CN108539385B - 基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线 - Google Patents

基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，包括第一天线、第二天线和第三天线，第一天线包括垂直极化低频振子，第二天线采用垂直极化高频振子，第三天线为覆盖高低频的水平极化天线，垂直极化的第一天线、第二天线与水平极化的第三天线组成双频双极化天线；第一天线上设有用于实现对其高次谐波在宽频带范围内进行抑制的滤波馈电结构。滤波馈电结构可实现对第一天线1.7‑2.7GHz的高次谐波抑制，无需引入额外滤波电路，避免了传统的滤波器级联法引入的***损耗。采用垂直极化的第一、第二天线与水平极化的第三天线组成双频双极化天线，互相补充，实现信号的全面覆盖。

Description

基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域的天线研究领域，具体涉及一种基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线。
背景技术
在现代社会，移动通信作为物联网、移动互联网等信息科技产业的重要基础，与我们的日常生活息息相关。随着移动通信的发展，移动通信制式与通信频段的数量日益增加。天线作为移动通信***收发信息的终端，其性能的好坏很大程度上会影响整个通信***设备的工作。但在实际应用中，由于通信设备留给天线的空间十分有限，需要将不同频段的天线进行集成。在有限的空间里面，不同频天线会产生强烈的异频耦合，例如低频天线的高次谐波对高频天线的干扰，将严重影响天线甚至后续整个通信***的性能。
目前实现异频去耦的一种方案是采用一滤波振子，从而可以避免引入额外的去耦结构，降低天线整体体积，确保天线辐射性能不受影响。传统滤波振子的主要设计方法是滤波器级联法，即将滤波器与天线的辐射体级联，对干扰的杂波进行滤除。然而这种方法一方面增大了天线体积和复杂度，另一方面引入了较大的***损耗。因此，在不增加天线整体尺寸，又不引入***损耗的同时，实现滤波振子，并用于不同频段多天线的异频去耦具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，该天线无需引入额外去耦结构，避免带来***损耗，同时可有效地缩小天线整体体积，可以实现高异频隔离，同时还能实现对高低频信号的全面覆盖。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，包括第一天线、第二天线和第三天线，第一天线包括垂直极化低频振子，第二天线采用垂直极化高频振子，第三天线为覆盖高低频的水平极化天线，垂直极化的第一天线、第二天线与水平极化的第三天线组成双频双极化天线；第一天线上设有用于实现对其高次谐波在宽频带范围内进行抑制的滤波馈电结构。本发明中，第一天线上设置滤波馈电结构，无需额外的滤波电路，可避免引入***损耗，给第一天线和第二天线的集成带来了高异频隔离度与小型化性能。垂直极化的第一天线、第二天线与水平极化的第三天线组成双频双极化天线，可实现对高低频信号在空间的全面覆盖。
优选的，所述滤波馈电网络采用加载在馈电线两端的开路枝节线和蚀刻在馈电线表面的四分之一波长开路槽线构成，印刷在第二介质基板底部，实现对第一天线1.7-2.7GHz的高次谐波抑制。
更进一步的，所述开路槽线为两条，长度不同，开路枝节线滤除1.8GHz左右的高次谐波，两条不同长度的开路槽线滤除2.1-2.7GHz频段范围的高次谐波。从而实现对第一天线的高次谐波在宽频带范围内的抑制。相较于传统滤波器与天线级联的滤波方案，采用滤波馈电网络无需引入额外滤波电路，有效地缩小***体积、避免了***损耗。
优选的，所述第一天线中垂直极化低频振子为“缺陷椭球”型垂直极化低频振子，印刷在第一介质基板上，高度为第一天线中心工作频率的六分之一波长。具有高次谐波抑制功能，可以在不增加额外滤波电路的情况下，实现第一天线与其它天线之间的异频去耦。
优选的，所述第二天线中垂直极化高频振子为宽带的“二叉”型垂直极化高频振子，印刷在第三介质基板上。
更进一步的，所述第一天线工作频段为825-960MHz，所述第二天线工作频段为1710-2690MHz。在完成不同天线异频去耦的同时，实现对高低频的垂直极化的覆盖。
优选的，所述第三天线采用印刷式维瓦尔第天线，印刷在第四介质基板上，水平放置，高度为第三天线中心工作频率的三分之一波长。可实现对高低频的水平极化的覆盖。
优选的，所述第一天线、第二天线和第三天线***设置一金属反射面，金属反射面的高度小于车载外置天线最低工作频段的四分之一波长。通过该金属反射面可实现车载天线的高增益与低剖面性能。
更进一步的，金属反射面为钟型弯折金属反射面，由钟型形状天线底板与钟型轮廓上五块不同长度的金属板弯曲组合而成。
更进一步的，所述第一天线设置在金属反射面内的焦点位置，所述第二天线与金属反射面最近距离为半个中心工作频率对应的波长。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明车载天线采用具有高次谐波抑制功能的垂直极化低频振子，滤波馈电网络采用加载在馈电线两端的开路枝节线和蚀刻在馈电线表面的四分之一波长开路槽线构成。开路枝节线滤除1.8GHz左右的高次谐波，两条不同长度的开路槽线滤除2.1-2.7GHz频段范围的高次谐波。无需引入额外滤波电路，避免带来***损耗，同时有效地缩小天线整体体积。
2、本发明车载天线可实现对垂直极化低频振子的高次谐波在宽频带范围内的抑制，在不增加额外去耦结构的情况下，避免了其对同极化的高频振子的耦合影响。该方法有效地缩小整体体积，并且对各个天线的辐射性能没有影响。
3、本发明所述基于垂直极化低频振子的第一天线工作频段为825-960MHz，所述基于垂直极化高频振子的第二天线工作频段为1710-2690MHz，在实现不同天线的异频去耦的同时，可实现对高低频的垂直极化的覆盖。
4、本发明采用钟型弯折金属反射面，其高度小于车载外置天线最低工作频段对应的四分之一波长，实现车载天线的高增益与低剖面性能。
5、本发明采用垂直极化低频振子、垂直极化高频振子与覆盖高低频的水平极化天线，共同组成双频双极化天线，在实现高异频隔离的同时，互相补充与加强不同角度区域的辐射能量，实现对高低频信号的全面覆盖。
6、本发明车载天线可应用于无线移动通信领域，特别是无人驾驶汽车无线通信场景，可应用于未来车载通信***的接收和发射设备中。受益于车载天线中滤波振子的采用，可以实现高异频隔离性能，进而满足车载天线在双频双极化小型化方面的性能需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线的一个具体实施例；
图2是图1所示车载天线结构的俯视图；
图3是图1所示车载天线去掉钟型弯折金属反射面结构后的结构的侧视图；
图4是图1所示车载天线中第一天线的结构示意图；
图5是图1所示车载天线中第一天线内滤波馈电网络的结构示意图；
图6是图1所示车载天线中第二天线的结构示意图；
图7是图1所示车载天线中第三天线的结构示意图；
图8是图1所示车载天线中钟型弯折金属抛物反射面的立体结构示意图；
图9是图1所示车载天线的S参数曲线；
图10是图1所示车载天线在有滤波馈电网络和无滤波馈电网络的S21，S11曲线；
图11是图1所示车载天线中分别带有滤波馈电网络和去除滤波馈电网络的天线增益曲线；
图12是图1所示车载天线中第一天线在0.9GHz频率下的垂直极化方向图；
图13是图1所示车载天线中第二天线在不同频率下的垂直极化方向图：a)1.8GHz；b)2.7GHz；
图14是图1所示车载天线中第三天线在不同频率下的水平极化方向图：a)0.9GHz；b)1.8GHz；c)2.7GHz。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术细节进行清晰、详尽的说明，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本实施例所述的一种基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线可应用在未来车载通信***的接收和发射设备中，参阅图1、2、3，本实施例车载天线结构包括第一天线、第二天线、第三天线3和钟型弯折金属反射面4。其中第一天线由“缺陷椭球”型垂直极化低频振子1以及滤波馈电网络8构成，第二天线采用二叉型垂直极化高频振子2，第三天线3采用印刷式维瓦尔第结构，可覆盖高低频的水平极化。
参阅图4，第一天线包括竖直放置的“缺陷椭球”型垂直极化低频振子，印刷在第一介质基板5上，高度为第一天线中心工作频率的六分之一波长。
参阅图5，本实施例车载天线第一天线的滤波馈电网络8印刷在第二介质基板11底部，主要分为两部分：一部分是加载在馈电线两端的开路枝节线9，开路枝节线9滤除1.8GHz左右的高次谐波；另一部分是带有四分之一波长开路槽线的馈电线10，两条不同长度的开路槽线滤除2.1-2.7GHz频段范围的高次谐波，从而实现对第一天线的高次谐波在宽频带范围内的抑制，提升天线间的异频隔离度。相较于传统滤波器与天线级联的滤波方案，采用滤波馈电网络8无需引入额外滤波电路，有效地缩小***体积、避免了***损耗的同时实现整个车载天线的高异频隔离度。
参阅图6，第二天线采用宽带的“二叉”型垂直极化高频振子2，印刷在第三介质基板6上，距离钟型弯折金属反射面4最近距离约为半个中心工作频率对应的波长，通过金属反射面4的作用实现天线增益的提升。
参阅图7，第三天线3采用印刷式维瓦尔第天线，印刷在第四介质基板7上，水平放置，高度为第三天线中心工作频率的三分之一波长，实现对高低频的水平极化的覆盖。
参阅图8，反射面4由钟型形状天线底板与钟型轮廓上五块不同长度的金属板弯曲组合而成，其高度小于车载外置天线最低工作频段对应的四分之一波长，第一天线设置在金属反射面内的焦点位置，第二天线与金属反射面最近距离为半个中心工作频率对应的波长，可实现车载天线的高增益与低剖面性能。
参阅图9，给出了本发明高增益低剖面低损耗车载天线实施例的S参数曲线。第一天线的工作频段(S11<-10dB)为800-986MHz(186MHz，20.8％)。第二天线的工作频段(S22<-10dB)为1.6-3.0GHz(1.4GHz，60％)，两者分别实现了垂直极化模式下对于低频段、高频段的覆盖。第三天线工作频段(S33<-10dB)为815-975MHz(160MHz，17.9％)和1.45-3.00GHz(1.55GHz，69.7％)，实现了水平极化模式下对于低频段、高频段的同时覆盖。对于相同极化模式下不同频段的第一天线和第二天线，由于采用了滤波馈电网络8，它们之间的隔离度|S21|在高频段1.4-3.0GHz(1.6GHz，72.7％)均高于20dB，大部分频段的|S21|值甚至在25dB以上，体现了本发明车载天线中滤波馈电网络优良的高异频去耦作用，无需引入额外滤波电路，即可实现不同天线之间的高异频隔离。本发明车载天线不同极化模式的天线相互之间具有很高的隔离度，垂直极化的第一天线与水平极化的第三天线之间的隔离度|S13|、第二天线与第三天线之间的隔离度|S23|在0.6-3.0GHz(2.4GHz，133.3％)都高于35dB。
为了更好地说明本发明车载天线中滤波馈电网络的作用，参阅图10，给出了本实施例高增益低剖面低损耗车载天线在第一天线有滤波馈电网络和无滤波馈电网络的S21，S11曲线的对比。当把滤波馈电网络从第一天线中去除后，仿真的S11曲线对应的-10dB频段为0.709-1.044GHz(0.335GHz，38.2％)和2.57-3.00GHz(0.43GHz，15.4％)，表明无滤波馈电网络的垂直极化低频振子产生了较强的高次谐波，这将对第二天线产生严重的干扰。在无滤波馈电网络的情况下，第一天线和第二天线之间的隔离度|S21|值在1.4-3.0GHz(1.6GHz，72.7％)已经低于20dB，甚至在1.08-1.36GHz(0.28GHz，23.0％)范围内|S21|值低于15dB，端口间异频隔离效果明显变差。
更进一步的，参阅图11，给出了本实施例高增益低剖面低损耗车载天线在第一天线有滤波馈电网络和无滤波馈电网络的天线增益曲线的对比。在无滤波馈电网络的车载天线模型中，在1.8-2.8GHz(1.0GHz，43.5％)第一天线增益都在2.5dBi以上；然而加入滤波馈电网络之后，在1.8-2.8GHz(1.0GHz，43.5％)第一天线增益都下降到-2.5dBi以下，显著体现出滤波馈电网络对于该频段垂直极化低频振子的高次谐波的抑制作用。
参阅图12，给出了本实施例高增益低剖面低损耗车载天线中第一天线在0.9GHz频率下的垂直极化方向图。第一天线最大辐射方向倾斜角为32°，最大主瓣增益值为7.8dBi，主瓣3dB波束宽度为72°。该结果表明，第一天线实现了垂直极化模式下对低频段斜上方的信号覆盖。
参阅图13，图13a)给出了本实施例增益低剖面低损耗车载天线中第二天线在1.8GHz频率下的垂直极化方向图。第二天线在1.8GHz最大辐射方向倾斜角为67°，最大主瓣增益值为11.87dBi，主瓣3dB波束宽度为46°。较高的增益值体现出钟型弯曲金属反射面在1.8GHz对第二天线的作用，实现天线增益的提升。图13b)给出了本实施例高增益低剖面低损耗车载天线中第二天线在2.7GHz频率下的垂直极化方向图。第二天线在2.7GHz最大辐射方向倾斜角为72°，最大主瓣增益值为14.79dBi，主瓣3dB波束宽度为40°。较高的增益值体现出钟型弯曲金属反射面在2.7GHz对第二天线也具有提升天线增益的作用。该结果表明，第二天线实现了垂直极化模式下对高频段斜上方和水平方向的信号覆盖。
参阅图14，图14a)给出了本实施例高增益低剖面低损耗车载天线中第三天线在0.9GHz频率下的水平极化方向图。第三天线在0.9GHz最大辐射方向倾斜角为27°，最大主瓣增益值为7.9dBi，主瓣3dB波束宽度为78°。图14b)给出了本发明高增益低剖面低损耗车载天线实施例中第三天线在1.8GHz频率下的水平极化方向图。第三天线在1.8GHz最大辐射方向倾斜角为50°，最大主瓣增益值为10.9dBi，主瓣3dB波束宽度为47°。图14c)给出了本实施例高增益低剖面低损耗车载天线中第三天线在2.7GHz频率下的水平极化方向图。第三天线在2.7GHz最大辐射方向倾斜角为68°，最大主瓣增益值为12.4dBi，主瓣3dB波束宽度为37°。可以看出，随着频率的升高，第三天线的主瓣倾斜角度数逐渐增大，实现对车载天线端射方向的方向图的覆盖；天线覆盖高低频的较高增益值反映了金属反射面的增益提升作用，满足未来车载天线的高增益性能要求。该结果表明，第三天线实现了水平极化模式下对高低频段斜上方和水平方向的信号覆盖。
以上是对本发明基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线所提供具体实施例的详细描述。本文运用了具体实施例对本发明的设计、原理及实施方式进行阐述，帮助理解本发明的发明及其核心思想。综上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，包括第一天线、第二天线和第三天线，第一天线包括垂直极化低频振子，印刷在第一介质基板上，第二天线采用垂直极化高频振子，第三天线为覆盖高低频的水平极化天线，垂直极化的第一天线、第二天线与水平极化的第三天线组成双频双极化天线；第一天线上设有用于实现对其高次谐波在宽频带范围内进行抑制的滤波馈电结构；
滤波馈电网络采用加载在馈电线两端的开路枝节线和蚀刻在馈电线表面的四分之一波长开路槽线构成，印刷在第二介质基板底部，实现对第一天线1.7-2.7GHz的高次谐波抑制；
开路槽线为两条，长度不同，开路枝节线滤除1.8GHz左右的高次谐波，两条不同长度的开路槽线滤除2.1-2.7GHz频段范围的高次谐波。
2.根据权利要求1所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，所述第一天线中垂直极化低频振子为“缺陷椭球”型垂直极化低频振子，高度为第一天线中心工作频率的六分之一波长。
3.根据权利要求1所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，所述第二天线中垂直极化高频振子为宽带的“二叉”型垂直极化高频振子，印刷在第三介质基板上。
4.根据权利要求1所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，所述第一天线工作频段为825-960MHz，所述第二天线工作频段为1710-2690MHz。
5.根据权利要求1所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，所述第三天线采用印刷式维瓦尔第天线，印刷在第四介质基板上，水平放置，高度为第三天线中心工作频率的三分之一波长。
6.根据权利要求1所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，所述第一天线、第二天线和第三天线***设置一金属反射面，金属反射面的高度小于车载外置天线最低工作频段的四分之一波长。
7.根据权利要求6所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，金属反射面为钟型弯折金属反射面，由钟型形状天线底板与钟型轮廓上五块不同长度的金属板弯曲组合而成。
8.根据权利要求6所述的基于滤波振子的高异频隔离的低剖面小型化车载天线，其特征在于，所述第一天线设置在金属反射面内的焦点位置；
所述第二天线与金属反射面最近距离为半个中心工作频率对应的波长。
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