CN105305061B - 单极子天线、车辆及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单极子天线、车辆及调整方法。该单极子天线包括：支撑体；布置在所述支撑体上的辐射阵列，其中，该辐射阵列包括作为辐射体的第一导体、第二导体、第三导体和第四导体，其中第一导体、第二导体、第三导体和第四导体按顺时针或逆时针依次排列成一圈以及第一导体与第三导体在对角方向上相对；以及其中，第一导体用于馈入信号，以及第二导体、第三导体和第四导体用于连接到地。使用具有根据本发明的结构的单极子天线，能够更容易地调整天线的特性。

Description

单极子天线、车辆及调整方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种单极子天线、车辆及用于调整单极子天线的方法。

背景技术

随着生活水平的不断提高，人们对无线通信的需求日益增长。汽车作为一个移动的载体，除了提供舒适性、安全性以及私密性等必要条件之外，人们对其便利性以及智能性也有了更进一步的要求。

在新一轮的汽车革命中，车联网的概念已经广泛为人们所知。为了满足市场需求，各个厂商已经将车载电视、电话会议、无线遥控等功能全部集成到车载***中。人和机器可以互动，从而使得汽车智能化程度更高。实现这个功能的前提是提供全频段的收发装置以及性能良好的天线***。

然而，现有的车载天线还具有许多不同的问题。例如，在现有的车载天线中，所集成的频段很少。现有的车载天线在设计时调整比较困难。此外，现有的车载天线很难覆盖整个移动通信频段(690MHz至960MHz，1430MHz至1520MHz，1710MHz至2690MHz)或者需要非常高的成本来覆盖这些频段。现有的车载天线性能不稳固。现有的车载天线容易受到车载***中数据传输线和/或电源线和/或车顶的干扰。现有的车载天线结构复杂。现有的车载天线可实现性低。现有的车载天线造价昂贵、易损坏。

此外，目前，技术人员在设计天线时，往往通过不断试验的方式来找到较佳的天线图案。如果能够提供一种新的天线形式，使得设计人员能够具有较多方式来调整天线的图案，这将极大地简化设计工作，或者能够使得设计人员有更多的手段来调整天线的性能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种关于单极子天线的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种单极子天线，包括：支撑体；

布置在所述支撑体上的辐射阵列，其中，该辐射阵列包括作为辐射体的第一导体、第二导体、第三导体和第四导体，其中第一导体、第二导体、第三导体和第四导体按顺时针或逆时针依次排列成一圈以及第一导体与第三导体在对角方向上相对；以及其中，第一导体用于馈入信号，以及第二导体、第三导体和第四导体用于连接到地。

优选地，第一导体、第三导体和第四导体是枝节形状的，以及第二导体是阶梯形状的。

优选地，第一导体包括枝节形状的第一部分和枝节形状的第二部分，其中，第一部分的枝节开口与第二部分的枝节开口相对，第一部分和第二部分在底部相连，第一部分和第二部分的顶部与第二导体相邻，以及第一部分邻近第四导体。

优选地，第一部分和第二部分的枝节形状是E形，以及第一部分的E形的开口与第二部分的E形的开口相对；第一部分的底部用于馈入信号。

优选地，第三导体的枝节形状的开口背向第二导体，以及第四导体的枝节形状的开口朝向第三导体或背向第一导体；第三导体的枝节形状分别是F形或E形，以及第四导体的枝节形状分别是F形或E形。

优选地，第二导体从窄到宽依次包括前端、中部和末端，以及前端邻近第三导体。

优选地，第二导体还包括竖直结构，以及该竖直结构位于中部和末端背向第一导体的一侧的侧面。

优选地，所述单极子天线还包括印刷电路板，所述印刷电路板包括净空区，第一导体的外边缘与净空区的边缘相对应。

根据本发明的第二方面，提供了一种车辆，包括车顶、根据本发明的单极子天线和连接柱，其中，印刷电路板通过连接柱与车顶相连，印刷电路板的地与车顶导通。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于调整单极子天线的方法，其中，所述单极子天线包括辐射阵列，辐射阵列包括作为辐射体的第一导体、第二导体、第三导体和第四导体，第一导体、第二导体、第三导体和第四导体按顺时针或逆时针依次排列成一圈以及第一导体与第三导体在对角方向上相对，第一导体用于馈入信号，第二导体、第三导体和第四导体用于连接到地，第一导体、第三导体和第四导体是枝节形的，第二导体是阶梯形的，第二导体从窄到宽依次包括前端、中部和末端，前端邻近第三导体，第一导体包括枝节形状的第一部分和枝节形状的第二部分，第一部分的枝节开口与第二部分的枝节开口相对，第一部分和第二部分在底部相连，第一部分和第二部分的顶部与第二导体相邻，以及第一部分邻近第四导体，所述方法包括：通过执行如下步骤中的至少一个来调整单极子天线的特性，即，延伸第二导体的长度以调整天线的谐振频率向690MHz移动；展宽第二导体的末端以消除由数据传输线引入的杂波影响；在第二导体的中部和末端的侧面加载竖直结构以消除由数据传输线引入的杂波影响；更改第二导体的中部宽度以改变与第一导体的缝隙大小，从而微调1430MHz至1520MHz的带宽特性；延长第三导体的长度以使得1430MHz至1520MHz范围内的谐振波向较低处偏移；将第三导体的枝节形状的弯折位置向第二导体靠时，以调整2300MHz至2690MHz处的谐振特性；加宽第三导体的底部部分，以降低由电源线引入的杂波影响；改变第四导体的长度和枝节形状的枝节个数中的至少一个，以改变在2300MHz至2690MHz范围内形成的谐波。

本发明的发明人发现，在现有技术中，没有本发明所公开的具有四个导体作为辐射体的单极子天线。使用具有根据本发明的结构的单极子天线，能够更容易地调整天线的特性。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明的一个实施例的单极子天线的俯视图。

图2是根据本发明的一个实施例的单极子天线的立体图。

图3是根据本发明的一个实施例的具有印刷电路板的单极子天线的俯视图。

图4是将根据本发明的一个例子的单极子天线安装到模拟用的车顶上的俯视图。

图5是将根据本发明的一个例子的单极子天线安装到模拟用的车顶上的侧视图。

图6是图4和图5所示的例子中的单极子的天线回波损耗测试的曲线图。

图7是图4和图5所示的例子中的单极子的天线效率测试的曲线图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，单极子天线包括：支撑体310和布置在所述支撑体310上的辐射阵列300。

该辐射阵列300包括作为辐射体的第一导体301、第二导体302、第三导体303和第四导体304。第一导体301、第二导体302、第三导体303和第四导体304按逆时针依次排列成一圈，其中，第一导体301与第三导体303在对角方向上相对。本领以技术人员应当理解，尽管在图1中，第一导体301、第二导体302、第三导体303和第四导体304按逆时针依次排列，但是，它们也可以按顺时针依次排列。

第一导体301用于馈入信号S。第二导体302、第三导体303和第四导体304用于连接到地G。

本领域技术人员应当理解，尽管在这里仅仅示出了四个导体，但是，根据需要，还可以增加其他导体，作为补片。

在图1里，支撑体310是塑料板，例如，ABS、PC或FR-4板等。只要支撑体能够支撑辐射阵列中的各个导体，以保持相对位置，本领域技术人员可以根据需要采用的不同材料和/或不同形式的支撑体。

在根据本发明的单极子天线中，辐射阵列300包括四个导体。对于技术人员来说，在设计天线时，可以调整四个导体的形状和/或导体之间的耦合关系。这给设计人员提供了更多的设计灵活性。此外，这种形式的单极子天线容易实现覆盖较多的通信频段。

如图1所示，在一个例子中，第一导体301、第三导体303和第四导体304是枝节形状的，以及第二导体302是阶梯形的。采用这种枝节形状的辐射体，更有利于导体之间的耦合。

如图1所示，例如，第一导体301包括枝节形状的第一部分301a和枝节形状的第二部分301b。第一部分的枝节开口301a与第二部分的枝节开口301b相对。第一部分301a和第二部分301b在底部相连。第一部分301a和第二部分301b的顶部与第二导体相邻，以及第一部分301a邻近第四导体304。

在图1中，作为示例，第一部分301a和第二部分301b的枝节形状是E形，以及第一部分的E形的开口与第二部分的E形的开口相对。例如，第一部分301a的底部用于馈入信号S。

在图1中，第三导体303的枝节形状的开口背向第二导体。第四导体304的枝节形状的开口朝向第三导体。但是，本领域技术人员应当理解，第四导体304的枝节形状的开口也可以背向第一导体。在图1中，第三导体303的枝节形状是F形，以及第四导体304的枝节形状是F形。但是，本领域技术人员应当理解，它们也可以是E形或者具有更多分枝的枝节形状。

在图1中，第二导体302从窄到宽依次包括前端302a、中部302b和末端302c。前端302a邻近第三导体303。

如图2所示，第二导体302还可以包括竖直结构302d。该竖直结构302d位于中部和末端背向第一导体301的一侧的侧面。通过该竖直结构，可以有效消除由数据传输线引入的杂波影响。

使用根据本发明的天线结构，可以相对容易地调整天线特性。例如，改变第一导体301的第一部分301a的结构，可影响与导体302、303、304的耦合关系，由此影响辐射端的电流分布，从而影响整个天线的带宽特性。

在图1和图2中，改变第二导体302的尺寸可调谐690MHz至960MHz范围内的带宽特性。

例如，延伸第二导体302的长度可以调整天线的谐振频率向690MHz移动。展宽第二导体302的末端302c的宽度和/或添加竖直结构302d，可以通过更大的面积来改变接地端的阻抗特性，从而有效消除数据传输线引入的杂波影响。在某些情况下，这可以将低频效率提高5％-8％。例如，改变第二道题302的中部302b的宽度可以改变与第一导体301的缝隙大小，从而改变与第一导体301的第二部分301b的耦合关系。这可以微调1430MHz至1520MHz的带宽特性。

例如，改变第三导体303长度以及枝节形状的弯折位置，可以有效调谐天线的带宽特性。例如，延长第三导体303的长度可以使得1430MHz至1520MHz范围内的谐振波向较低处偏移。将第三导体303的枝节形状的弯折位置向第二导体302靠，可以调整2300MHz至2690MHz处的谐振特性。当将第三导体的枝节形状的弯折位置向第二导体靠近时，在1430MHz至1520MHz范围内的谐振特性变化不明显，但是在2300MHz至2690MHz处的谐振特性变化明显。因此，可以通过调整第三导体的枝节形状的弯折位置来调整2300MHz至2690MHz处的谐振特性。加宽第三导体的底部部分(例如图1中303a所指示的部分)，可以降低由电源线引入的杂波影响。

如图3所示，单极子天线还可以包括PCB板100。例如，通过所述支撑体310，所述辐射阵列300与所述PCB板100的距离是1-6mm。由于单极子天线对于高度较敏感，因此，在本发明中适当设置辐射阵列和PCB的距离，从而使得单极子天线具有更好的辐射能力。

如图3所示，PCB板100还包括净空区101。辐射阵列300位于净空区101的上方。例如，可以使得第一导体301的外边缘(例如第二部分301b的下方拐角的两个边缘)与净空区的边缘相对应，从而能够提供更为有效的增益耦合，优化辐射特性，有效地改变整个带宽特性。

在图3中还示出了数据传输线201和电源线202，用于给天线提供信号，或用于将接收的信号传递给处理设备。

辐射阵列300中所馈入的信号S通过第一导体301辐射到自由空间中。第二导体302、第三导体303和第四导体304的G分别连接到PCB板100的地，并通过耦合从第一导体301处获得能量。优选地，第二导体302、第三导体303和第四导体304以耦合的枝节的形式参与到天线辐射中。由于PCB板的地与辐射阵列的第二导体302、第三导体303和第四导体304相连，并且与数据传输线201和电源线202也具有导通关系，因此，这三者也有电流分布，也能在一定程度上参与高频和/或低频的辐射，从而影响整个天线的特性。

可以将上述单极子天线安装在车辆的车顶上。图4和图5示出了模拟用的车顶000。图4是将单极子天线安装到模拟用的车顶上的俯视图，图5是将单极子天线安装到模拟用的车顶上的侧视图。在图4和5中，单极子天线通过连接柱400与车顶相连。例如连接柱的连接位置设置在单极子天线的PCB板100上。单极子天线与车顶距离可以被设置为5-20mm。在该天线***中，车顶000通过连接柱400与PCB板100连接，使得PCB板的地与车顶导通，并且适当设置两者之间的距离。这样可以改变PCB板的地的电流分布，从而影响高频带宽特性。这在某些情况下可以使得高频效率平均下降3个百分点。

数据传输线201和电源线202从PCB板300引出，一直延伸到车顶000的两侧，在中央处汇聚并垂直放置，其中数据传输线201和电源线202相距车顶的正面和背面均为5mm，用泡棉隔离；天线模块300放置于PCB板100上方，两者相距3mm，其中天线模块的地302，303,304与PCB板的地导通。

例如，改变第四导体304的长度和枝节形状的枝节个数中的至少一个，利用第一导体301在高频处辐射的能量，可改变在2300MHz至2690MHz范围内形成的谐波。此外，这可以可有效消除连接柱400带来的影响。

发明人采用图4、5所示的包括模拟用的车顶的例子进行测试，以检验本发明的效果。在该例子中，天线的结构如图1-3所示。在该例子中，模拟车顶是直径1m、厚度5mm的铝板。数据传输线201和电源线202分别为1200mm的电缆线。PCB板的尺寸是150mm*90mm*1mm。PCB板中的天线净空区的尺寸为60mm*20mm。辐射阵列300被设置PCB板形式的支撑体310上。支撑体310(辐射阵列300)的尺寸为100*20mm。如图5所示，数据传输线201和电源线202从PCB板两侧，一直延伸到车顶两侧，然后在模拟用的车顶000的中央处汇聚并垂直放置。数据传输线201和电源线202距车顶的正面和反面的距离均为5mm。它们之间用泡棉隔离。支撑体310(辐射阵列300)被放置于PCB板100的上方，两者相距3mm。辐射阵列的导体302、303、304与PCB板的地导通。

如图6所示，所测试的天线在暗室测试回波损耗。在整个移动通信频段(690MHz至960MHz，1430MHz至1520MHz，1710MHz至2690MHz)，该天线的回波损耗特性S11<-6.5dB。

如图7所示，对于所测试的天线，在699MHz至960MHz的范围，平均效率达到54％，最低效率为40％；在1430MHz到2690MHz的范围，平均效率达到64％，最低效率48％。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种单极子天线，包括：

支撑体；

布置在所述支撑体上的辐射阵列，

其中，该辐射阵列包括作为辐射体的第一导体、第二导体、第三导体和第四导体，其中第一导体、第二导体、第三导体和第四导体按顺时针或逆时针依次排列成一圈以及第一导体与第三导体在对角方向上相对；以及

其中，第一导体用于馈入信号，以及第二导体、第三导体和第四导体用于连接到地；

其中，第一导体、第三导体和第四导体是枝节形状的，以及第二导体是阶梯形状的；

其中，第一导体包括枝节形状的第一部分和枝节形状的第二部分，其中，第一部分的枝节开口与第二部分的枝节开口相对，第一部分和第二部分在底部相连，第一部分和第二部分的顶部与第二导体相邻，以及第一部分邻近第四导体；

其中，第一部分和第二部分的枝节形状是E形，以及第一部分的E形的开口与第二部分的E形的开口相对；第一部分的底部用于馈入信号。

2.根据权利要求1所述的单极子天线，其中，第三导体的枝节形状的开口背向第二导体，以及第四导体的枝节形状的开口朝向第三导体或背向第一导体；

第三导体的枝节形状分别是F形或E形，以及第四导体的枝节形状分别是F形或E形。

3.根据权利要求1所述的单极子天线，其中，第二导体从窄到宽依次包括前端、中部和末端，以及前端邻近第三导体。

4.根据权利要求3所述的单极子天线，其中，第二导体还包括竖直结构，以及该竖直结构位于中部和末端背向第一导体的一侧的侧面。

5.根据权利要求1所述的单极子天线，还包括印刷电路板，所述印刷电路板包括净空区，第一导体的外边缘与净空区的边缘相对应。

6.一种车辆，包括车顶、根据权利要求5所述的单极子天线和连接柱，其中，印刷电路板通过连接柱与车顶相连，印刷电路板的地与车顶导通。

7.一种用于调整单极子天线的方法，其中，所述单极子天线包括辐射阵列，辐射阵列包括作为辐射体的第一导体、第二导体、第三导体和第四导体，第一导体、第二导体、第三导体和第四导体按顺时针或逆时针依次排列成一圈以及第一导体与第三导体在对角方向上相对，第一导体用于馈入信号，第二导体、第三导体和第四导体用于连接到地，第一导体、第三导体和第四导体是枝节形的，第二导体是阶梯形的，第二导体从窄到宽依次包括前端、中部和末端，前端邻近第三导体，第一导体包括枝节形状的第一部分和枝节形状的第二部分，第一部分的枝节开口与第二部分的枝节开口相对，第一部分和第二部分在底部相连，第一部分和第二部分的顶部与第二导体相邻，以及第一部分邻近第四导体，所述方法包括：

通过执行如下步骤中的至少一个来调整单极子天线的特性，即，延伸第二导体的长度以调整天线的谐振频率向690MHz移动；展宽第二导体的末端以消除由数据传输线引入的杂波影响；在第二导体的中部和末端的侧面加载竖直结构以消除由数据传输线引入的杂波影响；更改第二导体的中部宽度以改变与第一导体的缝隙大小，从而微调1430MHz至1520MHz的带宽特性；延长第三导体的长度以使得1430MHz至1520MHz范围内的谐振波向较低处偏移；将第三导体的枝节形状的弯折位置向第二导体靠近，以调整2300MHz至2690MHz处的谐振特性；加宽第三导体的底部部分，以降低由电源线引入的杂波影响；改变第四导体的长度和枝节形状的枝节个数中的至少一个，以改变在2300MHz至2690MHz范围内形成的谐波。