z平面和Y-Z平面中，GPS天线的主辐射方向指向顶端，在3dB波束带宽内交叉极化均优于20dB，有着良好的右旋圆极化特性。 在GPS L2频段(1. 227GHz)的范围内，天线增益为5.4dBi。以图4的实施实例的共面集成的GPS/ITS多功能天线的ITS馈电端口工作于 5800MHz时的功率增益方向图如图9所示。可以看出，ITS天线在顶端方向是辐射零点，主瓣方向为40 °，有着良好的垂直极化全向方向图，在3dB波束带宽内交叉极化均优于20dB。 在ITS频段范围内，天线增益为5. 3 6. OdBi。可知，所述天线实现共面集成的GPS/ITS多功能天线的阻抗匹配良好，即可以产生一个满足GPS L2频段(1.227GHz)的右旋圆极化信号，又能够提供覆盖ITS服务5. 8GHz 频段的垂直极化全向方；同时所述天线仅采用了普通的印刷电路双层板，制作工艺简单、成本低，并且天线的所有结构都是共面的，非常适合安置在交通设备的顶部。本发明为ITS服务的推广和产业化提供了良好的支持，促进ITS天线技术的发展，让小型化、共面易安装的多功能车载天线成为现实。本发明提供的共面集成的GPS/ITS多功能天线的设计方法，不仅可以GPS/ITS服务中，也可以应用于移动通信其它多功能天线的设计中，相应根据业务工作频率调整所述天线的尺寸。本发明制作工艺简单，成本低，实现了 GPS天线和ITS天线的共面集成，且满足了低剖面、共面易安装的结构要求，天线稳定性好，具有很高的实用价值。以上对本发明所提供的一种共面集成的GPS/ITS天线进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种共面集成的GPS/ITS天线，包括正方形微波介质基板(1)、方形环贴片O)、正方形贴片(3)、地板(4)、微带馈电(5)、短路通孔(6)、中心馈电探针(7)、GPS信号馈电端口 ⑶和ITS信号馈电端口(9)，其特征在于所述的圆形微波介质基板(1)为聚四氟乙烯材料，介电常数为2. 65，损耗正切角为 0. 002，厚度为3mm，大小为IOOmmX 100mm,基板双面覆铜的厚度均为0. 07mm。
2.根据权利要求1所述的共面集成的GPS/ITS天线，其特征在于所述的正方形贴片( 位于微波介质基板(1)上表面的中心，其被方形环贴片(2)均勻包围，正方形贴片(3)和方形环贴片(2)之间刻蚀有缝隙。
3.根据权利要求1所述的共面集成的GPS/ITS天线，其特征在于所述的微带馈线(5)的终端通过短路通孔(6)与地板(4)短路连接。
4.根据权利要求1所述的共面集成的GPS/ITS天线，其特征在于所述的GPS信号馈电端口(8)的一端与上表面的微带馈线(5)相接，另一端与地板(4) 相接。
5.根据权利要求1所述的共面集成的GPS/ITS天线，其特征在于所述的ITS信号馈电端口(9)的一端通过中心馈电探针(7)与上表面的正方形贴片 (2)相连，另一端与地板(4)相接。
6.根据权利要求1所述的共面集成的GPS/ITS天线，其特征在于GPS天线和ITS天线的集成通过采用了普通的印刷电路双层板来实现，并且天线的所有结构都是共面的。
全文摘要
本发明提供了一种共面集成的GPS/ITS天线，同时面向全球定位系统(GPS)和智能交通系统(ITS)的应用，满足终端天线制作工艺简单、低成本、低剖面的要求。所述天线限制在空间体积55×55×3mm3内，非常适合安置在交通设备的顶部。该共面集成的GPS/ITS多功能天线即可以产生一个满足GPS L2频段(1.227GHz)的右旋圆极化信号，又能够提供覆盖ITS服务5.8GHz频段的垂直极化全向方向图。实现中仅采用了普通的印刷电路双层板，制作工艺简单、成本低，并且天线的所有结构都是共面的，非常适合安置在交通设备的顶部。
文档编号H01Q1/48GK102163767SQ20111007246
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者冯正和, 张志军, 魏鲲鹏 申请人:清华大学