具有整合弧形沟槽的圆形贴片天线

优先权

本申请要求于2022年9月19日提交的同名美国专利申请第17/947,422号的优先权，该专利申请要求于2021年9月21日提交的同名美国临时专利申请第63/246,663号的优先权，所述前述各项的内容在此通过引用整体并入本文。

版权

本专利文件的部分公开内容拥有受著作权保护材料。著作权所有者不反对任何人对专利文件或专利公开的任何部分进行复制，因为其出现在专利商标局的专利文件或记录中，但除此之外保留所有版权。

背景技术

1.技术领域

本公开总体上涉及圆形贴片天线，且更具体而言，在一个示例性方面中，涉及用于全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)频带的圆形贴片天线。

2.公开领域

传统上，用于GNSS频带的天线设计通常使用基于陶瓷的材料来满足这些工作频带的基于性能的要求。然而，这些基于陶瓷的材料相对较重，其在用于质量受设计限制的应用中较为不理想。此外，基于陶瓷的材料相对易碎，这使得用于例如无人航空载具(UnmannedAerial Vehicles，UAV)较为不理想。因此，用于例如UAV的天线开发的发展趋势已要求使用非传统性材料，该非传统性材料：(1)重量更轻，以尤其是将这些UAV的电池寿命增至最大程度；及(2)增加耐冲击性，以提高天线设计的可靠性。因此，现在需要解决现有基于陶瓷(ceramic-based)的天线设计缺陷的新技术。

发明内容

本公开通过提供尤其用于实施圆形贴片天线的方法、装置及系统来解决前述一些或所有缺陷来满足前述需求。

在一方面中，公开了圆形贴片天线。在一个实施例中，该圆形贴片天线包括具有第一多个孔的第一介电贴片；具有第二多个孔的第二介电贴片，当该第一介电贴片与该第二介电贴片定位时，所述第一多个孔的至少一部分与所述第二多个孔的至少一部分彼此对准；及金属化件(metallization)，其定位在该第一介电贴片与该第二介电贴片之间，该金属化件包括多个弧形沟槽，该多个弧形沟槽中的每一个被定位在第一多个孔及第二多个孔与该金属化件的外周边之间。

在一个变体中，该金属化件包括两个不同的柔性印刷电路板。

在另一变体中，该第二介电贴片包括组织成多个沟槽组的多个沟槽。

在又一变体中，该多个沟槽的一部分被定位在所述第一多个孔之一与所述第二多个孔之一之间。

在又一变体中，该多个沟槽组包括第一沟槽组及邻近第一沟槽组设置的第二沟槽组，其中该多个弧形沟槽的第一弧形沟槽覆盖该第一沟槽组的一部分及该第二沟槽组的一部分。

在又一变体中，该第一介电贴片还包括内环，其围绕所述第一多个孔定位。

在又一变体中，第一介电贴片还包括中间环，其定位在所述第一多个孔与所述第二多个孔之间。

在又一变体中，该第一介电贴片还包括一个或更多个外环，该一个或更多个外环被定位在所述第二多个孔与该第一介电贴片的外周边之间。

在又一变体中，该第一介电贴片及该第二介电贴片包括用于该第一介电贴片及该第二介电贴片的外周边的盘状轮廓(disk-like profile)。

在又一变体中，该第一介电贴片及该第二介电贴片中的每一个包括一个或更多个对准特征件(alignment feature)，当第一介电贴片与第二介电贴片彼此安装时，其提供该第一介电贴片与该第二介电贴片之间的对准。

在又一变体中，该圆形贴片天线还包括设置在该第一介电贴片顶上的顶金属化件，该顶金属化件包括多个弧形沟槽。

在又一变体中，该圆形贴片天线还包括第一多个焊针(solder pin)及第二多个焊针，所述第一多个焊针穿过该第一介电贴片及该第二介电贴片两者而被容纳，而所述第二多个焊针容纳在该第二介电贴片内但不在该第一介电贴片内。

在又一变体中，该圆形贴片天线还包括设置在该第二介电贴片下方的底金属化件。

在又一变体中，被定位在该第一介电贴片与该第二介电贴片之间的两个不同的柔性印刷电路板、设置在该第一介电贴片顶上的顶金属化件和设置在该第二介电贴片下方的底金属化件每一个都包括圆形外轮廓。

在另一实施例中，该圆形贴片天线包括第一介电贴片，其具有第一多个孔及第二多个孔，所述第二多个孔设置在所述第一多个孔与该第一介电贴片的外周边之间；第二介电贴片，其具有第三多个孔与第四多个孔，当该第一介电贴片安装在第二介电贴片上时，所述第一多个孔对准该第三多个孔，而所述第二多个孔对准该第四多个孔；以及金属化件，其定位在该第一介电贴片与该第二介电贴片之间，该金属化件包括多个弧形沟槽，该多个弧形沟槽中的每一个被定位在第一多个孔及第二多个孔与该金属化件的外周边之间。

在一个变体中，该第二介电贴片包括组织成多个沟槽组的多个沟槽。

在另一变体中，该多个沟槽的一部分被定位在所述第一多个孔之一与所述第二多个孔之一之间。

在又一变体中，该多个沟槽组包括第一沟槽组及邻近该第一沟槽组设置的第二沟槽组，其中该多个弧形沟槽的第一弧形沟槽覆盖该第一沟槽组的一部分及该第二沟槽组的一部分。

在又一变体中，该金属化件包括两个不同的金属化件。

在又一变体中，该圆形贴片天线还包括定位在该第一介电贴片顶的顶金属化件，该顶金属化件包括多个弧形沟槽，该多个弧形沟槽与位于被定位在该第一介电贴片与该第二介电贴片之间的两个不同的金属化件上的多个弧形沟槽对准。

在另一方面中，公开了结合前述圆形贴片天线的系统。

在又一方面中，公开了制造前述圆形贴片天线的方法。

本领域普通技术人员参考附图及以下方所给出示例性实施方式的实施方式，将明白本公开的其他特征及优点。

附图说明

本公开的特征、目的及优点将可从以下结合附图的实施方式而变得更明白，其中：

图1A为根据本公开原理的圆形贴片天线的分解立体图。

图1B为根据本公开原理的图1A的圆形贴片天线的俯视平面图。

图1C为根据本公开原理的图1A的圆形贴片天线的主视平面图。

图1D为根据本公开原理的图1A的圆形贴片天线的俯视分解立体图。

图1E为根据本公开原理的图1A的圆形贴片天线的仰视分解立体图。

图1F为根据本公开原理的图1A的圆形贴片天线的底介电贴片的仰视分解立体图。

图2为根据本公开原理的图1A至图1F的圆形贴片天线的主视图、俯视图、仰视图及等角视图。

本文公开的所有图均为

具体实施方式

示例性实施例

现提供本公开的装置及方法的各种具体实施例及变体的详细说明。应注意，在任何可行的情况下，图中可能使用实际相似或类似的附图标记并可能指出相似或类似的功能。图仅为说明目的，描述系统、圆形贴片天线、或方法的多个具体实施例。本领域普通技术人员将可从以下说明中容易认识到，在不悖离本文说明的原理的情况下，可采用本文所示结构及方法的多个替代具体实施例。

示例性圆形贴片天线-

例如，用于无人航空载具(UAV)等的天线开发的发展趋势已导致非传统材料的开发，这些非传统材料：(1)重量更轻，以最大化这些UAV的电池寿命；及(2)具有增加的耐冲击性，以提高天线设计的可靠性。最近，本公开的受让人已经实施用陶瓷颗粒强化的聚合物介电物质，其用作这些天线设计中传统上使用的较重及较脆的陶瓷的替代品。这些聚合物介电材料已在

参考图1A至图1F，其详细示出及说明示例性圆形贴片天线100。圆形贴片天线100可用作GNSS贴片天线，其具有足够的频带带宽以覆盖所有L带的GNSS频率，同时保持可制造性及相对小尺寸。此外，在不牺牲其相位及极化性能特性的情况下，可降低圆形贴片天线100的共振频率。此外，通过其结合上述聚合物介电材料，贴片介质的有效介电常数可随着底层圆形贴片天线100设计的几何设计变化而改变，同时还提高其可制造性及将质量降至最低。

图1A为圆形贴片天线100的分解立体图，其示出构成一个示例性天线设计的各种组件。圆形贴片天线100可包括顶介电贴片102以及底介电贴片104，其可由前述用陶瓷颗粒强化的聚合物介质所制成。在一些实施方式中，顶介电贴片102及/或底介电贴片104可由陶瓷制成，或者可使用其他类型的已知介电材料所制成。圆形贴片天线100也可结合多个不同的柔性印刷电路板(printed circuit board，PCB)。例如，这些柔性PCB可包括定位在顶介电贴片102顶的顶贴片柔性PCB 110、定位在顶介电贴片102与底介电贴片104之间的一个或更多个中间贴片柔性PCB 112、134，以及定位在底介电贴片104下方的底接地柔性PCB 114。这些柔性PCB 110、112、134、114可由聚酰亚胺材料所制成。顶柔性PCB 110可形成圆形贴片天线100的顶贴片金属化件。一个或更多个中间柔性PCB 112、134可形成圆形贴片天线100的中间贴片金属化件。此外，使用两个不同的中间柔性PCB 112、134可用于稳定例如跨不同圆形贴片天线100的顶介电贴片102的性能。当圆形贴片天线100安装在例如非平面或不完全平坦的表面上时，底柔性PCB 114可形成圆形贴片天线100的接地平面，其可稳定圆形贴片天线100的性能。尽管将柔性PCB 110、112、134、114用于圆形贴片天线100是示例性的，并在圆形贴片天线100的整体高度的设计限制决定其使用的情况下可能是理想的，但是鉴于本公开的内容，本领域普通技术人员应明白，替代实施方式可利用其他类型的传统基板材料，包括例如由FR-4、或其他类型金属化件及基板材料制成基板。

圆形贴片天线100也可包括一个或更多个焊针106、108。如图1A所示，所示出焊针106、108的总数为四(4)个以形成双馈圆形贴片天线100，尽管鉴于本公开的内容，本领域普通技术人员将明白，焊针106、108的数量可根据具体的设计限制而变化。例如，四馈圆形贴片天线100可包括八(8)个焊针106、108。在一些实施方式中，焊针106可具有与焊针108不同的长度。例如，焊针106可具有十五(15)mm的长度，而焊针108可具有十一(11)mm的长度。焊针长度的不同可能是必要的，因为这些焊针中的一些106可能必须通过顶介电贴片102和底介电贴片104两者，而这些焊针中的其他一些108仅需要通过底介电贴片104。

附带一提，并参考图1B，圆形贴片天线100顶上的所示馈孔120、122已详细示出与说明。内馈孔120围绕圆形贴片天线100的中心线132定位在直径D2。外馈孔122围绕圆形贴片天线100的中心线132定位在直径D1。在一些实施方式中，焊针106可容纳在对应的内馈孔120内，而焊针108可容纳在对应的外馈孔122内，尽管如图1A所示在顶介电贴片102的下方。然而，在一些实施方式中，此装置可颠倒，使得焊针106可容纳在对应的外馈孔122内，而焊针108可容纳在对应的内馈孔120内。参考图1D，焊针106通过顶柔性PCB 110、顶介电贴片102、通过中间柔性PCB 112、134两者、底介电贴片104及底柔性PCB 114。在一些实施方式中，焊针108是在通过底介电贴片104及底柔性PCB 114之前，定位在从其突出的较下方的柔性PCB 134的顶。在一些实施方式中，焊针108不通过中间柔性PCB 112、134两者；而是其仅通过较下方的中间柔性PCB 134。重新参考图1A，圆形贴片天线100也可经由使用螺纹螺丝118及螺帽116来固定到最终使用者PCB(200，图1D)。螺纹螺丝118可容纳在位于最终使用者PCB(200，图1D)上的孔(202，图1D)中。然而，在一些实施方式中，可排除使用螺丝118及螺帽116，而采用其他附接方式，诸如到焊针106、108的焊接连接。在一些变体中，可用外罩(未示出)、黏合剂、胶带或其他附接机构，以将圆形贴片天线100的各种组件保持在一起。

参考图1A及图1F，底介电贴片104包括定位在馈孔120、122中的每一个之间的多个沟槽130。如图1A及图1F所示，圆形贴片天线100包括四(4)个内馈孔120及四(4)个外馈孔122，并因此包括四(4)组沟槽130，尽管如应理解，在一些实施方式中，沟槽130的组数量可大于四(4)，或在其他实施方式中可小于四(4)。而且，如图1A及图1F所示，每组沟槽130是由六(6)个不同的沟槽130组成，其中随着沟槽130的位置远离圆形贴片天线100的中心线132，沟槽130的长度增加。在一些实施方式中，每组沟槽130中的不同沟槽130的精确数量可多于(或少于)六(6)个。

中间柔性PCB 112、134还可包括一组弧形沟槽125，其可定位在对应的中间柔性PCB 112、134的外周边与孔120、122之间。每个弧形沟槽125是由弧角

附带一提，现有的贴片天线典型上被制成包括固体顶面，以支持金属化工艺(典型上是烧结银胶(sintered silver paste))。然而，通过消除贴片天线具有固体顶面的要求，如针对底介电贴片104所示，并使用无固体顶面或底面的规则间隔的垂直壁，可为底介电贴片104提供介电负载，其大致对应于介电-真空的填充比乘以下层的介电材料的介电常数。因此，通过使用这些垂直壁，底介电贴片104的有效介电常数高于没有这些垂直壁的情况。另外，通过从底介电贴片104去除质量，介电负载-质量比也得到改善。当使用注射成型工艺所形成的复合(聚合物)材料时，这些垂直壁的使用还改善这些类型的贴片天线的可制造性。原因是由于注射成型大平坦表面困难，因为产品在注射成型过程后往往冷却不均匀，导致随机凹陷区域和不平坦表面。然而，通过在底介电贴片104中加入窄而均匀厚度的壁，由于不均匀冷却引起材料凹陷的可能性降至最低，因此与具有大固体平坦表面的注射成型电介质相比，提高了制造过程期间的产品良率。

参考图1E，其最佳示出顶介电贴片102的下侧。顶介电贴片102可包括内环126，其围绕内馈孔120对称地定位。顶介电贴片102也可包括中间环128，其定位在内馈孔120与外馈孔122之间。顶介电贴片102也可包括一个或更多个外环124，其定位在外馈孔122的外侧。如图1E中所示，外环124的数量是一(1)，尽管在一些实施方式中，这些外环124的数量可大于一(1)。在一些实施方式中，顶介电贴片102可包括类似于包括多组沟槽130的底介电贴片104的几何形状。在另一实施方式中，底介电贴片104可包括如图1E所示的顶介电贴片102的几何特征。两个介电贴片102、104可配置成在不同频带中工作，并因此，本领域普通技术人员可鉴于本公开内容，可根据不同的设计限制而变化所选定的精确几何形状。

如图1D及图1E所示，顶介电贴片102包括对准特征件103，而底介电贴片104包括对准特征件105，其有助于顶介电贴片102相对于底介电贴片104对准。如图1D所示，顶介电贴片102的对准特征件103为突起，而底介电贴片104的对准特征件105为尺寸契合这些突起的腔。然而，本领域普通技术人员可鉴于本公开的内容明白，在一些实施方式中，可颠倒这些突起/腔，或者可组合使用，其中顶介电贴片102及底介电贴片104中的每一个针对顶介电贴片102及底介电贴片104中的每一个而使用突起及腔的组合。

参考图1C，其详细示出并说明一个示例性圆形贴片天线100的示例性尺寸属性。例如，顶介电贴片102可以具有直径D3，而底介电贴片104可以具有直径D4。在一些实施方式中，尺寸D3与尺寸D4可略有不同，虽然应明白，一些变体可具有等同于尺寸D4的尺寸D3。在一个实施方式中，尺寸D3的直径为59.9mm，而尺寸D3的直径为60.2mm。如图1C所示，圆形贴片天线100可包括多个六角螺柱(standoff)107，其有助于将圆形贴片天线100附接到外部PCB。在一些实施方式中，圆形贴片天线100也可包括为11.8mm的高度尺寸H1。在一些实施方式中，圆形贴片天线100也可包括为15.7mm的第二高度尺寸H2。

在一些变体中，圆形贴片天线100可包括三(3)个或更多个介电贴片，以及用于圆形贴片天线100的附随柔性PCB，以在更宽的不同频率范围内工作。在一些实施方式中，单介电贴片可结合附随柔性PCB，以实现特定工作频率。当整体高度限制指定较低轮廓的圆形贴片天线100设计时，此实施方式可能是合乎需要的。本领域普通技术人员可鉴于本公开的内容明白这些及其他变体。

应明白，虽然本公开的某些方面是根据具体设计示例来描述的，但是这些描述仅是本公开的更广泛方法的说明并可根据特定设计的需要进行修改。在某些情况下，某些步骤可变得不必要或可选。另外，某些步骤或功能可添加到公开的具体实施例，或者重新排列两个或更多个步骤的执行顺序。所有这些变化被认为包括在本文所描述和所要求保护的本公开中。

虽然上面的详细说明已经显示、说明和指出了应用于各种具体实施例的本公开的新颖特征，但是应理解，在不悖离本公开的原则情况下，本领域普通技术人员可对所说明的设备或工艺的形式和细节进行各种省略、替换和改变。前面的描述为目前所考虑实现本公开的最佳模式。该描述不意在限制，而是视为对本公开的一般原理的说明。本公开的范围应参考权利要求书确定。