CN104701604A - 一种适用于车辆移动通信的宽带倒f天线 - Google Patents

一种适用于车辆移动通信的宽带倒f天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，包括单极子辐射体和金属底板，其特征在于，所述单极子辐射体由一矩形金属片经边缘轮廓赋形加厚得到的，沿矩形辐射体边缘轮廓的不同位置向内开多个凹槽，单极子辐射体立于金属底板上，长边沿水平方向放置，从单极子辐射体的左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至金属底板。本发明的天线工作于高低两个频段，低频段为698MHz-960MHz(VSWR≤2.15，带宽为31.60%)，高频段为1260MHz-6500MHz(VSWR≤2.17，带宽为135.05%)，覆盖了三大运营商2G/3G/4G的所有移动通信频段，具有频段极宽、方向性好、效率高、尺寸小、低剖面、易加工等优点，是适合高铁移动通信的优选天线类型，有利于减小列车在高速行驶时所受的空气阻力。

Description

一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线
技术领域
本发明涉及通信天线设备技术领域，更具体的是涉及一种适用于车辆蜂窝移动通信的天线。
背景技术
目前，移动通信技术日益成为信息时代人们获取资讯不可或缺的途径，而实现“任何人、在任何时候、任何地方、以任意方式获取信息”的梦想已因此逐渐变为现实。随着经济不断发展，人们的出行活动日益频繁，在交通工具上度过的时间也越来越多。自然地，人们在乘坐汽车和高铁等交通工具时，希望能享受到如同在市区和家中一样的高质量无线通信服务。当前，高速公路和高速铁路多采用沿线建设专用的移动基站以实现全线路的无缝覆盖。由于车辆运行速度很快，如高铁时速达到350km/h，造成越区切换频繁，多普勒效应显著，使得通信链路健壮性大大下降。另外，由于车体结构强度大，导致电波穿透损耗增大，车内信号电平下降。有鉴于此，采用车内直放站便可很好地克服上述困难。然而，天线仍需要安装于车体表面如车头顶部，这样便会导致列车高速行驶时产生较大风阻。综上所述，高性能、宽频带、低剖面、小型化、轻重量、低成本的车载天线成为高速车辆无线通信技术的关键。
发明内容
本发明的目的就是旨在为高速车辆尤其是高铁列车移动通信提供一种高性能、低剖面、小型化、轻重量、结构简单、成本低廉的宽带天线解决方案。
本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，包括单极子辐射体和金属底板，其特征在于，所述单极子辐射体由一块矩形金属片经边缘轮廓赋形加厚得到的，沿矩形辐射体边缘轮廓的不同位置向内开多个凹槽，单极子辐射体立于金属底板上，长边沿水平方向放置，从单极子辐射体的左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至金属底板。
作为上述方案的进一步说明，所述单极子辐射体的长边L沿水平方向(X轴)、宽边W沿竖直方向(Z轴)放置于一个长轴为a(X轴),短轴为b(Y轴)的椭圆形金属底板上方，单极子辐射体的底边距底板高度为h，从左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至底板；然后，通过将单极子辐射体设置为具有一定厚度t的金属块状以进一步增大宽带和实现阻抗匹配，再用50Ω标准同轴线穿过底板从左侧下端点进行馈电，50Ω标准同轴线的内导体连接下端点，外导体连接底板，为了降低天线剖面高度和整体尺寸，对矩形单极子辐射体的边缘进行几何赋形以增大电流路径长度；另外，单极子辐射体的侧面挖槽形成凹位，单极子辐射体的边缘轮廓连接凹位并形成凸缘，以切薄金属块的方式以减轻天线整体重量和节省材料。
为了电气连接可靠和方便，50Ω同轴线并不直接连接馈电点，而是通过带法兰盘的同轴连接器，如N-M、SMA-M连接头与天线连接。
所述单极子辐射体边缘内部均匀挖槽，是在距边缘为S至中心区域切削，其深度D不能太浅亦不宜过深，需综合带宽、匹配、节省材料和加工难度几方面因素全面考虑。
所述单极子辐射体边缘赋形，是指将其四条长方形直边进行几何弯折、圆弧化处理或用样条曲线取代，根据工作频带和尺寸缩减要求来确定整个轮廓形状的边缘线样式。
所述单极子辐射体边缘赋形轮廓，是从左端的馈电点出发，向上依次延伸为外边缘第一个凹槽、外边缘第二个凹槽，外边缘第二个凹槽的末端向上延伸弯折连接有第一水平段，水平段的末端向下弯折延伸有外边缘第三个凹槽，外边缘第三个凹槽的末端向上延伸弯折，并连接有第二水平段，第二水平段的末端向下弯折为阶梯状边缘，阶梯状边缘的底部穿过右端短路点，向馈电点方向延伸并形成连接于馈电点和短路点之间的内边缘第一个凹槽。
所述辐射体内外边缘所有边角均进行倒圆角处理。
所述单极子辐射体和椭圆形底板所用材料均为导电性较强的金属材料，包括银、纯铜、金、合金铜、纯铝和压铸铝。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
1、本发明采取将长方形单极子辐射体长边沿水平方向放置以降低剖面高度；馈电点和短路点选取矩形片上两个相距最大的位置点,使得低频电流有足够长的路径；矩形单极子辐射体边缘四周不同位置向内开多个凹槽，以及对直边进行几何弯折，以进一步增大电流路径、减小天线尺寸；这些内开的凹槽不仅起延长电流路径的作用，内开凹槽的形状、位置、大小不仅决定起电流路径的长短，还影响带隙宽度和失配程度，同时也决定通带宽度和匹配好坏。
2、单极子辐射体通过变成具有一定厚度的金属块，再结合末端短路到地板，从而实现宽频范围内的良好阻抗匹配。
3、从矩形辐射体边缘附近位置往中心部分切削出深度均匀的凹槽，以减轻天线整体重量和节省材料。
4、辐射体内外边缘所有边角均进行倒圆角处理，以方便加工制造。
5、宽带倒F天线输入阻抗接近50Ω，但并非用标准同轴线直接馈电，而是通过带法兰盘的同轴连接器，如N-M、SMA-M连接器与天线连接，使得天馈电气连接更加可靠和方便。
6、宽带倒F天线具有宽频带、方向性好、效率高、低剖面、小型化、轻重量、低成本的优势，尤其适合高速列车移动通信，但其应用领域不限于此。
附图说明
图1为宽带倒F天线正视图；
图2为宽带倒F天线俯视图；
图3为宽带倒F天线侧视图；
图4为宽带倒F天线地板及馈点位置；
图5为宽带倒F天线反射系数|S11|；
图6为宽带倒F天线f1＝698MHz的实增益方向图(实线-Phi＝0°，XOZ平面；虚线-Theta＝90°，XOY平面),G＝3.31dBi；
图7为宽带倒F天线f2＝1710MHz的实增益方向图(实线-Phi＝0°，XOZ平面；虚线-Theta＝90°，XOY平面),G＝4.22dBi；
图8为宽带倒F天线f1＝6000MHz的实增益方向图(实线-Phi＝0°，XOZ平面；虚线-Theta＝90°，XOY平面),G＝6.10dBi；
图9为宽带倒F天线效率η与频率f关系曲线。
附图标记说明：1、单极子辐射体；1-1、外边缘第一个凹槽；1-2、外边缘第二个凹槽；1-3、外边缘第三个凹槽；1-4、右端短路点；1-5、内边缘第一个凹槽；1-6、左端馈电点；1-7、同轴连接器；1-8、倒圆角；1-9、第一水平段；1-10、第二水平段；1-11、阶梯状边缘；2、金属底板；3、凹位。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
本发明是一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，包括单极子辐射体1和金属底板2，单极子辐射体由一块矩形金属片经边缘轮廓赋形加厚得到的，沿矩形辐射体边缘轮廓的不同位置向内开多个凹槽，单极子辐射体1立于金属底板2上，长边沿水平方向放置，从单极子辐射体的左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至金属底板。所述单极子辐射体边缘赋形，是指将其四条长方形直边进行几何弯折、圆弧化处理或用样条曲线取代，根据工作频带和尺寸缩减要求来确定整个轮廓形状的边缘线样式。
所述单极子辐射体1的长边L沿水平方向(X轴)、宽边W沿竖直方向(Z轴)放置于一个长轴为a(X轴),短轴为b(Y轴)的椭圆形金属底板上方，单极子辐射体的底边距底板高度为h，从左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至底板；然后，通过将单极子辐射体设置为具有一定厚度t的金属块状以进一步增大宽带和实现阻抗匹配，再用50Ω标准同轴线穿过底板从左侧下端点进行馈电，50Ω标准同轴线的内导体连接下端点，外导体连接底板，为了降低天线剖面高度和整体尺寸，对矩形单极子辐射体的边缘进行几何赋形以增大电流路径长度；另外，单极子辐射体的侧面挖槽形成凹位3，单极子辐射体的边缘轮廓连接凹位3并形成凸缘，以切薄金属块的方式以减轻天线整体重量和节省材料。
单极子辐射体1边缘赋形轮廓，是从左端的馈电点1-6出发，向上依次延伸为外边缘第一个凹槽1-1、外边缘第二个凹槽1-2，外边缘第二个凹槽的末端向上延伸弯折连接有第一水平段1-9，第一水平段的末端向下弯折延伸有外边缘第三个凹槽1-3，外边缘第三个凹槽的末端向上延伸弯折，并连接有第二水平段1-10，第二水平段的末端向下弯折为阶梯状边缘1-11，阶梯状边缘的底部穿过右端短路点1-4，向馈电点方向延伸并形成连接于馈电点和短路点之间的内边缘第一个凹槽1-5。辐射体内外边缘所有边角均进行倒圆角1-8处理。单极子辐射体和椭圆形底板所用材料均为导电性较强的金属材料，包括银、纯铜、金、合金铜、纯铝和压铸铝。综合考虑导电能力和加工难易、成本，这里选用材料为纯铝或压铸铝。
为了电气连接可靠和方便，50Ω同轴线并不直接连接馈电点，而是通过带法兰盘的同轴连接器1-7，如N-M、SMA-M连接头与天线连接。
所述单极子辐射体边缘内部均匀挖槽，是在距边缘为S至中心区域切削，其深度D不能太浅亦不宜过深，需综合带宽、匹配、节省材料和加工难度几方面因素全面考虑。
由图5可知，倒F天线具有双频段宽带特性，低频段为698MHz-960MHz(VSWR≤2.15，带宽为31.60％)，高频段为1260MHz-6500MHz(VSWR≤2.17，带宽为135.05％)，覆盖了三大运营商2G/3G/4G的所有移动通信频段，包括GSM 900/1800、DCS、PCS、UMTS、WLAN、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-LTE、FD-LTE。另外由图6-图9可知，倒F天线在低频、中频和高频时都具有良好的水平全向辐射特性，整个带内实增益为2.3dBi-6dBi，效率高于85％。据此知，该天线适合用于各种移动通信频段宽带覆盖天线，尤其是低剖面高度，有利于减小列车在高速行驶时所受的空气阻力。
本发明与现有技术相比，本发明采取了以下技术措施：1、将长方形单极子长边沿水平方向放置以降低剖面高度；2、馈电点和短路点选取矩形片上两个相距最大的位置点，如图1所示，使得低频电流有足够长的路径；3、矩形辐射片边缘四周不同位置向内开多个凹槽，以及对直边进行几何弯折，以进一步增大电流路径、减小天线尺寸。需要说明的是，这些内开的凹槽不仅起延长电流路径的作用，还因为其结构缺陷而在原来的宽带特性上产生频带间隙。而且，带隙的宽度、失配程度都与凹槽的形状、位置、大小有密切关系。另外，为了实现与标准50Ω阻抗匹配，将矩形片变成具有一定厚度的金属块，再结合末端短路到地板，便能实现很宽频带内的良好阻抗匹配。最后，为减轻天线整体重量和节省材料，从单极子边缘附近位置往中心部分切削出深度均匀的凹槽，其深度D的选取是综合考虑带宽、匹配、节省材料和加工难度等多方面因素的结果。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，包括单极子辐射体和金属底板，其特征在于，所述单极子辐射体由一矩形金属片经边缘轮廓赋形加厚得到的，沿矩形辐射体边缘轮廓的不同位置向内开多个凹槽，单极子辐射体立于金属底板上，长边沿水平方向放置，从单极子辐射体的左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至金属底板。
2.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述单极子辐射体的长边L沿水平方向、宽边W沿竖直方向放置于一个长轴为a,短轴为b的椭圆形金属底板上方，单极子辐射体的底边距底板一定高度，从左侧下端点与底板之间的间隙进行馈电，右侧下端点短路至底板。
3.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述单极子辐射体设置为具有一定厚度t的金属块状，用50Ω标准同轴线穿过底板从左侧下端点进行馈电，50Ω标准同轴线的内导体连接下端点，外导体连接底板。
4.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述单极子辐射体的侧面挖槽形成凹位，单极子辐射体的边缘轮廓连接凹位并形成凸缘。
5.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，50Ω同轴线是通过带法兰盘的同轴连接器与单极子辐射体连接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述单极子辐射体的边缘赋形，是将其四条直边分别进行几何弯折、圆弧化处理或用样条曲线取代。
7.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述单极子辐射体边缘赋形轮廓，是从左端的馈电点出发，向上依次延伸为外边缘第一个凹槽、外边缘第二个凹槽，外边缘第二个凹槽的末端向上延伸弯折连接有第一水平段，水平段的末端向下弯折延伸有外边缘第三个凹槽，外边缘第三个凹槽的末端向上延伸弯折，并连接有第二水平段，第二水平段的末端向下弯折为阶梯状边缘，阶梯状边缘的底部穿过右端短路点，向馈电点方向延伸并形成连接于馈电点和短路点之间的内边缘第一个凹槽。
8.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述辐射体内外边缘所有边角均进行倒圆角处理。
9.根据权利要求1所述的一种适用于车辆移动通信的宽带倒F天线，其特征在于，所述单极子辐射体和金属底板所用材料均为银、纯铜、金、合金铜、纯铝和压铸铝中的一种。
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Application publication date: 20150610

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