CN207967297U - 一种由多个pifa天线组成的圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种由多个PIFA天线组成的圆极化天线，具有结构简单，低成本，易于大规模生产等优点。包括若干PIFA天线、介质基板、金属反射底板、功分移相网络；所述PIFA天线、功分移相网络设置于介质基板的上面，金属反射底板设置于介质基板的下面；所述PIFA天线包括PIFA短路针、PIFA微带线和PIFA馈电针，所述PIFA微带线用于接收或发射线极化波，通过PIFA馈电针连接功分移相网络；所述功分移相网络用于将线极化波合成为圆极化波；所述PIFA短路针连接PIFA微带线和金属反射底板。

Description

一种由多个PIFA天线组成的圆极化天线

技术领域

本实用新型涉及卫星导航技术领域，特别是涉及一种由多个PIFA天线组成的圆极化天线，可以同时适用北斗，GPS、伽利略、GLONASS等一种或多种卫星导航系统。

背景技术

卫星导航系统的载波是圆极化波，如果使用线极化天线，会造成极化损失，导致接收到的卫星信号强度降低。因此线极化天线一般用在手机等尺寸受限的非专业导航设备中。为了将极化损失降到最低，专业的卫星导航设备一般采用圆极化天线。

PIFA(平面倒F天线)由于其结构简单，制造成本低，尺寸较小，易于实现多频点等优势被广泛用于手机等移动终端。但是PIFA天线是线极化天线，不适合专业的导航设备使用。

实用新型内容

本实用新型提出一种由多个PIFA天线组成的圆极化天线，具有结构简单，低成本，易于大规模生产等优点。

本实用新型的技术方案是：

1.一种由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，包括多个PIFA天线、介质基板、金属反射底板、功分移相网络；所述PIFA天线、功分移相网络设置于介质基板的上面，金属反射底板设置于介质基板的下面；所述PIFA天线包括PIFA短路针、PIFA微带线和PIFA馈电针，所述PIFA微带线用于接收或发射线极化波，通过PIFA馈电针连接功分移相网络；所述功分移相网络用于将线极化波合成为圆极化波；所述PIFA短路针连接PIFA微带线和金属反射底板。

2.所述PIFA天线的数量，是4的N次幂，N为自然数；优选采用4个PIFA天线连接到一分四路功分移相网络网络；或采用8个PIFA天线连接到一分八路功分移相网络。

3.所述功分移相网络的差分馈电端口连接Balun芯片，通过Balun转换为单端馈电端口；所述Balun芯片单端信号管脚穿过介质基板连接金属反射底板。

4.所述功分移相网络为微带线功分移相网络，包括细微带线和粗微带线，所述细微带线分别连接各个PIFA天线的馈电针，连接两个PIFA天线馈电针的两条细微带线连接一条粗微带线，两条细微带线和一条粗微带线相连的点为合路点，所述粗微带线形成差分馈电端口，连接到Balun芯片上。

5.所述细微带线阻抗为100欧姆±20％，所述粗微带线阻抗为50欧姆。

6.所述功分移相网络的结构决定了天线的极化特性，距离合路点较近的PIFA天线相位超前，距离合路点较远的PIFA天线相位滞后，根据左右手螺旋定则，拇指指向天线的法向方向，由相位超前的天线指向相位滞后的天线，如果和右手四指弯曲方向一致，天线是右旋圆极化天线，如果和左手四指弯曲方向一致，天线则是左旋圆极化天线。

7.所述PIFA微带线和馈电针的长度之和为PIFA天线长度，PIFA天线的长度决定了工作频率；所述PIFA天线的长度为其中，1λ为天线工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数。

8.所述PIFA微带线的形状可以是弧形线或蛇形线、折叠线，按圆周周向均匀分布，从而实现天线小型化。

9.一种由多个PIFA天线组成的圆极化有源天线，其特征在于，在所述由多个PIFA天线组成的圆极化天线的金属反射底板的下方集成低噪声放大器，形成由多个PIFA天线组成的圆极化有源天线。

10.一种天线和接收机一体化的低成本卫星导航设备，其特征在于，在所述由多个PIFA天线组成的圆极化天线的金属反射底板的下方同时集成低噪声放大器和卫星导航接收机，形成天线和接收机一体化的低成本卫星导航设备。

本实用新型的技术效果：

本实用新型提出的一种由多个PIFA天线组成的圆极化微带天线，具有以下特点：

1.将多个PIFA天线通过功分移相网络连接在一起，通过功分移相网络形成圆极化波。和普通线极化PIFA天线相比，避免了线极化PIFA天线接收圆极化波造成的3dB极化损失，适合专业的卫星导航设备使用。

2.和四臂螺旋天线使用螺旋天线作为辐射单元相比，使用PIFA天线作为辐射单元具有以下优势：PIFA天线的高度较螺旋天线低，天线占用空间小；并且便于实现双频点；PIFA天线结构更简单，便于使用PCB等材料进行低成本生产。

附图说明

图1为本实用新型的由多个PIFA天线组成的圆极化微带天线实施例结构示意图。

图2为本实用新型实施例的圆极化微带天线的驻波图。

图3为本实用新型实施例的圆极化微带天线的方向图。

附图标记列示如下：1-金属反射底板，2-介质基板，3-功分移相网络，4-低噪声放大器，5-Balun芯片，6-Balun芯片单端管脚过孔，7-PIFA天线短路针，8-PIFA天线馈电针，9-PIFA天线微带线，10-合路点，11-细微带线，12-粗微带线。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，为本实用新型由多个PIFA天线组成的圆极化微带天线实施例结构示意图。包括多个PIFA天线、介质基板2、金属反射底板1、功分移相网络3；PIFA天线、功分移相网络设置于介质基板的上面，金属反射底板设置于介质基板的下面；其中，PIFA天线包括PIFA短路针7、PIFA馈电针8和PIFA微带线9，PIFA微带线9用于接收或发射线极化波，通过PIFA馈电针8连接功分移相网络3；功分移相网络3用于将线极化波合成为圆极化波；PIFA短路针7连接PIFA微带线9和金属反射底板1。

其中，PIFA天线的数量，是4的N次幂，N为自然数；优选采用4个PIFA天线连接到一分四路功分移相网络网络；或采用8个PIFA天线连接到一分八路功分移相网络。本实施例采用4个PIFA天线。

功分移相网络的差分馈电端口连接Balun芯片5，通过Balun转换为单端馈电端口；Balun芯片单端信号管脚通过过孔6穿过介质基板2连接金属反射底板1，用于将通过PIFA天线接收到的幅度相等、相位相同的线极化波，经过功分移相网络形成90度相位差，再经过Balun芯片形成180度相位差，最后四个天线接收到的线极化波相位依次为0度，90度，180度，270度，和四个天线所处位置的角度对应，从而形成圆极化波。功分移相网络3为微带线功分移相网络，包括细微带线11和粗微带线12，细微带线11分别连接各个PIFA天线的馈电针8，连接两个PIFA天线馈电针的两条细微带线连接一条粗微带线，两条细微带线和一条粗微带线相连的点为合路点10。本实施例中，4条细微带线11分别连接4个PIFA天线的馈电针8，其中连接相邻两个天线馈电针的两条细微带线连接一条粗微带线，形成一个合路点10，连接相邻两个天线馈电针的另外两条细微带线连接另外一条粗微带线，形成另一个合路点，合路后的两条粗微带线形成差分馈电端口，连接到Balun芯片5上。本实施例的细微带线阻抗为100欧姆±20％，粗微带线阻抗为50欧姆，粗微带线要求等长；合路点到与其连接的两个PIFA天线的距离相差电长度为90度，即电长度之差等于工作频点的四分之一波长电长度，其中，电长度定义为：微带传输线的物理长度与所传输电磁波波长之比为电长度，用L*＝L/λ表示，其中λ为波长，L为传输线的物理长度。功分移相网络的结构决定了天线的极化特性，距离合路点较近的PIFA天线相位超前，距离合路点较远的PIFA天线相位滞后，根据左右手螺旋定则，拇指指向天线的法向方向，由相位超前的天线指向相位滞后的天线，如果和右手四指弯曲方向一致，天线是右旋圆极化天线，如果和左手四指弯曲方向一致，天线则是左旋圆极化天线。

PIFA天线微带线9和天线馈电针8的长度之和为PIFA天线长度，PIFA天线的长度决定了工作频率；本实施例PIFA天线长度为其中，λ为天线工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数。PIFA天线微带线9的粗细影响天线的工作带宽；本实施例PIFA天线微带线9的粗细为3mm。PIFA天线短路针7和PIFA天线馈电针8之间的距离影响天线的阻抗，本实施例中其距离为3.5mm，对应PIFA天线阻抗为100欧姆。所述PIFA微带线9的形状可以是任意形状，例如弧形线或蛇形线、折叠线，本实施例为弧形线，按圆周周向均匀分布，从而实现天线小型化。其形状影响天线的辐射效率，其中直线辐射效率最高，天线的收星效果也最好；当天线的形状折叠弯曲体积最小时，辐射效率也最低。

本实施例的介质基板2和金属反射底板1为圆形，也可以是其他形状。本实施例的金属反射底板1的下方可以集成低噪声放大器4，将本实用新型多个PIFA天线组成的圆极化天线变为有源天线。或同时集成低噪声放大器和卫星导航接收机，形成天线和接收机一体化的低成本卫星导航设备。低噪声放大器和导航接收机也可以距离金属反射底板一定的距离，使用同轴线进行连接。本实用新型的由多个PIFA天线组成的圆极化微带天线工作原理是，PIFA天线耦合空间中的电磁波，通过PIFA天线馈电针8变为功分移相网络3上的导行波；PIFA天线接收到幅度相等，相位相同的线极化波，经过细微带线形成90度相位差，再经过Balun芯片形成180度相位差，最后四个天线接收到的线极化波相位依次为0度，90度，180度，270度，和四个天线所处位置的角度对应，从而形成圆极化波。可输出给金属反射底板下面安装的低噪声放大器和导航接收机。

附图2为本实用新型的圆极化微带天线的驻波图。纵坐标代表驻波比，横坐标是频率，函数曲线表示各个频率点上天线的驻波比。驻波比理想值等于1，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。

附图3为本实用新型的圆极化微带天线的方向图。天线方向图是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形，半径坐标表示天线增益，用dB表示，角度坐标表示天线辐射或接收电磁波的角度，函数曲线表示天线向各个方向辐射或接收电磁波能力的强弱，用dB表示。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，包括多个PIFA天线、介质基板、金属反射底板、功分移相网络；所述PIFA天线、功分移相网络设置于介质基板的上面，金属反射底板设置于介质基板的下面；所述PIFA天线包括PIFA短路针、PIFA微带线和PIFA馈电针，所述PIFA微带线用于接收或发射线极化波，通过PIFA馈电针连接功分移相网络；所述功分移相网络用于将线极化波合成为圆极化波；所述PIFA短路针连接PIFA微带线和金属反射底板。

2.根据权利要求1所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述PIFA天线的数量，是4的N次幂，N为自然数；优选采用4个PIFA天线连接到一分四路功分移相网络网络；或采用8个PIFA天线连接到一分八路功分移相网络。

3.根据权利要求1所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述功分移相网络的差分馈电端口连接Balun芯片，通过Balun转换为单端馈电端口；所述Balun芯片单端信号管脚穿过介质基板连接金属反射底板。

4.根据权利要求3所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述功分移相网络为微带线功分移相网络，包括细微带线和粗微带线，所述细微带线分别连接各个PIFA天线的馈电针，连接两个PIFA天线馈电针的两条细微带线连接一条粗微带线，两条细微带线和一条粗微带线相连的点为合路点，所述粗微带线形成差分馈电端口，连接到Balun芯片上。

5.根据权利要求4所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述细微带线阻抗为100欧姆±20％，所述粗微带线阻抗为50欧姆。

6.根据权利要求3所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述功分移相网络的结构决定了天线的极化特性，距离合路点较近的PIFA天线相位超前，距离合路点较远的PIFA天线相位滞后，根据左右手螺旋定则，拇指指向天线的法向方向，由相位超前的天线指向相位滞后的天线，如果和右手四指弯曲方向一致，天线是右旋圆极化天线，如果和左手四指弯曲方向一致，天线则是左旋圆极化天线。

7.根据权利要求1所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述PIFA微带线和馈电针的长度之和为PIFA天线长度，PIFA天线的长度决定了工作频率；所述PIFA天线的长度为其中，1λ为天线工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数。

8.根据权利要求1所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，所述PIFA微带线的形状可以是弧形线或蛇形线、折叠线，按圆周周向均匀分布，从而实现天线小型化。

9.根据权利要求1至8之一所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，在所述金属反射底板的下方集成低噪声放大器，形成由多个PIFA天线组成的圆极化有源天线。

10.根据权利要求9所述的由多个PIFA天线组成的圆极化天线，其特征在于，在所述金属反射底板的下方同时集成卫星导航接收机，形成天线和接收机一体化的低成本卫星导航设备。