GNSS天线系统、元件和方法与流程

gnss天线系统、元件和方法
相关申请的交叉引用
1.本专利申请要求2019年9月15日提交的标题为“gnss天线元件(gnss antenna element)”的美国临时专利申请62/900,605的优先权，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
2.本专利申请涉及全球导航卫星系统，尤其涉及天线、天线元件和使用一对或多对天线元件的天线组件，每对天线元件与偶极子电磁耦合，具有增强的方位性能和/或宽带高精度高纯度接收。


背景技术：

3.全球卫星导航系统(global satellite navigation systems)或全球导航卫星系统(global navigation satellite systems，gnss)利用地理空间定位卫星网络来广播精确同步的导航信息，从而通过专用的gnss接收器确定网络时间和地理位置。除了大量地理定位用途外，这种接收器还提供了无处不在的全球时间参考，从消费者导航设备到监测全球变暖的手段，再到精确农业，当然还有军事应用。
4.现代全球导航卫星系统(gnss)接收机通常设计和配置为接收来自多个星座的信号，如欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯、美国gps和中国北斗全球导航系统，以及至少两个区域定位和定时系统，如印度navic和日本qzss系统。全球导航卫星系统接收器最广泛的用途是在消费产品中，如车辆导航系统，个人导航系统等，当达到静止状态时，其典型精度在2米(直径4米)以内95％，但在处理接收到的gnss信号的相关软件中进行电子处理和过滤，要么平滑统计变化，要么将位置图标捕捉到地图上的“最有可能”特征，以便消费者级跟踪通常看起来比事实上更准确。
5.然而，在其它应用中，报告的位置应是真实的(即准确的)和可靠的，通常真实位置的报告精度更高。此类应用可包括测量、自动车辆控制和/或制导系统、精确农业、无人机(uav)制导和飞机实时导航等。此类高精度gnss接收机可提供10厘米以内的真实位置，或提供2-3厘米以内的校正数据，或提供集成周期较长的固定系统1-2毫米以内的真实位置。
6.这种精确的全球导航卫星系统接收器接收两个或两个以上频率的信号，并采用对流层和电离层的复杂模型，以便估计用于建立三维精确位置的多颗卫星的信号飞行时间。此外，此类系统利用卫星在导航信号中传输的数据，这些数据与卫星位置和时间估计误差有关，这些误差可能由卫星遇到的轨道条件等因素引起。
7.从概念上讲，这均为相对直接的。然而，全球导航卫星系统信号在地球表面的峰值射频功率通量密度(pfd)约为-120dbm，并随着卫星接近地平线而降低。因此，如果有足够多的卫星可访问，则gnss接收器可选择性地使用来自具有较高pfd的高空卫星的信号。然而，全球导航卫星系统接收器有能力跟踪信号直至地平线，这将是有益的。实现这一点的能力完全取决于gnss天线发送到gnss接收器的信号质量。除了清晰地接收极低电平的射频信号
外，每个接收信号的相位独立于天线上的入射角也很重要。此外，全球导航卫星系统接收器必须支持圆极化信号的接收。
8.这是因为无法改善或恢复接收到的gnss信号的任何实时方面，例如偏振纯度、相位完整性或信号质量(信噪比)或相位中心。全球导航卫星系统接收器可用的唯一信息是全球导航卫星系统天线终端上的信号，因此全球导航卫星系统接收器系统的精度首先完全取决于天线。
9.因此，向gnss接收机设计者提供不受现有技术解决方案的一个或多个限制的gnss天线元件和gnss天线系统将是有益的。
10.在结合附图回顾本发明具体实施例的以下描述后，本领域的普通技术人员将清楚地了解本发明的其它方面和特征。


技术实现要素：

11.本发明的一个目的是减轻现有技术中与全球导航卫星系统有关的限制，尤其是与使用一对或多对天线元件的天线、天线元件和天线组件有关的限制，每对天线元件通过增强的方位性能和/或宽带高精度高纯度接收电磁耦合到偶极子。
12.根据本发明的一个实施例，提供了一种提供天线的方法，包括：提供一个窄带偶极子，所述窄带偶极子通过电磁方式耦合到对称排列的金属化翼瓣上，金属化翼瓣在远端金属化接地层上集中排列，并且对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接；其中天线在偶极子馈电连接处提供宽带回波损耗和阻抗；和金属化翼瓣提供宽带低损耗匹配馈电网络，以提高组合结构的辐射效率。
13.根据本发明的一个实施例，提供了一种提供天线的方法，包括：提供与金属化翼瓣的对称排列电磁耦合的偶极子，所述偶极子在远端金属化接地层的中心上布置，对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接，所述偶极子馈电连接进一步连接到限制在接地层中心的馈电连接；其中金属化翼瓣的偶极子和对称排列布置在接地层上方；金属化翼瓣的局部电流最大值偏离偶极子中心；和接地层基本上没有偶极子馈电返回电流。
14.根据本发明的一个实施例，提供了一种提供天线的方法，包括：提供一个窄带偶极子，所述窄带偶极子以电磁方式耦合到金属化翼瓣的对称排列上，所述金属化翼瓣排列在远端金属化接地层的中心，对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接；其中天线金属化翼瓣中的局部电流最大值偏离偶极子中心；和在由窄带偶极子和金属化翼瓣对称排列组成的组合辐射元件中，电流大小的拐点出现在偶极子的中心。
15.根据本发明的一个实施例，提供了一种提供天线的方法，包括：提供一窄带偶极子，所述窄带偶极子以电磁方式耦合到金属化翼瓣的对称排列上，所述窄带偶极子在远端金属化接地层上集中排列，且对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接，其中
金属化翼瓣的对称排列将天线结构的带宽扩展到比窄带偶极子更大的带宽。
16.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：接地层衬底，其具有限定的中心，并且包括形成天线的接地层的第一金属化层；在翼瓣衬底上金属化的一对相对翼瓣，其中，所述相对翼瓣对中的每一翼瓣是电隔离的，并且几何上相同，并且包括沿第一翼瓣轴共线布置的第一较宽端和第二远端较窄端，其中，金属化翼瓣的宽度从第一较宽端到第二远端较窄端逐渐减小，一对相对的翼瓣的近端是远端第二端，翼瓣衬底中心位于所述金属化翼瓣之间的中点；偶极子衬底布置在接地层和所述翼瓣衬底之间；第二金属化层与接地层正交，所述第二金属化层被图案化以在偶极子衬底的平面中提供偶极子，所述偶极子衬底包括一对相同的偶极子元件，具有预定的几何形状，在第一偶极子轴上共线布置，与接地层衬底平行，并在其近端连接到第一偶极子馈送点和第二偶极子馈送点，分别地其中第一翼瓣轴和第一偶极子轴分别与与接地层中心同心的中心线性对准；所述翼瓣衬底中心在接地层上方的预定距离处偏移；所述翼瓣衬底围绕翼瓣衬底中心对称弯曲，以将所述金属化翼瓣形成相同的三维形状；一对相对的翼瓣的每个金属化翼瓣的下表面与邻近偶极子元件的最近边缘之间的间隔具有从接地层中心径向的预定轮廓；和所述偶极子通过电磁耦合有效地构成宽带分布式馈电网络，而无需与所述相对翼瓣对直接电连接。
17.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：接地层衬底，包括形成天线接地层的第一金属化层；一对相对的金属化翼瓣，其共线布置，所述对金属化翼瓣中的每一翼瓣相同，且包括第一较宽端和第二远端较窄端，其中心轴长于翼瓣的宽度，其中所述宽度从第一较宽端逐渐减小至第二远端较窄端，一对相对的金属化翼瓣的近端是第二远端较窄端，且在其共同线性轴上的一对相对的金属化翼瓣之间的中点定义天线的几何中心；和偶极子衬底，其包括第二金属化层，所述第二金属化层被图案化以提供窄带偶极子，所述窄带偶极子包括一对偶极子元件和一对互连轨道，所述对互连轨道将偶极子的每个元件连接到一对金属化端子的预定金属化端子；其中窄带偶极子的第一轴与天线的几何中心对准，并垂直于接地层；窄带偶极子的第二轴平行于接地层，并与一对相对的金属化翼瓣对齐；每个翼瓣的第一较宽端与第一金属化层具有预定间距；和一对相对的金属化翼瓣具有三维几何形状，使得每个金属化翼瓣的内表面与其相关联的偶极子元件的最近边缘之间的间距以预定方式随着从其第一较宽端到其第二远端较窄端的高度而变化。
18.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：一种具有至少两个金属层的接地层衬底，其中上金属层连续金属化以包括接地层表面，并且具有中心安装槽和多个外围安装槽，偶极子衬底，其具有压印在偶极子衬底上的金属层中的巴伦和窄带偶极子，所述巴伦连接到所述偶极子衬底下边缘中心的突出凸耳上的金属化端子，
一种三维结构，包括安装在所述接地层衬底上的所述偶极子衬底，所述突出凸耳插入所述中心安装槽中，位于与接地层正交的平面内，所述巴伦连接到所述接地层衬底的下金属层上的馈电电路，一对相对的金属化翼瓣，蚀刻在金属中，在由第一翼瓣和远端第二翼瓣组成的半柔性介电衬底上具有非导电边缘，每个翼瓣的尺寸相同，每个翼瓣具有较宽的端部和远端较窄的端部，中心轴长于较宽的端部，逐渐减小所述较宽端部和所述较窄端部之间的宽度，第一和第二翼瓣中的每一个共线，所述第一和第二翼瓣的近端是较窄的端部，在延伸的公共轴上，第一和第二翼瓣之间的中点被定义为几何天线中心，每个翼瓣在较宽的一端具有多个金属化连接片，与所述金属化翼瓣电隔离，所述半柔性衬底具有足够的长度，通过将所述连接片插入所述接地层的外围安装槽中形成拱形结构；和所述偶极子衬底的上边缘被雕刻成在相对翼瓣对和所述窄带偶极子之间提供精确的空间，由此所述偶极子通过电磁耦合有效地构成宽带分布式馈电网络，而不与所述相对翼瓣对直接电连接。
19.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：接地层衬底，包括形成天线接地层的第一金属化层；第一对相对的金属化翼瓣，其共线布置，第一对金属化翼瓣的每个翼瓣相同，并且包括第一较宽端和第二远端较窄端，其中心轴长于翼瓣的宽度，其中宽度从第一较宽端到第二远端较窄端逐渐减小，第一对相对的金属化翼瓣的近端是第二远端较窄的端部，并且在其共同线性轴上的一对相对的金属化翼瓣之间的中点定义天线的几何中心；第二对相对的金属化翼瓣，其共线布置，第二对金属化翼瓣的每个翼瓣相同，并且包括第一较宽端和第二远端较窄端，其中心轴长于翼瓣的宽度，其中宽度从第一较宽端到第二远端较窄端逐渐减小，一对相对的金属化翼瓣的近端是第二远端较窄端，并且第二对相对的金属化翼瓣之间的中点与天线的几何中心对准；第一偶极子衬底，其包括第二金属化层，所述第二金属化层被图案化以提供第一窄带偶极子，所述第一窄带偶极子包括一对偶极子元件和一对互连轨道，所述对互连轨道将第一窄带偶极子的每个元件连接到一对金属化端子的预定金属化端子；和第二偶极子衬底，其包括第三金属化层，所述第三金属化层被图案化以提供第二窄带偶极子，所述第二窄带偶极子包括另一对偶极子元件和将所述第二窄带偶极子的每个元件连接到一对金属化端子的预定金属化端子的另一对互连轨道；其中第一窄带偶极子与天线的几何中心对准并垂直于接地层；第二窄带偶极子与天线的几何中心对准，垂直于接地层且垂直于第一窄带偶极子；第一对相对的金属化翼瓣的每个翼瓣的中心轴与第一窄带偶极子对齐；第二对相对的金属化翼瓣的每个翼瓣的中心轴与第二窄带偶极子对齐；每个翼瓣的第一宽端与接地层具有预定的间距；第一对相对的金属化翼瓣具有三维几何形状，使得每个金属化翼瓣的内表面与其第一偶极子的相关偶极子元件的最近边缘之间的间距以预定方式随着从其第一较宽端到其第二远端较窄端的高度而变化；和
第二对相对的金属化翼瓣具有三维几何形状，使得每个金属化翼瓣的内表面与第二偶极子的相关偶极子元件的最近边缘之间的间距以预定方式随着从其第一较宽端到其第二远端较窄端的高度而变化。
20.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：一种具有至少两个金属层的接地层衬底，其中上金属层连续金属化以包括接地层表面，并且具有第一中心安装槽和第二中心安装槽，所述第一中心安装槽和第二中心安装槽与所述第一中心安装槽同心并正交于所述第一中心安装槽，以及多个外围安装槽，外部尺寸相同的第一和第二偶极子衬底，其上均匀地刻有一个巴伦和一个印在偶极子衬底上的金属层中的窄带偶极子，所述巴伦连接到所述偶极子衬底下边缘中心突出凸耳上的金属化端子，所述第一和第二偶极子包括互锁槽，用于装配三维交叉偶极子结构，一个组件，由一个正交偶极子结构组成，通过将各突出凸耳插入所述第一和第二中心安装槽，安装在所述接地层衬底上，第一和第二巴伦馈电连接由rf 90度耦合器组成的馈电电路的第一和第二输出，第一和第二对相对翼瓣，每对翼瓣由第一翼瓣和远端第二翼瓣组成，第一翼瓣和远端第二翼瓣蚀刻在具有非导电边缘的金属上，在每个尺寸相同的半柔性衬底上，每个翼瓣具有较宽的端部和远端较窄的端部，中心轴长于较宽的端部，且所述较宽端部和所述较窄端部之间的宽度逐渐减小，所述第一和第二翼瓣共线，所述第一和第二翼瓣的近端为较窄端，所述第一和第二对相对翼瓣的轴线彼此正交，每个延伸轴上第一和第二翼瓣之间的公共中点定义为几何天线中心。每个所述金属化翼瓣在较宽的端部具有多个金属化连接片，与所述金属化翼瓣电隔离，所述半柔性衬底具有足够的长度，通过将所述连接片插入所述接地层中的所述外围安装槽形成穹顶结构，所述翼瓣对沿交叉偶极子的轴线对齐，所述第一和第二偶极子衬底的上边缘被雕刻成相同的形状，以在相对翼瓣对和所述交叉窄带偶极子之间提供精确的空间，由此所述偶极子通过电磁耦合有效，以包括用于圆极化天线的宽带分布式馈电网络，其中所述相对翼瓣对中没有一个直接连接。
21.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：一种具有至少两个金属层的接地层衬底，其中上金属层连续金属化以包括接地层表面，并且具有第一中心安装槽和第二中心安装槽，所述第一中心安装槽和第二中心安装槽与所述第一中心安装槽同心并正交于所述第一中心安装槽，以及多个外围安装槽，外部尺寸相同的第一和第二偶极子衬底，其上均匀地刻有一个巴伦和一个印在偶极子衬底上的金属层中的窄带偶极子，所述巴伦连接到所述偶极子衬底下边缘中心突出凸耳上的金属化端子，所述第一和第二偶极子包括互锁槽，用于装配三维交叉偶极子结构，一个组件，包括一个正交的偶极子结构，通过将所述突出凸耳的各个凸耳插入所述第一和第二中心安装槽，安装在所述接地层衬底上，以及四个垂直于接地层安装的填隙支撑衬底，每个衬底相对于所述交叉偶极子轴中的任意一个旋转45度，以便类似地布置在所述交叉偶极子结构的每个象限中，每个间隙支撑衬底具有与所述交叉偶极子相同的上轮廓，当第一和第二巴伦馈线连接时，由射频90度耦合器组成的馈线电路的第一和第二输出
第一翼瓣、第二翼瓣、第三瓣和第四瓣对，每个瓣对由第一翼瓣和远端第二翼瓣组成，第一翼瓣和远端第二翼瓣蚀刻在具有非导电边缘的金属上，在每个尺寸相同的半柔性衬底上，每个瓣具有较宽的端部和远端较窄的端部，中心轴长于较宽的端部，随着所述较宽端和所述较窄端之间的宽度逐渐减小，所述第一和第二翼瓣共线，所述第一和第二翼瓣的近端为较窄端，任意第二翼瓣对的轴相对于所述第一翼瓣对的轴旋转45度，所述第三翼瓣对和所述第二翼瓣对、所述第四翼瓣对和所述第三翼瓣对之间的旋转相等，每个翼瓣对的每个延伸轴上的第一和第二翼瓣之间都有一个共同的中点，定义为几何天线中心，每个所述金属化翼瓣在较宽的端部具有多个金属化连接片，与所述金属化翼瓣电隔离，所述半柔性衬底具有足够的长度，通过将所述连接片插入所述接地层中的所述外围安装槽中形成穹顶结构，所述翼瓣对中的至少一个沿着所述交叉偶极子之一的轴线对齐，所述第一和第二偶极子衬底的上边缘雕刻相同，以在与所述交叉窄带偶极子中的每一个相关联的相对翼瓣对之间提供精确的空间，所述填隙支撑衬底的上边缘进一步雕刻成与所述偶极子衬底相同的形状，由此所述偶极子通过电磁耦合有效，以包括用于圆极化天线的宽带分布式馈电网络，其中所述相对翼瓣对中没有一个直接连接。
22.根据本发明的一个实施例，提供了一种接收圆极化射频信号的方法，包括：提供第一对相对的金属化翼瓣，其布置在接地层上方，并且具有相对于接地层的预定三维轮廓；提供第二对相对的金属化翼瓣，其布置在接地层上方且与第一对相对的金属化翼瓣正交，并且具有与第一对相对的金属化翼瓣相同的预定三维轮廓；第一偶极子，包括与第一对相对的金属化翼瓣对齐的一对第一偶极子元件，使得；第二偶极子，包括与所述第二对相对的金属化翼瓣对齐的一对第二偶极子元件；其中从每个第一偶极子元件的上边缘到第一对相对的金属化翼瓣的各自翼瓣的距离具有预定轮廓，作为距接地层的仰角的函数；和从每个第二偶极子元件的上边缘到第二对相对的金属化翼瓣的各自翼瓣的距离具有预定轮廓，作为距接地层的仰角的函数。
23.根据本发明的一个实施例，提供了一种接收圆极化射频信号的方法，包括：提供电连接至馈电网络的第一窄带偶极子；提供与第一偶极子正交并电连接到馈电网络的第二窄偶极子；提供第一对相对的金属化翼瓣，其布置在接地层上方，并且具有相对于接地层的预定三维轮廓；提供与第一对相对的金属化翼瓣正交的第二对相对的金属化翼瓣，其布置在接地层上方且与第一对相对的金属化翼瓣正交，并且具有与第一对相对的金属化翼瓣相同的预定三维轮廓；其中第一偶极子和第一对相对的金属化翼瓣彼此轴向对齐；第二偶极子和第二对相对的金属化翼瓣彼此轴向对齐；第一对相对的金属化翼瓣提供宽带天线元件，其经由第一窄带偶极子辐射耦合到馈电网络；和
第二对相对的金属化翼瓣提供宽带天线元件，其分别经由第二窄带偶极子辐射耦合到馈电网络。
24.根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：一种具有至少两个金属层的接地层衬底，其中上金属层连续金属化以包括接地层表面，并且具有中心安装槽和多个外围安装槽，在半柔性衬底上蚀刻在金属中的第一对相对翼瓣，其中所述相对翼瓣对的每个翼瓣是电隔离的，几何上相同，包括第一宽端和第二远窄端，所述第一宽端和第二远窄端沿着平行于接地层的第一翼瓣轴共线布置，所述相对翼瓣对的近端是远侧第二端，翼瓣衬底中心被定义为所述金属化翼瓣之间的中点；和在半柔性衬底上蚀刻金属的第二对相对翼瓣，其配置与所述第一对相对翼瓣相同，沿着平行于接地层且与所述第一翼瓣轴正交的第二翼瓣轴布置，与所述第一对翼瓣同心布置，多个金属化连接片，其顺序布置在每个翼瓣衬底中心的远端，且比每个金属化翼瓣的更宽端更远，连接到邻接金属化区域，其中多个连接贴片的每个金属化连接片与第一对相对翼瓣或翼瓣的相关翼瓣的金属化电隔离第二对翼瓣；第一偶极子衬底，布置在所述接地层和所述翼瓣衬底之间，所述翼瓣衬底与所述接地层正交，所述翼瓣衬底具有第二金属化层，所述第二金属化层被图案化以在所述偶极子衬底的平面中提供第一偶极子，所述第一偶极子衬底包括在其近端连接的第一对相同偶极子元件，以提供第一平衡偶极子馈源；和第二偶极子衬底，其配置与所述第一偶极子衬底相同，所述第一偶极子衬底与所述接地层正交，所述接地层沿着与所述第一偶极子轴正交的第二偶极子轴布置，所述第二偶极子衬底包括在其近端连接的第二对相同偶极子元件，以提供第二平衡偶极子馈源；其中所述半柔性衬底具有足够的长度，通过将所述金属化连接片插入所述接地层中的外围安装槽中形成拱形结构；每个金属化区域通过所述金属化连接片连接到地；雕刻第一偶极子衬底的上边缘，以在第一对相对翼瓣或第二对相对翼瓣中的一个的每个翼瓣的内表面与第一对相同偶极子元件之间提供预定间距；雕刻第二偶极子衬底的上边缘，以在第一对相对翼瓣或第二对相对翼瓣的每个翼瓣的内表面与第二对相同偶极子元件之间提供预定间距；其中，通过电磁耦合的第一偶极子和第二偶极子包括两个正交轴上的宽带分布式馈电网络，在第一偶极子、第二偶极子、第一对翼瓣和第二对翼瓣之间没有直接的电连接。
25.在结合附图回顾本发明具体实施例的以下描述后，本领域的普通技术人员将清楚地了解本发明的其它方面和特征。
附图说明
26.现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：
27.图1a和1b描绘了根据本发明实施例的gnss天线的下部和上部透视图；
28.图2描绘了移除印刷电路板(pcb)后根据本发明实施例的gnss天线的下透视图；
29.图3描绘了根据本发明实施例的移除翼瓣的gnss天线的上部透视图；
30.图3b描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的偶极子电路、支撑件和安装块的部分分解组件；
31.图4为根据本发明实施例的gnss天线的一对正交定位偶极子的分解透视图；
32.图5和图6描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的一对偶极子；
33.图7a描绘了根据本发明实施例的翼瓣组件的透视图，翼瓣组件包括用于gnss天线的翼瓣阵列；
34.图7b描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列的平面透视示意图和照片；
35.图7c描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列的平面透视示意图；
36.图8描绘了根据本发明实施例的gnss天线的照片，所述天线在翼瓣阵列中使用8个翼瓣；
37.图9描绘了根据本发明实施例的gnss天线在翼瓣阵列中使用4个翼瓣的照片；
38.图10a和10b分别描绘了根据采用4个翼瓣的本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列的平面透视示意图和照片；
39.图11描绘了根据使用一对翼瓣的本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列的平面透视示意图；
40.图12描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣及其标签的细节；
41.图13a描绘了根据本发明实施例的天线的横截面图，所述天线利用电磁耦合到一对翼瓣的偶极子；
42.图13b描绘了根据本发明实施例的分别具有双馈点(fp)和具有集成巴伦的单馈点的偶极子结构；
43.图14描述了在本发明实施例中实现的偶极子和具有接地层的偶极子的示意图；
44.图15描绘了根据本发明实施例的gnss天线及其模拟电流分布的照片；
45.图16和图17描绘了根据本发明实施例的gnss天线在gps l5、gps l2、galileo e6和gps l1频率下的左右圆极化对仰角的天线响应，分别显示了对以特定仰角来的信号的恒定振幅响应，而与方位角无关；
46.图18描述了根据本发明实施例的gnss天线与针对同一应用的商用现有技术gnss天线的比较；
47.图19描绘了根据本发明实施例的gnss天线在所有gnss频率的天顶和10
°
仰角下的右手圆极化(rhcp)增益；
48.图20描绘了根据本发明实施例的gnss天线在所有gnss频率上的辐射效率；
49.图21描绘了根据本发明实施例的gnss天线在不同仰角下的轴比(ar)；
50.图22描绘了根据本发明实施例的gnss天线在地平线上的ar性能，与针对同一应用的商用现有技术gnss天线相比；
51.图23描绘了根据本发明实施例的gnss天线与针对相同应用的商用现有技术gnss天线相比在地平线上的相位中心变化(pcv)；且
52.图24描述了根据本发明实施例的gnss天线cad的结果，所述天线采用偶极子元件和一对翼瓣。
具体实施方式
53.本发明涉及全球导航卫星系统，更具体地，涉及使用一对或多对天线元件的天线、天线元件和天线组件，每对天线元件与偶极子电磁耦合，具有增强的方位性能和/或宽带高精度高纯度接收。
54.接下来的描述仅提供代表性实施例，并不打算限制本发明的范围、适用性或配置。相反，接下来对实施例的描述将为本领域技术人员提供实现本发明的一个或多个实施例的使能描述。应当理解，在不脱离所附权利要求书中所述的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。因此，实施例是发明的示例或实现，而不是唯一的实现。“一个实施例”、“一实施例”或“一些实施例”的各种外观不一定都指相同的实施例。尽管可以在单个实施例的上下文中描述本发明的各种特征，但是也可以单独或以任何合适的组合提供这些特征。相反，尽管为了清楚起见，本发明可以在单独实施例的上下文中描述，但本发明也可以在单个实施例或实施例的任何组合中实现。
55.说明书中对“一个实施例”、“一实施例”、“一些实施例”或“其它实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，但不一定包括所有实施例中。本文使用的措辞和术语不应被解释为限制性的，而仅用于描述目的。应当理解，在权利要求或说明书提及“a”或“a”元件的情况下，这种提及不应被解释为所述元件中只有一个。应当理解的是，如果说明书中规定部件特征、结构或特性“可以”、“可能”或“可”，则不需要包括所述特定部件、特征、结构或特性。
56.对诸如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”和“后”等术语的引用旨在用于描述本发明实施例的附图中特定特征、结构或元件的方向。显然，这种关于设备实际使用的定向术语没有具体含义，因为用户可以在多个方向上使用所述设备。
57.提及术语“包括”、“包含”、“组成”及其语法变体并不排除添加一个或多个组件、特征、步骤、整数或其组，并且这些术语不得解释为指定组件、特征、步骤或整数。同样，当在本文中使用短语“基本上由”及其语法变体时，不应被解释为排除额外的组件、步骤、特征、整数或其组，而是其额外的特征、整数、步骤、组件或其组不会实质性地改变所要求的组成的基本和新颖特征，装置或方法。如果规范或权利要求提及“附加”元件，则不排除存在多个附加元件。
58.在对齐和/或方向方面，对“垂直”、“沿”、“平行”等术语及其语法变体的引用不应被视为绝对的，而应被视为对其变化的容忍，从而使这些方向和/或对齐“基本上”如所示。例如，通过制造公差、性能公差、制造成本等确定这些公差。
59.此处使用的“方位角”是指以原点为中心的x-y平面中相对于定义方向的旋转角。
60.此处使用的“仰角”或“高度”是指入射平面波的波因廷矢量与x-y(地面)平面之间的夹角。因此，从地平线掠入射的波具有接近零的仰角，而垂直入射的波具有90度的仰角。
61.本文所用的“轴比”是指天线相对于所需极化(第一旋转感)能够拒绝不需要极化(第二旋转感)的圆极化信号的程度的度量，并且是拒绝多径信号的能力的度量，多径信号是精密天线的一个重要参数。
62.本文所使用的“相位中心偏移”指代一个概念，即存在一个与天线相关联的区域，所述区域趋向于完美天线的一个点，在所述区域内或在所述点处，所有信号都可以被认为是在所述点处接收或从所述点发射的。这是空间中的虚拟区域/点，通常位于物理天线中点
的正上方，是对天线在空间中位置的知识限制的度量。
63.本文所用的“相位中心变化”是指测量平面波在所有入射角(即在所有方位角和所有仰角周围)和带宽内所有频率上的视相位中心移动。相位中心变化为零的理想天线。
64.本文所用的“翼瓣”指代一种金属化天线结构，它可以是独立的、由框架支撑的、图案化在衬底上的，也可以是由框架支撑的衬底或载体上的，所述框架为gnss天线提供接收天线元件。为简单起见，在根据本发明实施例的gnss天线的以下机械描述中，术语翼瓣指金属化天线结构、任何衬底或载体以及用于将翼瓣离散地或以翼瓣阵列的形式与gnss天线的一个或多个其它元件机械连接/保持的辅助元件。在根据本发明实施例的gnss天线的以下功能描述中，术语翼瓣指代金属化天线结构。
65.本文中使用的“偶极子天线”(通常称为偶极子)指但不限于产生近似于基本电偶极子辐射图案的一类天线中的任何一种，所述基本电偶极子具有支持线电流的辐射结构，所述线电流被通电，使得电流在每一端只有一个节点。
66.本文所用的“天线罩”指但不限于环境外壳或盖，其中封装有天线，例如gnss天线，其对感兴趣频率中的无线信号是透明的。
67.本文使用的gnss“漫游者”天线指但不限于寻址实时运动学(rtk)和移动(漫游)应用的gnss天线。
68.本文使用的“立方体卫星”指但不限于u级航天器，它是一种小型卫星，由10厘米
×
10厘米
×
10厘米立方单位(4”x4”x4”)的倍数构成。cubesat可以使用商用现货(cots)组件来制作其电子产品和结构。
69.如上所述，gnss接收机在民用和军用市场上都有广泛的应用。民用双频接收机的一种主要配置是使用gps系统(以前称为navstar gps)的l1 l2频段。表1列出了gps l1和gps l2的工作频段，以及2000年代引入的其它主要gnss系统的频段，即北斗、伽利略、glonass、gps和navic。glonass、gps和navic。
表1：gnss系统的工作频率(最接近1mhz)
70.此外，卫星的部署也在增加，这些卫星也在l5频段上提供导航信号，并相应地提供与l1 l5信号或l1 l2 l5信号离散兼容的gnss接收机。l5提供了几个好处，包括但不限于l2的两倍，位于国际电信联盟(itu)为航空无线电导航服务(arns)指定的频段内，所述频段不太容易受到地面导航设备的干扰，并且与伽利略的e5a信号共享同一频率空间。类似地，具有与gps和伽利略系统兼容的gnss接收机也有好处，例如，允许在一个或两个gnss系统都可访问的区域中使用包含这种接收机的设备。
71.第1节：设计原则
72.gnss天线的设计需要考虑一系列特性，例如，在低仰角下跟踪卫星的能力、相位中心变化(pcv)、天线效率和阻抗、轴比和上下比(udr)、天线带宽等，同时还提供了重量轻、紧凑和坚固的外形因素。虽然本发明的以下描述和实施例针对gnss漫游者天线，但本领域技术人员显然可以在不脱离本发明范围的情况下，将概述的设计和原理用于其它应用和场景的gnss天线的设计和实现中。
73.1a：低仰角跟踪：使用精密点定位(ppp)和卫星广播ppp校正数据已被广泛采用。ppp校正数据由地球静止卫星广播，所述卫星通常向欧洲和北美大部分人口稠密地区等低仰角方向传播。l频段信号的链环裕度通常较低(或较薄)，因此在这些仰角下提高增益是gnss天线的一个重要属性。这一问题在卫星波束边缘和北纬地区更加严重，那里的链环裕度受到进一步挑战，天线增益或天线噪声系数仅相差1db可能会对校正可用性产生显著影响。这方面的一个关键设计参数是天线增益与噪声温度(g/t)，它是天线单元增益除以接收机系统噪声温度的比值，通常由天线噪声系数确定。例如，发明人根据本发明的实施例将gnss天线的g/t目标定为-25.5db/k，仰角为10
°
。
74.大多数现有技术的gnss天线单元(如贴片和交叉偶极子)的增益随着仰角向地平线的减小而迅速衰减。由于接地层的存在，这些现有技术的gnss天线元件的极化响应在较低仰角处也变得线性，这是增加天线上方半球增益所必需的。改善的接近地平线的增益也提高了接收机跟踪低仰角卫星的能力，同时提高了精度参数(dop)的稀释度，dop是一种与伪距测量精度相关的指标。大多数商用gnss rover天线在天顶的峰值增益约为3.5dbic至5dbic，在地平线上的滚降为10-12db。通常，这在水平方向上最多提供约-5dbic的天线增益，这不足以优化l频段校正使用。在现有技术中，已经提出了不同的天线类型，例如螺旋元件，以克服这个问题，但是它们的圆柱形和更长的长度使得它们不适合于许多应用，尤其是粗纱(或漫游车)应用。此外，螺旋受到后瓣的影响，这会使天线更容易接收天线正半球下方入射的多径信号。
75.照着如第2节和第3节所示，发明人已经建立了一种gnss漫游者天线，利用围绕分
布式馈电网络的宽带辐射元件(以下称为“翼瓣”)，以便在高性能gnss天线中，在低仰角下获得优异的右手圆极化(rhcp)增益，所述天线具有较小的形状因数，但装配提供提高了制造的易用性和再现性。
76.1b：相位中心变化(pcv)：理想天线的相位中心是空间中的一个概念点，在所述点上接收或发送所有信号，与信号入射的频率、仰角或方位角无关。然而，现实生活中天线的相位中心不太整齐，pcv是“零”相位点随频率、仰角和方位角变化的度量。相位中心变化的校正数据通常编码在标准化文件中，例如天线交换格式(antex)文件，可同时应用于精密应用。漫游者天线的方位角通常未知，因此无法考虑特定方位角的误差。antex文件中提供的pcv校正数据通常作为高程和频率的函数提供，但每个高程和频率的平均方位角数据(指定为“noazi”校正)。因此，可以对每个频率和仰角进行校正，但由于方位pcv的变化而产生的误差无法在接收机中进行校正。对于rtk系统，净系统误差是基本天线和漫游者天线相位中心变化的rms和。通常可以容纳更大的基站天线，其通常可以提供接近 /-1mm的pcv(例如，来自veraphase
tm
或verachoke
tm
天线)。然而，在许多情况下，组合系统的精度在很大程度上取决于较小的gnss漫游者天线的pcv。因此，即使有校正数据，gnss天线的方位对称性也是关键。因此，发明人采用的设计方法侧重于天线元件结构和机械外壳设计的对称性。
77.1c：天线效率和阻抗：天线效率(ae)可以狭义地定义为辐射元件的铜损耗，但馈电网络损耗也有贡献，因此，设计目标应是两者的优化。本领域技术人员通常知道，物理上宽的辐射元件是更宽带宽的关键要求，而铜是散热器金属的良好折衷方案。在下文第2节所述的设计中，使用了宽的物理翼瓣，尽管很明显，在窄带应用中，可以在不脱离本发明范围的情况下使用具有更窄几何形状的替代翼瓣设计。类似地，第3节中描述的实验结果利用铜作为翼瓣金属化物，尽管可以明显地使用其它材料，例如，银提供了更好的导电性，但价格昂贵。
78.然而，从根据本发明实施例的gnss天线的第2节可以明显看出，翼瓣是与分布式馈电网络紧密耦合的寄生谐振器，其本身就是窄带。因此，根据本发明实施例的gnss天线的结果宽带响应来自由翼瓣的优良宽带辐射电阻提供的馈源网络上的负载。
79.之所以选择这种布置，是因为在非嵌入式天线馈电端子处产生的阻抗接近所需的理想阻抗(50欧姆)，因此需要最小的阻抗匹配。宽带宽上的近理想匹配非常重要，因为它允许使用非常短的传输线(通常小于λ/4)将阻抗转换为理想，所述传输线可以包括一个嵌入式无限巴伦。
80.在下面第2节中关于图1a至10b描述和描绘的本发明实施例中，翼瓣与每个正交激励轴的偶极子一起使用，其中一对正交激励轴在电气上独立且在电气上高度隔离(在根据本发明实施例制造的gnss天线内优于-30db)，即使是寄生翼瓣耦合。为了实现所需的圆极化，两个轴随后在与gnss天线相关联的微波/rf电路内以相位正交的方式独立驱动，例如，所述电路可在构成gnss天线一部分的pcb或外部电路上实现。从第4节中呈现的结果可以明显看出，根据本发明实施例的所得gnss天线将固有有效的寄生瓣与低损耗分布式馈电网络相结合，从而产生高效的gnss天线结构，提供优于现有技术解决方案的性能。
81.1d：轴比(ar)和上下比(udr)：ar表示天线接收圆形信号的能力，而udr表示正仰角(α)下的增益模式振幅与其镜像(-α)下的最大增益模式振幅之比。需要在天线的整个带宽
上具有良好的ar和udr，以确保在gnss系统内接收rhcp信号的纯度，并减轻多径效应。从地面、建筑物或车辆等金属结构反射的gnss信号会延迟，其rhcp信号的纯度会因左手圆极化(lhcp)信号而降低。由于根据本发明实施例的gnss天线被设计为在低仰角下提供改进的增益，因此非常低的ar和高的udr对于减轻多径干扰特别重要。
82.1e：宽天线带宽：宽频带的gnss天线允许使用它的系统根据来自多个星座的gnss信号实现定位，例如来自多个gnss系统的卫星。最近的研究表明，不同卫星星座之间的互操作性可以显著提高导航和定位性能。特别是，已经证明，宽带gnss天线允许实现三载波和多载波模糊度解决技术，以获得尽可能高的精度。在具有挑战性的环境中，一些信号可能会不时被树叶、建筑物等阻挡。然后，这些被阻挡的信号可能会被其它星座中不受此类阻挡的卫星信号所取代。因此，gnss天线能够在从1.15ghz到1.60ghz的整个gnss频带上进行接收将是有益的。
83.1f：轻便、坚固、紧凑：小型gnss天线面临持续的压力，但精密漫游者gnss天线通常需要在低和高gnss频段接收信号。有一个无法回避的约束限制了小型天线的带宽，因此为了提供全带宽的漫游者gnss天线，不可避免地倾向于更大。照着考虑到性能，发明人为本发明的实施例建立了额外的机械目标，尽管很明显，此类机械约束在其它系统中可能不同，因此可以使用具有不同配置的gnss天线，但仍然利用本规范中概述的设计概念和方法并保持在本发明的范围内。
84.根据本发明，根据本发明实施例的gnss天线(其结果在第4节中给出)适用于小而轻的辐射元件(给定全带宽要求)，其接地层尺寸约为100毫米(4英寸)，元件高度为30毫米或更低(1.2英寸或更低)，重量为100克或更小(3.5盎司或更小)。显然，可以利用本发明的实施例来实现这种gnss天线的较小版本，尽管性能不同。根据本发明实施例的gnss天线的应用可包括但不限于封闭式天线(例如rtk漫游者)以及适合于诸如无人机、无人机、立方体卫星等移动应用的轻型天线。
85.在以下关于本发明实施例的描述(如图1至图24所述)中，发明人建立了天线设计方法，以实现第1节中概述的性能目标，这些是采用偶极子馈电的天线元件和系统。以下描述分别分为第2节至第5节，其中：
·
第2节涉及根据本发明实施例的偶极子馈电天线元件和系统的机械设计；
·
第3节涉及根据本发明实施例的偶极子馈电天线元件和系统的工作原理；
·
第4节涉及根据本发明实施例的偶极子馈电天线元件和系统的性能；和
·
第5节涉及根据本发明实施例的偶极子馈电天线元件和系统与现有技术的比较。
86.第2节：偶极子馈电天线元件和系统的机械设计
87.在以下关于图1至图15的描述中，描述了本发明关于gnss天线结构的实施例。如上文第1节所述，gnss天线有几个性能方面需要同时优化性能。根据本发明实施例的gnss天线的基本设计原理在下文第4节中关于图14-15进行了描述，而原型gnss天线的性能在下文第3节中关于图16-22进行了描述。因此，发明人确立的设计原则包括电磁(即辐射)耦合到偶极子的辐射翼瓣。
88.因此，参考图13a，在横截面图1300a中描绘了天线的最小结构，其中体现了这些设计元件，包括一对翼瓣110，其具有由第一和第二偶极子元件1320a和1330a形成的偶极子。
如图所示，第一和第二偶极子元件1320a和1320b形成在载体1310a(例如pcb)上，并且分别耦合到第一和第二馈源点(fp)1330a和1330b。图11中描绘了一对翼瓣110的平面图1100，其中两个翼瓣110明显相对，具有共同的中心轴x-x，其将分别与载体1310以及第一和第二偶极子元件1310a和1310b对齐。在平面图1100中，每个翼瓣110的远端还描绘了一对凸耳130，如下文关于图1所述，以及焊盘1010，如下文关于图10所述。如图所示，一对翼瓣110通过载体元件1110的非金属化部分连接，翼瓣110是在载体元件1110上形成的。
89.参考图13b，分别描绘了用于将偶极子耦合到外部电路的第一和第二电气配置1300b和1300c。在第一电气配置1300b中，第一偶极子元件1340a经由第一轨道1350a耦合到第一fp 1360a，第一轨道1350a是第一fp 1360a和第一偶极子元件1340a之间的第一传输线1355a的一部分。类似地，第二偶极子元件1340b经由第二轨道1350b耦合到第二fp 1360b，第二轨道1350b是第二fp 1360b和第二偶极子元件1340b之间的第二传输线1355b的一部分。因此，第一电气配置1300a中描绘的偶极子通过第一fp 1360a和第二fp1360b两者被驱动。任选地，第一和第二偶极子元件1320a和1320b也实现在载体1310b的另一侧，其中载体1310b任一侧上的两个电结构通过多个通孔电连接，为清楚起见，未描述。
90.在第二电气配置1300c中，第一偶极子元件1370a经由第一馈源轨道385a耦合到第一fp 1390a，第二偶极子元件1370b耦合到第二馈源轨道385b。还描绘了耦合到第一fp 1390a和第二偶极子元件1370b的第一传输线1380a，其终止于第二偶极子元件1370b上的焊盘1395。照着与第一电连接1300b形成对比，其中包括第一和第二偶极子元件1340a和1340b的偶极子分别耦合到从第一和第二fp 1360a到1360b的非平衡线，第二电配置1300c中的偶极子从单个fp 1390馈电，并包括平衡非平衡(巴伦)连接，以便第一和第二偶极子元件1370a、1370b以平衡方式运行，第一个fp 1390a的馈电非平衡。
91.有益的是，与第一电气配置1300b相比，第二电气配置1300c中的集成巴伦具有接近目标50ω阻抗的电阻抗，其中通过包括第一馈源轨道385a和第一传输线1380a的传输线的适当设计参数实现与fp 1390a处的目标50ω阻抗的匹配。任选地，分别具有或不具有第一和第二馈源轨道385a和1385b的第一和第二偶极子元件1370a和1370b也实施在载体1310b的另一侧，其中载体1310c任一侧的两个电结构通过多个通孔电连接，为清楚起见，未描述。
92.这些gnss天线采用接收元件，每个接收元件包括一对相对的翼瓣，这些翼瓣与偶极子电磁耦合，并在偶极子中与rf接收器电路电磁耦合。随后，概述了采用所述接收元件的gnss天线的工作原理，所述接收元件包括电磁耦合到偶极子的一对相对翼瓣。
93.参考图1a和1b，分别描绘了根据本发明实施例的gnss天线的下部和上部透视图100a和100b。考虑到图1a中根据本发明实施例的gnss天线的初始下透视图100a，翼瓣110阵列通过插入pcb 120内插槽的翼瓣110上的凸耳130安装到印刷电路板(pcb)120上。翼瓣110在其上形成金属化区域的衬底的这种安装在下面关于图12更详细地描述和描述。布置在pcb 120上的是电子器件140，其耦合到rf连接器150和多个偶极子，在下透视图100a中不可见，但根据本发明的实施例布置在gnss天线中。现在参考图1b中根据本发明实施例的gnss天线的上部透视图100b，翼瓣阵列110类似地被描绘成安装在印刷电路板(pcb)120上。如图1b所示，翼瓣110的阵列包括八(8)个翼瓣110，尽管如下文关于图10至图12所述，利用本发明实施例的天线可以使用2个或4个翼瓣110。然而，可以使用翼瓣110的其它计数，其中n，翼
瓣110的数量是偶数整数。图1b中还描绘了pcb 120内的安装孔160，用于将天线连接到天线罩、天线罩底座、扼流圈等。
94.在图1a和1b中，第一和第二人工制品170a和170b是由计算机辅助设计(cad)软件产生的人工制品，用于分别生成图1a至6、图6a至7b和图8中显示的图像。第一人工制品170a是翼瓣110阵列内的元件的侧面，其支持通过金属化和/或翼瓣110直接实现翼瓣110阵列的载体和/或衬底。第二件艺术品170b是这些元件的顶部。因此，由于cad软件将翼瓣阵列110和/或翼瓣110的载体视为透明，因此出现了第一和第二人工制品170a和170b。
95.电子设备140提供微波/rf电路，在gnss天线是接收器的情况下，所述电路在多个偶极子的馈送点(fp)处组合接收到的rf/微波信号，以生成耦合到rf连接器150的rf/微波输出信号。因此，考虑到一对偶极子彼此成直角布置的情况，则有4fp。因此，电子设备140包括一对混合耦合器，每个耦合器将来自一对fp的rf/微波信号耦合到公共输出端口，以及一个平衡-非平衡变换器，所述平衡-非平衡变换器从所述对混合耦合器的公共输出端口接收信号，并将其组合以在平衡-非平衡变换器的输出处生成耦合到rf连接器150的信号。如果来自fp的微波/rf信号具有顺序为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
的相对相位差，则这些信号最初在每个混合耦合器内组合，然后在巴伦内组合。因此，基于从fp耦合到混合耦合器的所述相位序列，gnss天线可操作以接收右侧圆极化信号。或者，gnss天线可以被配置为接收左手圆极化信号，或者在本发明的其它实施例中，为产生右手极化信号或左手极化信号的发射机提供gnss天线。可选地，在本发明的其它实施例中，平衡-非平衡变换器可以是变压器。在图1a中，四个fp位于通过pcb 120突出的区域180内。
96.尽管下面关于图2至10b描述和描绘的本发明实施例采用一对正交布置的偶极子，提供4fps，每个偶极子耦合到一对翼瓣110，使得gnss天线以0
°
、90
°
、180
°
的相对相位差运行，和270
°
其它配置可在不脱离本发明范围的情况下实施。例如，如上文所述以及图13b中关于第二电气配置1300c所示，偶极子可采用集成的巴伦，使得仅需要一对fp，每个偶极子一个，其中巴伦为每个偶极子内的一对偶极子元件提供异相相位差。此外，如图11和13a中所描述和描绘的，天线可以采用具有一对翼瓣110的单个偶极子。在另一种配置中，天线可以使用三个彼此成120
°
安装的偶极子，其中6个翼瓣110使得天线接收或发送相对相位差为0
°
、60
°
、120
°
、180
°
、240
°
和270
°
的信号。显然，可以在不脱离本发明范围的情况下实现其它配置。
97.现在参考图2，描绘了根据本发明实施例的gnss天线的下透视图200a，其中pcb 120a被移除。因此，图2描绘了与图1a中移除pcb 120的下透视图100a相似的透视图。因此，翼瓣阵列110与第一人工制品170a一起被描绘。还描绘了隔离块240，通过其底部将fp投影到区域180内。fp形成在偶极子上，一对fp布置在第一电路板偶极子a 220上，另一对fp布置在第二电路板偶极子b 230上。偶极子a 220和偶极子b 230相互垂直布置。还描绘了第一至第四支撑件210a至210d，其中这些支撑件在gnss天线内呈径向布置。第一至第四支撑件210a至210d中的每一个被布置在偶极子a 220的一端和偶极子b 230的一端之间。因此，第一至第四支撑件210a至210d支撑翼瓣110阵列内的附加翼瓣110，翼瓣110布置在与偶极子a 220和偶极子b 230相关联的翼瓣110之间。
98.参考图3，描绘了根据本发明实施例的gnss天线的上部透视图300，其中翼瓣110的阵列被移除。因此，图3描绘了与图1b中的上部透视图100b相似的透视图，其中翼瓣110阵列
被移除。因此，分别描绘了正交布置的偶极子a 220和偶极子b 230以及第一至第四支撑件210a至210d。隔离块240位于中心。从图1a中的下透视图100a、图2中的下透视图200和图3中的上透视图300a可以明显看出，偶极子a 220、偶极子b 230和第一至第四支撑件210a和210d中的每一个的外端包括一个投影，所述投影安装在pcb 120内定位每个外端的槽中。
99.偶极子a 220和偶极子b 230中的每一个的中间部分包括fp，其类似地穿过区域150中pcb 120内的槽，并与隔离块240内形成的槽接合。第一至第四支撑210a至210d中的每一个的内下端也与隔离块240的外表面上的特征接合。偶极子a 220、偶极子b 230和第一至第四支撑件210a至210d中的每一个的方向分别由这些与pcb 120、隔离块240和支撑架310的接合定义，其中这些元件的上部区域接合支撑架310内的槽。因此，偶极子a 220、偶极子b 230和第一至第四支撑件210a至210d中的每一个都基本上垂直于pcb 120。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用其它机械装置来定位、定向和保持偶极子a 220、偶极子b 230以及第一至第四支撑件210a和210d。
100.现在参考图3b，描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的偶极子a 220、偶极子b 230、第一至第四支撑件210a至210d和安装块240的部分分解组件300b。安装块240上明显的是允许插入偶极子a 220和偶极子b 230的槽，以便fp穿过安装块240的底部，并在最终组装中穿过pcb 120。同样明显的是用于分别接合第一至第四支撑210a至210d的内部下部的槽。
101.除了提供偶极子a 220和偶极子b 230的机械对准之外，安装块240还提供了微波/rf领域中用于根据本发明实施例的gnss天线的性能的益处。如图3b-6所示，偶极子a 220和偶极子b 230中的每一个都被描述为根据上述描述进行配置，并且如图13中关于第二电气配置1300c所描述，但为清晰起见，传输线、巴伦等已被省略。因此，当组装好的偶极子a 220和偶极子b 230靠近它们相交的点布置时，一对金属化线(偶极子a 220和偶极子b 230各一条)垂直平行地彼此运行，从而形成另一条穿过中间介质的寄生传输线，例如空气，其中没有安装块240。如果金属化仅在偶极子a 220和偶极子b 230的每一侧上，则可以形成单个寄生传输线，而当偶极子a 220和偶极子b 230的每一侧都金属化时，则可以形成四条寄生传输线。如果偶极子a 220和偶极子b 230上的这些平行轨迹之间的介电是空气，那么这些寄生传输线“工作”的频率可能在gnss天线的工作频率范围内，从而导致不必要的耦合、串扰和损耗等，安装块240为每个寄生传输线的部分或全部提供不同的介电常数，其中，对材料的适当选择以及安装块240的介电常数使得这些寄生传输线在gnss天线的工作频率范围之外“工作”的频率。
102.现在参考图4，描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的一对正交定位的偶极子的分解透视图400。
103.在分解透视图400中，偶极子a 220和偶极子b 230垂直分开。偶极子a 220具有第一和第二偶极子金属化410a和410b，每个金属化410a和410b形成偶极子的一半。第一偶极子金属化410a电耦合至偶极子a 220左中心下部的第一fp 430a，而第二偶极子金属化410b电耦合至偶极子a 220右中心下部的第二fp 430b。类似地，第三偶极子金属化420a电耦合至偶极子b 230左中心下部的第三fp 430c，而第四偶极子金属化420b电耦合至偶极子b 230右中心下部的第四fp 430d。第一个至第四个fp 430a至430d分别是图1中下部透视图100a和图2及2b中下部透视图200a和200b中中部区域180内明显的fp。图4和图4b中的组装
和分解透视图400a和400b中分别描绘了偶极子a 220和偶极子b 230的外部下部的安装凸耳440。安装凸耳440接合pcb 120内的插槽，用于将偶极子a 220和偶极子b 230安装到pcb 120上，并通过pcb 120内的插槽彼此成90
°
的精度来定义它们的相对方向，以便分别安装偶极子a 220和偶极子b 230。
104.或者，在本发明的另一个实施例中，如上文所述和图13b中关于第二电气配置1300c所示，偶极子可以采用集成的巴伦，使得只需要一对fp，每个偶极子一个。照着在所述配置中，第二fp 230b和第三fp 230c可耦合到外部微波/rf电路，使得第一和第二偶极子金属化410a和410b经由集成巴伦(为清晰起见未示出)耦合到第二fp 430b，第三和第四偶极子金属化420a和420b经由另一集成巴伦(为清晰起见未示出)耦合到第三fp 430c。在本发明的其它实施例中，第二fp 430b可替换为第一fp 430a，和/或第三fp 430c可替换为第四fp 430d，其中使用集成巴伦。
105.如图所示，偶极子a 220和偶极子b 230具有互锁槽，用于组装根据本发明实施例的交叉偶极子布置。然而，在本发明的其它实施例中，可以在不脱离本发明范围的情况下使用其它组装配置，以使用2、3或4个元件以及其它连接和组装方式来提供一对交叉偶极子，而不脱离本发明范围。如本发明实施例中所示，偶极子a 220和偶极子b 230的上中心边缘的轮廓包括一个凹口，用于支撑连接到形成翼瓣110阵列的柔性电路的加强件，如上文关于图3所示和描述的支撑框架310。偶极子a 220和偶极子b 230的上边缘为与其相关联的翼瓣阵列110的各自翼瓣110提供机械支撑。在本发明的一个实施例中，翼瓣110的阵列可以由半柔性或柔性pcb形成，其中翼瓣110的阵列以金属化方式压印在半柔性或柔性pcb上。
106.通过在gnss天线内相对于偶极子a 220和偶极子b 230适当地设计和连接翼瓣110阵列，然后半柔性或柔性pcb以及因此翼瓣110阵列与偶极子a 220和偶极子b 230的上边缘机械接触，使得窄带偶极子、偶极子a 220和偶极子b 230之间的电磁耦合，而相对的金属化翼瓣110由金属化翼瓣110和印在偶极子上的金属化偶极子之间的预定距离确定，从而实现分布式馈电网络，其中每个金属化翼瓣没有与外部微波/rf电路的直接连接，例如图1a所示的电子器件140。
107.因此，参考图5和图6，分别描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的一对偶极子的第一和第二图像500和600。参考图5中的第一幅图像500，描绘了偶极子a 220的示意图，其中显示了第一偶极子金属化410a与偶极子a 220左中心下部的第一fp 430a电耦合，而第二偶极子金属化410b与偶极子a 220右中心下部的第二fp 430b电耦合。还描绘了第一槽510，其允许偶极子a 220与偶极子b 230组装，偶极子b 230具有相应的第二槽520。此外，如图13b中分别关于第一和第二电气配置1300b和1300c所述，偶极子a 220还可以在偶极子a 220的另一侧实施第一和第二偶极子金属化410a和410b，其中这两个侧面通过多个通孔进行电气连接。
108.参考图6中的第二幅图像600，描绘了偶极子b 230的示意图，其中显示了第三偶极子金属化420a与偶极子b 230左中下部的第三fp 430c电耦合，而第四偶极子金属化420b与偶极子b 230右中下部的第四fp 430d电耦合。还描绘了第二槽520，其允许偶极子b 230与具有相应第一槽510的偶极子a 220组装。此外，如图13b中分别关于第一和第二电气配置1300b和1300c所述，偶极子b 230还可以在偶极子a 220的另一侧实施第三和第四偶极子金属化420a和420b，其中这两个侧面通过多个通孔进行电气连接。
109.图5中的第一幅图像500和图6中的第二幅图像600代表偶极子a 220和偶极子b 230，用于图13b中关于第二电气配置1300c所描述和描绘的配置，其中偶极子a 220和偶极子b 230中的每一个都包括集成的巴伦。在图5中的第一幅图像500和图6中的第二幅图像600中，仅描绘了地面轨道，为了清晰起见，省略了微带馈电线、第一传输线1380a及其与偶极子元件的电气连接，即垫1395。因此，参考图5中的第一图像500，第一偶极子金属化410a经由第一迹线530a耦合到第一fp 430a，第二偶极子金属化410b经由第二迹线530b耦合到第二fp 430a。类似地，第三偶极子金属化420a经由第三记录道540a耦合到第三fp 430c，第四偶极子金属化420b经由第二记录道540b耦合到第四fp 430d。为了清晰起见，未描述的用于偶极子a 220的微带线在第一耦合点550处耦合到外部微波/rf馈源。类似地，用于偶极子b 230的微带线(为清晰起见未描绘)在第二耦合点560处耦合到外部微波/rf馈源。在所述配置中，第一fp 430a和第四fp 430d连接到地，偶极子a 220和偶极子b 230中的每一个都连接到单个微波/rf信号。在所述配置中，外部微波/rf馈电网络向包括偶极子a 220和偶极子b 230的天线提供或接收2个微波/rf信号。
110.在本发明的另一个实施例中，偶极子a 220和偶极子b 230不包括集成巴伦。因此，第一记录道530a和第二记录道530b可以是对称的镜像，并且每个记录道530a和第二记录道530b分别连接到其各自的第一和第二fp 430a和430b，使得一对微波/rf信号耦合到偶极子a 220或从偶极子a 220耦合。类似地，第三记录道530a和第四记录道530b可以是对称的镜像，并且每一个都分别连接到其各自的第三和第四fp 430c和430d，使得一对微波/rf信号耦合到偶极子b 230，或者从偶极子b 230耦合。在此配置中，外部微波/rf馈电网络向包括偶极子a 220和偶极子b 230的天线提供或接收4个微波/rf信号。
111.如图5中第一幅图像500所示，偶极子a 220的下边缘包括朝向中心的第一fp 430a和第二fp 430b，以及位于外边缘的安装凸耳440。上边缘定义了用于支撑加强件(例如支撑框架310)和翼瓣阵列110的中心区域，而外上边缘定义了翼瓣阵列110附着时所符合的曲面。类似地，如图6中第二幅图像600所示，偶极子b 230的下边缘包括朝向中心的第三个fp 430c和第四个fp 430d，以及外缘的安装凸耳440。上边缘定义了用于支撑加强件(例如支撑框架310)和翼瓣阵列110的中心区域，而外上边缘定义了翼瓣阵列110附着时所符合的曲面。
112.如上所述，一对交叉偶极子中的第一偶极子a 220分别由第一和第二偶极子金属化410a和410b形成，而第二偶极子b 230分别由第三和第四偶极子金属化420a和420b形成。考虑到本发明的一个实施例，其中偶极子a 220和偶极子b 230形成在偶极子pcb上，则每个偶极子由此包括一对中心布置的垂直金属迹线，其连接到每个偶极子金属化迹线内端的偶极子元件。偶极子pcb可以与pcb 120内的连接槽具有基本相同的厚度，以允许相对于pcb 120内或pcb 120上形成的接地层准确安装偶极子。可选地，每个偶极子pcb可以包括巴伦的相同副本。
113.如上所述，偶极子a 220和偶极子b 230的上边缘定义了金属化翼瓣110和印在偶极子上的金属化偶极子之间的预定距离，从而实现偶极子和翼瓣110之间的分布式馈电网络。以这种方式，翼瓣110没有与fp和微波/rf电路的直接连接。然而，从图5和图6可以明显看出，在本发明的实施例中，偶极子在几何结构上呈径向变化，偶极子金属化物与与其相关的翼瓣110的分离呈径向变化，或从不同的角度随仰角变化。这种翼瓣-偶极子分离作为仰
角函数的分离取决于gnss天线设计，从而偶极子单元的上边缘由翼瓣几何体定义，反之亦然。同样显而易见的是，从偶极子a 220和偶极子b 230的内边缘到每个偶极子a 220和偶极子230的下部外部区域的外点之间的偶极子元件长度由要求偶极子元件在gnss天线的中心频率下电l/4决定。发明人还确定，在满足所述要求并实施相关翼瓣110的同时，结构阻抗的灵敏度对翼瓣110和偶极子元件之间朝向偶极子中心的距离不太敏感，从而允许翼瓣110相对于偶极子的几何形状的总体设计中增加灵活性。因此，如图5所示，偶极子元件的上边缘相对于形成它们的pcb的上边缘的距离不同。然而，在本发明的其它实施例中，偶极金属化和翼瓣110之间的这种分离可以是恒定的。
114.现在参考图7a，描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列110(即翼瓣组件)的透视图700a。如图所示，翼瓣阵列110包括8个翼瓣110，它们是绝缘成型器710上的金属化区域。在每个翼瓣110的下端是一对凸耳130，如图1a中所描述和描绘的，用于将翼瓣110安装并连接到pcb 120，为清晰起见，未进行描述。在本发明实施例中，所述凸耳130上的金属化可焊接至pcb 120。凸耳130上的金属化与形成翼瓣110的金属化电隔离。在本发明的一个实施例中，凸耳130上的金属化连接到pcb 120的接地层。显然，在本发明的其它实施例中，翼瓣110的下端可以通过其它方式连接到pcb 120，包括机械保持、机械连接或通过诸如树脂、胶水或环氧树脂的材料连接。在本发明的其它实施例中，翼瓣110可通过安装在翼瓣110外部的一个或多个附加元件机械地保持在适当位置，翼瓣110分别连接到pcb 120和/或偶极子a 220/偶极子b 230和/或第一至第四支撑件210a至210d，而无需使用诸如凸耳130的突出物。
115.参考图7b，描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列的平面透视示意图700b和照片700c。参考示意图700b，其中描绘了由8个翼瓣710组成的翼瓣710阵列。在这种情况下，翼瓣710的末端与中间的末端形成凸耳720。照片700c描绘了根据本发明实施例的翼瓣730阵列的照片，这些翼瓣730没有端部凸耳，因为翼瓣730通过机械方式保持，例如，pcb 120上方的圆形突出部分，当翼瓣730弯曲并安装在中心时，翼瓣730推压到所述圆形突出部分。
116.现在参考图7c，在组装视图700d和未组装视图700e中分别描绘了根据本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣740阵列的平面示意图。如组装视图700d所示，每个翼瓣740在翼瓣740阵列中心的远端有一个凸耳750和一个支撑架760。在图7c中的未装配视图700e中，根据本发明的一个实施例，当时的阵列700包括用于gnss天线的翼瓣740阵列，并且被描绘为与支撑架760分开。在本发明的其它实施例中，可以省略支撑架760。支撑架760可提供如图3所示的支撑架310，其接合偶极子pcb和/或支撑件的上部中心部分。任选地，在本发明的其它实施例中，支撑框架760可以集成为翼瓣阵列的一部分。
117.当使用中心支撑件760时，如图3所示，带有支撑件310，偶极子a 220、偶极子b 230和第一至第四支撑件210a至210d的上边缘的形状可分别包括凹口，以容纳连接至半柔性pcb形成阵列700的中心支撑件760，翼瓣740形成在所述阵列上。或者，中心支撑件760可以包括凹口，以分别容纳偶极子a 220、偶极子b 230和第一至第四支撑件210a至210d的上边缘。中心支撑760可由低损耗介电衬底制成，所述低损耗介电衬底的形状和尺寸与分别包括偶极子a 220、偶极子b 230和第一至第四支撑210a至210d的偶极子组件上部的中心区域相同。如图7c中未装配视图700e所示，中心支撑件760为八角形衬底，例如由玻璃纤维增强环
氧树脂层压板材料形成，所述材料使用粘合剂连接到形成阵列700的半柔性pcb。金属化翼瓣组件、阵列700和中心支撑760的组合产生了一个子组件，所述子组件由刚性中心区域和半柔性翼瓣组成，其中每个金属化翼瓣分别由偶极子a 220和偶极子b 230的偶极子以及第一至第四支撑件210a至210d支撑。显而易见，在本发明的其它实施例中，支撑架760的几何形状可以变化，包括例如圆形。
118.在图1a至7c中，描绘了翼瓣110的阵列，例如翼瓣组件800，其中翼瓣110是柔性或刚性(可成形)衬底上的金属化层。虽然这提供了一种易于制造翼瓣110阵列和组装gnss天线的设计，但显而易见的是，在本发明的其它实施例中，翼瓣110可以离散地制造，并与其它组件组装，以形成gnss天线。
119.现在参考图8，描绘了根据本发明实施例的gnss天线的照片800，所述天线在翼瓣阵列中使用8个翼瓣。金属化圆盘910布置在翼瓣阵列的上中心，在翼瓣元件阵列的衬底上形成图案。圆盘910位于每对相对翼瓣元件之间的中心，并且是所有相对翼瓣对的共同中心。借助于翼瓣元件110的窄翼瓣尖端处存在的对极电压，金属化盘910向虚拟接地提供受控电容。在图1b、7a和7c-7d中分别描绘的gnss天线和翼瓣110阵列的视图中也可以看到所述圆盘910，但在这些图的描述中没有明确标识。
120.参考图10，描绘了根据本发明实施例的gnss天线的照片，其中翼瓣阵列中使用了4个翼瓣110。这是采用一对正交偶极子的gnss天线的翼瓣110的最小配置。
121.现在参考图10a和10b，分别描绘了根据采用4个翼瓣的本发明实施例的用于gnss天线的翼瓣阵列的平面透视示意图1000a和照片1000b。在示意图1000a中，翼瓣110与凸耳130一起清晰可见。在示意图1000a中，金属化被描绘为形成翼瓣110的阴影区域，因此很明显，在凸耳130上没有金属化的整体图案，而是离散的焊盘1010。照片1000b描绘了一个4瓣110阵列，其中翼瓣110的远端与阵列中心之间没有标签。
122.参考图11，示出了根据本发明实施例的一对翼瓣的平面透视示意图，所述对翼瓣用于使用一对翼瓣110的天线，其中与示意图1000a相同，每个翼瓣110具有一对凸耳130，其远端布置有焊盘1010。图11中描绘的一对翼瓣110是，例如，如上文所述，图13中横截面图1300a中描绘的一对翼瓣，其耦合到单个偶极子。
123.现在参考图12，描绘了用于根据本发明实施例的gnss天线内使用的翼瓣1310和标签130的替代配置的示意图1200。因此，如图所示，用第一金属化1320对片130进行金属化，而不是对每个片进行离散金属化。第一金属化1320现在在翼瓣1310的远端连续。然而，所述第一金属化1320与第二金属化1330电隔离，所述第二金属化1330与载体1310一起提供翼瓣，在载体1310上形成第一和第二金属化1320和1330。此外，如图所示，凸耳130穿过pcb 120内的开口，其中第一金属化1320将连接到pcb 120的接地层。
124.在图1a至13的本发明的实施例中，翼瓣110主要被描述和描绘为位于载体/衬底(以下称为前者)上，其中翼瓣110均匀地分布在前者的周围。前者被描述为基本上形成一个截短的半球面。在本发明的其它实施例中，前者可被设计和形成为提供不同的物理几何形状，例如圆锥形表面，翼瓣110分布在所述圆锥形表面周围。在本发明的其它实施例中，前者可被设计和形成为提供均匀分布在多边形表面周围的翼瓣110，并在所述多边形表面上形成天线。这种多边形表面可能有4、5、6、7、8等边或其它数量的边，尽管通常更多的边会产生较低的角度过渡，因此会产生应力和/或疲劳。
125.关于图1a-15描述和描绘的本发明实施例采用pcb 120。pcb可在低损耗衬底上制造，例如玻璃增强环氧层压板材料、玻璃陶瓷复合层压板或陶瓷复合层压板。pcb子状态选择提供电子器件140的微波/rf元件和电路的必要性能，并跟踪到偶极子a 220和偶极子b 230的耦合。gnss天线频率可能会限制pcb尺寸。在本发明的一个实施例中，pcb 120为圆形，直径约为110mm，具有一个或多个金属化层。可在pcb 120中形成诸如接地过孔和安装孔的特征，例如用于凸耳130的特征。pcb 120内还布置有安装孔160或安装槽，用于将gnss天线安装到扼流圈、天线支撑件等，反射接地层实施例pcb 120内的gnss天线的接地层可在两层或多层pcb 120内制造，其接近已安装天线结构的表面完全覆盖有金属化物，以为上面布置的偶极子和翼瓣提供反射微波表面。这种金属化用作gnss天线中常用的反射接地层，能够在“高于”天线元件的同时增加辐射增益，同时降低“低于”接地层的辐射增益。
126.在关于图1a至13所描述和描绘的本发明实施例中，每个翼瓣通过在半柔性衬底上的图案金属化形成，例如玻璃增强环氧层压板材料、玻璃陶瓷复合层压板或陶瓷复合层压板，其结果在第4节中给出，例如，厚度小于0.2mm(0.008”)。每个金属化翼瓣110为二维形状，具有较宽的外端和中心较窄端，中心轴比较宽端长，较宽端和较窄端之间的宽度逐渐减小。每对相对的翼瓣110中的一对翼瓣110由第一翼瓣110和第二翼瓣110组成，与第一翼瓣110共线，尺寸相同，第一翼瓣110和第二翼瓣110的近端为较窄端，第一翼瓣110和第二翼瓣110之间的中点围绕轴镜像，位于定义为几何天线中心的延伸公共轴上。
127.在本发明的实施例中，多个金属化翼瓣对的位置使得每个翼瓣对的中点位于天线中心，相邻翼瓣对之间的相对旋转角等于所有翼瓣对，等于360度除以2n，其中n是实现中金属化翼瓣对的数量。对于线性天线，金属化对的最小数量为1，对于圆极化天线，金属化对的最小数量为2，而最大数量受到实际考虑的限制。在上述实施例中，n＝2或4。
128.在图1a至13中描述和描绘的本发明实施例中，每个翼瓣通过偶极子a 220和偶极子b 230的上边缘形成，形成一个定义基本半球形的表面，其结果在第4节中给出。第一至第四支撑件210a至210d的上表面分别限定了与偶极子a 220和偶极子b 230相似的表面。然而，显而易见的是，在本发明的其它实施例中，由这些表面定义的表面具有不同的形状，尽管gnss天线的性能可能不同。
129.在上面描述和描绘的本发明实施例中，机械组件不仅使一对正交偶极子相对于彼此正交布置，而且使它们垂直于pcb平面布置。因此，如果我们认为偶极子a 220与x轴对准，则它被定位在x-z平面中，并且偶极子b 230相对于y-z平面对齐/位置。
130.在关于图1a-7b描述和描绘的本发明实施例中，每个翼瓣110在其远离天线中心的远端具有凸耳130。在所描述和描绘的本发明实施例中，这些被金属化，使得在组装的gnss天线中，通过这种金属化，半柔性pcb被安装到pcb 120的偶极子结构和接地层上。如图12所示，金属化凸耳连接到与半柔性pcb 700上金属化翼瓣的较宽边缘平行的薄金属化轨道上。这种薄的金属化轨道通过一个狭窄的非金属化间距与金属化翼瓣电隔离。
131.翼瓣和接地层的分离在几个方面很重要。首先，与发射或接收的射频波相关的电流主要沿着金属化翼瓣的边缘传导，从而在接地层和翼瓣之间形成一个微波槽。作为传输线，槽引导射频波，在较宽边缘的中心产生零电流，并有效降低低频响应。其次，接地层和翼瓣之间的电容主要由未计算的间隙决定，由于pcb制造工艺的精度，所述间隙具有精确定义的尺寸，允许精确定义电容。虽然可以采用其它机械装配方法来连接/定位翼瓣110，但是这
些必须考虑这种电容及其在其设计和制造公差内的变化。
132.第三，未计算间隙尺寸的变化，以及传输线阻抗的变化，提供了一种方便的方法，可以在较低频率下调整gnss天线的有效贴片长度。因此，可以依赖于要应用于低于预定频率的频率的调谐来建立间隙。第四，翼瓣底部减小的电容(增加的电抗)有效地增加了翼瓣作为单极子的固有频率，从而增加了远超出上接收带边缘的任何共模(单极子)共振的频率。最后，非金属化间隙至少在一定程度上有效地减少了接地层电流对翼瓣的耦合。
133.在本发明的实施例中，使用半柔性pcb通过pcb的金属化层图案化同时形成所有翼瓣110，则半柔性pcb的外部尺寸可大于组装凸耳130的槽圈，以便半柔性pcb，当组装在两个偶极子(偶极子a 220和偶极子b 230)上并固定在pcb 120的接地层上时，符合两个偶极子pcb上表面的形状。因此，这些可以定义半球形穹顶。因此，组装时，每个金属化翼瓣110从其固定在pcb 120接地层上的较宽端向其窄端弯曲，位于天线中心上方的一点，高度由gnss天线组件的结构尺寸预先确定。
134.双金属化翼瓣对的半柔性衬底pcb的中心区域与天线中心同心。在两对金属化翼瓣的情况下，中心区域可能是一个八角形，尺寸为规则的八角形，大约与平面交叉。所述中心区域的尺寸可与加强件(例如支撑架310)的尺寸相匹配。在采用4片翼瓣110的本发明实施例中，可任选地移除第一至第四支撑210a至210d，尤其是如果仅在实施翼瓣110的地方存在半柔性pcb。在使用四个金属化翼瓣对的情况下，例如在图1a-9所示的实施例中，则第一至第四支撑件210a至210d分别确保布置在与所述一对偶极子相关联的翼瓣110之间的翼瓣110具有相同的表面轮廓。
135.在本发明的实施例中，如图1a-2b、7a-7b和7d-10所示，翼瓣110的金属化是带有槽的图案，这些槽在组装的gnss天线内垂直于gnss天线的接地层。这有两个好处：
·
与由金属化翼瓣和接地层之间的非金属化间隙组成的传输线一起，这些槽是感应的，充当短截线，因此有效地降低波前，从而进一步降低频率响应的低端；和
·
翼瓣较宽端增加的阻抗可有效减少金属化翼瓣与接地层之间的耦合。
136.第3节：偶极子馈电天线元件和系统的工作原理
137.如第1节所述，发明人的设计目标是一种高精度的gnss天线，具有宽带宽、良好的ar和非常紧密的相位中心变化，并改善了在低仰角接收卫星信号的性能。这对于l频段校正信号的接收尤其必要，预计l频段校正信号将以高于地平线10度至50度的仰角入射。
138.发明人建立的设计方法的核心是消除天线接地层内的馈电电流，例如pcb 120中的接地层。所述接地层反射向其发射的信号，因此相对于没有接地层的天线，在高于接地层的高度上实现更高的增益。由于大多数天线的另一个目标是最小占地面积，因此在gnss天线的工作频率下，接地层的直径(通常为圆形)通常接近l/2。因此，接地层可以容易地耦合到其它天线单元，从而导致性能降低。因此，消除接地层中任何电流的设计方法可减少此类耦合效应和性能退化。
139.在现有技术中，dorne margolin(dm)天线已经在gps参考站中使用了几十年(通常在扼流圈天线中使用)。dm天线在低仰角(水平方向约为-3dbic)下的增益高于其它商用gnss天线(通常为-5dbic或更小)，并且在紧凑设计中具有相当好的相位中心稳定性。dm天线结构由接地层上方的两对正交短偶极子组成，馈电位于偶极子的中点，如图14a中的第一幅图像1400a所示。如图所示，第一偶极子1410及其馈源1415和第二偶极子1420及其相关馈
源1425。它们被布置在接地层1430上方。
140.因此，参考图14b中的第二图像1400b，可以根据接地层图像来考虑天线，用偶极子的图像替换接地层1430。因此，第三偶极子1440代表第一偶极子1410a的图像，第四偶极子1450代表第二偶极子1420的图像。因此，当第一和第二偶极子1410和1420被驱动时，所产生的天线结构充当大的均匀电流圆环，其结构类似于阿尔福德圆环天线的结构。然而，dm天线的缺点在于馈电网络复杂、损耗大、制造成本高，这会影响重复性和可靠性。此外，天顶处的ar为临界值(高达1.5db)，在地平线处进一步降低至7db，这一因素在最常用dm天线的扼流圈配置中变得不那么重要。
141.因此，发明人在进行重大研究和开发后，为根据本发明实施例的gnss天线建立了第2节中概述的设计方法，如图15a中第一幅图像1500所示。因此，gnss天线由布置在圆形接地层上的蝶形辐射器元件(翼瓣)组成。翼瓣耦合到分布式馈电网络，所述网络包括位于翼瓣和接地层之间的一对低损耗交叉偶极子，即偶极子a 220和偶极子b 230，分别如图2-6b和8所述。翼瓣和相关馈电系统之间的关系在翼瓣的曲率处而不是在天线的中心处提供最大电流。这在图15所示的模拟结果中很明显，其中当前最大值朝向每个翼瓣每个边缘的中间。因此，产生的电流分布类似于dm天线元件内的电流分布。这增加了低仰角下的增益，大大提高了低仰角gnss和l频段卫星的链环裕度。
142.发明人已经确定，通过优化翼瓣的尺寸，例如其高度、宽度和相对于接地层的角度，可以显著改善天线在低仰角下的圆极化。这些几何调整可以解决天线辐射方向图e和h平面之间的不对称问题，这通常会在低仰角下降低ar。根据模拟结果，发明人确定，散热器(翼瓣)的蝴蝶结几何结构以及它们与馈电网络的耦合可以改善gnss天线的阻抗和ar带宽。通过这种方式，发明人建立了一种宽带、低损耗天线，覆盖从1150mhz到1610mhz的整个gnss频率。示例性性能，更多细节见第4节，即馈电网络的匹配损耗低于0.3db，ar在天顶保持在0.5db左右，在整个gnss频率范围内，ar在地平线通常低于3db。
143.参考图9-10b，gnss天线有4个翼瓣，而在图1a-2b、7a-9和15a中有8个翼瓣。在gnss天线的研发过程中，发明人确定增加翼瓣的数量会改善对称性，但这是以复杂性为代价的。因此，图9-10b所示的本发明的示例性实施例采用了最小4个，而图1a-2b、7a-9和15a中的实施例采用了最小4个，因为这是在相对于4个翼瓣的改进对称性和饲料复杂性之间建立的平衡。
144.如上和下所述，根据本发明实施例的gnss天线通过电磁辐射接收/辐射rf信号，所述电磁辐射是由感应/驱动到以分段线性近似方式布置在金属接地层上方的弯曲三维结构中的截然相反的“翼瓣对”的电流产生的。来自gnss天线的接收/辐射信号通过耦合到微波/射频馈电网络的偶极子从翼瓣对耦合到翼瓣对。
145.根据本发明实施例的gnss天线采用一对这样的偶极子，它们彼此正交布置，并且彼此之间具有高电磁隔离。如果将相同频率但具有90度相位差(“相位正交”)的信号施加在正交的电隔离天线上，则产生的辐射是圆形的，因为这两个信号可以被视为无关的，除了说产生的辐射信号是辐射电矢量的矢量和是在空间中旋转的矢量之外。
146.每一个相对的翼瓣对结构在感兴趣的频带中表现出两种工作模式。第一种模式是想要的模式，在这种模式中，每个相对的翼瓣中的电流同相流动，因此，在每个翼瓣上产生的电压也同相，因此在翼瓣对的末端，电压是反极的，天线中心窄端之间产生的最大电磁
场，这是由于接地层附近的图像/电容导致翼瓣较宽端的低阻抗引起的。当电流在每个翼瓣中以相同的方向流动时，就会产生磁场，或者，响应与相对翼瓣对平面正交的磁场，在每个翼瓣中以相同的方向感应电流，产生的波会被接地层相位反射。
147.第二移动是一种不需要的模式，是腔体或单极子共振的一种形式，其中整个腔体或单极子集合表现出lambda/4共振。在这种模式下，单极子“顶部”产生的电压同相，因此，中心翼瓣较窄端之间没有电位差。在本规范中，不讨论所述谐振模式的具体考虑，因为通过对gnss天线进行参数调整，可以将所述谐振模式的频率移动到相关频带之外的更高频率。
148.回到图14b，每个相对翼瓣对可视为alford回路结构的一半，在第一种模式中，每个相对翼瓣中的电流同相流动(图14b中包括第一偶极子1410和第二偶极子1420的偶极子对中的电流也是如此)。因此，结合接地层和这些电流的镜像，建立了有效的阿尔弗雷德回路。
149.现在考虑根据本发明实施例的gnss天线，其具有正交的第一和第二相对翼瓣对，然后是在地平线处入射到gnss天线上的平面波，使得波因廷矢量与第一对相对翼瓣对的轴对齐(例如，与垂直e场和水平h场对齐的电磁场)将在第一对相对翼瓣对(与h场正交)中感应电流，与水平e场和垂直h场对齐的电磁波将在第二对相对的翼瓣对(平行于e场)中产生电磁场。这种结构有利于低轴比，因为正交场在正交的对瓣对中诱导/产生潜在的平衡信号。
150.在现有技术中，将馈电电路耦合到相对翼瓣对的最简单方法是通过与每个翼瓣直接电接触。然而，每个金属化翼瓣的直接连接馈电阻抗从靠近接地层边缘的翼瓣较宽端的低值到靠近天线中心的翼瓣较窄端的极高值不等。翼瓣较宽端的馈电阻抗较低，类似于单极子的馈电阻抗(约25欧姆)，然后通过弯曲单极子在接地层上的反射图像产生的电流进一步降低。然而，这种阻抗可以匹配，因此直接连接到每个翼瓣较宽端的馈源在电气和机械上都很方便。
151.然而，当馈电连接靠近接地层边缘时，馈电回路电流也直接注入接地层。在所需频率下，接地层的直径接近λ/2，在接地层中流动的驱动电流会导致接地层本身辐射，这会严重干扰和降低所需的辐射特性。发明人进行的测量和模拟证实，与“单极”式翼瓣馈电相关的接地回流导致轴比较差，尤其是在低仰角下。
152.或者，结构中心的直接连接，即每个翼瓣在较窄的一端馈电，具有高阻抗的特点，这很难匹配。
153.根据本发明实施例的本发明gnss天线通过使用一对偶极子(窄带偶极子)避免了与馈电电路的直接电气连接相关的这些困难，这对偶极子围绕接地层的中心点形成x-y轴，例如形成为pcb 120的一部分或与之分离。一对偶极子，即偶极子a 220和偶极子b 230，布置在pcb的接地层上方，并耦合到馈电电路。在这对正交布置的偶极子上方是多个翼瓣对，其布置使得这对偶极子沿着多个翼瓣对中的每一个翼瓣对的中心线对齐。多个翼瓣对围绕与接地层形成的平面正交的z轴圆形排列。z轴穿过接地层的中心。多个翼瓣对的布置使得每个翼瓣对的中点，即金属化翼瓣之间的中点，精确地位于所述一对偶极子的交叉点处的天线中心。多个翼瓣对中的每一个的外端被固定，例如固定到接地层的外圆周上。
154.因此，根据实施例的gnss天线包括多个组件：
·
基本上呈圆形的接地层pcb，用作反射接地层；
·
相对于接地层垂直安装的一对偶极子；
·
多对翼瓣，布置在所述一对偶极子和所述接地层上方；
·
由一个混合型和两个平衡-非平衡变换器组成的馈电网络，以产生相位正交的反模式信号对。
155.多对翼瓣被布置为相对的金属化翼瓣对的基本半球形穹顶阵列。它们可以安装在接地层的外圆周附近的接地层上。分布式馈电网络将相对的金属化翼瓣对耦合到电路上，并提供渐进的相对相移，以使gnss天线能够在圆极化时工作。
156.因此，发明人建立了一种创新的宽带天线结构，所述天线结构包括一个窄带偶极子，所述偶极子通过电磁方式耦合到一个对称排列的金属化翼瓣上，金属化翼瓣在远端金属化接地层的中心上排列，对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接，其中，创新的宽带天线结构在偶极子馈电连接处提供宽带回波损耗和阻抗。所述性能可与仅偶极子的窄带回波损耗相媲美，其中金属化翼瓣提供宽带损耗匹配馈电网络，以提高组合结构的辐射效率。
157.因此，发明人建立了一种创新的宽带天线结构，所述天线结构包括一个偶极子，所述偶极子以电磁方式耦合到金属化翼瓣的对称排列上，所述金属化翼瓣排列在远端金属化接地层的中心，对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接，进一步连接到限制在接地层中心的馈电连接，由此天线辐射元件中的局部电流最大值偏离偶极子中心，在金属化翼瓣的偶极子和对称排列布置在接地层上方的情况下，接地层基本上没有偶极子馈电回路电流。
158.因此，发明人建立了一种创新的宽带天线结构，所述天线结构包括一个窄带偶极子，所述偶极子通过电磁方式耦合到金属化翼瓣的对称排列上，所述偶极子排列在远端金属化接地层的中心，对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接上，其中，天线辐射元件中的局部电流最大值从偶极子中心偏移，并且包括偶极子和金属化翼瓣对称排列的组合辐射元件中的电流大小的拐点出现在偶极子中心。
159.因此，发明人建立了一种创新的宽带天线结构，所述天线结构包括一个窄带偶极子，所述偶极子通过电磁方式耦合到金属化翼瓣的对称排列上，所述偶极子排列在远端金属化接地层的中心，对称的对极馈电信号连接到偶极子中心的偶极子馈电连接上，其中，对称的金属化翼瓣将天线结构的带宽扩展到大于窄带偶极子的带宽。
160.第4节：偶极子馈电天线元件和系统的性能
161.发明人分别在第1至3节中描述了上述天线要求、构造概念和设计原则。因此，在本节中，给出了根据本发明示例性实施例的gnss天线的结果。gnss天线如图15a中第一幅图像1500所示。
162.4.1辐射模式和滚落
163.在四种不同的gps频率下，示例性gnss天线的测量辐射方向图如图16和17所示。这些是：
·
图16中的第一个图形1600a用于gps l5(1.164-1.189ghz)；
·
图16中的第二图形1600b用于gps l2(1.215-1.2396ghz)；
·
图17中的第三个图1600c为伽利略e6(1.260
–
1.300ghz)；且
·
图17中的第四个图形1600d用于gps l1(1.563-1.587ghz)。
164.在图16和图17中，辐射模式都进行了归一化，显示了在60个方位角上的rhcp和lhcp增益相隔三度。可以看出，在所有gnss频率下，上半球的lhcp信号都受到显著抑制。rhcp增益和lhcp增益之间的差异范围为31db到43db，这确保了信号之间的出色区分。此外，对于其它上半球仰角，lhcp信号比最大rhcp增益低22db，从1200mhz到1580mhz，甚至比最大rhcp增益低28db。从下面给出的结果可以看出，无论方位角如何，对特定仰角信号的恒定振幅响应都会导致相位中心变化的改善。
165.现在参考图18，描绘了根据本发明实施例(gnss发明)的gnss天线与针对同一应用(gnss 1到gnss 6)的6个商用罗孚现有技术gnss天线的比较。因此，很明显，根据本发明实施例的gnss天线具有比现有技术天线低得多的滚降。如图18所示，根据本发明实施例的gnss天线在所有频带中从视轴(天顶)到地平线的振幅衰减在6.5-8db之间。
166.然而，低仰角下的高增益(低滚降)会使天线更容易受到多径干扰。多径信号主要是晚期lhcp和rhcp。如果它们到达高仰角，则不存在任何问题，因为天线的ar在这些角度较低，因此对多径信号的接收将最小。然而，在传统天线中，由于ar性能差和udr低，低仰角多径会降低观测值。在较低仰角下，根据本发明实施例的gnss天线提供了改进的ar性能和良好的udr，这显著减少了多径干扰。因此，发明人还对根据本发明实施例的gnss天线和6个商用漫游者现有技术gnss天线在高多径环境中进行了测量。根据本发明实施例的gnss天线在所有gnss频率上产生约6mm到10mm的5
°
仰角处的相位噪声。虽然其它现有技术的gnss天线性能类似，但它们具有更高的滚降，因此在地平线上的增益较低。因此，与现有技术天线相比，根据本发明实施例的gnss天线在低仰角下提供更强的信号，并改善多径抑制性能。
167.4.2天线增益和效率：
168.参考图19，描绘了根据本发明实施例的gnss天线在所有gnss频率的天顶和10
°
仰角处的右手圆极化(rhcp)增益。这些测量表明，天线在天顶的增益范围为1160mhz时的4.1dbic到1610mhz时的3.6dbic。10
°
仰角下的天线增益从-1.45dbic到-2.2dbic不等，在用于广播l频段校正的频率范围(1539mhz到1559mhz)内最大。图20描述了根据本发明实施例的gnss天线的辐射效率(以百分比和db为单位的损耗)，从中可以明显看出，在整个带宽上，辐射效率在70％到89％之间。
169.这相当于仅0.6db至1.5db的固有(“隐藏”)损耗，包括铜损耗、馈线、匹配电路和90度混合耦合器损耗。与其它替代天线单元几何结构(如螺旋天线)相比，这种性能有了重大改进，螺旋天线在较低的gnss频率下表现出接近4db的固有效率损失。通过集成宽带预滤波低噪声放大器(lna)，测量了10度仰角下-25db/k的g/t。
170.4.3轴比
171.图21显示了根据本发明实施例的不同仰角的gnss天线的ar值。如图21所示，根据本发明实施例的gnss天线在所有gnss频带和所有仰角上具有良好的ar性能，且不超过3.5db。众所周知，低ar会提高天线拒绝由附近物体反射引起的lhcp信号的能力。因此，根据本发明实施例的gnss天线对多径干扰的敏感性大大降低。此外，参考图22，将根据本发明实施例的gnss天线在地平线上的ar性能与6个商用漫游者gnss现有技术天线进行比较。从这些结果可以明显看出，根据本发明实施例的gnss天线在这些天线中具有最低的ar。这些竞争性天线中的最低ar可与根据本发明实施例的gnss天线中的最差ar相比较，但对于商用gnss天线而言，相对于根据本发明实施例的gnss天线而言，通常明显地明显地显著更高的
ar。
172.4.4相位中心变化
173.为了根据测量的辐射方向图估计pcv，实施了一个matlab代码，其中所述分析的结果如图23所示，图23描绘了根据本发明实施例的gnss天线相对于四个常见gnss频率的六个商用漫游者天线的最大pcv。从图23中可以明显看出，根据本发明实施例的gnss天线在所有频带中的最大总pcv小于2.9mm，描述了gps l1、gps l2、gps l5和伽利略e6的结果。此外，根据本发明实施例的gnss天线的pcv不随频率显著变化。
174.4.4低噪声放大器设计
175.对于具有边际功率通量密度的信号，可实现的最佳载噪比(cnr或c/n)受到每个天线元件的效率、增益和总体接收机噪声系数的限制。这可以通过比率参数g/t进行量化，g/t通常由接收机微波/rf电子设备内输入lna的噪声系数决定。在根据本发明实施例的示例性lna放大器设计中，来自根据本发明实施例的gnss天线的接收信号被直接连接到天线端子的双工器分成两个频带，一个频带包括较低的gnss频率(从1160mhz到1300mhz)，另一个频带包括较高的gnss频率(从1539mhz到1610mhz)。然后对每个频段进行预滤波。因此，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，这是根据本发明实施例的gnss天线的高增益和高效率提供固有优势的地方，因为双工器和滤波器引入的不可避免的损耗被更高的天线增益抵消，从而保持g/t比。
176.然而，同样明显的是，全球导航卫星系统接收机必须适应密集的射频频谱，并且存在大量高电平、潜在干扰信号，这些信号可能会使全球导航卫星系统接收机饱和并降低灵敏度。例如，这些信号包括工业科学和医学(ism)频段信号和移动电话信号，特别是700mhz频段的长期演进(lte)信号，这是一种危险，因为gnss低噪声放大器可能产生谐波。其它潜在干扰信号包括globalstar(1610mhz至1618.25mhz)、铱星(1616mhz至1626mhz)和inmarsat(1626mhz至1660.5mhz)，它们是高功率上行链环信号，频率特别接近glonass信号。因此，根据本发明的一个实施例，由发明人实现用于gnss天线的lna是最终灵敏度和最终干扰抑制之间的折衷。
177.因此，根据本发明的一个实施例，发明人在lna内采用防御措施，以便与gnss天线一起使用。第一种防御措施是在天线元件端子(lna之前)添加多元件带通滤波器。由于它们的通带紧密且抑制特性陡峭，因此它们的典型插入损耗为1db，但lna噪声系数大约因额外的滤波器插入损耗而增加。第二种防御措施是使用高线性低噪声放大器，在不显著增加低噪声放大器功耗的情况下，使用采用负反馈的低噪声放大器芯片在非常宽的带宽上提供良好控制的阻抗和增益。
178.重要的是，考虑到天线安装最初可能被确定为没有干扰，随后引入新的电信服务可能改变这一点，因此即使在安静的无线电频率环境中，干扰防御也是谨慎的。紧前置滤波器的一个潜在不良副作用是，滤波器通带上的可变群延迟可能会导致色散。因此，在选择合适的预滤器时，必须考虑这些标准。发明人在低gnss频率(从1160mhz到1300mhz)和高gnss频率(从1539mhz到1610mhz)上建立的lna中的滤波器分别产生小于10纳秒的最大群延迟变化。发明人已经建立了两种lna变体，一种是28db增益lna，嵌入gnss天线微波/射频电路的电子元件140中，另一种是37db lna，用于长同轴电缆敷设的装置。全球导航卫星系统天线电子设备140内的微波/射频电路经过内部调节，以允许3v至16v的电源电压。
179.在上述描述中给出了具体细节，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，应当理解，实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。
180.为了说明和描述的目的，提供了本发明示例性实施例的前述公开。本发明并非详尽无遗或仅限于所公开的精确形式。鉴于上述公开，本文所述实施例的许多变化和修改对于所属领域的普通技术人员将是显而易见的。本发明的范围仅由本发明所附的权利要求书及其等效物限定。