CN110518347A - 一种多频段车载天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频段车载天线，属于天线技术领域，包括金属地板、介质基板、微带线馈线以及印刷在介质基板上的辐射单元和接地平面，所述的辐射单元包括印刷在介质基板正面的第一单极子、第二单极子、第三单极子；所述的接地平面印刷在介质基板的反面，并与金属地板相连；所述的微带线馈线的一端连接在介质基板的底端，另一端连接在金属地板上。本发明三个单极子连接在一起形成一个直接由微带线馈电的印刷结构，三个不同长度的单极子在不同的频率下发生谐振。引入渐变轮廓，缝隙结构和容性结构，提高阻抗匹配，其带宽为890MHZ‑960MHz、1710MHz‑2690MHz以及3.4G‑3.6GHz，实现了宽带特性，可应用在GSM、LTE和5G等通信频段，应用范围广，具有结构新颖、体积小巧、制作成本低廉等优点。

Description

一种多频段车载天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种多频段车载天线。
背景技术
随着娱乐功能和驾驶功能需求的增加，汽车上面的电子设备越来越多，集成在汽车上面的天线也是越来越多，车载天线可用的空间也随之越来越少。
多频段的天线是现代车顶天线的主流趋势，它集合了GPS，LTE，GSM等多个频段天线，将这些天线集成在一个鲨鱼鳍形状的外壳内。
与此同时，人们希望图像、视频、音频等多媒体信息的传递带宽越来越宽，现代电子信息技术的发展也需要更优良性能的天线，这些都推动着通信***向宽带化和多频化方向前进。
为了天线能够实现不同频段的通信，很多研究人员对天线的宽带技术和多频带技术进行了研究，常常将天线或者设计为宽带天线，实现不同频带的兼容，或者设计为多频天线。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种多频段车载天线，实现了宽带特性，可应用在GSM、LTE和5G等通信频段，应用范围广。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多频段车载天线，包括金属地板、介质基板、微带线馈线以及印刷在介质基板上的辐射单元和接地平面，所述的辐射单元包括印刷在介质基板正面的第一单极子、第二单极子、第三单极子；所述的接地平面印刷在介质基板的反面，并与金属地板相连；所述的微带线馈线的一端连接在介质基板的底端，另一端连接在金属地板上。
进一步地，所述的介质基板的介电常数范围为4.4，所述的金属地板为矩形金属板。
进一步地，所述的介质基板的长度为65-75毫米，宽度在20-30毫米，厚度在1.4-1.8毫米；所述的金属地板为矩形金属板，金属板长度为200-400毫米，宽度在200-400毫米。
进一步地，所述的第一单极子由顺次相连的第一矩形单元、第二矩形单元、第一梯形单元以及第三矩形单元组成，其中第一矩形单元长度W1边为20-25毫米，宽度L1边为2-5毫米，第二矩形单元的长度W2为2-5毫米，长度L2为30-50毫米，第一梯形单元的高度L3边的在7-9毫米，梯形的底边之间的另一条连接边L4边的长度为8-10毫米，第三矩形单元边的宽度W3为6-8毫米，长度L5为9-11毫米；其中，第一矩形单元与第二矩形单元、第三矩形单元分别垂直。
进一步地，所述的第三单极子由顺次相连的第三梯形单元、第四矩形单元和第五矩形单元构成，其中第三梯形单元的下底边W5为6-8毫米，上底边W6为3-5毫米，高度为12-14毫米，第四矩形单元宽度W7为2-4毫米范围内，长度L9为30-40毫米，第五矩形单元宽度W8为2-3毫米，长度L10为5-7毫米。
进一步地，所述的微带线馈线包括天线的馈电结构，该天线的馈电结构由顺次相连的第六矩形单元、第七矩形单元、第八矩形单元和第九矩形单元，其中，第六矩形单元、第七矩形单元平行相接，第八矩形单元和第九矩形单元均分别与第七矩形单元垂直，其中第六矩形单元长度W9为20-30毫米，宽度L11为3-5毫米，第七矩形单元长度W10为20-30毫米，宽度L12为3-5毫米，第八矩形单元宽度W11为0.5-1.5毫米，长度L13为0.5-1.5毫米，第九矩形单元宽度W12为1-3毫米，长度L14为2-4毫米。
进一步地，在所述的天线的馈电结构上刻蚀形成天线缝隙，该天线缝隙为U型结构，其包括顺次相连的三条缝隙，其中包括底边缝隙和垂直于底边缝隙两端的竖直缝隙，其中底边缝隙的长度W13为17-19毫米，竖直缝隙L15的长度为18-22毫米，缝隙宽度W14为2-4毫米。
进一步地，所述的第六矩形单元与第一单极子、第二单极子、第三单极子分别连通，所述的第九矩形单元与金属地板相接。
进一步地，所述的接地平面由长的第十矩形单元和第十一矩形单元构成，其中第十矩形单元长度W15为40-50毫米，宽度L16为4-6毫米，第十一矩形单元长度W16为15-25毫米，宽度L17为3-5毫米。
发明原理：如今，移动通讯频段主要包含三个频段：824MHz-960MHz，1710MHz-2690MHz和3.4GHz-3.6GHz。微带天线由于尺寸小，质量轻，易集成，低剖面等优点成为多频小型化天线的最佳选择。传统单极子天线由于体积等原因无法简易的集成到汽车上，而印刷单极子天线通过将传统单极子天线印刷在介质基板上，克服了传统单极子天线的体积缺陷和带宽缺陷，又兼有与微带天线有相似的结构特性和性能优点，因此在移动通信频段天线中得到广泛的应用。众所周知，无论是传统单极子天线还是印刷单极子天线都只有一个谐振频率点，谐振长度是波长的四分之一。所以，增加天线频带，拓宽天线带宽，减小天线尺寸成为研究印刷单极子天线的主要方向。
传统的单极子天线是垂直放置在地面上，长约四分之一个波长的金属柱。利用镜像理论，使用地面下方的一个镜像的单极子来代替地面的表面电流影响，所以，分析单极子的表面电流分布时可以用等效偶极子的上半部分的表面电流分布来代替。需要注意的是，偶极子天线可以在整个空间内都有辐射，而单极子天线只在地面上方有辐射。当地面无限大时，根据自由空间的对称振子理论，单极子天线的上半部分辐射区域可以直接等效成单极子天线的远场辐射场：
式中，r是源点到场点的距离，Im是最大电流，L是天线长度，β是相位常数，Fθ是天线的远场归一化方向图。由式(2)可知，当θ＝90°时，Fθ是一个定值，即天线的水平方向的方向图是一个圆，单极子天线是无方向性的。印刷单极子作为传统单极子的改进也具有类似特性。传统的单极子天线因为体积和剖面的限制无法集成到有限空间内，所以，通常将单极子天线印刷在介质基板上来实现集成。同时，印刷单极子是平面型天线，带宽比传统单极子更宽。因此，相较于传统单极子，印刷单极子天线还具有宽频带，体积小，易于加工和集成，价格低廉等众多优点。
印刷单极子由金属地板，介质基板和辐射贴片组成，主要有微带线馈电(微带馈线直接与辐射贴片相连)和共面波导馈电(微带馈线，地板和辐射贴片在同一平面)。依据金属贴片形状的不同，印刷单极子可分为圆形贴片单极子，矩形贴片单极子，三角形贴片单极子等。众所周知，微带天线也是由金属地板，介质基板和辐射贴片组成，区别只在于印刷单极子天线辐射贴片对应介质基板的下面没有金属贴片，而微带天线的辐射贴片对应下面有金属底板，与辐射贴片形成谐振腔。虽然微带贴片天线和印刷单极子天线都属于平面天线，有相似的结构特性，但他们的性能还是有差异的。与微带贴片天线相比，印刷单极子的带宽相对较宽。此外，印刷单极子天线的介质板一般都厚度很薄，介质损耗较小，不容易受到介质板材料的影响。
根据单极子理论，印刷单极子的谐振频率与辐射贴片的尺寸的计算公式为：
式(4)和式(5)中，εe是介质板等效介电常数，εr是介质板相对介电常数，W是单极子天线的宽度，L是单极子天线的长度，天线的辐射长度是W/2+L。通过上述谐振频率的表达式可以初步计算印刷单极子天线的尺寸，然后通过仿真软件进行尺寸调整，一般印刷单极子天线的辐射长度是波长的四分之一。实际应用中为了达到需要的性能，需要对印刷单极子天线进行变形，即改变辐射贴片，主要有两种变形措施：切割和加载。例如，当需要减小天线尺寸时，可以利用仿真软件显示天线的电流分布，从而得到天线的谐振路径，分析出主要辐射区域，然后对非主要辐射区域进行适当切割以达到天线小型化目的。或者可以在辐射贴片的合理位置上切割出缝隙，改变贴片的电流分布，增加天线的有效电流路径，减小天线谐振频率。当需要增加天线频段时，可以加载寄生单元或者加载其他枝节，增加天线的谐振器从而得到不同的谐振频率，当不同谐振频率靠的很近时，也可以增大天线带宽。也可以通过切割地板形成缺陷的结构来实现天线多频化，同时提高阻抗匹配。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种多频段车载天线，天线采用50Ω的同轴电缆与天线的微带馈线相连从而馈电。为了模拟车顶的环境，天线垂直放置在水平接地平面上，根据天线采用辐射长度为所需工作频率对应波长的四分之一，三个单极子连接在一起形成一个直接由微带线馈电的印刷结构，三个不同长度的单极子在不同的频率下发生谐振。引入渐变轮廓，缝隙结构和容性结构，提高阻抗匹配，其带宽为890MHZ-960MHz、1710MHz-2690MHz以及3.4G-3.6GHz，实现了宽带特性，可应用在GSM、LTE和5G等通信频段，应用范围广，具有结构新颖、体积小巧、制作成本低廉等优点。
附图说明
图1是多频段车载天线的立体结构示意图；
图2是多频段车载天线的第一单极子的正视图；
图3是多频段车载天线的第二单极子的正视图；
图4是多频段车载天线的第三单极子的正视图；
图5是多频段车载天线的馈电结构的正视图；
图6是多频段车载天线缝隙的正视图；
图7是多频段车载天线的后视图；
图8是多频段车载天线的反射系数示意图；
图9是多频段车载天线在频率900MHz处E面的辐射方向图；
图10是多频段车载天线在频率900MHz处H面的辐射方向图；
图11是多频段车载天线在频率2.5GHz处E面的辐射方向图；
图12是多频段车载天线在频率2.5GHz处H面的辐射方向图；
图13是多频段车载天线在频率3.5GHz处E面的辐射方向图；
图14是多频段车载天线在频率3.5GHz处H面的辐射方向图；
附图标记：1-金属地板；2-介质基板；3-第一单极子；4-第二单极子；5-第三单极子；6-微带线馈线；7-天线缝隙。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种多频段车载天线，包括金属地板1、介质基板2以及印刷在介质基板2上的辐射单元，天线制作在介电常数范围为4.4的介质基板2上，利用金属地板1为天线定向辐射，金属地板1为矩形金属板，辐射单元包括第一单极子3、第二单极子4、第三单极子5；第一单极子3、第二单极子4、第三单极子5和微带线馈线6印刷在介质基板2的正面，如图3所示，接地平面印刷在介质基板2的反面，并与金属地板1相连。微带线馈线6包括天线的馈电结构和在天线的馈电结构上刻蚀的天线缝隙7。
介质基板2的长度为65-75毫米范围内，宽度在20-30毫米范围内，厚度在1.4-1.8毫米范围内。
微带线馈线6作为天线的电波信号馈入源，微带线馈线6的一端连接在介质基板2的底端，另一端连接在金属地板1上；金属地板1的长度范围为200-400毫米，宽度范围为200-400毫米。
结合图1所示，金属地板1为矩形金属板，金属板长度为200-400毫米范围内，宽度在200-400毫米范围内。
结合图2所示，第一单极子3由顺次相连的第一矩形单元、第二矩形单元、第一梯形单元以及第三矩形单元组成，其中第一矩形单元长度W1边为20-25毫米，宽度L1边为2-5毫米，第二矩形单元的长度W2为2-5毫米，长度L2为30-50毫米，第一梯形单元的高度L3边的在7-9毫米，梯形的底边之间的另一条连接边L4边的长度为8-10毫米，第三矩形单元边的宽度W3为6-8毫米，长度L5为9-11毫米。其中，第一矩形单元与第二矩形单元、第三矩形单元分别垂直。
结合图3所示，第二单极子4为梯形结构，为第二梯形单元，其中第二梯形单元的高度W4为6-8毫米，下底边L6长度为25-35毫米，上底边L7长度为17-19毫米。
结合图4所示，第三单极子5由顺次相连的第三梯形单元、第四矩形单元和第五矩形单元构成，其中第三梯形单元的下底边W5为6-8毫米，上底边W6为3-5毫米，高度为12-14毫米，第四矩形单元宽度W7为2-4毫米范围内，长度L9为30-40毫米，第五矩形单元宽度W8为2-3毫米，长度L10为5-7毫米。
结合图5所示，天线的馈电结构由顺次相连的第六矩形单元、第七矩形单元、第八矩形单元和第九矩形单元，其中，第六矩形单元、第七矩形单元平行相接，第八矩形单元和第九矩形单元均分别与第七矩形单元垂直，其中第六矩形单元长度W9为20-30毫米，宽度L11为3-5毫米，第七矩形单元长度W10为20-30毫米，宽度L12为3-5毫米，第八矩形单元宽度W11为0.5-1.5毫米，长度L13为0.5-1.5毫米，第九矩形单元宽度W12为1-3毫米，长度L14为2-4毫米。
第六矩形单元与第一单极子3、第二单极子4、第三单极子5分别连通，所述的第九矩形单元与金属地板1相接。
结合图6所示，天线缝隙7为U型结构，其包括顺次相连的三条缝隙，其中包括底边缝隙和垂直于底边缝隙两端的竖直缝隙，其中底边缝隙的长度W13为17-19毫米，竖直缝隙L15的长度为18-22毫米，缝隙宽度W14为2-4毫米。
结合图7所示，接地平面由长的第十矩形单元和第十一矩形单元构成，其中第十矩形单元长度W15为40-50毫米，宽度L16为4-6毫米，第十一矩形单元长度W16为15-25毫米，宽度L17为3-5毫米。
结合图8所示，用电磁仿真软件HFSS对这种新型多频段车载天线进行仿真实验。实验反射系数S11特性，834-1000MHz，1680-3050MHz和3.3-3.68GHz之间S11<-10dB，实现了宽带特性。
结合图9-14所示，用电磁仿真软件HFSS对这种新型多频段车载天线进行仿真实验。给出了天线辐射方向图。图5-10显示了在三个频点(0.9GHz，2.2GHz，3.5GHz)处，天线在E面和H面上的仿真结果匹配较好，都能保持H面上全向辐射，满足车载天线全向辐射的需求。0.9GHz处，天线在E面上方向图近似为“8”字形，与半波偶极子天线相似，但由于地板反射的原因，天线方向图微微向上倾斜，并随着频率的增大，倾斜也在不断变大，天线副瓣减少，主瓣增加。当频点为3.5GHz，时，天线的最大辐射方向倾斜至0度。

Claims (9)

1.一种多频段车载天线，其特征在于：包括金属地板(1)、介质基板(2)、微带线馈线(6)以及印刷在介质基板(2)上的辐射单元和接地平面，所述的辐射单元包括印刷在介质基板(2)正面的第一单极子(3)、第二单极子(4)、第三单极子(5)；所述的接地平面印刷在介质基板(2)的反面，并与金属地板(1)相连；所述的微带线馈线(6)的一端连接在介质基板(2)的底端，另一端连接在金属地板(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种多频段车载天线，其特征在于：所述的介质基板(2)的介电常数范围为4.4，所述的金属地板(1)为矩形金属板。
3.根据权利要求1所述的一种多频段车载天线，其特征在于：所述的介质基板(2)的长度为65-75毫米，宽度在20-30毫米，厚度在1.4-1.8毫米；所述的金属地板(1)为矩形金属板，金属板长度为200-400毫米，宽度在200-400毫米。
4.根据权利要求1所述的一种多频段车载天线，其特征在于：所述的第一单极子(3)由顺次相连的第一矩形单元、第二矩形单元、第一梯形单元以及第三矩形单元组成，其中第一矩形单元长度为20-25毫米，宽度为2-5毫米，第二矩形单元的长度为2-5毫米，长度为30-50毫米，第一梯形单元的高度为7-9毫米，梯形的底边之间的另一条连接边长度为8-10毫米，第三矩形单元边的宽度为6-8毫米，长度为9-11毫米；其中，第一矩形单元与第二矩形单元、第三矩形单元分别垂直。
5.根据权利要求1所述的一种多频段车载天线，其特征在于：第三单极子(5)由顺次相连的第三梯形单元、第四矩形单元和第五矩形单元构成，其中第三梯形单元的下底边为6-8毫米，上底边为3-5毫米，高度为12-14毫米，第四矩形单元宽度为2-4毫米范围内，长度为30-40毫米，第五矩形单元宽度为2-3毫米，长度为5-7毫米。
6.根据权利要求1所述的一种多频段车载天线，其特征在于：所述的微带线馈线包括天线的馈电结构，该天线的馈电结构由顺次相连的第六矩形单元、第七矩形单元、第八矩形单元和第九矩形单元，其中，第六矩形单元、第七矩形单元平行相接，第八矩形单元和第九矩形单元均分别与第七矩形单元垂直，其中第六矩形单元长度为20-30毫米，宽度为3-5毫米，第七矩形单元长度为20-30毫米，宽度为3-5毫米，第八矩形单元宽度为0.5-1.5毫米，长度为0.5-1.5毫米，第九矩形单元宽度为1-3毫米，长度为2-4毫米。
7.根据权利要求6所述的一种多频段车载天线，其特征在于：在所述的天线的馈电结构上刻蚀形成天线缝隙(7)，该天线缝隙(7)为U型结构，其包括顺次相连的三条缝隙，其中包括底边缝隙和垂直于底边缝隙两端的竖直缝隙，其中底边缝隙的长度为17-19毫米，竖直缝隙的长度为毫米，缝隙宽度为2-4毫米。
8.根据权利要求7所述的一种多频段车载天线，其特征在于：所述的第六矩形单元与第一单极子(3)、第二单极子(4)、第三单极子(5)分别连通，所述的第九矩形单元与金属地板(1)相接。
9.根据权利要求1所述的一种多频段车载天线，其特征在于：所述的接地平面由长的第十矩形单元和第十一矩形单元构成，其中第十矩形单元长度为40-50毫米，宽度为4-6毫米，第十一矩形单元长度为15-25毫米，宽度为3-5毫米。
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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS NANTONG INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2021980011448

Denomination of invention: A multi band vehicle antenna

Granted publication date: 20201016

License type: Common License

Record date: 20211027