CN107645046A - 一种小型化车载单鞭天线及超宽带或多频段全向天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化车载单鞭天线以及超宽带或多频段全向天线，其包括水平地板以及直立于所述水平地板的单鞭体，水平地板设置于单鞭体底端，单鞭体包括至少两节粗细不同且同轴级联的直导体；馈电电缆穿过所述水平地板向上与单鞭体电连接而馈电。本发明为车辆通信提供一种全向性、宽带宽、高增益、高效率，以及小型化、结构坚固、易安装、低成本、易生产的单鞭天线。

Description

一种小型化车载单鞭天线及超宽带或多频段全向天线

技术领域

本发明涉及一种无线通信天线设备与技术，特别是涉及一种小型化车载单鞭天线及超宽带或多频段全向天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，汽车越来越成为一种重要的移动终端平台。到了5G时代，除了传统的车载FM/AM广播、GPS卫星导航、RFID射频识别、TPMS胎压监测、防撞雷达、蓝牙、移动电视等无线业务，还将新增高速数据通信、车联网、智能导航、自动驾驶等无线业务。据此可以预见，未来车载天线的需求将更强烈、要求更高、形态更加多样化。作为一种经典的车载天线，单鞭天线（单极子）因其全向性、低风阻、低成本的固有优点，毫无疑问将来仍是一种适合快速移动的车辆终端的理想天线类型。现有的车载单鞭天线有两种形式，一种是高度近四分之一波长的单鞭天线，是由粗细均匀的单根导体制成，它的带宽较宽、增益和效率较高，但高度较高，影响车体美观，尤其是频率较低时；另一种是电小尺寸的短桩天线，它的尺寸短小，但带宽很窄、增益和效率很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种小型化车载单鞭天线，解决现有单鞭天线的高度太高影响美观或者带宽很窄、增益和效率很低的缺陷。

本发明进一步要解决的技术问题是：提供一种超宽带或多频段全向天线，解决现有天线的高度太高影响美观或者带宽很窄、增益和效率很低的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种小型化车载单鞭天线，包括直立单鞭体，所述单鞭体包括至少两节粗细不同且同轴级联的直导体；馈电电缆穿过所述水平地板向上延伸与单鞭体电连接而馈电。

进一步地，所述单鞭体进一步包括同轴加载于其级联直导体顶端的一个导体盘，单鞭体的底端与水平地板之间进一步设置有底座，所述底座扣设于水平地板上表面共同支撑所述单鞭体以及容置馈电电缆的顶端；所述水平地板及底座与单鞭体直立地共轴地排列；所述水平地板设有中心开孔，所述底座设有顶部开口，所述底座顶部开口与所述水平地板中心开孔对应排列且间隔预定高度；所述馈电电缆顶端从水平地板中心开孔穿过，沿中心轴线朝上延伸至所述底座的顶部开口，与单鞭体的级联直导体的底端抵接；所述底座为盘状结构。

所述馈电电缆为同轴电缆，包括内导体及外导体；所述内导体与单鞭体的级联直导体的底端抵接且电连接，所述外导体与底座及水平地板电连接；所述单鞭体底端距水平地板的高度等于馈电电缆延伸出地板的长度，且该高度不小于底座的中心高度。

所述外导体与底座顶部开口以及水平地板中心开孔的内侧接触并电连接；所述内导体及外导体之间由绝缘层分隔；所述单鞭体的至少两节粗细不同的直导体为圆柱直导体段；单鞭体顶端加载的导体盘是圆盘，单鞭体的级联直导体顶端与导体盘同心地连接；所述水平地板为圆形金属地板，所述中心开孔为圆孔；所述底座是直径为D _P 、高度自中心往边缘逐渐降低的似锥形圆盘；所述底座共轴或同心地加载于地板上表面。

所述至少两节粗细不同的直导体为三节直径依次增大、共轴叠放的圆柱直导体，分别为第一导体段、第二导体段以及第三导体段自下至上依次级联，第一导体段的底端与同轴电缆顶端抵接，第三导体段顶端同心连接导体盘。

所述馈电电缆为50Ω的标准同轴电缆。

所述小型化车载单鞭天线，其总体高度范围是(0.1~0.25）⋅λ _c ，λ _c 为中心频率；单鞭体顶部加载的同心导体盘口径为（0.02~0.08）⋅λ _c ；所述地板口径不小于0.15⋅λ _c 。

所述底座的口径不大于水平地板；底座边缘轮廓是曲面。

所述单鞭顶部加载的导体盘、水平地板、底座均为金属导体。

本发明采取的另一技术方案是：

包括水平地板以及直立于所述水平地板的单鞭体，水平地板设置于单鞭体底端，所述单鞭体包括至少两节粗细不同且同轴级联的直导体；馈电电缆穿过所述水平地板向上延伸与单鞭体电连接而馈电。

所述单鞭体进一步包括同轴加载于其级联直导体顶端的一个导体盘，单鞭体的底端与水平地板之间进一步设置有底座，所述底座扣设于水平地板上表面共同支撑所述单鞭体以及容置馈电电缆的顶端；所述水平地板及底座与单鞭体直立地共轴地排列；所述水平地板设有中心开孔，所述底座设有顶部开口，所述底座顶部开口与所述水平地板中心开孔对应排列且间隔预定高度；所述馈电电缆顶端从水平地板中心开孔穿过，沿中心轴线朝上延伸至所述底座的顶部开口，与单鞭体的级联直导体的底端抵接；所述底座为盘状结构。

所述馈电电缆为同轴电缆，包括内导体及外导体；所述内导体与单鞭体的级联直导体的底端抵接且电连接，所述外导体与底座及水平地板电连接；所述单鞭体底端距水平地板的高度等于馈电电缆延伸出地板的长度，且该高度不小于底座的中心高度。

所述外导体与底座顶部开口以及水平地板中心开孔的内侧接触并电连接；所述内导体及外导体之间由绝缘层分隔；所述单鞭体的至少两节粗细不同的直导体为圆柱直导体段；单鞭体顶端加载的导体盘是圆盘，单鞭体的级联直导体顶端与导体盘同心地连接；所述水平地板为圆形金属地板，所述中心开孔为圆孔；所述底座是直径为D _P 、高度自中心往边缘逐渐降低的似锥形圆盘；所述底座共轴或同心地加载于地板上表面。

所述至少两节粗细不同的直导体为三节直径依次增大、共轴叠放的圆柱直导体段，分别为第一导体段、第二导体段以及第三导体段自下至上依次级联，第一导体段的底端与同轴电缆顶端抵接，第三导体段顶端同心连接导体盘；所述馈电电缆为50Ω的标准同轴电缆；所述超宽带或多频段全向天线，其总体高度范围是(0.1~0.25）⋅λ _c ，λ _c 为中心频率；单鞭体顶部加载的同心导体盘口径为（0.02~0.08）⋅λ _c ；所述地板口径不小于0.15⋅λ _c ；所述底座的口径不大于水平地板；底座边缘轮廓是曲面；所述单鞭顶部加载的导体盘、水平地板、底座均为金属导体。

本发明的有益效果是：

通过采取下列措施将粗细均匀的单根导体变成粗细不等的多节导体级联，从而为车辆通信提供一种全向性、宽带宽、高增益、高效率，以及小型化、结构坚固、易安装、低成本、易生产的单鞭天线。

本发明实现了单鞭天线在GSM800频段内良好的阻抗匹配（812~874MHz，VSWR≤2.0，BW=62MHz，7.35%）、较高的增益（G≈1.82dBi）、理想的水平辐射方向图（H面不圆度<0.1dB）、较高的交叉极化比（XPD≥35dB）和很高的效率（η _A ≥88%）。

另外，本发明具有思路新颖、原理清晰、方法普适、制作简单、低成本、易生产等特点，是一种适用于车辆终端的优选天线方案。

该设计馈电简单、尺寸较小（高度H≈0.225×λ _c ，直径D≈0.194×λ _c ，；λ _c 为中心频率）、风阻很低、结构坚固。

而且对于宽带或多频全向天线的设计和改进也是适用和有效的。并为超宽带、多频段全向天线的设计和改进提供有益的参考方法。

附图说明

图1为小型化车载单鞭天线的完整模型的正视图。

图2为小型化车载单鞭天线的完整模型的俯视图。

图3为顶端圆盘加载单鞭体直立于水平地板上方并用同轴电缆馈电的模型正视图。

图4为圆锥形底座模型的侧视图。

图5为圆锥形底座模型的俯视图。

图6为顶端圆盘加载的单鞭体直立于圆形地板上方的模型图。

图7为水平圆形地板模型的俯视图。

图8小型化车载单鞭天线的输入阻抗Z _in 曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为MHz；纵轴（Y轴）是阻抗Z _in ，单位为Ω; 实线表示实部R _in ，虚线表示虚部X _in 。

图9为小型化车载单鞭天线的反射系数|S ₁₁ |曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为MHz；纵轴（Y轴）是S ₁₁ 的幅度|S ₁₁ |，单位为dB。由图知，带内阻抗匹配较好，反射系数较低（812-874MHz, BW=64MHz, 7.35%, |S ₁₁ |≤-10 dB）。

图10为小型化车载单鞭天线在f _L =812MHz的2D增益方向图。其中，实线表示H-面（水平面），虚线表示E-面（竖直面）。由图知，天线具有理想的半波阵子方向图。

图11为小型化车载单鞭天线在f _C =843MHz的2D增益方向图。其中，实线表示H-面（水平面），虚线表示E-面（竖直面）。由图知，天线具有理想的半波阵子方向图。

图12为小型化车载单鞭天线在f _H =874MHz的2D增益方向图。其中，实线表示H-面（水平面），虚线表示E-面（竖直面）。由图知，天线具有理想的半波阵子方向图。

图13为小型化车载单鞭天线的最大增益随频率f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为MHz；纵轴（Y轴）是增益，单位是dBi。由图知，带内增益约为G=1.82 dBi，略低于理想半波阵子的2.15dBi的增益。

图14为小型化车载单鞭天线的E-面（竖直面）半功率波束宽度HBPW随频率f变化特性。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为MHz；纵轴（Y轴）是波束宽度，单位是度（deg）。由图知，带内半功率波宽HPBW≈88.20^o，稍宽于理想半波阵子78^o的波宽。

图15为小型化车载单鞭天线的效率η _A 随频率f变化曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为MHz；纵轴（Y轴）是效率。由图知，整个频带内，天线效率η _A ≥88%，最高达93%。

具体实施方式

下面结合附图给出发明的实施例，以详细说明本发明的技术方案。需要特别说明的是，所描述的具体实施例子仅用于说明和解释本发明，以利于本领域普通技术人员理解和实施，但并不用于限制或限定本发明保护的范围。

请参照图1-7，本发明的超宽带或多频段全向天线100，包括直立单鞭体20、水平地板10、底座30以及馈电电缆50。水平地板10设置于单鞭体20的底端，整支天线100直立于水平地板10之上。底座30设置于单鞭体20的底端与水平地板10之间，且扣设于水平地板10上表面从而共同支撑单鞭体20，同时用于容置馈电电缆50的顶端。水平地板10、底座30与单鞭体20直立地共轴地排列。馈电电缆50穿过水平地板10向上与单鞭体20电连接而馈电。

作为一种实施方式，本发明的超宽带或多频段全向天线100，其总体高度范围是(0.1~0.25）⋅λ _c ，其中λ _c 为中心频率。

馈电电缆50为同轴电缆，例如采用50Ω的标准同轴电缆，其包括内导体51、外导体53以及二者之间的绝缘层52。内导体51与单鞭体的级联直导体的底端抵接且电连接，外导体53与底座30及水平地板10电连接。

单鞭体20包括至少两节粗细不同且同轴地级联的直导体以及级联导体顶端同轴加载的导体盘24。作为一种实施例，直导体为三节、且共轴叠放。三节直导体分别为第一导体段21、第二导体段22以及第三导体段23，自下至上依次级联，均为圆柱直导体，直径依次增大。第一导体段21的底端与馈电电缆50顶端抵接，第三导体段23顶端同心或共轴地连接导体盘24。

在一种实施例中，导体盘24是圆盘，直径为（0.02~0.08）⋅λ _c ，且为金属导体。

可以理解，导体盘24也可为其它合适形状的盘状结构，同轴水平地加载于级联直导体顶端，即第三导体段23顶端。第一导体段21、第二导体段22、第三导体段33也可具有其它截面形状，如方形、多边形、椭圆形等，不限于圆形。三节导体粗细不等，例如三节导体依次加粗。单鞭体20的多段直导体可以是一体结构，也可以是依次连接或套接。

作为一种实施例，水平地板10为具有中心开孔11的圆形金属地板，所述中心开孔对应所述馈电电线截面形状，例如为圆孔。水平地板10的直径不小于0.15⋅λ _c 。可以理解，水平地板10的形状不限于圆形，中心开孔11的形状不限于圆形。

底座30为具有顶部开口31的盘状结构，底座30的尺寸不大于水平地板10的尺寸。底座顶部开口31与所述水平地板中心开孔11对应排列且间隔一定高度从而形成空腔。馈电电缆50顶端自所述水平地板10下方向上穿过中心开孔11并向上延伸至所述底座30的顶部开口31内与单鞭体的级联直导体21的底端抵接。具体地，同轴馈线50的内导体51在顶端与单鞭体20的第一导体段21底端抵接，从而实现电连接；外导体53的顶端外表面与底座30的顶部开口31的内侧紧密接触而电连接，外导体53自顶端向下其外表面与水平地板10的中心开孔11的内侧紧密接触而电连接。同轴馈线50的顶端向下穿出水平地板10的中心开孔11与馈电电路连接。

在一种实施例中，底座30是直径为D _P 、高度自中心往边缘逐渐降低的似锥形圆盘，共轴或同心地加载于地板10的上表面。可以理解，底座30的形状不限于似锥形圆盘。底座30边缘轮廓还可为圆锥、圆柱、圆台、球冠、抛物面、双曲面等任意曲面，或者其它适合的形状。

单鞭体10底端距水平地板10的高度等于馈电电缆50延伸出地板10的长度，且该高度不小于底座30的中心高度。

同理，在另一种实施方式中，所述超宽带或多频段全向天线100作为小型化车载单鞭天线，其采用粗细不等的多节导体21、22、23级联，并在顶部加载一小圆盘导体24，底部加载一锥形金属底座30。然后，将整支天线直立于一块水平的金属地板10之上，采用50欧同轴电缆50直接馈电，其内导体51连接单鞭天线的首节导体21，外导体53则连接锥形底座53的顶端。具体地，本实施例的小型化车载单鞭天线，其总体高度小于0.25⋅λ _c 而大于0.1⋅λ _c ，λ _c 为中心频率。单鞭体20由至少两节共轴叠放、粗细不等的圆柱段导体构成，其顶部加载同心圆盘导体24，圆盘直径为（0.02~0.08）⋅λ _c 。本发明的小型化车载单鞭天线，直立于一圆形地板10上方且距地板高度大于0，地板10直径不小于0.15⋅λ _c 波长，且与单鞭体20竖直共轴排列。水平地板10的中心开有圆形开孔11，50Ω电缆50从开孔11中穿过并沿中心轴线朝上延伸至圆锥形底座30的顶端；其内外导体分别与单鞭体20的第一导体段段21底端、圆锥形底座30的顶端和水平地板10连接。本发明的小型化车载单鞭天线，其单鞭体20底端距水平地板10的高度等于同轴馈线50延伸出地板10的长度，且该高度不小于似锥形底座30的中心高度。

本实施例的小型化车载单鞭天线，其单鞭体顶部加载圆盘导体24、水平地板10、圆锥形底座30均为金属导体，采用常规五金加工工艺，如切割、钻削、拉挤、压铸、钣金等加工制作。

本发明的单鞭天线具有良好电性能。请进一步参照图8-15，本发明的天线在GSM800频段内具有良好的阻抗匹配（812~874MHz，VSWR≤2.0，BW=62MHz，7.35%）、较高的增益（G≈1.82dBi）、理想的水平辐射方向图（H面不圆度<0.1dB）、较高的交叉极化比（XPD≥35dB）和很高的效率（η _A ≥88%）。另外，该设计馈电简单、尺寸较小（高度H≈0.225×λ _c ，直径D≈0.194×λ _c ；λ _c 为中心频率）、结构坚固。

本发明的天线的设计方法可通过以下步骤获得。

步骤一，建立空间直角坐标系。

步骤二，构造水平地板10，作为一种实施方式，水平地板10为一个直径为D _g 、厚度为T _g 的圆形金属地板，中心开孔11是直径为D _h 的圆形开孔。

步骤三，构造直立单鞭体20，在步骤二的地板10上方，作三节直径依次增大、共轴叠放的竖直圆柱导体段21、22、23，并在第三导体段的顶端共轴加载一个直径、高度分别为D _T 、H _T 的导体圆盘24。

步骤四，设置似锥形底座30。在步骤三的单鞭体20底部、步骤二的地板10上表面，共轴或同心加载一个直径为D _P 、高度自中心往边缘逐渐降低的似锥形圆盘，圆盘顶部开口,即形成开口31。

该似锥形底座30位于单鞭体20底端即第一导体段21的下方、水平地板10的上表面，与地板10和单鞭体20竖直共轴排列，其直径不大于水平地板10。底座30边缘轮廓还可为圆锥、圆柱、圆台、球冠、抛物面、双曲面等任意曲面，或者其它适合的形状。

步骤五；添加同轴馈线50。在步骤二的圆形金属地板10的中心开孔11，将一根50Ω的标准同轴电缆从圆孔中穿过，朝上延伸至锥形圆盘顶端，其内外导体分别连接单鞭体的第一导体段底端、圆锥形底座的顶端和水平地板。

本发明的方案还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、制作简单、低成本、易批产等特点，是一种适用于车辆终端的优选天线方案，而且对于宽带或多频全向天线的设计和改进也是适用和有效的。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化车载单鞭天线，包括水平地板以及直立于所述水平地板的单鞭体，水平地板设置于单鞭体底端，其特征在于，所述单鞭体包括至少两节粗细不同且同轴级联的直导体；馈电电缆穿过所述水平地板向上延伸与单鞭体电连接而馈电。

2.如权利要求1所述的车载单鞭天线，其特征在于，所述单鞭体进一步包括同轴加载于其级联直导体顶端的一个导体盘，单鞭体的底端与水平地板之间进一步设置有底座，所述底座扣设于水平地板上表面共同支撑所述单鞭体以及容置馈电电缆的顶端；所述水平地板及底座与单鞭体直立地共轴地排列；所述水平地板设有中心开孔，所述底座设有顶部开口，所述底座顶部开口与所述水平地板中心开孔对应排列且间隔预定高度；所述馈电电缆顶端从水平地板中心开孔穿过，沿中心轴线朝上延伸至所述底座的顶部开口，与单鞭体的级联直导体的底端抵接；所述底座为盘状结构。

3.如权利要求2所述的车载单鞭天线，其特征在于，所述馈电电缆为同轴电缆，包括内导体及外导体；所述内导体与单鞭体的级联直导体的底端抵接且电连接，所述外导体与底座及水平地板电连接；所述单鞭体底端距水平地板的高度等于馈电电缆延伸出地板的长度，且该高度不小于底座的中心高度。

4.如权利要求3所述的车载单鞭天线，其特征在于，所述外导体与底座顶部开口以及水平地板中心开孔的内侧接触并电连接；所述内导体及外导体之间由绝缘层分隔；所述单鞭体的至少两节粗细不同的直导体为圆柱直导体段；单鞭体顶端加载的导体盘是圆盘，单鞭体的级联直导体顶端与导体盘同心地连接；所述水平地板为圆形金属地板，所述中心开孔为圆孔；所述底座是直径为D _P 、高度自中心往边缘逐渐降低的似锥形圆盘；所述底座共轴或同心地加载于地板上表面。

5.如权利要求1~4中任一项所述的车载单鞭天线，其特征在于，所述至少两节粗细不同的直导体为三节直径依次增大、共轴叠放的圆柱直导体，分别为第一导体段、第二导体段以及第三导体段自下至上依次级联，第一导体段的底端与同轴电缆顶端抵接，第三导体段顶端同心连接导体盘；所述馈电电缆为50Ω的标准同轴电缆；所述小型化车载单鞭天线，其总体高度范围是(0.1~0.25）⋅λ _c ，λ _c 为中心频率；单鞭体顶部加载的同心导体盘口径为（0.02~0.08）⋅λ _c ；所述地板口径不小于0.15⋅λ _c ；所述底座的口径不大于水平地板；底座边缘轮廓是曲面；所述单鞭顶部加载的导体盘、水平地板、底座均为金属导体。

6.一种超宽带或多频段全向天线，包括水平地板以及直立于所述水平地板的单鞭体，水平地板设置于单鞭体底端，其特征在于，所述单鞭体包括至少两节粗细不同且同轴级联的直导体；馈电电缆穿过所述水平地板向上延伸与单鞭体电连接而馈电。

7.如权利要求6所述的超宽带或多频段全向天线，其特征在于，所述单鞭体进一步包括同轴加载于其级联直导体顶端的一个导体盘，单鞭体的底端与水平地板之间进一步设置有底座，所述底座扣设于水平地板上表面共同支撑所述单鞭体以及容置馈电电缆的顶端；所述水平地板及底座与单鞭体直立地共轴地排列；所述水平地板设有中心开孔，所述底座设有顶部开口，所述底座顶部开口与所述水平地板中心开孔对应排列且间隔预定高度；所述馈电电缆顶端从水平地板中心开孔穿过，沿中心轴线朝上延伸至所述底座的顶部开口，与单鞭体的级联直导体的底端抵接；所述底座为盘状结构。

8.如权利要求7所述的超宽带或多频段全向天线，其特征在于，所述馈电电缆为同轴电缆，包括内导体及外导体；所述内导体与单鞭体的级联直导体的底端抵接且电连接，所述外导体与底座及水平地板电连接；所述单鞭体底端距水平地板的高度等于馈电电缆延伸出地板的长度，且该高度不小于底座的中心高度。

9.如权利要求8所述的超宽带或多频段全向天线，其特征在于，所述外导体与底座顶部开口以及水平地板中心开孔的内侧接触并电连接；所述内导体及外导体之间由绝缘层分隔；所述单鞭体的至少两节粗细不同的直导体为圆柱直导体段；单鞭体顶端加载的导体盘是圆盘，单鞭体的级联直导体顶端与导体盘同心地连接；所述水平地板为圆形金属地板，所述中心开孔为圆孔；所述底座是直径为D _P 、高度自中心往边缘逐渐降低的似锥形圆盘；所述底座共轴或同心地加载于地板上表面。

10.如权利要求6~9中任一项所述的超宽带或多频段全向天线，其特征在于，所述至少两节粗细不同的直导体为三节直径依次增大、共轴叠放的圆柱直导体段，分别为第一导体段、第二导体段以及第三导体段自下至上依次级联，第一导体段的底端与同轴电缆顶端抵接，第三导体段顶端同心连接导体盘；所述馈电电缆为50Ω的标准同轴电缆；所述超宽带或多频段全向天线，其总体高度范围是(0.1~0.25）⋅λ _c ，λ _c 为中心频率；单鞭体顶部加载的同心导体盘口径为（0.02~0.08）⋅λ _c ；所述地板口径不小于0.15⋅λ _c ；所述底座的口径不大于水平地板；底座边缘轮廓是曲面；所述单鞭顶部加载的导体盘、水平地板、底座均为金属导体。