用于卫星导航接收器的天线的制作方法
用于卫星导航接收器的天线的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开内容涉及用于卫星导线接收器的天线。
【背景技术】
[0002]卫星导航接收器指的是确定位置的接收器，诸如全球定位系统(GPS)接收器、全球导航卫星系统(GLONASS)接收器或伽利略系统接收器。卫星导航接收器需要天线来接收一个或多个卫星信号，该卫星信号由围绕地球轨道运行的人造卫星的一个或多个卫星发送器发送。某些现有技术的天线在低倾角处不能充分地接收卫星信号。当卫星接收器在高玮度(例如在北极)上运行时在低倾角处接收卫星信号是相当重要的。因此，需要能够在目标范围的倾角上合适地接收和获取卫星信号的天线。
【发明内容】
[0003]根据一个实施例，天线包括带凹口的半椭圆形辐射器。所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面。接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与辐射器的大致平坦的第一表面大致平行。所述接地平面具有中心轴线。馈给构件适于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号。馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开。接地构件连接至每一个辐射器并且与馈给间隔件径向向外地间隔开。
【附图说明】
[0004]图1A是天线的一个实施例的立体图。
[0005]图1B是图1A的天线的俯视图。
[0006]图1C是图1B中的沿参考线1C-1C截取的天线的剖视图。
[0007]图1D是图1D中的沿参考线1D-1D截取的天线的透视图。
[0008]图1E是图1A的天线的分解透视图。
[0009]图2是可以代替图1A中的辐射器的辐射器的可替代实施例。
[0010]图3是用于寄生反射器的支撑结构的一个可替代实施例。
[0011]图4是用于寄生反射器的支撑结构的另一个可替代实施例。
[0012]图5是与图1A的天线一致的天线系统的方框图。
[0013]图6是匹配网络的示意性实施例的示意图。
[0014]图7是合并器或合并网络的方框图。
[0015]图8是与根据本公开内容的天线相关联的示意性辐射方向图的视图。
[0016]图9是连接至天线的卫星导航接收器的框图。
【具体实施方式】
[0017]根据一个实施例，包括图1A至图1E的图示出了天线11。例如，天线11包括一组在空间上偏离并且不同定向的辐射器(26、28、126、128)，如带凹口的半椭圆辐射器。辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面27(例如，如图1C所示)。接地平面14具有大致平坦的第二表面29，该第二表面29通过大致相同的间距51 (如图1C所示)大致平行于辐射器(26、28、126、128)的大致平坦的第一表面27。接地平面14具有中心轴线21。馈给构件32适于传送电磁信号至每一个福射器(26、28、126、128)或从每一个福射器(26、28、126、128)传送信号、或与每一个福射器(26、28、126、128)之间来回地传送信号。馈给构件32中的每一个都与接地平面14的中心轴线21径向向外地间隔开。每一个馈给构件32分别连接或电连接至辐射器(26、28、126、128)中的一个辐射器。接地构件34连接至或电连接至每一个辐射器(26、28、126、128)并且与馈给构件32径向向外地间隔开。
[0018]在一个实施例中，一个或多个寄生反射器(18、20和22)与接地平面14和辐射器(26、28、126、128)轴向地间隔开。虽然在包括图1A至图1E的图的实施例中示出了三个寄生反射器(18、20、22)，但是，在其它实施例中，可以使用一个寄生反射器。在可替代的实施例中，可以没有寄生反射器(18、20、22)。
_9] 辐射器
[0020]辐射器(26、28、126、128)指的是接收或发送诸如从卫星导航系统、卫星辐射器或卫星收发器发射的电磁信号的电磁信号的辐射元件或导电辐射元件。辐射器(26、28、126、128)可以包括例如改进的盘荷式(disk-loaded)电极天线。在一个实施例中，福射器(26、28、126、128)设置为:通过每一个辐射器相对于相邻的辐射器在绕天线11或接地平面14的中心轴线21的顺时针或逆时针方向上的相对方向，提供被接收的电磁信号的相位差信号分量，其中的顺时针或逆时针方向是从天线11上方的视角观察的。如图1B所示，辐射器(26、28、126、128)的每一个的弯曲边缘63面向绕天线11的中心轴线21的顺时针方向，其中辐射器(26、28)中的每一个的直线边缘62与弯曲边缘63相反或邻接弯曲边缘63。辐射器的弯曲边缘63的顺时针定向使得天线11更易于接收例如右旋圆极化信号。弯曲边缘63具有凹口 61或切断部，其中弯曲边缘63是大致椭圆的或大致圆形的。如图所示，凹口61居中定位在弯曲边缘63中或在弯曲边缘63的中心。在可替代的实施例中，每一个辐射器的弯曲边缘63可以面向逆时针方向，尤其是当相比右旋圆极化(RHCP)信号更偏爱接收左旋圆极化(LHCP)信号时。
[0021]在一个实施例中，辐射器(26、28、126、128)可以嵌在、封装在、模制在或固定至大致平坦构件31中或上。大致平坦构件31包括绝缘层或由绝缘材料构成的大致平坦的印刷布线板。如图所示，平坦构件31可以被大致成形为具有从外围区域去除或没有绝缘材料的近似盘状，在该外围区域中不必支撑辐射器。在可替代的实施例中，平坦构件可以基本上是盘形的。
[0022]在一个实施例中，每一个辐射器(26、28、126、128)或单个辐射元件可以实施为或模制为盘荷式单极天线(DLM)或改进的盘荷式单极天线，因为这有助于对其裁剪以在感兴趣的频带上近似地谐振。对于微波频率或对于卫星导航信号(例如GPS信号)的接收，接地平面14与辐射器(26、28、126、128)之间大致相同的间距51为大约14毫米并且接地平面14的直径为大约120毫米，但是其它构造也落入本公开内容和权利要求的范围之内。
[0023]在一个实施例中，辐射器(26、28、126、128)可包括改进的盘荷式单极天线，其中“改进的”的意思是存在对传统的或通常的盘荷式单极天线的一个或多个下述改进:(I)每一个盘都被截断，以使得其仅具有一个凹槽61，(2)两个馈给结构(例如馈给构件32和接地间隔件34)与中心轴线21偏离，以及(3)馈给构件32具有大致圆形、椭圆形或多边形(例如六边形)的截面形状，并且接地构件34具有大致矩形的截面形状。例如，馈给构件32 (例如径向向内的六边形结构)被驱动，并且接地构件34 (例如径向向外的矩形结构)电连接或联接至接地平面14。(具有凹槽61的)盘的截断和馈给件32、34的偏离有利于在驱动辐射器(26、28、126、128)产生右旋圆极化(RHCP)辐射时改进整个天线11的轴比(AR)。当如图1A中定向的辐射器(26、28、126、128)被驱动产生LHCP辐射，AR将被降低。轴比是具有圆极化的电磁场的正交分量的幅值的比率。理想地，圆极化信号具有成90度异相的相等的幅值的正交电磁场分量。因为该分量具有相等的幅值，所以天线11的主射束的轴比可以是Idb或Odb。然而，随着性能可以从任何天线11的主射束或旁射束降低，天线11可以具有不同的轴比。
[0024]寄生反射器
[0025]在一个构造中，天线11包括成大致椭圆形或大致圆形的一个或多个寄生反射器(18,20,22)。在另一构造中，存在具有不同半径的一组反射器(18、20、22)。在又一构造中，该组反射器包括彼此轴向间隔开的第一反射器18、第二反射器20和第三反射器22。其中第一反射器18具有比第二反射器20的半径小的半径，并且第二反射器20具有比第三反射器22的半径小的半径。
[0026]在可替代的实施例中，寄生反射器(18、20、22)从天线11或天线系统中省略或去除。然而，一个或多个寄生反射器的这种省略或去除可能导致天线的AR的降低。
[0027]寄生反射器(18、20、22)由围绕中心轴线21定位或围绕中心轴线21在天线11的中心区域上方的金属材料、金属、合金或其它导电材料构成。寄生反射器(18、20、22)定位在福射器(26、28、126、128)的一部分的上方。寄生反射器(18、20、22)的一个目的是在福射器(26、28、126、128)或辐射元件之间提供受控制的耦合，以使得轴比(AR)被改进。辐射器(26、28、126、128)的竖向间隔和直径影响AR会被降低多少，但是，一般地，当盘定位得越低，阻抗就越偏离目标阻抗(例如，期望为50欧姆)。更多的盘或更少的盘可以用于寄生反射器，但是，在全球导线卫星系统(GNSS)的频带中的测试期间，使用多于三个的寄生反射器(18、20、22)或反射盘时观察到较少的提高。在用于接收从航空器或卫星中发送的一个或多个GPS信号的一个构造中，盘分别具有从最低至最高的大约30_、大约36_以及大约50mm的直径，但是，其它尺寸也可以落入权利要求的范围之内。
[0028]I撑结构
[0029]在一个实施例中，绝缘的支撑结构24在围绕 天线11的中心轴线21的中心部分上方或与辐射器间隔开的位置处支撑一个或多个寄生反射器(18、20、22)。寄生反射器或反射器(18、20、22)可以被绝缘的支撑结构24或与每一个寄生反射器(18、20、22)的外周或边缘相关的主体支撑。例如，如图1B和图1C所示，绝缘的支撑结构24可以具有凹槽或凹部75，该凹槽或凹部75接合每一个寄生反射器的外周部或边缘部77。
[0030]在一个构造中，支撑主体24包括基部85，该基部85具有从基部85延伸的突出的支撑部87 (例如，台阶的突出支撑部)，其中每一个突出的支撑部都包括接合每一个寄生反射器的外周部或边缘部77的凹槽或凹部75。
[0031]有利地，支撑主体24有利于防护或保护寄生反射器(18、20、22)的外周部，以防止寄生反射器(18、20、22)的边缘弯曲或运动，否则，该弯曲或运动可能影响每一个寄生反射器(18、20、22)与辐射器(26、28、126、128)之间的调谐或耦合。
[0032]接地平而
[0033]接地平面14可以包括导电的任何大致平坦的表面29。例如，接地平面14可以包括基板或电路板15的大致连续的金属表面。在一个实施例中，导电材料包括金属材料、金属或合金。在一个实施例中，接地平面14成具有大致相同的厚度的大致椭圆形或圆形。在其它实施例中，接地平面14可以具有大致呈矩形、多边形或以其它方式成形的外周。
[0034]在可替换的实施例中，接地平面14可以由金属屏或类金属的屏构造而成，如由嵌在、模制在或封装在聚合物、塑料或聚合物基体、塑料基体、复合材料等中的金属屏构造而成。
[0035]接地构件
[0036]在一个实施例中，接地构件34具有大致矩形的横截面，但是其它的多边形或其它形状也可以起作用并且可以落入权利要求的范围之内。每一个接地构件34都可以包括间隔件。每一个接地构件34都机械连接并且电连接至接地平面14和对应的辐射器(26、28、126、128)。例如，每一个接地构件34的第一端134 (例如下端)连接至接地平面14，而每一个接地构件34的第二端135连接至对应的辐射器(26、28、126、128)。在一个实施例中，接地构件34相对于中心轴线21定位在馈给构件32的径向之外。
[0037]馈给构件
[0038]馈给构件32与接地平面14电绝缘或隔离。在一个示例中，气隙或间隙建立在馈给构件32与电路板15的接地平面14的开口 79之间。在另一示例中，绝缘体或绝缘环可以置于馈给构件32与接地平面14中的开口 79之间。如图1C所示，每一个馈给构件32的第一端81(例如上端)机械连接并且电连接至对应的辐射器(26、28、126、128)。例如，辐射器(26、28、126、128)可以具有用于容纳馈给构件32的凹部，其中凹部具有与馈给构件32或定位在其上的凸出部的尺寸或形状基本上对应的横截面形状(例如，基本上六边形形状)。在一个实施例中，馈给构件32具有带有五个或多个边的大致多边形的横截面，如基本上五边形或基本上六边形的横截面。因此，位于对应的辐射器中的凹部(例如基本上多边形的凹部)可以与大致多边形的横截面接合或配合。在另一实施例中，馈给构件具有大致圆形的横截面。在一个构造中，凹部焊接至大致多边形的横截面上或与导电粘合剂粘合。馈给构件32由金属、类金属材料、合金或另一导电材料构成。
[0039]如图1C所示，每一个馈给构件32的第二端83(例如下端)与第一端81相反。例如，第二端83电连接至电路板15的一个或多个导电线路16。该导电线路16可以与阻抗匹配网络507(图5中)相关联，该阻抗匹配网络507将在本公开内容的下文中被详细描述。在一个图示的构造中，导电线路16提供发送信号给天线11或者将接收的信号传输至联接至天线11的接收器。在第二端83处，导电环72和紧固件(例如，带螺纹的导电插入件或嵌入的金属螺母)可以支持在辐射器(26、28、126、128)与阻抗匹配网络507或电路板75上的其它电路之间形成电连接或电路径。
[0040]在包括图1A至ID的图中，天线11使用被四个接收的信号独立地驱动的四个辐射器(26、28、126、128)或辐射元件，其中每一个接收的信号与相邻信号或相邻的多个信号在相位上相差90度。例如，图5图示了处于接收模式中的天线11，其中从每一个辐射器(26、28、126、128)或天线元件输入的信号相对于相邻的多个信号异相90度。类似地，在发射模式或发射和接收双模式中，可以被输入至每一个辐射器的发送的信号相对于相邻的多个信号异相90度。
[0041 ] 图1E示出了天线11的分解图。天线可以包括可选的框架13，该框架13在支撑结构24或其基部85中与中心孔113对齐，以促进紧固件30与嵌入在可选的框架13中的紧固件71 (例如螺纹插入件)或位于可选的框架13中的螺纹孔对齐。
[0042]图2是去除了大致平坦构件31以使得辐射器(26、28、126、128)露出的辐射器组件的可替换实施例的图示。在图1A至图1E中以及图2中相似的附图标记表示相似的元件。
[0043]图2中的辐射器(26、28、126、128)不嵌入或不固定至任何绝缘面。相反，辐射器(26、28、126、128)可以包括由导电材料构成的大致平坦的天线元件11，其中辐射器(26、28、126、128)在接地平面中的相对方向如图2所示。辐射器(26、28、126、128)可以与图2的纸面所在的平面一致地延伸。每一个辐射器(26、28、126、128)可以具有一个或多个安装孔202，以使得紧固件30可以将辐射器紧固到天线11或天线11的一部分上。
[0044]图3中的天线111与图1A至图1E中的天线11类似，除了图1C中的支撑结构24被替代的支撑结构124所取代。在图1A至图1E中以及图3中相似的附图标记表示相似的元件。
[0045]在图3中，寄生反射器或多个寄生反射器(18、20、22)可以被绝缘的支撑结构124支撑，该绝缘的支撑结构124与每一个寄生反射器的中心区域301 (例如中心孔)相关联或固定至其上。每一个寄生反射器(18、20、22)可以在其中心孔301处或在其中心孔301和支撑结构124中的各个台阶部(125、127、129)处经由过盈配合固定至中心的绝缘的支撑结构 124。
[0046]在一个构造中，绝缘的支撑结构124包括带有台阶部(125、127、129)的中心支柱，其中每一个台阶部都被构造为支撑或固定寄生反射器(18、20、22)中对应的一个。例如，每一个台阶部(125、127、129)可以围绕其中心孔301从寄生反射器的底部或中心区域支撑寄生反射器(18,20,22) ο
[0047]在可替换的实施例中，每一个寄生反射器(18、20、22)可以经由螺母(例如，不同的螺母，其中下螺母具有比上螺母的直径更大的直径)被固定至中心的绝缘的支撑结构124，该螺母与结构124的圆柱部上的螺纹配合，以在各个螺母与中心的绝缘的支撑结构124的对应的台阶部或肩部(125、127、129)之间拴紧每一个寄生反射器(18、20、22)。
[0048]图4中的天线211与图1B中的天线11类似，其中寄生反射器(18、20、22)的支撑结构24被绝缘层(224、324、424)或绝缘泡沫层的替换的支撑结构取代。例如，每一个绝缘层(224、324、424)可以由聚苯乙烯或具有期望的高度或厚度的另一绝缘材料构成，以在相邻或面对的寄生反射器(18、20、22)之间提供目标间距并且提供与靠近天线211的中心轴线21的寄生反射器(18、20、22)的中心部401分离的目标间距。
[0049]在一个构造中，图4中的代替的绝缘的支持结构包括位于天线211的中心区域401与最近的寄生反射器18之间的第一绝缘层424、位于最近的寄生反射器18与中间的寄生反射器20之间的第二绝缘层324、以及位于中间的寄生反射器20与最远的可能的寄生反射器22之间的第三绝缘层224，其中最近的寄生反射器指的是第一寄生反射器18或离位于反射器上方的中心部401最近的寄生反射器。
[0050]在一个实施例中，寄生反射器(18、20、22)可以被一个或多个对应的绝缘层(例如绝缘泡沫层)支撑，该一个或多个对应的绝缘层与靠近轴线21的每一个寄生反射器的中心区域相关联或位于该中心区域之下。例如，寄生反射器(18、20、22)可以固定至或使用粘合剂粘合至具有期望厚度的对应的绝缘泡沫层:(I)(例如，竖直厚度)以分隔相邻的寄生反射器(18、20、22)，(2)以将第一寄生反射器18与福射器27分隔，或(3)以在福射器与一个或多个技术反射器之间提供期望的耦合度或耦合水平，以优化AR。
[0051]如图4所示，第一绝缘层424在绝缘层31的中心区域401上面，同时第一绝缘层424邻接并且支撑第一寄生反射器18。第二绝缘层324至少在第一寄生反射器18的中心区域上面，同时第二绝缘层324邻接并且支撑第二寄生反射器20。第三绝缘层224至少在第二寄生反射器20的中心区域401上面，同时第三绝缘224邻接并且支撑第三寄生反射器22。
[0052]图5是与包 括图1A至图1E的图中的天线11 一致的天线系统的方框图。在图1A至图1E中以及图5中相似的附图标记表示相似的元件。在可替代的实施例中，例如，天线系统可以包括天线11、天线111或天线211。
[0053]根据图5，天线系统包括连接至天线11的接口系统571。在一个实施例中，接口系统571可以包括经由馈给构件32连接至天线11的对应的辐射器(26、28、126、128)的多个阻抗匹配网络507。在输入节点602处，各个阻抗匹配网络507中的每一个都连接至辐射器(26、28、126、128)中对应的一个，用于在阻抗匹配网络507的输出节点601处将每一个辐射器的阻抗(例如电抗性阻抗)与目标阻抗(例如50欧姆或70欧姆)相匹配。在一个构造中，阻抗匹配网络07中的每一个都包括一个或多个调谐电路(例如图6中的603)，该调谐电路包括电容和电感(例如串联或并联的调谐电路)。
[0054]然后，阻抗匹配网络507连接至合并器501。在一个实施例中，调谐系统包括合并器501，该合并器501具有连接至各个阻抗匹配网络507的输出节点601的主端口(502、503,504,505)和用于与卫星导航装置(例如接收器、辐射器或用于接收器的低噪声放大器(LNA)、诸如图9的接收器900)交互的辅助端口 511。在一个构造中，合并器501在主端口(502、503、504、505)处接收偏移大约90度的具有不同相位的信号分量；合并器501在辅助端口 511处输出包含信号分量中的每一个的复合信号。例如，在图5中，第一端口 502具有带有大约O度的第一相位的接收信号；第二端口 503具有大约90度的第二相位；第三端口504具有大约180度的第三相位；并且第四端口 505具有大约270度的第四相位，其中合并器501可以使用移相器、混合器、铁氧体变压器或其它装置移动相位，以产生合计的或复合的接收信号。关于合并器的辅助端口 511，卫星导航装置包括下列装置中的一个或多个:导航卫星接收器、导航卫星发送器或收发器。
[0055]在天线系统的一个构造中，辐射器(26、28、126、128)设置为通过在围绕中心轴线21的顺时针或逆时针方向上的每一个发生器相对于相邻辐射器的相对定向提供接收的电磁信号(例如卫星信号或卫星导航信号)的相位偏移信号分量。在一个实施例中，辐射器(26、28、126、128)中的每一个的弯曲边缘63面向围绕天线11的中心轴线21的顺时针方向，其中辐射器(26、28、126、128)中的每一个的直线边缘61相对或邻接弯曲边缘63。在另一实施例中，弯曲边缘63具有大致矩形的凹口，并且其中，弯曲边缘成大致椭圆形或大致圆形。
[0056]如图5所示，每一个馈给构件32具有大致多边形的横截面，如六边形的横截面。在可替代的实施例中，馈给构件32具有大致圆形的横截面。例如，接地构件34具有大致矩形的横截面。
[0057]为了高效地接收右旋圆极化(RHCP)辐射，馈给构件32(例如四个六边形驱动柱)可以被接地平面14的底侧上的模拟微波或射频(RF)电路处理，其中电路板15或基板的至少一部分形成接地平面。在一个实施例中，一个或多个阻抗匹配网络507被安装在电路板15上与发生器面向的一侧相反的一侧上(例如，在电路板15的底侧上)。每一个匹配网络507可以连接至对应的辐射器(26、28、126、128)。每一个匹配网络507都将接收的或发送的电磁信号特有的阻抗与用于合并器501的目标阻抗(例如50欧姆)匹配或转换为该目标阻抗。在一个示例中，匹配网络507的输出阻抗在输出节点601处基本上为50欧姆。接下来，四个信号馈送至合并器501 (例如正交合成网络)，如图5所示。合并器501可以包括移相器、合并器或混合模块，以从RHCP接收信号最大化接收信号的功率。
[0058]图6公开了阻抗匹配网络507的一个可能的示意性实施例，与图5中的方框图一致。图5和图6中相似的附图标记指代相似的元件。
[0059]阻抗匹配网络507的输入节点602 (或第一端子)具有电容606C2，该电容606C2可以在接收信号的频域或频带上至少部分地抵消与各个辐射器(例如26、28、126、128))相关联的感抗。输入节点602在接收模式中用作输入端子。阻抗匹配网络507较好地适于补偿天线(11、111或211)的辐射器(26、28、126、128)的电感。
[0060]阻抗匹配网络507包括串联的调谐电路603。串联的调谐电路603又包括串联至电感(LI)的电容(Cl)，其中调谐电路在期望的谐振频率(例如，目标接收信号或接收信号带)处或附近提供带通频率幅值响应。
[0061]阻抗匹配网络507的输出节点601 (例如第二端子)连接至电容(Cl)的一个端子和电感604 (L2)的一个端子。输出节点601在接收模式中是阻抗匹配网络507的输出端子。电感604 (L2)的相反端子接地，以使得低频或直流信号分流至大地，这为在输入节点602处输入的接收信号提供高通频率幅值响应。该高通频率响应于是串联的调谐电路603提供的带通频率响应的累积。第二端子601将目标阻抗(例如大约50欧姆)发送给合并器501。
[0062]基于GPS或另一卫星导航系统的天线11的运行的频率范围，电感LI和L2可以包括至少部分由电路板15上的导电线路16形成或限定的微带线或条状线，而电容Cl和C2可以例如包括具有最小导线长度的贴片式或表面安装式电容。
[0063]图7包括与图5 —致的示意性合并器501。如图所示，合并器501包括多个混合器，包括第一混合器700，该第一混合器700提供具有O度相移的第一输出端口 751和相对于辅助端口 511处的输入信号成90度相移的第二输出端口 752。第一混合器700连接至第二混合器702以及第三混合器704。如图所示，第二混合器702和第三混合器704每一个都提供两个输出端口:相对于输入信号成O度相移的同相输出端口和相对于输入信号成180度相移的反相输出端口(或异相输出端口)。第一输出端口 751连接至第二混合器702，而第二输出端口 752连接至第三混合器704。第二混合器702的同相输出端口连接至输出节点502 ;第二混合器702的反相端口或异相端口连接至输出节点504。第三混合器704的同相输出端口连接至输出节点503 ;第二混合器702的反相端口或异相端口连接至输出节点505。
[0064]图8图示了本公开内容的天线11、111或211的可能的示意性辐射方向图。例如，当馈给构件32通过合适的阻抗匹配网络507连接至合并器501 (例如正交合并器)时，可以产生图8中的一个或多个辐射方向图。
[0065]在极坐标图中，图8图示了针对各种极化的天线增益与方位角的关系，其中以虚线表示的每一个同心圆指示以分贝表示的对应的离散的辐射方向图的增益级，并且其中外边缘指示以度数表示的辐射方向图的方位角。此处，图示下面的接收或发生信号的极化的天线增益与方位角的示意性关系:(I)Ll频率的GPS信号的右旋圆极化(RHCP) (LIRH)，(2) LI的GPS信号的左旋圆极化(LHCP) (LI LH)，(3) L2频率的GPS信号的右旋圆极化(RHCP) (L2RH)，和(4)L2的GPS信号的左旋圆极化(LHCP) (L2LH)。极坐标图示出了 GPSLI (1575MHz)和GPS L2 (1227MHz)的等方性的右旋圆极化增益在上半圆上相当一致。该图还示出左旋圆极化的增益比右旋圆极化的增益低得多，以使得左旋圆极化接收信号被天线11、111或211衰减或拒绝。然而，应理解的是，如有必要，通过改变辐射器(26、28、126、128)的取向并且通过改变其各自的与合并器或合并网络的连接，左旋圆极化可以比右旋圆极化有利。
[0066]图9图示了连接至接口系统571的天线(11、111或211)。接口系统571又连接至接收器900。在图5和图9中相似的附图标记指代相似的元件。
[0067]在一个实施例中，接收器900包括卫星导航接收器或定位接收器，如GPS接收器。接收器900包括低噪声放大器901、下变频器902、模数转换器903和数据处理器904。
[0068]低噪声放大器(LNA)901包括用于放大经由接口系统571或其辅助端口 511从天线(11、111或211)提供的接收信号的模拟射频放大器或微波放大器。在一个构造中，低噪声放大器901连接至用于将处于接收频率的接收信号降频至中频信号或基带频率信号的下变频器902。
[0069]在一个实施例中，下变频器902可以包括本地基准振荡器和混合本地产生的信号与接收信号以用于降频的混合器。下变频器902连接至模数转换器903。
[0070]如图所示，模数转换器903设置为将中频信号或基带频率信号转换至数字中频信号或数字基带频率信号。模数转换器903连接至数据处理器904。
[0071]在一个实施例中，数据处理器904可以包括微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、可编程逻辑器件、数字信号处理器、专用集成电路或另一电子数据处理系统。数据处理器904被配置为解码或解调接收信号的至少一部分，以追踪接收信号的载波相位，或另外处理从一 个或多个卫星接收的接收信号以估计接收器900以及更具体的其天线11、111、211的位置。
[0072]本文件中描述的天线(11、111或211)较好地适用于高精度的基于地球的全球卫星导航(GNSS)接收器。如在自动导航系统和移动电话中已经发现的那些中至低精度的GNSS接收器在其天线性能需求上的要求较少。本文中描述的天线(11、111或211)可以在+3dBi的上半圆中提供一致的等方性的增益并且在水平以下的仰角处没有增益；与左旋圆极化相反，提供具有右旋圆极化(RHCP)的信号的接收；并且提供相对于频率的增益的低变化(即平坦的频率响应)。例如，可以容易以重量轻的相对紧凑的尺寸制造本公开内容的天线。
[0073]已经描述了优选实施例，将变得明显的是，在不背离附属的权利要求所限定的本发明的范围的情况下可以做出各种修改。例如，本文件中提出的任何从属权利要求中的一个或多个可以与任何独立权利要求组合，以形成附属的权利要求中提出的特征的任意组合，并且权利要求中的特征的这样的组合在此处通过引用被并入本文件的说明书中。
【主权项】
1.一种天线，包括: 多个带凹口的半椭圆形辐射器，所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面； 接地平面，该接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与所述辐射器的大致平坦的第一表面大致平行，所述接地平面具有中心轴线； 多个馈给构件，该多个馈给构件用于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号，馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开；以及 接地构件，该接地构件连接至每一个辐射器并且与所述馈给间隔件径向向外地间隔开。2.根据权利要求1所述的天线，还包括: 至少一个寄生反射器，该至少一个寄生反射器位于所述带凹口的半椭圆形辐射器上方并且与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，其中，所述至少一个寄生反射器改善天线的轴比。3.根据权利要求1所述的天线，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构具有用于接合所述对应的外周部的凹槽或凹部。4.根据权利要求1所述的天线，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构包括具有台阶部的中心柱，其中，每一个台阶部都被构造为固定所述寄生反射器中对应的一个。5.根据权利要求1所述的天线，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构包括位于天线的中心区域与最近的寄生反射器之间的第一绝缘层、位于最近的寄生反射器与中间的寄生反射器之间的第二绝缘层、和位于中间的寄生反射器与最远的寄生反射器之间的第三绝缘层。6.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射器设置为通过每一个发生器在围绕所述中心轴线的顺时针或逆时针方向上相对于相邻辐射器的相对定向提供所接收的电磁信号中的相位偏移信号分量。7.根据权利要求6所述的天线，其中，所述辐射器中的每一个的弯曲边缘面向围绕天线的中心轴线的顺时针方向，并且其中，所述辐射器中的每一个的直线边缘与所述弯曲边缘相对，所述顺时针方向是从天线的上方观察的。8.根据权利要求7所述的天线，其中，所述弯曲边缘具有大致矩形的凹口，并且其中，所述弯曲边缘是大致椭圆形的或大致圆形的。9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈给构件包括具有五个或更多个边的大致多边形的横截面。10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈给构件具有大致圆形的横截面。11.根据权利要求1所述的天线，其中，所述接地构件具有大致矩形的横截面。12.根据权利要求1所述的天线，还包括: 多个阻抗匹配网络，阻抗匹配网络中相应的一个连接至所述辐射器中对应的一个，用于将每一个辐射器的阻抗与所述阻抗匹配网络的输出节点处的目标阻抗相匹配。13.根据权利要求12所述的天线，还包括: 合并器，该合并器具有连接至各个阻抗匹配网络的输出节点的主端口和用于与卫星导航装置交互的辅助端口。14.一种天线系统，包括: 多个带凹口的半椭圆形辐射器，所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面； 接地平面，该接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与所述辐射器的大致平坦的第一表面大致平行，所述接地平面具有中心轴线； 多个馈给构件，该多个馈给构件用于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号，馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开； 接地构件，该接地构件连接至每一个辐射器并且与所述馈给间隔件径向向外地间隔开； 多个阻抗匹配网络，阻抗匹配网络中相应的一个连接至所述辐射器中对应的一个，用于将每一个辐射器的阻抗与所述阻抗匹配网络的输出节点处的目标阻抗相匹配；以及 合并器，该合并器具有连接至各个阻抗匹配网络的输出节点的主端口和用于与卫星导航装置交互的辅助端口。15.根据权利要求14所述的天线系统，还包括: 至少一个寄生反射器，该至少一个寄生反射器位于所述带凹口的半椭圆形辐射器上方并且与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，其中，所述至少一个寄生反射器改善天线的轴比。16.根据权利要求14所述的天线系统，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构具有用于接合所述对应的外周部的凹槽或凹部。17.根据权利要求14所述的天线系统，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构包括具有台阶部的中心柱，其中，每一个台阶部都被构造为固定所述寄生反射器中对应的一个。18.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述合并器接收不同相位的信号分量，这些不同相位的信号分量在所述第一端口处偏移大约90度，并且所述合并器在第二输出端口处输出包含所述信号分量中的每一个信号分量的复合信号。19.根据权利要求14所述的天线系统，其中，卫星导航装置包括导航卫星接收器。20.根据权利要求14所述的天线系统，其中，阻抗匹配网络中的每一个都包括一个或多个调谐电路，所述调谐电路包括电容和电感。21.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述辐射器设置为通过每一个发生器在围绕所述中心轴线的顺时针或逆时针方向上相对于相邻辐射器的相对定向提供所接收的电磁信号中的相位偏移信号分量。22.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述辐射器中的每一个的弯曲边缘面向围绕天线的中心轴线的顺时针方向，并且其中，所述辐射器中的每一个的直线边缘与所述弯曲边缘相对。23.根据权利要求22所述的天线系统，其中，所述弯曲边缘具有大致矩形的凹口，并且其中，所述弯曲边缘是大致椭圆形的或大致圆形的。24.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述馈给构件包括具有五个或更多个边的大致多边形的横截面。25.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述馈给构件具有大致圆形的横截面。26.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述接地构件具有大致矩形的横截面。27.—种卫星导航接收器，其中，改进包括天线，所述天线包括: 多个带凹口的半椭圆形辐射器，所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面；接地平面，该接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与所述辐射器的大致平坦的第一表面大致平行，所述接地平面具有中心轴线； 多个馈给构件，该多个馈给构件用于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号，馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开；以及 接地构件，该接地构件连接至每一个辐射器并且与所述馈给间隔件径向向外地间隔开。
【专利摘要】天线(11)包括带凹口的半椭圆形辐射器(26、28、126、128)。所述辐射器(26、28、126、128)中的每一个都具有大致平坦的第一表面。接地平面(14)具有大致平坦的第二表面(29)，该第二表面通过大致相同的间距与辐射器(26、28、126、128)的大致平坦的第一表面大致平行。所述接地平面(14)具有中心轴线。馈给构件(32)适于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号。馈给构件(32)中的每一个都与所述接地平面(14)的中心轴线径向向外地间隔开。接地构件(34)连接至每一个辐射器并且与馈给间隔件(32)径向向外地间隔开。
【IPC分类】H01Q21/24
【公开号】CN104885301
【申请号】CN201380066986
【发明人】马克·L·伦茨
【申请人】迪尔公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月10日
【公告号】DE112013006167T5, US20140176386, WO2014099451A1
【技术领域】
[0001 ] 本公开内容涉及用于卫星导线接收器的天线。
【背景技术】
[0002]卫星导航接收器指的是确定位置的接收器，诸如全球定位系统(GPS)接收器、全球导航卫星系统(GLONASS)接收器或伽利略系统接收器。卫星导航接收器需要天线来接收一个或多个卫星信号，该卫星信号由围绕地球轨道运行的人造卫星的一个或多个卫星发送器发送。某些现有技术的天线在低倾角处不能充分地接收卫星信号。当卫星接收器在高玮度(例如在北极)上运行时在低倾角处接收卫星信号是相当重要的。因此，需要能够在目标范围的倾角上合适地接收和获取卫星信号的天线。
【发明内容】
[0003]根据一个实施例，天线包括带凹口的半椭圆形辐射器。所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面。接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与辐射器的大致平坦的第一表面大致平行。所述接地平面具有中心轴线。馈给构件适于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号。馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开。接地构件连接至每一个辐射器并且与馈给间隔件径向向外地间隔开。
【附图说明】
[0004]图1A是天线的一个实施例的立体图。
[0005]图1B是图1A的天线的俯视图。
[0006]图1C是图1B中的沿参考线1C-1C截取的天线的剖视图。
[0007]图1D是图1D中的沿参考线1D-1D截取的天线的透视图。
[0008]图1E是图1A的天线的分解透视图。
[0009]图2是可以代替图1A中的辐射器的辐射器的可替代实施例。
[0010]图3是用于寄生反射器的支撑结构的一个可替代实施例。
[0011]图4是用于寄生反射器的支撑结构的另一个可替代实施例。
[0012]图5是与图1A的天线一致的天线系统的方框图。
[0013]图6是匹配网络的示意性实施例的示意图。
[0014]图7是合并器或合并网络的方框图。
[0015]图8是与根据本公开内容的天线相关联的示意性辐射方向图的视图。
[0016]图9是连接至天线的卫星导航接收器的框图。
【具体实施方式】
[0017]根据一个实施例，包括图1A至图1E的图示出了天线11。例如，天线11包括一组在空间上偏离并且不同定向的辐射器(26、28、126、128)，如带凹口的半椭圆辐射器。辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面27(例如，如图1C所示)。接地平面14具有大致平坦的第二表面29，该第二表面29通过大致相同的间距51 (如图1C所示)大致平行于辐射器(26、28、126、128)的大致平坦的第一表面27。接地平面14具有中心轴线21。馈给构件32适于传送电磁信号至每一个福射器(26、28、126、128)或从每一个福射器(26、28、126、128)传送信号、或与每一个福射器(26、28、126、128)之间来回地传送信号。馈给构件32中的每一个都与接地平面14的中心轴线21径向向外地间隔开。每一个馈给构件32分别连接或电连接至辐射器(26、28、126、128)中的一个辐射器。接地构件34连接至或电连接至每一个辐射器(26、28、126、128)并且与馈给构件32径向向外地间隔开。
[0018]在一个实施例中，一个或多个寄生反射器(18、20和22)与接地平面14和辐射器(26、28、126、128)轴向地间隔开。虽然在包括图1A至图1E的图的实施例中示出了三个寄生反射器(18、20、22)，但是，在其它实施例中，可以使用一个寄生反射器。在可替代的实施例中，可以没有寄生反射器(18、20、22)。
_9] 辐射器
[0020]辐射器(26、28、126、128)指的是接收或发送诸如从卫星导航系统、卫星辐射器或卫星收发器发射的电磁信号的电磁信号的辐射元件或导电辐射元件。辐射器(26、28、126、128)可以包括例如改进的盘荷式(disk-loaded)电极天线。在一个实施例中，福射器(26、28、126、128)设置为:通过每一个辐射器相对于相邻的辐射器在绕天线11或接地平面14的中心轴线21的顺时针或逆时针方向上的相对方向，提供被接收的电磁信号的相位差信号分量，其中的顺时针或逆时针方向是从天线11上方的视角观察的。如图1B所示，辐射器(26、28、126、128)的每一个的弯曲边缘63面向绕天线11的中心轴线21的顺时针方向，其中辐射器(26、28)中的每一个的直线边缘62与弯曲边缘63相反或邻接弯曲边缘63。辐射器的弯曲边缘63的顺时针定向使得天线11更易于接收例如右旋圆极化信号。弯曲边缘63具有凹口 61或切断部，其中弯曲边缘63是大致椭圆的或大致圆形的。如图所示，凹口61居中定位在弯曲边缘63中或在弯曲边缘63的中心。在可替代的实施例中，每一个辐射器的弯曲边缘63可以面向逆时针方向，尤其是当相比右旋圆极化(RHCP)信号更偏爱接收左旋圆极化(LHCP)信号时。
[0021]在一个实施例中，辐射器(26、28、126、128)可以嵌在、封装在、模制在或固定至大致平坦构件31中或上。大致平坦构件31包括绝缘层或由绝缘材料构成的大致平坦的印刷布线板。如图所示，平坦构件31可以被大致成形为具有从外围区域去除或没有绝缘材料的近似盘状，在该外围区域中不必支撑辐射器。在可替代的实施例中，平坦构件可以基本上是盘形的。
[0022]在一个实施例中，每一个辐射器(26、28、126、128)或单个辐射元件可以实施为或模制为盘荷式单极天线(DLM)或改进的盘荷式单极天线，因为这有助于对其裁剪以在感兴趣的频带上近似地谐振。对于微波频率或对于卫星导航信号(例如GPS信号)的接收，接地平面14与辐射器(26、28、126、128)之间大致相同的间距51为大约14毫米并且接地平面14的直径为大约120毫米，但是其它构造也落入本公开内容和权利要求的范围之内。
[0023]在一个实施例中，辐射器(26、28、126、128)可包括改进的盘荷式单极天线，其中“改进的”的意思是存在对传统的或通常的盘荷式单极天线的一个或多个下述改进:(I)每一个盘都被截断，以使得其仅具有一个凹槽61，(2)两个馈给结构(例如馈给构件32和接地间隔件34)与中心轴线21偏离，以及(3)馈给构件32具有大致圆形、椭圆形或多边形(例如六边形)的截面形状，并且接地构件34具有大致矩形的截面形状。例如，馈给构件32 (例如径向向内的六边形结构)被驱动，并且接地构件34 (例如径向向外的矩形结构)电连接或联接至接地平面14。(具有凹槽61的)盘的截断和馈给件32、34的偏离有利于在驱动辐射器(26、28、126、128)产生右旋圆极化(RHCP)辐射时改进整个天线11的轴比(AR)。当如图1A中定向的辐射器(26、28、126、128)被驱动产生LHCP辐射，AR将被降低。轴比是具有圆极化的电磁场的正交分量的幅值的比率。理想地，圆极化信号具有成90度异相的相等的幅值的正交电磁场分量。因为该分量具有相等的幅值，所以天线11的主射束的轴比可以是Idb或Odb。然而，随着性能可以从任何天线11的主射束或旁射束降低，天线11可以具有不同的轴比。
[0024]寄生反射器
[0025]在一个构造中，天线11包括成大致椭圆形或大致圆形的一个或多个寄生反射器(18,20,22)。在另一构造中，存在具有不同半径的一组反射器(18、20、22)。在又一构造中，该组反射器包括彼此轴向间隔开的第一反射器18、第二反射器20和第三反射器22。其中第一反射器18具有比第二反射器20的半径小的半径，并且第二反射器20具有比第三反射器22的半径小的半径。
[0026]在可替代的实施例中，寄生反射器(18、20、22)从天线11或天线系统中省略或去除。然而，一个或多个寄生反射器的这种省略或去除可能导致天线的AR的降低。
[0027]寄生反射器(18、20、22)由围绕中心轴线21定位或围绕中心轴线21在天线11的中心区域上方的金属材料、金属、合金或其它导电材料构成。寄生反射器(18、20、22)定位在福射器(26、28、126、128)的一部分的上方。寄生反射器(18、20、22)的一个目的是在福射器(26、28、126、128)或辐射元件之间提供受控制的耦合，以使得轴比(AR)被改进。辐射器(26、28、126、128)的竖向间隔和直径影响AR会被降低多少，但是，一般地，当盘定位得越低，阻抗就越偏离目标阻抗(例如，期望为50欧姆)。更多的盘或更少的盘可以用于寄生反射器，但是，在全球导线卫星系统(GNSS)的频带中的测试期间，使用多于三个的寄生反射器(18、20、22)或反射盘时观察到较少的提高。在用于接收从航空器或卫星中发送的一个或多个GPS信号的一个构造中，盘分别具有从最低至最高的大约30_、大约36_以及大约50mm的直径，但是，其它尺寸也可以落入权利要求的范围之内。
[0028]I撑结构
[0029]在一个实施例中，绝缘的支撑结构24在围绕 天线11的中心轴线21的中心部分上方或与辐射器间隔开的位置处支撑一个或多个寄生反射器(18、20、22)。寄生反射器或反射器(18、20、22)可以被绝缘的支撑结构24或与每一个寄生反射器(18、20、22)的外周或边缘相关的主体支撑。例如，如图1B和图1C所示，绝缘的支撑结构24可以具有凹槽或凹部75，该凹槽或凹部75接合每一个寄生反射器的外周部或边缘部77。
[0030]在一个构造中，支撑主体24包括基部85，该基部85具有从基部85延伸的突出的支撑部87 (例如，台阶的突出支撑部)，其中每一个突出的支撑部都包括接合每一个寄生反射器的外周部或边缘部77的凹槽或凹部75。
[0031]有利地，支撑主体24有利于防护或保护寄生反射器(18、20、22)的外周部，以防止寄生反射器(18、20、22)的边缘弯曲或运动，否则，该弯曲或运动可能影响每一个寄生反射器(18、20、22)与辐射器(26、28、126、128)之间的调谐或耦合。
[0032]接地平而
[0033]接地平面14可以包括导电的任何大致平坦的表面29。例如，接地平面14可以包括基板或电路板15的大致连续的金属表面。在一个实施例中，导电材料包括金属材料、金属或合金。在一个实施例中，接地平面14成具有大致相同的厚度的大致椭圆形或圆形。在其它实施例中，接地平面14可以具有大致呈矩形、多边形或以其它方式成形的外周。
[0034]在可替换的实施例中，接地平面14可以由金属屏或类金属的屏构造而成，如由嵌在、模制在或封装在聚合物、塑料或聚合物基体、塑料基体、复合材料等中的金属屏构造而成。
[0035]接地构件
[0036]在一个实施例中，接地构件34具有大致矩形的横截面，但是其它的多边形或其它形状也可以起作用并且可以落入权利要求的范围之内。每一个接地构件34都可以包括间隔件。每一个接地构件34都机械连接并且电连接至接地平面14和对应的辐射器(26、28、126、128)。例如，每一个接地构件34的第一端134 (例如下端)连接至接地平面14，而每一个接地构件34的第二端135连接至对应的辐射器(26、28、126、128)。在一个实施例中，接地构件34相对于中心轴线21定位在馈给构件32的径向之外。
[0037]馈给构件
[0038]馈给构件32与接地平面14电绝缘或隔离。在一个示例中，气隙或间隙建立在馈给构件32与电路板15的接地平面14的开口 79之间。在另一示例中，绝缘体或绝缘环可以置于馈给构件32与接地平面14中的开口 79之间。如图1C所示，每一个馈给构件32的第一端81(例如上端)机械连接并且电连接至对应的辐射器(26、28、126、128)。例如，辐射器(26、28、126、128)可以具有用于容纳馈给构件32的凹部，其中凹部具有与馈给构件32或定位在其上的凸出部的尺寸或形状基本上对应的横截面形状(例如，基本上六边形形状)。在一个实施例中，馈给构件32具有带有五个或多个边的大致多边形的横截面，如基本上五边形或基本上六边形的横截面。因此，位于对应的辐射器中的凹部(例如基本上多边形的凹部)可以与大致多边形的横截面接合或配合。在另一实施例中，馈给构件具有大致圆形的横截面。在一个构造中，凹部焊接至大致多边形的横截面上或与导电粘合剂粘合。馈给构件32由金属、类金属材料、合金或另一导电材料构成。
[0039]如图1C所示，每一个馈给构件32的第二端83(例如下端)与第一端81相反。例如，第二端83电连接至电路板15的一个或多个导电线路16。该导电线路16可以与阻抗匹配网络507(图5中)相关联，该阻抗匹配网络507将在本公开内容的下文中被详细描述。在一个图示的构造中，导电线路16提供发送信号给天线11或者将接收的信号传输至联接至天线11的接收器。在第二端83处，导电环72和紧固件(例如，带螺纹的导电插入件或嵌入的金属螺母)可以支持在辐射器(26、28、126、128)与阻抗匹配网络507或电路板75上的其它电路之间形成电连接或电路径。
[0040]在包括图1A至ID的图中，天线11使用被四个接收的信号独立地驱动的四个辐射器(26、28、126、128)或辐射元件，其中每一个接收的信号与相邻信号或相邻的多个信号在相位上相差90度。例如，图5图示了处于接收模式中的天线11，其中从每一个辐射器(26、28、126、128)或天线元件输入的信号相对于相邻的多个信号异相90度。类似地，在发射模式或发射和接收双模式中，可以被输入至每一个辐射器的发送的信号相对于相邻的多个信号异相90度。
[0041 ] 图1E示出了天线11的分解图。天线可以包括可选的框架13，该框架13在支撑结构24或其基部85中与中心孔113对齐，以促进紧固件30与嵌入在可选的框架13中的紧固件71 (例如螺纹插入件)或位于可选的框架13中的螺纹孔对齐。
[0042]图2是去除了大致平坦构件31以使得辐射器(26、28、126、128)露出的辐射器组件的可替换实施例的图示。在图1A至图1E中以及图2中相似的附图标记表示相似的元件。
[0043]图2中的辐射器(26、28、126、128)不嵌入或不固定至任何绝缘面。相反，辐射器(26、28、126、128)可以包括由导电材料构成的大致平坦的天线元件11，其中辐射器(26、28、126、128)在接地平面中的相对方向如图2所示。辐射器(26、28、126、128)可以与图2的纸面所在的平面一致地延伸。每一个辐射器(26、28、126、128)可以具有一个或多个安装孔202，以使得紧固件30可以将辐射器紧固到天线11或天线11的一部分上。
[0044]图3中的天线111与图1A至图1E中的天线11类似，除了图1C中的支撑结构24被替代的支撑结构124所取代。在图1A至图1E中以及图3中相似的附图标记表示相似的元件。
[0045]在图3中，寄生反射器或多个寄生反射器(18、20、22)可以被绝缘的支撑结构124支撑，该绝缘的支撑结构124与每一个寄生反射器的中心区域301 (例如中心孔)相关联或固定至其上。每一个寄生反射器(18、20、22)可以在其中心孔301处或在其中心孔301和支撑结构124中的各个台阶部(125、127、129)处经由过盈配合固定至中心的绝缘的支撑结构 124。
[0046]在一个构造中，绝缘的支撑结构124包括带有台阶部(125、127、129)的中心支柱，其中每一个台阶部都被构造为支撑或固定寄生反射器(18、20、22)中对应的一个。例如，每一个台阶部(125、127、129)可以围绕其中心孔301从寄生反射器的底部或中心区域支撑寄生反射器(18,20,22) ο
[0047]在可替换的实施例中，每一个寄生反射器(18、20、22)可以经由螺母(例如，不同的螺母，其中下螺母具有比上螺母的直径更大的直径)被固定至中心的绝缘的支撑结构124，该螺母与结构124的圆柱部上的螺纹配合，以在各个螺母与中心的绝缘的支撑结构124的对应的台阶部或肩部(125、127、129)之间拴紧每一个寄生反射器(18、20、22)。
[0048]图4中的天线211与图1B中的天线11类似，其中寄生反射器(18、20、22)的支撑结构24被绝缘层(224、324、424)或绝缘泡沫层的替换的支撑结构取代。例如，每一个绝缘层(224、324、424)可以由聚苯乙烯或具有期望的高度或厚度的另一绝缘材料构成，以在相邻或面对的寄生反射器(18、20、22)之间提供目标间距并且提供与靠近天线211的中心轴线21的寄生反射器(18、20、22)的中心部401分离的目标间距。
[0049]在一个构造中，图4中的代替的绝缘的支持结构包括位于天线211的中心区域401与最近的寄生反射器18之间的第一绝缘层424、位于最近的寄生反射器18与中间的寄生反射器20之间的第二绝缘层324、以及位于中间的寄生反射器20与最远的可能的寄生反射器22之间的第三绝缘层224，其中最近的寄生反射器指的是第一寄生反射器18或离位于反射器上方的中心部401最近的寄生反射器。
[0050]在一个实施例中，寄生反射器(18、20、22)可以被一个或多个对应的绝缘层(例如绝缘泡沫层)支撑，该一个或多个对应的绝缘层与靠近轴线21的每一个寄生反射器的中心区域相关联或位于该中心区域之下。例如，寄生反射器(18、20、22)可以固定至或使用粘合剂粘合至具有期望厚度的对应的绝缘泡沫层:(I)(例如，竖直厚度)以分隔相邻的寄生反射器(18、20、22)，(2)以将第一寄生反射器18与福射器27分隔，或(3)以在福射器与一个或多个技术反射器之间提供期望的耦合度或耦合水平，以优化AR。
[0051]如图4所示，第一绝缘层424在绝缘层31的中心区域401上面，同时第一绝缘层424邻接并且支撑第一寄生反射器18。第二绝缘层324至少在第一寄生反射器18的中心区域上面，同时第二绝缘层324邻接并且支撑第二寄生反射器20。第三绝缘层224至少在第二寄生反射器20的中心区域401上面，同时第三绝缘224邻接并且支撑第三寄生反射器22。
[0052]图5是与包 括图1A至图1E的图中的天线11 一致的天线系统的方框图。在图1A至图1E中以及图5中相似的附图标记表示相似的元件。在可替代的实施例中，例如，天线系统可以包括天线11、天线111或天线211。
[0053]根据图5，天线系统包括连接至天线11的接口系统571。在一个实施例中，接口系统571可以包括经由馈给构件32连接至天线11的对应的辐射器(26、28、126、128)的多个阻抗匹配网络507。在输入节点602处，各个阻抗匹配网络507中的每一个都连接至辐射器(26、28、126、128)中对应的一个，用于在阻抗匹配网络507的输出节点601处将每一个辐射器的阻抗(例如电抗性阻抗)与目标阻抗(例如50欧姆或70欧姆)相匹配。在一个构造中，阻抗匹配网络07中的每一个都包括一个或多个调谐电路(例如图6中的603)，该调谐电路包括电容和电感(例如串联或并联的调谐电路)。
[0054]然后，阻抗匹配网络507连接至合并器501。在一个实施例中，调谐系统包括合并器501，该合并器501具有连接至各个阻抗匹配网络507的输出节点601的主端口(502、503,504,505)和用于与卫星导航装置(例如接收器、辐射器或用于接收器的低噪声放大器(LNA)、诸如图9的接收器900)交互的辅助端口 511。在一个构造中，合并器501在主端口(502、503、504、505)处接收偏移大约90度的具有不同相位的信号分量；合并器501在辅助端口 511处输出包含信号分量中的每一个的复合信号。例如，在图5中，第一端口 502具有带有大约O度的第一相位的接收信号；第二端口 503具有大约90度的第二相位；第三端口504具有大约180度的第三相位；并且第四端口 505具有大约270度的第四相位，其中合并器501可以使用移相器、混合器、铁氧体变压器或其它装置移动相位，以产生合计的或复合的接收信号。关于合并器的辅助端口 511，卫星导航装置包括下列装置中的一个或多个:导航卫星接收器、导航卫星发送器或收发器。
[0055]在天线系统的一个构造中，辐射器(26、28、126、128)设置为通过在围绕中心轴线21的顺时针或逆时针方向上的每一个发生器相对于相邻辐射器的相对定向提供接收的电磁信号(例如卫星信号或卫星导航信号)的相位偏移信号分量。在一个实施例中，辐射器(26、28、126、128)中的每一个的弯曲边缘63面向围绕天线11的中心轴线21的顺时针方向，其中辐射器(26、28、126、128)中的每一个的直线边缘61相对或邻接弯曲边缘63。在另一实施例中，弯曲边缘63具有大致矩形的凹口，并且其中，弯曲边缘成大致椭圆形或大致圆形。
[0056]如图5所示，每一个馈给构件32具有大致多边形的横截面，如六边形的横截面。在可替代的实施例中，馈给构件32具有大致圆形的横截面。例如，接地构件34具有大致矩形的横截面。
[0057]为了高效地接收右旋圆极化(RHCP)辐射，馈给构件32(例如四个六边形驱动柱)可以被接地平面14的底侧上的模拟微波或射频(RF)电路处理，其中电路板15或基板的至少一部分形成接地平面。在一个实施例中，一个或多个阻抗匹配网络507被安装在电路板15上与发生器面向的一侧相反的一侧上(例如，在电路板15的底侧上)。每一个匹配网络507可以连接至对应的辐射器(26、28、126、128)。每一个匹配网络507都将接收的或发送的电磁信号特有的阻抗与用于合并器501的目标阻抗(例如50欧姆)匹配或转换为该目标阻抗。在一个示例中，匹配网络507的输出阻抗在输出节点601处基本上为50欧姆。接下来，四个信号馈送至合并器501 (例如正交合成网络)，如图5所示。合并器501可以包括移相器、合并器或混合模块，以从RHCP接收信号最大化接收信号的功率。
[0058]图6公开了阻抗匹配网络507的一个可能的示意性实施例，与图5中的方框图一致。图5和图6中相似的附图标记指代相似的元件。
[0059]阻抗匹配网络507的输入节点602 (或第一端子)具有电容606C2，该电容606C2可以在接收信号的频域或频带上至少部分地抵消与各个辐射器(例如26、28、126、128))相关联的感抗。输入节点602在接收模式中用作输入端子。阻抗匹配网络507较好地适于补偿天线(11、111或211)的辐射器(26、28、126、128)的电感。
[0060]阻抗匹配网络507包括串联的调谐电路603。串联的调谐电路603又包括串联至电感(LI)的电容(Cl)，其中调谐电路在期望的谐振频率(例如，目标接收信号或接收信号带)处或附近提供带通频率幅值响应。
[0061]阻抗匹配网络507的输出节点601 (例如第二端子)连接至电容(Cl)的一个端子和电感604 (L2)的一个端子。输出节点601在接收模式中是阻抗匹配网络507的输出端子。电感604 (L2)的相反端子接地，以使得低频或直流信号分流至大地，这为在输入节点602处输入的接收信号提供高通频率幅值响应。该高通频率响应于是串联的调谐电路603提供的带通频率响应的累积。第二端子601将目标阻抗(例如大约50欧姆)发送给合并器501。
[0062]基于GPS或另一卫星导航系统的天线11的运行的频率范围，电感LI和L2可以包括至少部分由电路板15上的导电线路16形成或限定的微带线或条状线，而电容Cl和C2可以例如包括具有最小导线长度的贴片式或表面安装式电容。
[0063]图7包括与图5 —致的示意性合并器501。如图所示，合并器501包括多个混合器，包括第一混合器700，该第一混合器700提供具有O度相移的第一输出端口 751和相对于辅助端口 511处的输入信号成90度相移的第二输出端口 752。第一混合器700连接至第二混合器702以及第三混合器704。如图所示，第二混合器702和第三混合器704每一个都提供两个输出端口:相对于输入信号成O度相移的同相输出端口和相对于输入信号成180度相移的反相输出端口(或异相输出端口)。第一输出端口 751连接至第二混合器702，而第二输出端口 752连接至第三混合器704。第二混合器702的同相输出端口连接至输出节点502 ;第二混合器702的反相端口或异相端口连接至输出节点504。第三混合器704的同相输出端口连接至输出节点503 ;第二混合器702的反相端口或异相端口连接至输出节点505。
[0064]图8图示了本公开内容的天线11、111或211的可能的示意性辐射方向图。例如，当馈给构件32通过合适的阻抗匹配网络507连接至合并器501 (例如正交合并器)时，可以产生图8中的一个或多个辐射方向图。
[0065]在极坐标图中，图8图示了针对各种极化的天线增益与方位角的关系，其中以虚线表示的每一个同心圆指示以分贝表示的对应的离散的辐射方向图的增益级，并且其中外边缘指示以度数表示的辐射方向图的方位角。此处，图示下面的接收或发生信号的极化的天线增益与方位角的示意性关系:(I)Ll频率的GPS信号的右旋圆极化(RHCP) (LIRH)，(2) LI的GPS信号的左旋圆极化(LHCP) (LI LH)，(3) L2频率的GPS信号的右旋圆极化(RHCP) (L2RH)，和(4)L2的GPS信号的左旋圆极化(LHCP) (L2LH)。极坐标图示出了 GPSLI (1575MHz)和GPS L2 (1227MHz)的等方性的右旋圆极化增益在上半圆上相当一致。该图还示出左旋圆极化的增益比右旋圆极化的增益低得多，以使得左旋圆极化接收信号被天线11、111或211衰减或拒绝。然而，应理解的是，如有必要，通过改变辐射器(26、28、126、128)的取向并且通过改变其各自的与合并器或合并网络的连接，左旋圆极化可以比右旋圆极化有利。
[0066]图9图示了连接至接口系统571的天线(11、111或211)。接口系统571又连接至接收器900。在图5和图9中相似的附图标记指代相似的元件。
[0067]在一个实施例中，接收器900包括卫星导航接收器或定位接收器，如GPS接收器。接收器900包括低噪声放大器901、下变频器902、模数转换器903和数据处理器904。
[0068]低噪声放大器(LNA)901包括用于放大经由接口系统571或其辅助端口 511从天线(11、111或211)提供的接收信号的模拟射频放大器或微波放大器。在一个构造中，低噪声放大器901连接至用于将处于接收频率的接收信号降频至中频信号或基带频率信号的下变频器902。
[0069]在一个实施例中，下变频器902可以包括本地基准振荡器和混合本地产生的信号与接收信号以用于降频的混合器。下变频器902连接至模数转换器903。
[0070]如图所示，模数转换器903设置为将中频信号或基带频率信号转换至数字中频信号或数字基带频率信号。模数转换器903连接至数据处理器904。
[0071]在一个实施例中，数据处理器904可以包括微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、可编程逻辑器件、数字信号处理器、专用集成电路或另一电子数据处理系统。数据处理器904被配置为解码或解调接收信号的至少一部分，以追踪接收信号的载波相位，或另外处理从一 个或多个卫星接收的接收信号以估计接收器900以及更具体的其天线11、111、211的位置。
[0072]本文件中描述的天线(11、111或211)较好地适用于高精度的基于地球的全球卫星导航(GNSS)接收器。如在自动导航系统和移动电话中已经发现的那些中至低精度的GNSS接收器在其天线性能需求上的要求较少。本文中描述的天线(11、111或211)可以在+3dBi的上半圆中提供一致的等方性的增益并且在水平以下的仰角处没有增益；与左旋圆极化相反，提供具有右旋圆极化(RHCP)的信号的接收；并且提供相对于频率的增益的低变化(即平坦的频率响应)。例如，可以容易以重量轻的相对紧凑的尺寸制造本公开内容的天线。
[0073]已经描述了优选实施例，将变得明显的是，在不背离附属的权利要求所限定的本发明的范围的情况下可以做出各种修改。例如，本文件中提出的任何从属权利要求中的一个或多个可以与任何独立权利要求组合，以形成附属的权利要求中提出的特征的任意组合，并且权利要求中的特征的这样的组合在此处通过引用被并入本文件的说明书中。
【主权项】
1.一种天线，包括: 多个带凹口的半椭圆形辐射器，所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面； 接地平面，该接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与所述辐射器的大致平坦的第一表面大致平行，所述接地平面具有中心轴线； 多个馈给构件，该多个馈给构件用于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号，馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开；以及 接地构件，该接地构件连接至每一个辐射器并且与所述馈给间隔件径向向外地间隔开。2.根据权利要求1所述的天线，还包括: 至少一个寄生反射器，该至少一个寄生反射器位于所述带凹口的半椭圆形辐射器上方并且与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，其中，所述至少一个寄生反射器改善天线的轴比。3.根据权利要求1所述的天线，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构具有用于接合所述对应的外周部的凹槽或凹部。4.根据权利要求1所述的天线，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构包括具有台阶部的中心柱，其中，每一个台阶部都被构造为固定所述寄生反射器中对应的一个。5.根据权利要求1所述的天线，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构包括位于天线的中心区域与最近的寄生反射器之间的第一绝缘层、位于最近的寄生反射器与中间的寄生反射器之间的第二绝缘层、和位于中间的寄生反射器与最远的寄生反射器之间的第三绝缘层。6.根据权利要求1所述的天线，其中，所述辐射器设置为通过每一个发生器在围绕所述中心轴线的顺时针或逆时针方向上相对于相邻辐射器的相对定向提供所接收的电磁信号中的相位偏移信号分量。7.根据权利要求6所述的天线，其中，所述辐射器中的每一个的弯曲边缘面向围绕天线的中心轴线的顺时针方向，并且其中，所述辐射器中的每一个的直线边缘与所述弯曲边缘相对，所述顺时针方向是从天线的上方观察的。8.根据权利要求7所述的天线，其中，所述弯曲边缘具有大致矩形的凹口，并且其中，所述弯曲边缘是大致椭圆形的或大致圆形的。9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈给构件包括具有五个或更多个边的大致多边形的横截面。10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈给构件具有大致圆形的横截面。11.根据权利要求1所述的天线，其中，所述接地构件具有大致矩形的横截面。12.根据权利要求1所述的天线，还包括: 多个阻抗匹配网络，阻抗匹配网络中相应的一个连接至所述辐射器中对应的一个，用于将每一个辐射器的阻抗与所述阻抗匹配网络的输出节点处的目标阻抗相匹配。13.根据权利要求12所述的天线，还包括: 合并器，该合并器具有连接至各个阻抗匹配网络的输出节点的主端口和用于与卫星导航装置交互的辅助端口。14.一种天线系统，包括: 多个带凹口的半椭圆形辐射器，所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面； 接地平面，该接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与所述辐射器的大致平坦的第一表面大致平行，所述接地平面具有中心轴线； 多个馈给构件，该多个馈给构件用于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号，馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开； 接地构件，该接地构件连接至每一个辐射器并且与所述馈给间隔件径向向外地间隔开； 多个阻抗匹配网络，阻抗匹配网络中相应的一个连接至所述辐射器中对应的一个，用于将每一个辐射器的阻抗与所述阻抗匹配网络的输出节点处的目标阻抗相匹配；以及 合并器，该合并器具有连接至各个阻抗匹配网络的输出节点的主端口和用于与卫星导航装置交互的辅助端口。15.根据权利要求14所述的天线系统，还包括: 至少一个寄生反射器，该至少一个寄生反射器位于所述带凹口的半椭圆形辐射器上方并且与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，其中，所述至少一个寄生反射器改善天线的轴比。16.根据权利要求14所述的天线系统，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构具有用于接合所述对应的外周部的凹槽或凹部。17.根据权利要求14所述的天线系统，还包括: 具有对应的外周部的多个寄生反射器；以及 绝缘的支撑结构，该绝缘的支撑结构用于支撑所述寄生反射器，使得所述寄生反射器与所述带凹口的半椭圆形辐射器间隔开，所述绝缘的支撑结构包括具有台阶部的中心柱，其中，每一个台阶部都被构造为固定所述寄生反射器中对应的一个。18.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述合并器接收不同相位的信号分量，这些不同相位的信号分量在所述第一端口处偏移大约90度，并且所述合并器在第二输出端口处输出包含所述信号分量中的每一个信号分量的复合信号。19.根据权利要求14所述的天线系统，其中，卫星导航装置包括导航卫星接收器。20.根据权利要求14所述的天线系统，其中，阻抗匹配网络中的每一个都包括一个或多个调谐电路，所述调谐电路包括电容和电感。21.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述辐射器设置为通过每一个发生器在围绕所述中心轴线的顺时针或逆时针方向上相对于相邻辐射器的相对定向提供所接收的电磁信号中的相位偏移信号分量。22.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述辐射器中的每一个的弯曲边缘面向围绕天线的中心轴线的顺时针方向，并且其中，所述辐射器中的每一个的直线边缘与所述弯曲边缘相对。23.根据权利要求22所述的天线系统，其中，所述弯曲边缘具有大致矩形的凹口，并且其中，所述弯曲边缘是大致椭圆形的或大致圆形的。24.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述馈给构件包括具有五个或更多个边的大致多边形的横截面。25.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述馈给构件具有大致圆形的横截面。26.根据权利要求14所述的天线系统，其中，所述接地构件具有大致矩形的横截面。27.—种卫星导航接收器，其中，改进包括天线，所述天线包括: 多个带凹口的半椭圆形辐射器，所述辐射器中的每一个都具有大致平坦的第一表面；接地平面，该接地平面具有大致平坦的第二表面，该第二表面通过大致相同的间距与所述辐射器的大致平坦的第一表面大致平行，所述接地平面具有中心轴线； 多个馈给构件，该多个馈给构件用于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号，馈给构件中的每一个都与所述接地平面的中心轴线径向向外地间隔开；以及 接地构件，该接地构件连接至每一个辐射器并且与所述馈给间隔件径向向外地间隔开。
【专利摘要】天线(11)包括带凹口的半椭圆形辐射器(26、28、126、128)。所述辐射器(26、28、126、128)中的每一个都具有大致平坦的第一表面。接地平面(14)具有大致平坦的第二表面(29)，该第二表面通过大致相同的间距与辐射器(26、28、126、128)的大致平坦的第一表面大致平行。所述接地平面(14)具有中心轴线。馈给构件(32)适于将电磁信号传递至每一个辐射器或从每一个辐射器接收电磁信号。馈给构件(32)中的每一个都与所述接地平面(14)的中心轴线径向向外地间隔开。接地构件(34)连接至每一个辐射器并且与馈给间隔件(32)径向向外地间隔开。
【IPC分类】H01Q21/24
【公开号】CN104885301
【申请号】CN201380066986
【发明人】马克·L·伦茨
【申请人】迪尔公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月10日
【公告号】DE112013006167T5, US20140176386, WO2014099451A1
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