CN103367920A

CN103367920A - 微带天线、电子设备及etc***的obu

Info

Publication number: CN103367920A
Application number: CN2012100930143A
Authority: CN
Inventors: 殷忠良; 徐根华; 李兴锐
Original assignee: Shenzhen Genvict Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Genvict Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN103367920B

Abstract

本发明公开了一种微带天线、一种ETC***的OBU及一种电子设备，微带天线包括辐射贴片、金属面以及对所述辐射贴片馈电的馈电网络，所述辐射贴片上开设两条垂直交叉形成十字形的贴片槽缝，每条所述贴片槽缝还开设与所述贴片槽缝相通的辅助槽缝。本发明的辐射贴片能够在馈电网络的双馈点的馈电作用下使天线具备较宽的带宽和较高的增益，良好的圆极化性能，同时，本发明通过增加电流在辐射贴片上的流动路径，使微带天线在体积缩小的情况下，仍然能够满足工作频率的要求，因此节省微带天线所占用的空间。

Description

微带天线、电子设备及ETC***的OBU

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种微带天线、一种电子设备，及一种电子不停车收费(ETC：Electronic Toll Collection)***的车载单元(OBU：On board Unit)。

背景技术

微带天线指利用微带线对辐射贴片进行馈电，以实现信号接收和发送功能的天线。由于微带天线具有体积小、重量轻、易集成等特性，经常使用于传感器及带有信号收发功能的各类电子设备中。例如可使用在ETC的OBU中，当安装有OBU的车辆在经过高速公路的不停车收费通道、停车场的出入口等位置时，需要通过微带天线与ETC***的路侧单元(RSU：Road-Side Units)进行通讯，接收来自RSU的管理信号或者向RSU上报车辆信息。

按照微带天线的结构特性，通常将其分为普通微带贴片天线和微带缝隙耦合天线。

如图1和图2所示的一种常用的普通微带贴片天线由双层PCB板制成，PCB板顶层设有辐射贴片11和微带线组成的馈电网络12，底层设有金属面14，两层之间为介质板13。馈电网络12中的微带线直接与辐射贴片11边缘的馈电点连接，由于辐射贴片只有一个馈电点，可通过切角等方法形成圆极化。这种天线的结构简单，体积较小，然而其圆极化程度较低，带宽较窄，天线效率和方位特性等性能很容易受到使用环境的影响。例如对于OBU，其外壳极易破坏天线的圆极化性能，从而导致OBU的通信能力对其摆放方位特别敏感；而且外壳、电池和天线周围的元器件很容易对天线的效率和方向图产生不利影响，导致天线效率降低，方向图畸变等。

如图3至图5所示，一种常用的微带缝隙耦合天线为双馈点缝隙耦合微带圆极化天线，其包括两片双层电路板，两片电路板之间为空气介质层，一片PCB板21支撑辐射贴片24，另一片PCB板22的顶层是金属面23，金属面23上有两个耦合槽缝25，该PCB板22的底层是微带线馈电网络26，其包含一个带隔离电阻27的功率分配器，信号被分成幅度相等相位相差90°的两路，天线在发射信号时，金属面23上的两个耦合槽缝25分别将信号耦合至辐射贴片24再辐射到外界空间去。该结构的微带天线与图1所示的微带天线相比，带宽、圆极化性能和天线增益都大幅提高。通常情况下，馈电网络提供的电流从辐射贴片24的一端流向另一端的路径长度决定了天线的谐振频率，而天线的谐振频率与其工作波长相对应，通常情况下要求电流在辐射贴片24上的流动路径长度达到工作波长的一半，才能确保天线的工作频率和性能，为了达到该目的，这种微带天线的辐射贴片24的边长必须满足一定的长度，而该长度导致辐射贴片24面积和天线整体体积较大，需要占用电子设备较大的内部空间，难以适应便携式电子设备对于小型化和精密化的发展趋势。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种节省空间的微带天线、一种ETC***的OBU及一种电子设备。

为解决上述技术问题，本发明提供一种微带天线，包括辐射贴片、金属面以及对所述辐射贴片馈电的馈电网络，所述辐射贴片上开设两条垂直交叉形成十字形的贴片槽缝，每条所述贴片槽缝还开设与所述贴片槽缝相通的辅助槽缝。

优选地，所述辅助槽缝的长度大于所述贴片槽缝的宽度。

一种实施例中，所述辅助槽缝位于所述贴片槽缝的末端。

优选地，多条所述辅助槽缝以两条所述贴片槽缝的交叉点为中心对称分布。

一种实施例中，所述辅助槽缝为直条形，位于所述贴片槽缝末端，与所述贴片槽缝垂直并被所述贴片槽缝平分。

所述辅助槽缝可为弧形、曲线形、多边形、圆形或椭圆形。

一种实施例中，所述金属面上开设耦合槽缝，所述耦合槽缝的中部向所述贴片槽缝的交叉点在所述金属面上的投影点弯折，所述馈电网络包括微带线和功率分配器，所述微带线经所述功率分配器分成两路后，从所述贴片槽缝的交叉点在所述馈电网络上的投影点向所述馈电网络的边缘方向延伸，穿过所述耦合槽缝一定距离后终止。

所述耦合槽缝的中部向所述贴片槽缝的交叉点在所述金属面上的投影点形成弧形、V形或U形弯折。

优选地，所述馈电网络的全部或者大部分区域位于所述辐射贴片的垂直映射区域内。

本发明还保护了一种电子设备，包括以上所述的微带天线。

本发明还保护了一种ETC***的OBU，包括以上所述的微带天线。

本发明的有益效果是：本发明微带天线在辐射贴片上设置贴片槽缝以及辅助槽缝，使辐射贴片在面积缩小的情况下，通过增加电流在辐射贴片上的流动路径降低微带天线的谐振频率，从而将微带天线的工作波长控制在一定范围内。与现有技术中不带耦合槽缝的辐射贴片或者带规则的十字形贴片槽缝的双馈点缝隙耦合微带圆极化天线相比，本发明能够在满足天线基本性能要求的基础上，减小辐射贴片的面积和微带天线的体积，节省电子设备的内部空间，以满足电子设备体积小型化、结构精密化的要求。

附图说明

图1为一种现有的微带天线的立体图；

图2为一种现有的微带天线的侧视图；

图3为另一种现有的微带天线的立体图；

图4为另一种现有的微带天线的俯视图；

图5为另一种现有的微带天线的侧视图；

图6为本发明一种实施例的微带天线的立体图；

图7为本发明一种实施例的微带天线的俯视图；

图8为本发明一种实施例的微带天线的侧视图；

图9为一种现有的辐射贴片示意图；

图10为本发明一种实施例的辐射贴片示意图；

图11为一种现有的耦合槽缝和馈电网络示意图；

图12为本发明一种实施例的耦合槽缝和馈电网络示意图。

具体实施例

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的微带天线包括辐射贴片、金属面、以及对辐射贴片进行馈电的馈电网络，其中，辐射贴片上开设两条垂直交叉形成十字形的贴片槽缝，每条贴片槽缝还开设与贴片槽缝相通的辅助槽缝。与现有技术相比，本发明的辐射贴片能够在馈电网络的双馈点的馈电作用下使天线具备较宽的带宽和较高的增益，良好的圆极化性能，同时，与仅带有规则的十字形贴片槽缝的辐射贴片相比，本发明通过增加电流在辐射贴片上的流动路径，使微带天线在体积缩小的情况下，仍然能够满足工作频率的要求，因此节省微带天线所占用的空间。

实施例一：

如图6至图8所示，本实施例的微带天线包括上下设置且隔开的第一电路板31和第二电路板32，二者都采用PCB板。辐射贴片34为导电材料制成的长方形或者方形贴片，设置在第一电路板31的顶面或底面，金属面33也可为长方形或者正方形，金属面33和馈电网络39分别设置在第二电路板32的顶面和底面，介质层为第一电路板31和第二电路板32之间的空气层，当然也可采用其他介质层，采用空气层的微带天线结构相对简单、容易加工。金属面33上开设两条与贴片槽缝35的相邻两个末端的位置分别对应的耦合槽缝36，用于与辐射贴片34进行耦合，馈电网络39包括微带线37和功率分配器38，功率分配器38中带有贴片式隔离电阻，微带线37经功率分配器38分成两路后分别向两条耦合槽缝36延伸，穿过耦合槽缝36一定预设距离后终止。本实施例的微带线在工作过程中，耦合槽缝36可将两路微带线37上的信号耦合至辐射贴片34上，从而以一定的工作波长发射至外界空间。

如图9所示不带有十字形贴片槽缝的辐射贴片中，为了使电流在辐射贴片24上的流动路径达到工作波长的一半，辐射贴片24必须具有足够的边长，导致辐射贴片24面积较大。一种改进的方式中，在辐射贴片上设置贴片槽缝后，馈电网络提供的电流从辐射贴片的一端流向另一端时需要绕过贴片槽缝，因而在确保电流路径长度的基础上减小了辐射贴片的边长和面积。如图10所示的本实施例中，辐射贴片34上开设两条垂直交叉形成十字形的贴片槽缝35，馈电网络提供的两路幅度相等、相位相差90°的电流信号通过金属面上的耦合槽缝耦合至辐射贴片34上，能够使微带天线具有更好的圆极化效果，每条贴片槽缝35上还开设辅助槽缝351，例如，辅助槽缝351可位于贴片槽缝35末端，或位于贴片槽缝35的末端与中心之间，多条辅助槽缝351以两条贴片槽缝35的交叉点为中心对称分布。电流从辐射贴片34的一端流向另一端时，需要绕过贴片槽缝35和辅助槽缝351连接在一起而形成的间隙，优选地，辅助槽缝351的长度L大于贴片槽缝35的宽度W，与仅带有贴片槽缝35的辐射贴片34相比，本实施例在确保电流路径的基础上进一步减小了辐射贴片34的边长和面积，从而进一步缩小了微带天线及带有微带天线的电子设备的体积。

本实施例中，辐射贴片34上的辅助槽缝351呈直条形，设置在各贴片槽缝35的各个末端，与该贴片槽缝35垂直并被该贴片槽缝35平分。当然，也可将辅助槽缝351设置在贴片槽缝35的末端与中心之间的某一位置，考虑到电流在辐射贴片34上不同位置的分布状态具有一定的差异，经测试，将同样形状和尺寸的辅助槽缝351设置在贴片槽缝35末端时，增加电流路径的效果更加显著，天线的圆极化效果也更加优良。除直条形以外，辅助槽缝351还可设置成弧形、曲线形、多边形、圆形、椭圆形或其他个性化形状。

微带天线的尺寸主要取决于辐射贴片和馈电网络的尺寸，为了使馈电网络的尺寸与辐射贴片的尺寸相适配，如图6至图8所示，本实施例的金属面33上耦合槽缝36的中部向贴片槽缝35的交叉点在金属面33上的投影点P弯折，馈电网络39的微带线37自功率分配器38向贴片槽缝35的交叉点在馈电网络上的投影点P延伸后，再从该投影点P向馈电网络39的边缘延伸，穿过金属面33上的耦合槽缝36一定预设距离后终止，其终止位置能够保证微带线37上的信号能够有效耦合至辐射贴片34上并辐射至外部空间。

如图11所示的一种现有馈电网络中，微带线26自微带天线的边缘向内侧延伸，或者说自馈电网络29的边缘向辐射贴片的中心点在馈电网络29上的投影点P1延伸，馈电网络29的大部分都位于辐射贴片的垂直投影区域A以外，馈电网络29的面积实际上由微带线的***确定，在微带线***已经确定的情况下，馈电网络29的设计和测试过程中，难以再通过改变微带线的延伸方向和距离减小馈电网络的整体面积。

而如图12所示，本实施例的微带线37从贴片槽缝35的交叉点在馈电网络39上的投影点P向馈电网络39的边缘延伸，馈电网络39的设计和测试过程中，在馈电网络39的中心位置大体确定的情况下，便于设计人员通过改变微带线向外的延伸方向和距离减小馈电网络39的整体面积。本实施例中，为了使馈电网络39的尺寸与面积较小的辐射贴片的尺寸相适配，金属面上的耦合槽缝36必然要向贴片槽缝35的交叉点在金属面的投影点P靠拢才能与贴片槽缝35的末端的位置对应，然而，如果两条耦合槽缝36之间的间隙过小则相互之间的干扰过大，影响天线的信号收发功能，如果耦合槽缝36的长度减小，则馈电网络39难以与辐射贴片达到阻抗匹配，无法保证微带线37上的信号通过耦合槽缝36有效地耦合到辐射贴片上。鉴于此，本实施例对金属面上耦合槽缝36的形状进行优化设计，使其在不减小长度的基础上，中部向贴片槽缝35的交叉点在金属面的投影点P弯折，例如耦合槽缝36的中部可向贴片槽缝35的交叉点在金属面的投影点P形成弧形、V形、U形、曲线形或其他形状的弯折，弯折处采用垂直或者圆角过渡。例如本实施方式中，每条耦合槽缝36由多段等宽的直条形槽缝组成，以微带线37为对称轴对称设置，其两端分别垂直弯折两次后向远离中部弯折处的方向弯折延伸，该耦合槽缝36结构简单，便于加工成形，天线性能较好，适用于小型化的微带槽缝耦合天线。

本实施例的金属面上两个耦合槽缝36之间能保持足够的距离以避免产生过多相互干扰，且弯折设置的耦合槽缝36长度与图11中直条形耦合槽缝25的长度相同，确保了耦合槽缝36对于辐射贴片的耦合效果，同时，本实施例的耦合槽缝36完全位于辐射贴片下方的垂直投影区域B内，甚至通过优化微带线37的排布设计，馈电网络39的全部或者大部分区域可位于辐射贴片下方的垂直投影区域B内，不占用过多的面积，进一步缩小微带天线的体积。

当然，在某些应用场合下，本实施例的图10所示带有贴片槽缝35和附加槽缝351的辐射贴片34还可与图11所示微带线26自微带天线的边缘向内侧延伸的馈电网络39相配合，仍然能够起到减小微带天线提及的作用。

本发明的微带天线可适用于传感器，以及多种用于发射或接收信号的电子设备。

实施例二：

一种ETC***的OBU包括实施例一所述的微带天线。本实施例中如图6至图8所示，第一电路板31采用FR4板材，第二电路板板32也采用FR4板材。设计过程中，采用实施例二的设计方法，首先确定辐射贴片34的边长为，接着，通过调节辐射贴片34上贴片槽缝35和辅助槽缝35的尺寸、以及金属面上耦合槽缝36的尺寸，使微带天线能在规定的工作频段内稳定工作。具体地，本实施例中，辅助槽缝351设置在贴片槽缝35的末端，为直条形，耦合槽缝36正好位于辐射贴片34下方的垂直投影区域B内。馈电网络39中，功率分配器38的隔离电阻为贴片电阻。馈电网络39将信号分成幅度相等相位相差90°的两路后，通过两个方位上正交的耦合槽缝36与辐射贴片34进行耦合。

将该实施例的微带天线应用于一个内部空间较小的OBU中，并连同OBU外壳、电池、电容、蜂鸣器和开关等元器件，在微波暗室测试的天线性能数据为：天线带宽为5.72GHz～5.93GHz(210MHz)，在带宽范围内，方向图规整，增益大于3.40dBi，效率大于65％，正向轴比小于3dB，整个天线面积为15mm×18mm。

在采用相同材料的情况下，如果制成图1和图2所示的普通微带贴片天线，在没有外壳、电池、电容、蜂鸣器和开关等元器件影响的情况下，在微波暗室测试的天线性能数据为：天线带宽约为50MHz，增益2～3dBi，效率大于40％，正向轴比小于3dB，天线面积较小，约为本实施例微带天线面积的65％；但在外壳、电池、电容、蜂鸣器和开关等元器件的影响下，天线的方向图极易产生畸变，增益下降更低，效率也相应降低，轴比通常高于10dB，轴比对应的圆极化性能被破坏，基本不能称之为圆极化天线。

在采用相同材料的情况下，如果制成附图3至图5所示的双馈点缝隙耦合微带圆极化天线，在微波暗室测试的天线性能数据为：天线带宽达到约300MHz，增益在带宽范围内大于4dBi，但其辐射贴片的面积约为本实施例辐射贴片面积的两倍，加上馈电网络的排布，整个微带天线的面积约为本实施例中微带天线面积的三倍。

考虑到ETC本身工作所需的带宽在5.8GHz频段50MHz范围内，本实施例中天线210MHz的带宽已经完全能够满足工作需求，与双馈点缝隙耦合微带圆极化天线相比，本实施例下降的约1dBi增益容易在OBU的接收电路里做补偿，对OBU的整机性能不构成太大影响，然而本实施方式微带天线能够在很大程度上节省OBU内部空间。测试结果表明，本实施例中的天线应用在内部空间有限且天线周边环境较复杂的OBU设备里，同样能保持良好的天线性能。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种微带天线，包括辐射贴片、金属面以及对所述辐射贴片馈电的馈电网络，其特征在于，所述辐射贴片上开设两条垂直交叉形成十字形的贴片槽缝，每条所述贴片槽缝还开设与所述贴片槽缝相通的辅助槽缝。

2.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辅助槽缝的长度大于所述贴片槽缝的宽度。

3.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辅助槽缝位于所述贴片槽缝的末端。

4.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，多条所述辅助槽缝以两条所述贴片槽缝的交叉点为中心对称分布。

5.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辅助槽缝为直条形，位于所述贴片槽缝末端，与所述贴片槽缝垂直并被所述贴片槽缝平分。

6.如权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辅助槽缝为弧形、曲线形、多边形、圆形或椭圆形。

7.如权利要求1至6中任一项所述的微带天线，其特征在于，所述金属面上开设耦合槽缝，所述耦合槽缝的中部向所述贴片槽缝的交叉点在所述金属面上的投影点弯折，所述馈电网络包括微带线和功率分配器，所述微带线经所述功率分配器分成两路后，从所述贴片槽缝的交叉点在所述馈电网络上的投影点向所述馈电网络的边缘方向延伸，穿过所述耦合槽缝预设距离后终止。

8.如权利要求7所述的微带天线，其特征在于，所述耦合槽缝的中部向所述贴片槽缝的交叉点在所述金属面上的投影点形成弧形、V形或U形弯折。

9.如权利要求7所述的微带天线，其特征在于，所述馈电网络的全部或者大部分区域位于所述辐射贴片的垂直映射区域内。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的微带天线。

11.一种电子不停车收费***的车载单元，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的微带天线。