CN210516983U - 一种天通收发天线装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天通收发天线装置，包括天线主体单元、金属反射板和天线馈电板；所述天线主体单元包括至少3个环向分布在所述天线馈电板上的PIFA天线单元；所述天线馈电板为PCB板，所述PCB板上设置有PIFA馈电网络；所述金属反射板与所述天线主体单元平行设置并间隔一定距离，所述PIFA馈电网络设置有一个输入端口以及与所述PIFA天线单元个数相等的输出端口，所述PIFA天线单元各自与所述PIFA馈电网络的输出端口中的一个端口连接。本实用新型在天线主体单元的上方引入了一个金属反射板，可以显著提高天线增益，本实用新型天线装置结构简单、剖面低、体积小、性能良好等特点，非常适合在卫星移动通信终端设备上使用。

Description

一种天通收发天线装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型天通收发天线，属于卫星移动通信天线技术领域。

背景技术

2016年8月6日我国卫星移动通信系统的首星-天通一号01星-成功发射，标志着我国进入到了卫星移动通信的手机时代。卫星移动通信的特点是可以为移动用户之间提供通信服务，如车辆、飞机、船舶以及个人的通信，具有覆盖区域广、不受地理障碍约束和用户运动限制。天通一号01星可以为个人通信、海洋运输、远洋渔业、航空救援、旅游科考、野外探险等各个领域提供全天候、全天时、稳定可靠的移动通信服务，并且天通一号卫星移动通信系统最主要的优势体现在终端设备的小型化和手机化，便于携带。天线作为发射和接收电磁波的窗口，是卫星移动通信终端设备的重要部件。

天通天线的特点由以下几个因素决定：

1.卫星移动通常通信采用上行和下行链路不同频段的设计，并且两个频段相距相对较远。

2.圆极化波受多径效应和极化畸变的影响较小，对接收天线没有严格的摆放姿态要求。

3.由于卫星和用户的相对位置会不断发生移动，要求天线有一定的追星能力，也就是说天线要在较宽的波束内都有较高的增益。

因此天通天线通常采用双频(1980-2010MHz，2170-2200MHz)圆极化宽波束设计。由于以上特点约束，现有的天通天线多具有剖面高、体积大、设计复杂等缺点，并且结构形式比较单一。

现有技术公开了一种RFID射频识别的PIFA天线，包括微带辐射单元以及相应的微带馈电网络，这种PIFA天线整体上馈电结构更为复杂，且微带馈电网络多了两个馈电端口，此种馈电结构在带宽上会相对更窄，性能上略差，并且体积大。并且PIFA天线所构成的天通天线具有波束宽度超宽的特点，超宽波束会导致增益相对较低，不能直接应用于卫星移动通信天线系统。

因此，研究一种体积小、性能佳的卫星移动通信天通天线具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型提供一种天通收发天线装置，可以解决现有技术中的上述缺陷。

本实用新型的技术方案如下：

一种天通收发天线装置，包括天线主体单元、金属反射板和天线馈电板；其中：所述天线主体单元包括至少3个环向分布在所述天线馈电板上的PIFA天线单元；所述天线馈电板为PCB板，所述PCB板上设置有PIFA馈电网络；所述金属反射板与所述天线主体单元平行设置并间隔一定距离，所述PIFA馈电网络设置有一个输入端口以及与所述PIFA天线单元个数相等的输出端口，所述PIFA天线单元各自与所述PIFA馈电网络的输出端口中的一个端口连接。

PIFA天线的带宽相比传统的天通天线相对更宽，一个频带即可覆盖上下行两个频段(1980-2010MHz，2170-2200MHz)，因此不需要做双频设计；另外，PIFA天线辐射方向图为全向的特点，因此它所构成的天通天线具有波束宽度超宽的特点；超宽波束会导致增益相对较低，因此，在天线主体单元的上方引入了一个薄的圆形金属反射板，它可以适当降低天线的波束宽度(降低后仍可以满足卫星通信的需求)并可以显著提高天线增益。所述金属反射板除圆形以外还可设置为等边多边形，边数通常大于4。所述金属反射板位于所述天线主体单元的上方，俯视时，所述金属反射板覆盖每一所述PIFA天线单元的部分区域，所述金属反射板的大小根据实际情况进行选择，所述金属材料通常用铜或其它导电性能良好的材料。

金属反射板与天线主体单元的距离会影响天线增益与波束宽度，较佳地，所述金属反射板距离所述天线主体单元的高度为0.03λ，能提高天线增益的同时维持高的波束宽度。

较佳地，所述PIFA天线单元包括主辐射体，所述主辐射体为弧形金属板，所述弧形金属板为平面板，弧形设计能使天线装置整体尺寸紧凑；所述弧形金属板与所述PCB板平行设置，所述金属材料通常用铜或其它导电性能良好的材料。

较佳地，所述PIFA天线单元包括馈电臂和接地臂，所述PIFA天线单元的侧面呈倒F型，所述馈电臂的端部和所述接地臂的端部分别连接于所述PIFA天线单元的主辐射体的同一侧边缘，所述馈电臂的另一端连接于所述PIFA馈电网络的输出端口，所述接地臂的另一端与所述天线馈电板上的地焊接在一起。

较佳地，所述天线主体单元由四个PIFA天线单元环形分布而成，所述天线主体为完全中心对称的结构，加上四端口馈电网络的引入，使得天线增益方向图各方向一致性非常好，天线的轴比特性非常好。

较佳地，所述PIFA天线单元的接地臂设于主辐射体的端部，所述PIFA天线单元的接地臂、馈电臂以及主辐射体的走向按逆时针方向设置。所述PIFA馈电网络为一分四功分移相器芯片，所述一分四功分移相器芯片包括一个输入端口以及四个输出端口，所述一分四功分移相器芯片的四个输出端口幅度大小相等，并且所述四个输出端口相位顺时针方向依次相差90度，此时天线极化方向为左旋圆极化，适用于卫星移动通信系统。

改变馈电网络四个输出口相位为逆时针方向依次相差90度，天线可变为右旋圆极化，此时天线可用于卫星导航系统、GNSS测量以及定位系统终端设备等。

较佳地，所述一分四功分移相器芯片的输出端口经所述PCB板的通孔穿过所述PCB板并与同轴线或SMA头内芯固定连接，所述同轴线或所述SMA头的地与所述PCB板的地固连；所述同轴线或所述SMA头连接外部终端设备。

较佳地，所述天线馈电板上刻蚀有共面波导传输线，所述PIFA天线单元的馈电臂通过共面波导传输线分别与所述PIFA馈电网络连接。采用了芯片+共面波导传输线的馈电方式，相比于现有技术的纯微带结构，天线的体积会做的更小。

较佳地，所述天线馈电板的地设置有支撑柱，所述金属反射板通过所述支撑柱固定于所述天线馈电板上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

第一，本实用新型的天通收发天线装置，天线主体单元采用至少3个PIFA天线单元环绕组成，PIFA天线的带宽相比传统的天通天线相对更宽，一个频带即可覆盖上下行两个频段(1980-2010MHz，2170-2200MHz)，因此不需要做双频设计；另外，PIFA天线辐射方向图为全向的特点，因此它所构成的天通天线具有波束宽度超宽的特点；超宽波束会导致增益相对较低，因此，在天线主体单元的上方引入了一个薄的圆形金属反射板，它可以适当降低天线的波束宽度(降低后仍可以满足卫星通信的需求)并可以显著提高天线增益。

第二，本实用新型的天通收发天线装置，采用了四馈加上天线完全中心对称的圆形设计，天线圆极化轴比特性非常好，整体天线的增益带宽、波束带宽、轴比带宽等性能都得到了显著改善。

第三，本实用新型天通收发天线装置的馈电方式采用了芯片+共面波导传输线，相比于现有技术的微带结构，天线的体积会做的更小；天线的整体尺寸为高度约0.1λ，直径约0.5λ(λ为天线中心频率所对应的波长)，并且结构简单、剖面低、体积小、性能良好等特点，非常适合在卫星移动通信终端设备上使用。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的天通收发天线装置整体的立体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的天通收发天线装置的俯视图；

图3是本实用新型实施例的PIFA天线的立体结构示意图；

图4是本实用新型实施例的天线馈电板原理示意图；

图5是本实用新型实施例的天通收发天线装置的回波损耗曲线图；

图6是本实用新型实施例的天通收发天线装置的增益辐射方向图；

图7是本实用新型实施例的天通收发天线装置的轴比特性曲线图。

附图标记：PCB板(1)；PIFA天线单元(2、3、4、5)；CPW传输线(6、7、8、9)；芯片(10)；输入端口(11)；金属反射板(12)；塑料支柱(13、14、15、16)；弧形金属薄片(17)；馈电臂(18)；接地臂(19)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应该理解，这些实施例仅用于说明本实用新型，而不用于限定本实用新型的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种卫星移动通信系统中的天通收发天线装置，包括天线主体单元、金属反射板和天线馈电板。其中：

所述天线主体单元包括至少3个环向分布在所述天线馈电板上的PIFA天线单元，所述金属反射板与所述天线主体单元平行设置并间隔一定距离，所述天线馈电板为一个圆形双面PCB板(1)，所述PCB板(1)还可以设置为其他几何形状，此处不做限制。

具体地，所述PIFA天线单元包括主辐射体、接地臂和馈电臂，所述PIFA天线单元的侧面呈倒F型。

本实施例中，所述PIFA天线单元由弧形金属薄片(17)以及与之相连的两根长条状金属薄片(18、19)组成，所述弧形金属薄片为主辐射体，所述弧形金属板(17)为平面板，平行设置于所述PCB板(1)上，PIFA天线单元的主辐射体弧形设计能使天线装置整体尺寸紧凑。所述两根长条状金属薄片(18、19)结构完全相同，两根长条状金属薄片分别为馈电臂(18)和接地臂(19)。所述馈电臂(18)的端部和所述接地臂(19)的端部分别垂直设置于所述弧形金属薄片(17)的同一侧边缘，所述接地臂(19)设于所述弧形金属薄片(17)的端部，所述馈电臂(18)与所述接地臂(19)之间设置一定的间距。所述金属材料通常用铜或其它导电性能良好的材料。

进一步地，请继续参见图2天线装置的俯视图，所述天线主体单元由四个PIFA天线单元(2、3、4、5)逆时针(图2箭头方向所示)环绕组成，为完全中心对称设计，加上四端口馈电网络的引入，使得天线增益方向图各方向一致性非常好，天线的轴比特性非常好。

在另一可选实施例中，所述PIFA天线单元的主辐射体还可以设置为矩形、梯形等现有的几何形状，所述天线主体单元可以设置为矩形环状，此处不做限制。

本实施例中，所述金属反射板为平行设置在所述天线主体单元上方一个圆形金属薄片(12)，所述金属薄片为正方形或其它等边多边形亦可。所述金属反射板通过四根塑料支柱(13、14、15、16)固定在所述PCB板(1)上，所述圆形金属薄片(12)距天线主体单元的高度约0.03λ。请参见所述天通收发天线装置的俯视图2，所述金属反射板设置在四个PIFA天线单元(2、3、4、5)上方，每个所述PIFA天线单元靠近所述PCB板(1)中心处的部分区域被所述金属反射板覆盖。所述金属反射板可以适当降低天线的波束宽度(降低后仍可以满足卫星通信的需求)，并可以显著提高天线增益。所述金属材料通常用铜或其它导电性能良好的材料，所述金属反射板的大小根据实际情况进行选择，此处不做限制。

本实施例中，所述PCB板(1)上层中心贴装一个一分四功分移相器芯片(10)；所述天通收发天线装置发射电磁波时，所述芯片(10)为一分四功分器；接收电磁波时为四合一合路器。所述功分器芯片无具体型号要求，可实现同样功能即可。所述功分器芯片亦可用威尔金森功分器或定向耦合器等搭建，但会导致天线体积增大，性能变差。采用所述一分四功分移相器芯片体积小，且性能相对更好。

进一步地，所述天通收发天线装置发射电磁波时，所述芯片(10)包括输入端口(11)和四个输出端口，所述输入端口(11)由过孔通往PCB板底面，可与同轴线或SMA头内芯焊接在一起，同轴线或SMA头的地与PCB板的地焊接在一起，所述同轴线或SMA头与外部终端设备连接。所述芯片(10)的四个输出端口幅度大小相等，相位顺时针方向依次相差90度，分别为0度、90度、180度、270度，此时天线极化方向为左旋圆极化，其原理如图4所示。

本实施例中，所述天通收发天线装置接收电磁波时，所述芯片(10)的输入端口(11)转变为输出端口，所述四个输出端口转变为输入端口。

进一步地，所述PCB板(1)上表面刻蚀有四根CPW(共面波导)传输线(6、7、8、9)，所述芯片(10)的四个输出口分别与所述四根CPW传输线(6、7、8、9)相连，所述PCB板(1)除传输线以外区域均为地。

所述馈电臂(18)的端部与所述CPW传输线(6、7、8、9)焊接，所述接地臂(19)的端部穿过所述PCB板(1)并与所述PCB板(1)的地焊接在一起。

本实用新型天线是一种新的天通天线形式，和传统的天通天线形式相比不必采用双频设计，由于其相对较宽的工作带宽，一个频带即可覆盖上下行两个频段(1980-2010MHz，2170-2200MHz)，其回波损耗曲线如图5所示。另外，通过在天线主体单元的上方引入了一个薄的圆形金属反射板(12)，它可以适当降低天线的波束宽度(降低后仍可以满足卫星通信的需求)并可以显著提高天线增益，其增益辐射方向图如图6所示。

由于本实施例中的四个PIFA天线单元(2、3、4、5)采用了完全中心对称的圆形设计、以及四个馈电端口的设计，天线圆极化轴比特性非常好，其轴比特性曲线如图7所示。整体天线的增益带宽、波束带宽、轴比带宽等性能都得到了显著改善。天线整体尺寸，高度约0.1λ，直径约0.5λ。因此，本实用新型天通收发天线装置结构简单、剖面低、体积小、性能良好等特点，非常适合在卫星移动通信终端设备上使用。

在另一可选实施例中，改变四个PIFA天线馈电相位为逆时针方向依次相差90度，同时所述四个PIFA天线单元环绕方向改变为顺时针方向环绕，此时天线极化方向可变为右旋圆极化，此时天线亦可用于卫星导航系统、GNSS测量以及定位系统终端设备等。

以上公开的仅为本实用新型优选实施例。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种天通收发天线装置，其特征在于，包括天线主体单元、金属反射板和天线馈电板；所述天线主体单元包括至少3个环向分布在所述天线馈电板上的PIFA天线单元；所述天线馈电板为PCB板，所述PCB板上设置有PIFA馈电网络；所述金属反射板与所述天线主体单元平行设置并间隔一定距离，所述PIFA馈电网络设置有一个输入端口以及与所述PIFA天线单元个数相等的输出端口，所述PIFA天线单元各自与所述PIFA馈电网络的输出端口中的一个端口连接。

2.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述金属反射板与所述天线主体单元的距离为0.03λ。

3.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述PIFA天线单元包括主辐射体，所述主辐射体为弧形金属板，所述弧形金属板与所述PCB板平行设置。

4.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述PIFA天线单元包括馈电臂和接地臂，所述馈电臂的端部和所述接地臂的端部分别连接于所述PIFA天线单元的主辐射体的同一侧边缘，所述馈电臂的另一端连接于所述PIFA馈电网络的输出端口，所述接地臂的另一端连接于所述天线馈电板上的地。

5.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述天线主体单元由四个PIFA天线单元环形分布而成，所述天线主体单元为完全中心对称的结构。

6.根据权利要求5所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述PIFA天线单元的接地臂设于主辐射体的端部，所述PIFA天线单元的接地臂、馈电臂以及主辐射体的走向按逆时针方向设置；所述PIFA馈电网络为一分四功分移相器芯片，所述一分四功分移相器芯片包括一个输入端口以及四个输出端口，所述一分四功分移相器芯片的四个输出端口幅度大小相等，并且所述四个输出端口相位顺时针方向依次相差90度。

7.根据权利要求6所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述一分四功分移相器芯片的输入端口穿过所述PCB板并与同轴线或SMA头内芯固定连接，所述同轴线或所述SMA头的地与所述PCB板的地固连。

8.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述天线馈电板上刻蚀有共面波导传输线，所述PIFA天线单元的馈电臂通过共面波导传输线分别与所述PIFA馈电网络连接。

9.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述天线馈电板的地设置有支撑柱，所述金属反射板通过所述支撑柱固定于所述天线馈电板上。

10.根据权利要求1所述的天通收发天线装置，其特征在于，所述金属反射板设为圆形或等边多边形，所述等边多边形的边数大于4。

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