CN114598352B

CN114598352B - 一种天线单元

Info

Publication number: CN114598352B
Application number: CN202210489081.0A
Authority: CN
Inventors: 赵君伟; 叶峰; 邹未栋; 郝凯; 吴惠妍; 吕咸亮
Original assignee: CRSC Research and Design Institute Group Co Ltd
Current assignee: CRSC Research and Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2022-05-07
Filing date: 2022-05-07
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2042-05-07
Also published as: CN114598352A

Abstract

本发明提供一种天线单元，包括：接收模块和发送模块；所述接收模块包括第一接收天线；所述发送模块包括发送天线和第二接收天线。本发明的天线单元设置两个独立的接收天线，能够分别用于接收两种类型和波段的信号，便于独立设计，抗干扰性强，适用范围广，结构紧凑。

Description

一种天线单元

技术领域

本发明属于射频通信领域，特别涉及一种天线单元。

背景技术

应答器传输系统是安全点式信息传输系统，由地面设备和车载设备组成，地面设备包括有源应答器、无源应答器和地面电子单元（LEU）；车载设备包括天线单元（即BTM天线单元）和应答器传输模块（BTM，Balise-transmission-module）。

如图1所示，BTM天线单元（AU）是一个双向传输的天线单元，包括接收和发送线圈，能将BTM传送来的能量载波向地面辐射，接收应答器发送的上行链路信号，并传送给BTM。天线单元（AU）中包含发送线圈、接收线圈。天线单元只要在BTM开启状态就连续向地面辐射27MHz能量载波（CW，Continuous Wave，连续波），同时接收应答器上行链路的FSK（Frequency-shift keying，频移键控）、PSK（phase shift keying，相移键控）调制信号。在空闲（无应答器）时由BTM的解码板触发执行天线发送能量强度和接收链路的自检。

天线单元的主要目的是探测应答器，具备两大基本的功能：一、通过A4接口向应答器辐射能量；二、接收应答器的FSK（A1接口）信号。为了能够通过BTM检测天线回路的工作是否正常，还设置有自检电路：响应BTM发送的天线单元自检请求并发送检测信号。

BTM和天线单元之间通过一根同轴电缆，即D电缆相连。BTM和天线单元之间的所有信号均通过D电缆进行传输。

BTM发送的27MHz能量载波通过D电缆经过衰减器后由发送线圈向地面辐射。地面应答器被激活后发送出FSK信号，接收线圈接收FSK信号并通过D电缆传送给BTM。

BTM在空闲时通过D电缆向天线单元发送自检请求，自检电路检测到BTM的请求信号后开始发送检测信号。检测信号经过天线单元的接收线圈接收，然后通过D电缆传送给BTM。

现有的BTM天线单元设置一副发送天线和接收天线，发送天线和接收天线共用一根射频电缆传输接收和发送信号，通过后续的滤波电路进行信号拆分处理。当需要接收处理两个不同类型、不同波段（频率范围的）接收信号时，如果仍然采用同一个接收天线不能很好地兼容传输多个不同频段的信号。若完全依靠后续滤波电路进行信号处理，则滤波电路复杂，处理信号代价高，且信号之间的隔离差。这种情况下，天线单元的适用范围很窄，不能满足需要接收多种类型、频率信号的接收处理场景。如果在车上安装两个天线单元，则同样成本高，结构改进大，且安装位置受限。

因此，亟需一种适应范围广、结构紧凑的天线单元。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种天线单元，包括：

接收模块和发送模块；

所述接收模块包括第一接收天线；

所述发送模块包括发送天线和第二接收天线；

所述天线单元用于向应答器辐射能量，并用于接收应答器的调制信号。

进一步地，所述第一接收天线和所述第二接收天线能够接收不同类型的信号。

进一步地，所述发送天线用于发送CW信号；

所述第一接收天线用于接收FSK信号和/或PSK信号；

所述第二接收天线用于接收CDMA信号或WiFi信号。

进一步地，所述第一接收天线的工作频率范围与和所述第二接收天线的工作频率范围不同。

进一步地，所述发送天线用于发送27.095MHz的CW信号；

所述第一接收天线用于接收3-5MHz的FSK信号和/或9.032MHz的PSK信号；

所述第二接收天线用于接收13.55MHz±2.5MHz的CDMA信号，或者所述第二接收天线用于接收2.4GHz或5GHz的WiFi信号。

进一步地，所述发送天线和所述第二接收天线呈嵌套结构布置；

发送天线设置在外环，所述第二接收天线设置在内环。

进一步地，所述发送天线和所述第二接收天线设置在一个PCB板上。

进一步地，所述发送天线包括多个通过走线串联的谐振网络，所述谐振网络包括电容。

进一步地，发送天线的多个所述谐振网络呈中心对称分布，中心对称位置的两个谐振网络采用相同的结构。

进一步地，部分或全部的谐振网络中包括可调节电容。

进一步地，所述发送天线包括依次串联的第一谐振网络、第二谐振网络、第三谐振网络和第四谐振网络；

第一谐振网络和第三谐振网络均包括第一数量的并联的电容；

第二谐振网络和第四谐振网络均包括第二数量的并联的电容。

进一步地，所述第二数量的并联的电容中包括可调节电容。

进一步地，所述第二接收天线包括多个通过走线串联的谐振网络，所述谐振网络包括电容。

进一步地，第二接收天线中的部分或全部所述谐振网络中还包括与所述电容串联的电感。

进一步地，第二接收天线的多个所述谐振网络呈中心对称分布，中心对称位置的两个谐振网络采用相同的结构。

进一步地，第二接收天线中的部分或全部的谐振网络中包括可调节电容。

进一步地，所述第二接收天线包括依次串联的第五谐振网络、第六谐振网络、第七谐振网络和第八谐振网络；

所述第五谐振网络和第七谐振网络均包括电容和电感。

所述第六谐振网络和第八谐振网络均包括可调节电容。

所述第五谐振网络和第七谐振网络结构相同；

所述第六谐振网络和第八谐振网络结构相同。

进一步地，所述第二接收天线还包括与所述谐振网络串联的电阻。

本发明的天线单元设置两个独立的接收天线，能够分别用于接收两种类型和波段（频率）的信号，便于独立设计，抗干扰性强，适用范围广。通过改变电路结构形式，在一个PCB板上实现两个天线，结构紧凑。通过设置多个谐振网络与走线结合，能够实现灵活的频率设置，并增大电路功率容限。发送天线充分利用走线电感，减少了电感器件的使用。通过设置可调节的电容进一步提高天线在使用过程中的灵活性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了根据现有技术的BTM传输系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的BTM天线单元结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的BTM天线单元的发送模块的两个天线的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的BTM天线单元的发送天线的结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的BTM天线单元的第二接收天线的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。

本发明实施例提供一种天线单元，如图2所示，天线单元包括接收模块2和发送模块1。其中，接收模块2包括第一接收天线21，发送模块1包括发送天线11和第二接收天线12。接收模块2与发送模块1间隔一定距离相对设置。

本发明实施例的天线单元通过设置两个独立的接收信号的天线，能够实现两个不同波段、类型信号的接收，避免采用一个天线接收不同信号造成的信号处理困难和准确性差的问题。两个天线（第一接收天线21和第二接收天线12）独立设计，通过设置、调节组成接收天线的器件参数，使得两个接收天线分别能够工作在各自理想的指定工作频率下，提高了天线单元的适用范围和信号收发效果。本发明实施例对天线单元的接收模块不做限制，接收模块也可以设置为多个天线。

本发明实施例的天线单元可以根据需要应用在不同无线信号传输的场景中。示例性地，本发明实施例的天线单元作为轨道交通车载设备的BTM天线实现，但不限于实现为BTM天线。本发明实施的天线单元主要实现以下功能：（1）向应答器辐射能量，（2）接收应答器的调制信号；（3）对天线单元本身进行周期性自检以及检测辐射能量的强度。

发送模块1的天线数量以两个为例，但也可以根据需要设置更多。

不失一般性地，发送天线11和第二接收天线12呈嵌套结构，如图2、图3所示,发送天线11设置在外环，第二接收天线12设置在内环。发送模块1的两个天线设置在一个平面结构中，例如，设置在一个PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）板上。则发送模块1包括PCB板和设置在PCB板上的发送天线11和第二接收天线12。

发送天线11和第一接收天线11采用一根同轴电缆接收和发送信号。而发送天线11和第二接收天线12采用不同的同轴电缆连接到BTM，传输信号。第一接收天线的FSK/PSK的频段距离27.095MHz较远，在BTM后续电路很容易使用滤波器滤掉发送信号，而第二接收天线的CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）信号的频段距离27.095MHz很近，如果仍然和发送信号一起传输，BTM后续需要比较复杂的滤波电路才能去掉发送信号造成的阻塞，并且BTM后续滤波器的带内插入损耗较大，会降低接收信号的灵敏度，因此第二接收天线12采用独立的一根同轴电缆来传输信号，这样第二接收天线会提高接收性能，BTM后续处理电路也更容易实现。

第一接收天线21、第二接收天线12和发送天线11的工作频率范围不同，设置为独立的天线能够更好设置器件参数以满足各自的最佳工作频率。第二接收天线12用于接收指定频率范围的CDMA信号，作为一个独立线圈设置在发送天线11的内环，能够节省布置空间和成本，同时，不影响第一接收天线21和发送天线11的工作。在另外的实施例中，第二接收天线12实现为接收指定频率范围的WiFi信号，示例性地，WiFi信号的频率为2.4GHz或5GHz。通过调整第二接收天线12的电路参数（电感，电容和PCB走线），能够实现传输指定频率的WiFi信号或者指定频率的CDMA信号。参数调整方式可以根据以下的第二接收天线12的结构实施方式得到。从而进一步拓宽了天线单元的适用范围。本发明实施例主要以传输CDMA信号为例进行说明。

发送天线11和第二接收天线12能够发送不同类型的信号。例如，发送天线11用于发送激活应答器信号，相应的第一接收天线21用于接收FSK和/或PSK信号。第二接收天线12用于接收CDMA信号。

示例性地，发送天线11用于发送27.095MHz的CW信号；第二接收天线12用于接收13.55MHz±2.5MHz的CDMA信号（CDMA信号：工作频率11.05MHz～16.05MHz）。第一接收天线用于接收FSK和/或PSK信号。FSK信号：3-5MHz，具体地，3.951MHz（逻辑0）和4.516MHz（逻辑1）；PSK信号：9.032MHz，初始相位φ为逻辑“0”，初始相位φ+180°为逻辑“1”。

在国外某些地区，不仅有3.951MHz/4.516MHz的FSK、9.032MHz PSK BTM传输系统，还需要13.55MHz的CDMA系统和轨旁设备通信，本发明实施例的天线单元能够在兼容现有FSK/PSK信号通信情况下，支持其他类型和频率范围的信号收发，并采用紧凑的结构实现抗干扰性强的天线单元。

下面对发送天线11和第二接收天线12的结构分别进行说明。

（1）发送天线

如图4所示，发送天线11包括多个通过走线（具体为PCB走线）串联的谐振网络，谐振网络包括电容，例如，多个并联的电容。通过谐振网络和走线（工作时走线产生电感）形成谐振电路。

示例性地，发送天线11为一个尺寸为（325mm±15mm）×（245mm±15mm）的矩形能量发送线圈，通过其中的电容和PCB走线的电感量共同起作用，构成27MHz（具体为27.095MHz）的谐振电路。

发送天线11的多个谐振网络中心对称分布，包括依次串联的第一谐振网络、第二谐振网络、第三谐振网络和第四谐振网络；第一谐振网络和第三谐振网络均包括第一数量的并联的电容；第二谐振网络和第四谐振网络均包括第二数量的并联的电容。第二数量的并联的电容中包括可调节电容。

示例性地，第一谐振网络和第三谐振网络均由三个电容并联组成。第二谐振网络和第五谐振网络均由四个并联电容组成，其中包括至少一个可调节电容。其中，每个谐振网络中部分的或全部的电容的参数根据发送天线11设置的PCB板决定。例如，第一谐振网络包括220P的第一电容、56P的第二电容和待定参数的第三电容。第三电容的容量根据设置的PCB板决定。即，第三电容根据具体单板（PCB板）情况在实际调试中来放置具体的电容值。第三谐振网络的结构与第一谐振电容相同。第二谐振网络和第四谐振网络均包括一个固定参数的电容（例如，容量220P）、两个参数待定的电容和一个参数可调节电容。

发送天线11工作在27.095MHz，电路器件中不需要设置电感，通过PCB走线带来的电感量满足要求。

四个谐振网络组合在一起可以起到调谐灵活方便，增大电路功率容限等特性。参数待定的电容根据具体单板的参数变化来进行调整放置。

（2）第二接收天线

第二接收天线12包括多个通过走线串联的谐振网络，谐振网络包括电容，例如，多个并联的电容。通过谐振网络和走线（工作时产生电感）形成谐振电路。第二接收天线12中的部分或全部所述谐振网络中还包括与电容串联的电感。

示例性地，第二接收天线12的多个谐振网络中心对称分布，包括依次串联的第五谐振网络、第六谐振网络、第七谐振网络和第八谐振网络。第五谐振网络和第七谐振网络均包括电容和电感。第六谐振网络和第八谐振网络均包括可调节电容。

示例性地，第二接收天线12的结构如图5所示，第五谐振网络和第七谐振网络结构相同，均包括四个并联的电容和与电容串联的电感。第六谐振网络和第八谐振网络结构相同，均包括四个并联的电容，其中至少一个为可调节电容。其中，每个谐振网络中部分的或全部的电容的参数根据第二接收天线12设置的PCB板决定。例如，第五谐振网络包括220P的第四电容、56P的第五电容、待定参数的第六电容和待定参数的第七电容，第一电感串联在第四电容和地六电容之间。第六电容、第七电容和第一电感的容量根据设置的PCB板决定。

第七谐振网络的结构与第一谐振电容相同。不失一般性地，第六谐振网络和第七谐振网络均包括两个固定参数的电容、一个待定参数的电容和一个可调节电容，其中，两个固定参数的电容的容量分别为220P和56P。

待定参数的电容和电感根据具体单板的参数进行调整放置。

第二接收天线12还包括与所述谐振网络串联的电阻R1。

第二接收天线12工作在中心频率13.55MHz，D1是射频插座，采用5个管脚封装，中间的第一管脚（管脚1）通过PCB走线与电阻R1连接，阻值标称值为50欧姆，实际使用在47～51欧姆之间。D1的另外四个管脚（管脚2、管脚3、管脚4、管脚5）通过PCB与第七谐振网络连接。

四个谐振网络组合在一起可以起到调谐灵活方便，增大电路功率容限等特性。第六谐振网络和第八谐振网络里面没有电感L，通过第七谐振网络与谐振网络第六谐振网络之间的PCB走线起到了电感的作用，同样，第五谐振网络和第八谐振网络之间以及第八谐振网络和电阻R1之间的PCB走线也起到了电感的作用。

（3）自检模块

进一步地，天线单元还包括自检模块3，如图2所示，自检模块3包括自检电路31，自检电路设置有磁通量拾取环33和D3信号发送环32。

本发明实施例在既有的发送天线11所在模块上新增加一个第二接收天线12，实现新增一个可以调节的天线。本发明实施例的新增加的第二接收天线12是谐振在中心频率13.55MHz，并设置有根据具体单板的参数进行调整放置的电容和电感，以满足某些国家或地区多制式形式信号的工作要求。第二接收天线12也可以谐振在其它频率，只要调整PCB走线长度、宽度和电容值、电感值即可达到要谐振的频率。第二接收天线12的信号通过D1连接器用射频电缆和BTM相连接进行传输。通过调节谐振电路的电容和电感来匹配到需要工作的波段上，实现两个天线的效果。两个天线互相独立，便于分别设计，信号隔离效果好。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种天线单元，其特征在于，包括：

接收模块和发送模块；

所述接收模块包括第一接收天线；

所述发送模块包括发送天线和第二接收天线；

所述天线单元用于向应答器辐射能量，并用于接收应答器的调制信号；

所述发送天线和所述第二接收天线呈嵌套结构布置；

发送天线设置在外环，所述第二接收天线设置在内环；

所述发送天线和所述第二接收天线设置在一个PCB板上。

2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，

所述第一接收天线和所述第二接收天线能够接收不同类型的信号。

3.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，

所述发送天线用于发送CW信号；

所述第一接收天线用于接收FSK信号和/或PSK信号；

所述第二接收天线用于接收CDMA信号或WiFi信号。

4.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，

所述第一接收天线的工作频率范围与所述第二接收天线的工作频率范围不同。

5.根据权利要求4所述的天线单元，其特征在于，

所述发送天线用于发送27.095MHz的CW信号；

6.根据权利要求1-5中任一项所述的天线单元，其特征在于，

所述发送天线包括多个通过走线串联的谐振网络，所述谐振网络包括电容。

7.根据权利要求6所述的天线单元，其特征在于，

发送天线的多个所述谐振网络呈中心对称分布，中心对称位置的两个谐振网络采用相同的结构。

8.根据权利要求6所述的天线单元，其特征在于，

部分或全部的谐振网络中包括可调节电容。

9.根据权利要求6所述的天线单元，其特征在于，

所述发送天线包括依次串联的第一谐振网络、第二谐振网络、第三谐振网络和第四谐振网络；

10.根据权利要求9所述的天线单元，其特征在于，所述第二数量的并联的电容中包括可调节电容。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的天线单元，其特征在于，

所述第二接收天线包括多个通过走线串联的谐振网络，所述谐振网络包括电容。

12.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，第二接收天线中的部分或全部所述谐振网络中还包括与所述电容串联的电感。

13.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，

第二接收天线的多个所述谐振网络呈中心对称分布，中心对称位置的两个谐振网络采用相同的结构。

14.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，

第二接收天线中的部分或全部的谐振网络中包括可调节电容。

15.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述第二接收天线包括依次串联的第五谐振网络、第六谐振网络、第七谐振网络和第八谐振网络；

所述第五谐振网络和第七谐振网络均包括电容和电感。

16.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述第二接收天线包括依次串联的第五谐振网络、第六谐振网络、第七谐振网络和第八谐振网络；

所述第六谐振网络和第八谐振网络均包括可调节电容。

17.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述第二接收天线包括依次串联的第五谐振网络、第六谐振网络、第七谐振网络和第八谐振网络；

所述第五谐振网络和第七谐振网络结构相同；

所述第六谐振网络和第八谐振网络结构相同。

18.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述第二接收天线还包括与所述谐振网络串联的电阻。