CN102163767B - 一种共面集成的gps/its天线 - Google Patents

Abstract

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***(GPS)和智能交通***(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。

Description

一种共面集成的GPS/ITS天线

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***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***（GPS）来获知车辆所在位置。

智能交通***（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***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***（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***是美国第二代卫星导航***，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***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***（GPS）和智能交通***（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(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)，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100mm×100mm，基板双面覆铜的厚度均为0.07mm；

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，所述的正方形贴片(3)位于微波介质基板(1)上表面的中心，其被方形环贴片（2）均匀包围，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。

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***（GPS）和智能交通***（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。

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。

附图说明

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（S11）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；：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100mm×100mm；GPS馈电端口和ITS馈电端口均采用SMA头，特性阻抗为50Ω；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（S11）和轴比系数的测试结果如图5所示，该GPS天线的回波损耗S11<-10dB的带宽为1210-1238MHz（29MHz），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S11<-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5.3～6.0dBi。

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。

Claims (1)

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(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)，其特征在于：

所述的正方形贴片(3)位于微波介质基板(1)上表面的中心，其被方形环贴片(2)均匀包围，正方形贴片(3)和方形环贴片(2)之间刻蚀有缝隙；

所述的正方形微波介质基板(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100mm×100mm，基板双面覆铜的厚度均为0.07mm；

所述方形环贴片(2)的大小为55mm×55mm，所述正方形贴片(3)的大小为34mm×34mm，所述方形环贴片(2)与所述正方形贴片(3)的缝隙为1mm，所述微带馈电(5)的长度为63mm、宽度为3mm，所述微带馈电(5)与所述正方形贴片(3)的缝隙为1.1mm，所述中心馈电探针(7)的直径为1.3mm；

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；

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；

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；

GPS信号馈电端口(8)和ITS信号馈电端口(9)均采用SMA头，特性阻抗为50Ω；

GPS天线和ITS天线的集成采用了普通的印刷电路双层板来实现，并且所述方形环贴片(2)，正方形贴片(3)和微带馈电(5)是共面的。