基于介质埋藏的测量型GNSS天线的制作方法

本发明涉及卫星导航天线领域，尤其涉及一种基于介质埋藏的测量型gnss天线。

背景技术

gnss(globalnavigationsatellitesystem)是指全球导航卫星系统，其包括美国的全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)、俄罗斯的格洛纳斯(globalnavigationsatellitesystem，glonass)、欧洲的伽利略卫星导航系统(galileosatellitenavigationsystem，galileo)和中国的北斗卫星导航系统。gnss能够提供时间/空间基准和所有与位置相关的实时动态信息。而gnss天线是接收卫星信号的天线，gnss的定位精度主要取决于天线的精度，对于gnss天线的精度研究一直是致力于天线领域的学者和企业非常重视且持续投入研究的方向。

目前，对于gnss天线的研究主要包括以下几个方向：①如何提高天线的宽角轴比和增益带宽，以同时满足四大导航系统的要求；②如何设计天线以使天线具有剖面低，重量轻，尺寸小等特点，以适用于不同的产品；③如何使得天线能够一个很宽的角度范围内接收信号，并且能够保持稳定的相位中心，以实现更精确的定位。

基于上述研究方向，市面上涌现了非常多的gnss天线，目前，市面上的gnss天线大多采用双介质叠层结构的方式，主要通过在第一介质层和第二介质层上分别设置金属层，然后将第一介质层的金属层与第二介质层的金属层连接。虽然这种双介质叠层的方式可以获得较宽的增益带宽，但是，这种结构设计下的天线剖面高度较高，重量偏重，天线的尺寸较大从而导致设计成本偏高。

技术实现要素：

本发明实施例公开了一种基于介质埋藏的测量型gnss天线，能够有效减小天线的尺寸，降低天线的剖面，以及提高天线的隐蔽性和牢固性，并有效提高其抗干扰能力。

本发明实施例公开了一种基于介质埋藏的测量型gnss天线，所述天线包括第一介质层、若干馈电点、第二介质层。所述第一介质层包括相对设置的上表面和下表面，所述上表面设有第一辐射单元和若干调谐单元，若干所述调谐单元间隔排列设置，所述下表面设有第二辐射单元；所述若干馈电点自所述第一介质层的上表面延伸至所述第一介质层的下表面，用于实现所述第一辐射单元与所述第二辐射单元的耦合连接；所述第二介质层与所述第一介质层连接，所述第二介质层用于埋设所述第一辐射单元、所述调谐单元和/或所述第二辐射单元。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第二介质层为单层介质，所述第二介质层连接于所述第一介质层的所述下表面，用于埋设所述第二辐射单元；或者

所述第二介质层为单层介质，所述第二介质层连接于所述第一介质层的所述上表面，用于埋设所述第一辐射单元及所述调谐单元；或者

所述第二介质层为双层介质，包括第一层第二介质层及第二层第二介质层，所述第一层第二介质层连接于所述第一介质层的所述上表面，用于埋设所述第一辐射单元及所述调谐单元，所述第二层第二介质层连接于所述第一介质层的所述下表面，用于埋设所述第二辐射单元。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第一辐射单元包括第一圆形辐射贴片和四个第一矩形枝节，所述第一圆形辐射贴片印刷形成于所述第一介质层的所述上表面，且所述第一圆形辐射贴片的中心与所述上表面的中心重合，四个所述第一矩形枝节沿所述第一圆形辐射贴片的中心成环形排列，且每一所述第一矩形枝节均与所述第一圆形辐射贴片固定连接。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，若干所述调谐单元沿所述上表面的中心成环形排列设置，且所述调谐单元设于所述第一辐射单元的所述第一圆形辐射贴片的外侧，所述调谐单元包括圆弧形贴片及与所述圆弧形贴片连接的椭圆弧形贴片。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第二辐射单元包括第二圆形辐射贴片和四个第二矩形枝节，所述第二圆形辐射贴片印刷形成于所述下表面，且所述第二圆形辐射贴片的中心与所述下表面的中心重合，所述第二圆形辐射贴片在所述下表面上的投影面积大于所述第一圆形辐射贴片在所述下表面上的投影面积；

四个所述第二矩形枝节沿所述第二圆形辐射贴片的中心成环形排列，且每一所述第二矩形枝节均与所述第二圆形辐射贴片固定连接。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，若干所述馈电点沿所述上表面的中心成环形排列设置，相邻的两所述馈电点之间形成相位差。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述馈电点为四个，所述上表面开设有四个贯穿至所述下表面的圆形孔，各所述馈电点分别设于对应的所述圆形孔内。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述上表面还开设有贯穿至所述下表面的第二通孔及若干短路孔，所述第二通孔的中心与所述上表面的中心重合，若干所述短路孔沿所述第二通孔的中心成环形排列且设置在所述第二通孔的外周，所述短路孔为金属化孔，所述第一辐射单元及所述第二辐射单元均通过所述第二通孔及若干所述短路孔连接。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第二介质层的侧面设有与所述第二介质层高度持平且呈环状分布的若干扼流齿。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例中，所述第二介质层远离所述第一介质层的表面用于与gnss天线的pcb板连接，且所述pcb板背离所述第二介质层的一面设有金属屏蔽盖。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的天线的正面结构示意图。

图2是本发明实施例提供的天线的侧面结构示意图。

图3是本发明实施例提供的天线的背面结构示意图。

图4是本发明实施例提供的天线的立体结构图。

图5是本发明实施例提供的第一介质层的上表面的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的第一介质层的下表面的结构示意图。

图7是本发明实施例提供的第二介质层的结构示意图。

图8是本发明实施例提供的天线的s11曲线图。

图9是本发明实施例提供的天线在1.164ghz、1.227ghz、1.278ghz的无源方向图。

图10是本发明实施例提供的天线在1.525ghz、1.575ghz，1.612ghz的无源方向图。

图11是本发明实施例提供的天线在1.227ghz时，四点馈电和八点馈电的轴比曲线对比图。

图12是本发明实施例提供的天线在1.575ghz时，四点馈电和八点馈电的轴比曲线对比图。

图13是本发明实施例提供的天线在1.227ghz时，加了扼流齿与未加扼流齿的轴比线曲线对比图。

图14是本发明实施例提供的天线在1.575ghz时，加了扼流齿与未加扼流齿的轴比线曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开了一种基于介质埋藏的测量型gnss天线，能够有效减小天线的尺寸，降低天线的剖面，以及提高天线的隐蔽性和牢固性，并有效提高其抗干扰能力。

以下将结合附图对本发明实施例提供的一种基于介质埋藏的测量型gnss天线进行详细描述。

请一并参阅图1至图4，该天线包括第一介质层1、第二介质层2以及若干馈电点3。第一介质层1包括相对设置的上表面和下表面，上表面设有第一辐射单元11和若干调谐单元12，若干调谐单元间隔排列设置，下表面设有第二辐射单元13。若干馈电点3自第一介质层1的上表面延伸至第一介质层1的下表面，用于实现第一辐射单元11与第二辐射单元13的耦合连接。第二介质层2与第一介质层1连接，第二介质层2用于埋设第一辐射单元11、调谐单元12和/或第二辐射单元13。

在本实施例中，为了实现天线的小型化、增强天线的隐蔽性、优化天线的性能，同时起到保护天线、延长天线的使用寿命的目的，本发明实施例采用第二介质层2实现对第一介质层1上的第一辐射单元11、调谐单元12以及第二辐射单元13的埋藏。

具体地，作为一种可选的实施方式，第二介质层2可为单层介质，第二介质层2连接于第一介质层1的下表面，用于埋设第二辐射单元13。则此时，第二介质层2仅对第一介质层1下表面的第二辐射单元13进行埋藏，从而可在一定程度上减小天线的尺寸。

作为另一种可选的实施方式，第二介质层2为单层介质，第二介质层2连接于第一介质层1的上表面，用于埋设第一辐射单元11及调谐单元12。则此时，第二介质层2同时埋藏第一介质层1上表面的第一辐射单元11和调谐单元12，而第二辐射单元13为裸露的方式。

作为又一种可选的实施方式，第二介质层2为双层介质，包括第一层第二介质层及第二层第二介质层，第一层第二介质层连接于第一介质层1的上表面，用于埋设第一辐射单元11及调谐单元12，第二层第二介质层连接于第一介质层1的下表面，用于埋设第二辐射单元13。则此时，不论是第一介质层1上表面的第一辐射单元11、调谐单元12，还是第一介质层1下表面的第二辐射单元13，都可埋藏于第二介质层2内，此时，可实现对天线上的第一辐射单元11、第二辐射单元13以及调谐单元12得到最全面的保护。

优选地，本发明实施例采用第一介质层1和第二介质层2均为单层介质，且第二介质层2连接于第一介质层1的下表面，用于埋设第二辐射单元13为例进行说明。

应该得知的是，一般情况下，本发明中的介质可采用低介电常数的材料，也可以采用高介电常数的材料。在设计时考虑到成本和设计的需要可以灵活地选择介质的材料。具体地，由于第二介质层2为埋藏介质，因此，第二介质层2的材料的介电常数、厚度，损耗角的正切都对天线的性能有一定的影响。优选地，考虑到天线的增益设计指标，第二介质层2采用介质损耗角正切值比较小的材料来进行设计，第二介质层2的介电常数根据设计成本和天线设计指标的实际需要，可以灵活选用其它的介电常数进行设计。而对于第一介质层1而言，其厚度通常需根据天线的带宽、设计成本和实际的设计需要来综合考虑。

优选地，在本实施例中，该第一介质层1以及第二介质层2可选择由低介电常数、低损耗的高频材料构成。例如，第一介质层1以及第二介质层2均可以由空气介质或者陶瓷介质构成。优选地，第一介质层1和第二介质层2采用介电常数为2.65的板材fp0。

该第一介质层1和第二介质层2采用低介电常数的材料构成，可以使得gnss天线的辐射电导增大，q值减小，从而有利于扩展gnss天线的带宽。

进一步地，第一介质层1和第二介质层2的截面形状呈圆形或者多边形(例如，四边形、五边形和六边形等)。且优选地，第一介质层1和第二介质层2的截面形状均为圆形，同时第二介质层2的截面面积大于或等于第一介质层1的截面面积，以实现第二介质层2对第一介质层1上的第一辐射单元11、调谐单元12和/或第二辐射单元13的埋设。

在本实施例中，第一辐射单元11为高频辐射单元(以下对第一辐射单元均采用高频辐射单元来说明)，第二辐射单元13为低频辐射单元(以下对第二辐射单元均采用低频辐射单元来说明)。

其中，在本实施例中，本发明天线总的厚度约为10mm，半径约为45mm，在这种情况下，当天线的低频增益在5dbi以上时，本方案的低频辐射单元13频率范围约为1.164ghz～1.278ghz，天线的高频增益在5.5dbi以上时，高频辐射单元11的频率范围约为1.525ghz～1.612ghz。

一般地，若改变本发明天线的厚度、大小，或者使用更低损耗的材料，天线增益范围会发生变化，高频辐射单元11和低频辐射单元13的频率范围也会随之变化。

结合图1、图5所示，在本实施例中，第一介质层1的截面形状为圆形，高频辐射单元11包括第一圆形辐射贴片111和四个第一矩形枝节112，第一圆形辐射贴片111印刷形成于第一介质层1的上表面，且第一圆形辐射贴片111的中心与上表面的中心重合，四个第一矩形枝节112沿第一圆形辐射贴片111的中心成环形排列，且每一第一矩形枝节112均与第一圆形辐射贴片111固定连接。具体地，第一圆形辐射贴片112的直径小于第一介质层1的直径，四个第一矩形枝节112在第一圆形辐射贴片111上连接时，是沿与第一圆形辐射贴片111的连接处向外延伸的，且该第一矩形枝节112向外延伸的长度和宽度均可调，从而可实现对高频辐射单元11的谐振频率的调节。需要注意是，第一矩形枝节112向外延伸的长度不能超过第一介质层1。

进一步，若干调谐单元12沿第一介质层1的上表面的中心成环形排列设置，且调谐单元12设于高频辐射单元11的第一圆形辐射贴片111的外侧，调谐单元12包括圆弧形贴片121及与圆弧形贴片121连接的椭圆弧形贴片122。具体地，调谐单元12为四个，四个调谐单元12沿第一介质层11的上表面的中心成环形排列设置，且每一个调谐单元12位于相邻的两个第一矩形枝节112之间。

采用圆弧形贴片121和椭圆弧形贴片122结合形成的调谐单元12，可有利于优化天线的阻抗匹配，同时在一定程度上可优化天线低仰角的圆极化特性，使得天线具有宽角轴比特性。此外，圆弧形贴片121和椭圆弧形贴片122形成的调谐单元12，可在一定程度上提高天线的低仰角增益值，从而可以提高系统低仰角的追踪和搜星能力。以及，采用弧形的调谐单元相当于延长电流路径，也可以达到天线实现小型化的目的。

另外，由于本发明采用圆弧形贴片121和椭圆弧形贴片122组合形成调谐单元12的方式，可有效降低天线的剖面，使得本发明尽管有第一介质层1和第二介质层2的双层介质的方式，但仍具有类似于单介质层的剖面高度。

更进一步地，为了实现第一介质层1和第二介质层2的连接，在每一个调谐单元12上均设有固定孔123，该固定孔123设于调谐单元12的圆弧形贴片121与椭圆弧形贴片122之间，固定孔123贯穿第一介质层1、第二介质层2以及连接于第二介质层的pcb板4，然后通过焊针(未图示)穿过固定孔123将第一介质层1、第二介质层2以及pcb板4，实现第一介质层1、第二介质层2与pcb板4的固定连接。具体地，固定孔123为圆孔，且为了防止干扰，固定孔123为非金属材质。

采用在调谐单元12上开设固定孔123实现第一介质层1、第二介质层2和pcb板4的固定连接的方式，不仅可实现对天线的固定，同时还可提高天线的可靠性和牢固性。

结合图1和图5所示，在本实施例中，低频辐射单元13包括第二圆形辐射贴片131和四个第二矩形枝节132，第二圆形辐射贴片131印刷形成于第一介质层1的下表面，且第二圆形辐射贴片131的中心与下表面的中心重合，第二圆形辐射贴片131在下表面上的投影面积大于第一圆形辐射贴片111在下表面上的投影面积；四个第二矩形枝节132沿第二圆形辐射贴片131的中心成环形排列，且每一第二矩形枝节132均与第二圆形辐射贴片131固定连接。可以理解的是，在其他实施例中，低频辐射单元13也可采用非圆形辐射贴片，而是选用椭圆形、方形或六边形等多边形辐射贴片。

请再次参阅图1、图3和图5，在本实施例中，该若干馈电点3沿第一介质层1的上表面的中心成环形排列设置，相邻的两馈电点3之间形成相位差。优选地，馈电点3为四个，四个馈电点3沿第一介质层1的上表面的中心成环形排列设置，馈电点3到第一介质层1的上表面的中心的距离可以调节。且四个馈电点3的相位依次为0°、90°、180°、270°，则相邻的两个馈电点之间的相位差为90°。

结合图11和图12所示，天线在1.227ghz时，采用四点馈电的技术，其轴比和采用八点馈电的轴比相差并不大，由此可知，采用本发明的四点馈电，且馈电点相位依次相差90°实现高频辐射单元11和低频辐射单元13的耦合的技术，可利用馈高频耦合低频的馈电方式，有效拓展天线的带宽，同时取得较高的增益。同时，采用四点馈电技术，可有效解决传统的八馈点加工相对复杂、制作成本较高的问题。这主要体现在四点馈电只需用到三个3db电桥就可以完成高低频的合路，而八馈点要使用六个3db电桥才能完成高低频的合路。因此，采用本发明的四点馈电技术，不仅降低了生产制作的复杂度和成本，而且为电路板的布局提供了一定的空间，有利于电路的布局。此外，通过本发明的四点馈电技术，其高、低频辐射贴片可以独立控制，有利于调试和量产产品良率的把控，从而达到性能较优，生产制作工艺简单，产品小型化的目的。

进一步地，因为本发明天线采用馈高频耦合低频的方式，为了实现能量通过耦合的方式从高频辐射单元11耦合到低频辐射单元13的目的，设置了圆形孔31。第一介质层1的上表面开设有四个贯穿至其下表面的圆形孔31，每一个馈电点3分别设于对应的圆形孔31内。具体地，圆形孔31为非金属孔，且该圆形孔31的中心至第一介质层1的上表面的中心的距离可根据天线的带宽和增益进行调整。

在本实施例中，第一介质层1的上表面还开设有贯穿至其下表面的第二通孔14及若干短路孔15，第二通孔14的中心与第一介质层1的上表面的中心重合，若干短路孔15沿第二通孔14的中心成环形排列且设置在第二通孔14的外周，短路孔15为金属化孔，高频辐射单元11及13低频辐射单元均通过第二通孔14及若干短路孔15连接。具体地，第二通孔14为金属化通孔或者非金属化通孔，采用第二通孔14及若干短路孔15连接第一介质层1的上下表面的高低频辐射单元，有利于优化阻抗匹配。此外，第二通孔14还可以支持蓝牙、wifi、电台天线的拓展设计的需要，第二通孔14只设置在第一介质层1内。

进一步地，短路孔15是金属化过孔，优选为八个，短路孔15的大小一般大于或等于馈电点3的大小。短路孔15的设置一方面是为了抵消金属探针(未图示)过长而引入的寄生电感，有利于谐振；另一方面是为了减少金属探针的数量，减少了产品后续生产焊接数量。应该得知的是，短路孔15仅贯通第一介质层1，用于连接高频辐射单元11和低频辐射单元13，这也利于后续有源电路的布局，有利于降低天线的设计成本，同时也解决了由于金属探针过多导致焊接不一致，从而影响产品性能一致性的问题。可以理解的是，在其他实施例中，短路孔15的个数还可根据天线的带宽、增益等进行调整。

此外，应该注意的是，短路孔15应位于馈电点3的附近，具体为位于馈电点3的内侧，即，短路孔15的中心至第一介质层1的上表面的中心的直线距离应小于馈电点3的中心至第一介质层1的上表面的中心的直线距离。这是因为，在此位置下，短路孔15对于馈电点3的电感特性的消除效果较佳，且同时可兼顾天线两侧的带宽和增益。

请一并参阅图1、图6及图7，在本实施例中，第二介质层2内设有与第二通孔同中心且等直径的非金属化通孔22。

进一步地，第二介质层2的侧面设有与第二介质层2高度持平且呈环状分布的若干扼流齿21。具体地，该若干扼流齿21等距分布在第二介质层2的侧面，且该若干扼流齿21与位于第一介质层1上表面的若干调谐单元12共同作用形成调谐，可使得天线的小型化效果更加明显。

此外，采用扼流齿21的设置，天线的多路径效应的抑制效果更加明显，且系统的抗干扰能力更优，还可以延长外贴片表面的电流路径，实现低频天线小型化的目的。因此，采用扼流齿21的设计，并结合上述调谐单元12采用圆弧形贴片121和椭圆弧形贴片122的设计，可以有效降低天线的剖面，更加有利于天线的小型化设计。

请再次参阅图1和图2，在本实施例中，第二介质层2远离所述第一介质层1的表面用于与gnss天线的pcb板4连接，且pcb板4背离第二介质层的一面设有金属屏蔽盖5，从而在一定程度上减少了其他信号对天线造成的干扰。

具体地，该pcb板4采用双面敷铜的加工工艺，能够较好地利用pcb板4的空间，一定程度上降低了天线的设计成本，此外，采用双面敷铜的工艺，还解决了传统叠层组合天线设计所带来的剖面高，重量重等问题。

请参阅图8，图8为本发明实施例提供的天线的s11曲线图，由图可见，采用本发明实施例的gnss天线呈现双频特性。其中低频的带宽比高频的带宽稍宽，低频能覆盖的带宽范围为1.164ghz-1.278ghz,，高频覆盖的带宽范围为1.525ghz-1.612ghz。

请参阅图9，其中，图9(a)是本发明实施例提供的天线在1.164ghz的无源方向图，图9(b)是本发明实施例提供的天线在1.227ghz的无源方向图，图9(c)是本发明实施例提供的天线在1.278ghz的无源方向图。在图9(a)、图9(b)、图9(c)中，曲线s1表示主极化方向图，曲线s2表示交叉极化方向图。由图9(b)可见，天线的无源增益可达7.09dbi；由图9(a)和图9(c)可见，天线带宽内两侧的增益能达到5dbi以上。

请参阅图10，图10(a)是本发明实施例提供的天线在1.525ghz的无源方向图,图10(b)是本发明实施例提供的天线在1.575ghz的无源方向图,图10(c)是本发明实施例提供的天线在1.612ghz的无源方向图。在图10(a)、图10(b)、图10(c)中，曲线s1表示主极化方向图，曲线s2表示交叉极化方向图。由图10(b)可见，天线的无源增益可达7.8dbi,而由图10(a)和图10(c)可见，天线两侧的增益达到5.5dbi以上。

因此，由图9和图10可知，本发明实施例提供的天线能覆盖gps导航系统、bds导航系统、galileo导航系统、glonass导航系统和lband。

请参阅图11，图11是本发明实施例提供的天线在1.227ghz时，四点馈电和八点馈电的轴比曲线对比图。其中，实线表示四点馈电，虚线表示八点馈电，由图11可见，在四点馈电的情况下，天线的天顶轴比接近于0db,轴比小于3db的角度超过正负100°。

请参阅图12，图12是本发明实施例提供的天线在1.575ghz时，四点馈电和八点馈电的轴比曲线对比图。其中，实线表示四点馈电，虚线表示八点馈电，由图12可见，在四点馈电时，天线的天顶轴比接近于0db,轴比小于3db的角度超过正负75°。

由图11和图12可知，对比天线在四点馈电和八点馈电两种情况下，本发明天线在四点馈电情况下具有较好的圆极特性，具有较好的宽角轴比特性，较优的低仰角圆极化特性，从而提高了低仰角卫星的搜星能力和搜星质量。

请参阅图13，图13是本发明实施例提供的天线在1.227ghz时，加了扼流齿21与未加扼流齿21的轴比线曲线对比图。其中，实线表示增加扼流齿，虚线表示未加扼流齿，由图13可知，本发明天线加了扼流齿后，低仰角的轴比更接近于0db。

请参阅图14，图14是本发明实施例提供的天线在1.575ghz时，加了扼流齿21与未加扼流齿21的轴比线曲线对比图。图中，实线表示增加扼流齿，虚线表示未加扼流齿，由图14可知，加了扼流齿21的天线低仰角的轴比未加扼流齿21的天线低仰角的轴比小。

由图13和图14可知，天线加了扼流齿后，能够有效地拓宽低仰角的轴比，提高天线的性能。

以上对本发明实施例公开的一种基于介质埋藏的测量型gnss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一种基于介质埋藏的测量型gnss天线及其核心思想；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。