一种单层小型化双频定位天线

技术领域

本申请涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种单层小型化双频定位天线。

背景技术

微带天线因其尺寸小、成本低、易集成等优点而广泛应用于卫星定位领域。但随着卫星定位系统的应用范围持续扩大及无线通信设备小型化的趋势不断增强，对天线提出了高精度、多频段、小型化、轻量化等需求。传统的定位天线为满足多频段的系统需求往往采用多天线技术，该技术会带来天线水平或者垂直尺寸过大的问题，不利于实现无线通信设备的小型化。

目前，单层双频定位天线的尺寸可优化为52mm×52mm×10mm，这种天线的辐射体仍为传统的微带贴片形式，虽然能够实现高频覆盖，但为了覆盖低频，仅能够通过增加贴片尺寸的方式，提高天线剖面及在贴片边缘开矩形槽等方式进行优化。

上述方法会导致天线的尺寸过大，无法实现小型化且会影响天线的性能，由此，如何进一步缩减定位天线尺寸，且保持多频段覆盖和高精度，满足天线小型化与集成化的需求，是需要解决的问题。

发明内容

本申请提供一种单层小型化双频定位天线，用于解决现有的双频定位天线尺寸较大，集成度低的问题。

本申请提供一种单层小型化双频定位天线，包括：

顶层金属结构，其包括第一金属贴片和第二金属贴片，第一金属贴片的中心区域为第二金属贴片，第一金属贴片和第二金属贴片之间具有间距，间距用于电磁能量耦合；

介质基板，其设置在顶层金属结构下方，并与顶层金属结构贴合；

底层金属结构，其设置在介质基板下方，并与介质基板贴合；

通孔，通孔的数量为多个，多个通孔包括多个第一通孔和多个第二通孔，多个第一通孔分布在第一金属贴片上，多个第二通孔分布在第二金属贴片上，第一通孔以及第二通孔对应的介质基板和底层金属结构上均具有孔，以便同轴线的内导体穿过通孔后与第一金属贴片或第二金属贴片固定连接；其中，

单层小型化双频定位天线低频部分工作状态下：

所述第一金属贴片经由所述穿过第一通孔的同轴线内导体进行馈电，第一金属贴片将电磁能量耦合至第二金属贴片，以使第一金属贴片和第二金属贴片整体呈现出半波驻波分布，从而激发出天线低频的TM

单层小型化双频定位天线高频部分工作状态下：

第二金属贴片经由所述穿过第二通孔的同轴线内导体进行馈电，以使第二金属贴片呈现半波驻波分布，从而激发出天线高频的TM

可实施的一种方式中，还包括多个贯穿孔，贯穿孔为筒状结构，筒状结构的一端边缘与第一金属贴片连接，另一端与底层金属结构连接，贯穿孔用于延长第一金属贴片的电流路径。

可实施的一种方式中，第一金属贴片为四角加载偶极子结构的金属贴片；第一金属贴片为中心对称图形。

可实施的一种方式中，第一金属贴片的轮廓为矩形结构，第一金属贴片的四角结构为偶极子结构。

可实施的一种方式中，第二金属贴片的轮廓为矩形，第二金属贴片的边内凹，形成第一凹槽；第二金属贴片的四角均具有向中心延伸的第一缺口，第一缺口为阶跃矩形槽，第一缺口包括依次连接的第一缺口段和第二缺口段，第一缺口段和第二缺口段由第二金属贴片的角向中心延伸。

可实施的一种方式中，每个第一凹槽所围区域的第一金属贴片上具有贯穿孔。

可实施的一种方式中，第一金属贴片为四角加载折叠偶极子结构的金属贴片；第一金属贴片为中心对称图形。

可实施的一种方式中，第一金属贴片的轮廓为矩形结构，第一金属贴片的四角结构为偶极子结构的末端向内弯折，形成折叠偶极子结构。

可实施的一种方式中，第二金属贴片为四角加载折叠偶极子结构的金属贴片；第二金属贴片为中心对称图形。

可实施的一种方式中，第二金属贴片的轮廓为矩形，第二金属贴片的四角结构为偶极子结构的末端向内弯折，形成折叠偶极子结构。

可实施的一种方式中，所述第二金属贴片内凹形成第二凹槽，每个第二凹槽所围区域的第一金属贴片上具有贯穿孔。

本申请的一种单层小型化双频定位天线，通过顶层金属结构、介质基板和底层金属结构层叠构成。顶层金属结构包括第一金属贴片和第二金属贴片，第一金属贴片的中心区域为第二金属贴片，也就是说，第一金属贴片包围第二金属贴片，且第一金属贴片和第二金属贴片之间具有间距，该间距以用于电磁能量耦合。通孔数量为多个，多个通孔包括多个第一通孔和多个第二通孔，其中，多个第一通孔分布在第一金属贴片上，多个第二通孔分布在第二金属贴片上。第一通孔以及第二通孔对应的介质基板和底层金属结构上均具有孔，以便同轴线的内导体穿过孔后与第一金属贴片或第二金属贴片固定连接。

这种结构下，单层小型化双频定位天线低频部分工作状态下：

第一金属贴片经由穿过第一通孔的同轴线内导体进行馈电，第一金属贴片将电磁能量耦合至第二金属贴片，以使第一金属贴片和第二金属贴片整体呈现出半波驻波分布，从而激发出天线低频的TM

单层小型化双频定位天线高频部分工作状态下：

第二金属贴片经由穿过第二通孔的同轴线内导体进行馈电，以使第二金属贴片呈现半波驻波分布，从而激发出天线高频的TM

上述结构使得单层小型化双频定位天线在低频部分工作状态下，第一金属贴片和第二金属贴片同时工作，激发出天线低频的TM

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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为本申请一种单层小型化双频定位天线的顶层金属结构中第一金属贴片为四角加载偶极子结构的金属贴片俯视图；

图2为本申请一种单层小型化双频定位天线的顶层金属结构中第一金属贴片与第二金属贴片为四角加载折叠偶极子结构的金属贴片俯视图；

图3为本申请一种单层小型化双频定位天线的底层金属结构俯视图；

图4为本申请一种单层小型化双频定位天线的侧面剖视图；

图5为本申请一种单层小型化双频定位天线的低频部分工作状态下低频响应曲线图；图6为本申请一种单层小型化双频定位天线的高频部分工作状态下高频响应曲线图；图7为本申请一种单层小型化双频定位天线的天线仿真方向1.176 GHz的xoz面辐射方向图；

图8为本申请一种单层小型化双频定位天线的天线仿真方向1.176 GHz的yoz面辐射方向图；

图9为本申请一种单层小型化双频定位天线的天线仿真方向1.584 GHz的xoz面辐射方向图；

图10为本申请一种单层小型化双频定位天线的天线仿真方向1.584 GHz的yoz面辐射方向图。

附图标记：

1-顶层金属结构；11-第一金属贴片；111-带状缺口；112-偶极子结构；12-第二金属贴片；121-第一凹槽；122-第一缺口；123-第二凹槽；124-折叠偶极子结构；2-介质基板；3-底层金属结构；41-第一通孔；42-第二通孔；5-贯穿孔；6-同轴线。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为便于对申请的技术方案进行，以下首先在对本申请所涉及到的一些概念进行说明。

TM

如图1至图4所示，其中，图1和图2中仅用虚线表示出了部分偶极子结构112和折叠偶极子结构124，不应理解为仅虚线框选部分为偶极子结构112和折叠偶极子结构124。

本申请提供一种单层小型化双频定位天线，包括顶层金属结构1、介质基板2、底层金属结构3、贯穿孔5和通孔。

其中，顶层金属结构1、介质基板2和底层金属结构3层叠设置。

顶层金属结构1包括第一金属贴片11和第二金属贴片12，第一金属贴片11包围第二金属贴片12，也就是说，第一金属贴片11围绕第二金属贴片12设置，具体地，第一金属贴片11的中心区域为第二金属贴片12，第一金属贴片11和第二金属贴片12之间具有间距，间距用于电磁能量耦合。

第一金属贴片11可以根据需要为四角加载偶极子结构112的金属贴片或四角加载折叠偶极子结构124的金属贴片。第一金属贴片11为中心对称图形。

第二金属贴片12可以根据需要为四角加载阶跃矩形槽的金属贴片或四角加载折叠偶极子结构124的金属贴片。第二金属贴片12为中心对称图形。

单层小型化双频定位天线还包括多个贯穿孔5，贯穿孔5为筒状结构，构成接地金属化通孔。筒状结构的贯穿孔5一端边缘与顶层金属结构1的第一金属贴片11连接，另一端与底层金属结构2连接，贯穿孔5用于延长第一金属贴片11的电流路径。

在一个实施例中，如图1所示，第一金属贴片四角加载偶极子结构112；矩形的第一金属贴片11的四角处相邻边共线，共线处具有向第一金属贴片11中心延伸的带状缺口111。具体地，图1中，第一金属贴片11的四角处相邻边共线，相当于，将第一金属贴片11的四角去除。

相应地，当第一金属贴片11为四角加载偶极子结构112的金属贴片的情况下，如图1所示，第二金属贴片12的轮廓为矩形，第二金属贴片12的边内凹，形成第一凹槽121，也就是说，第一凹槽121的数量为四个；第二金属贴片12的四角均具有向中心延伸的第一缺口122，第一缺口122为阶跃矩形槽，第一缺口122包括依次连接的第一缺口段和第二缺口段，第一缺口段和第二缺口段由矩形的角向中心延伸；第一缺口段相对壁距离小于第二缺口段相对壁距离。

每个第一凹槽121所围区域的第一金属贴片11上具有贯穿孔5。

本实施例中，寄生偶极子结构112、阶跃矩形槽和贯穿孔5均能够增加电流路径，同样地，第一金属贴片11与第二金属贴片12的轮廓形状能够增加电流路径，可在较小尺寸下实现天线低频与高频覆盖。

在一个实施例中，如图2所示，第一金属贴片11的偶极子臂末端连续弯折两次，形成折叠偶极子结构124；第二金属贴片12的四角处相邻边共线，共线处具有向第二金属贴片12中心延伸的带状缺口111。

相应地，当第一金属贴片11为四角加载折叠偶极子结构124的金属贴片的情况下，第二金属贴片12的轮廓为矩形，第二金属贴片12的四角为折叠偶极子结构124。具体地，第二金属贴片12的边内凹，形成第二凹槽123，也就是说，第二凹槽123的数量为四个；第二金属贴片12的四角均具有向第二金属贴片12的中心延伸的折叠偶极子结构124，折叠偶极子结构124包括第三缺口段和第四缺口段，第三缺口段由第二金属贴片12的角向第二金属贴片12的中心延伸，第四缺口段与第三缺口段交叉设置，且第四缺口段的两端向第二金属贴片12的角弯折一次，且弯折的角度为90度。

每个第二凹槽123所围区域的第一金属贴片11上具有贯穿孔5。

本实施例中，折叠偶极子结构124和贯穿孔5均能够增加电流路径，提升了天线的低频覆盖能力。同样地，第一金属贴片11与第二金属贴片12的轮廓形状同样能够增加电流路径，能够进一步减少天线的尺寸，可在较小尺寸下实现天线低频与高频覆盖。

在一个实施例中，单层小型化双频定位天线包括通孔，通孔的数量为多个，多个通孔包括多个第一通孔41和多个第二通孔42，多个第一通孔41分布在第一金属贴片11上，多个第二通孔42分布在第二金属贴片12上，这样，同轴线6的内导体即可依次穿过底层金属结构3和介质基板2与第一金属贴片11或第二金属贴片12焊接，其中，第一通孔41的数量为两个，分布在第一金属贴片11上；第二通孔42的数量为两个，分布在第二金属贴片12上。

底层金属结构3外具有同轴线6，同轴线6的内导体依次经过底层金属结构3上的孔，以及介质基板2上的孔延伸至第一金属贴片11并连接，以使同轴线6对第一金属贴片11进行馈电。

单层小型化双频定位天线低频部分工作状态下：

第一金属贴片11经由穿过第一通孔41连接的同轴线6内导体进行馈电，第一金属贴片11将电磁能量耦合至第二金属贴片12，以使第一金属贴片11和第二金属贴片12整体呈现半波驻波分布，从而激发出天线低频模式，例如，激发出天线低频的TM

单层小型化双频定位天线高频部分工作状态下：

第二金属贴片12经由穿过第二通孔42连接的同轴线6的内导体进行馈电，以使第二金属贴片12呈现半波驻波分布，从而激发出天线高频模式，例如，激发出天线高频的TM

本实施例中，天线低频部分工作时，第一金属贴片11和第二金属贴片12之间具有间距用以电磁能量耦合，使得天线低频部分工作时，第一金属贴片11和第二金属贴片12整体呈现半波驻波分布，从而激发出天线低频的TM

实施例

下面列出了本发明的一个设计案例。单层小型化双频定位天线结构如图1所示。为符合实际天线所处环境，在模拟无限大大地尺寸下对天线进行了仿真模拟，天线匹配响应和增益如图5和图6所示。低频中心频点为1.176GHz，该频点增益为5.49dBi。高频中心频点为1.584GHz，该频点增益为6.04dBi。图7和图8是该案例天线在1.176GHz处的天线方向图，图9和图10是1.584GHz处的天线方向图，可见天线在1.176GHz的方向图前后比均小于-19dB，交叉极化均小于-35dB，天线在1.176GHz的方向图前后比均小于-15dB，交叉极化均小于-25dB。本案例采用的基板是介电常数为5.9，损耗角为0.0035的基板。天线的长度为50mm，宽度为50mm，厚度为5mm，即在低频频率1.176GHz时的尺寸为0.196λ

综上所述，本申请提供的一种单层小型化双频定位天线，具有如下有益效果：

1、采用四角加载偶极子结构的金属贴片及四角加载阶跃矩形槽的金属贴片作为天线的低频辐射体，可在较小的尺寸下有效地激励出天线的低频工作模式，缩减天线低频辐射体尺寸，实现天线小型化。

2、采用四角加载阶跃矩形槽的金属贴片作为天线的高频辐射体，改善了高频部分天线的匹配水平，且可在较小的尺寸下有效地激励出天线高频的谐振模式，缩减天线高频辐射体尺寸，实现天线小型化。

3、采用四角加载折叠偶极子结构的金属贴片作为天线辐射体，可通过折叠偶极子臂进一步缩减天线平面尺寸及剖面高度，实现天线小型化，降低天线成本。

与现有的定位天线相比，本申请有效地缩减单层双频定位天线的尺寸，降低单层双频定位天线成本，实现天线的小型化与易集成化。

最后应说明的是：以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。