CN110289492B - 一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，包括双频WIFI天线、4G天线、天线底座、鲨鱼鳍式外壳，所述的双频WIFI天线由第一介质基板、第一馈电端口、低频辐射枝节、高频辐射枝节组成，双频WIFI天线由第一介质基板、第一馈电端口、低频辐射枝节、高频辐射枝节组成，所述的4G天线由第二介质基板、第二馈电端口、直接馈电枝节、接地耦合枝节和高频寄生枝节组成，高频寄生枝节加载于直接馈电枝节之上，直接馈电枝节、接地耦合枝节和高频寄生枝节设置在第二介质基板的中间位置，接地耦合枝节与天线底座相连；双频WIFI天线和4G天线构成组合天线，本发明具有结构尺寸紧凑且频带宽的特性；本发明可应用于空间尺寸受限情况下的鲨鱼鳍式车载组合天线。

Description

一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线。
背景技术
随着通信技术的进步及汽车行业的发展，特别是进入车联网时代之后，汽车已经不再是简单的代步工具。如今的汽车需要趋于多功能化的要求来满足人们娱乐，导航定位以及信息传递等需求。为了实现这些功能，就天线而言，需要在汽车上集成更多的车载天线，如收音天线、WLAN天线、4G通信天线及导航天线等。传统的车载天线主要为杆状天线，该天线易加工成本低，但只能工作在收音频段；其次为玻璃天线，该天线一般也仅仅工作在FM频段，且易与整个车体共形，但是易损坏，且方向性较差。目前对于双频WIFI和4G天线的设计，一般采用金属振子的形式，但是该类型的天线具有尺寸大，频段窄的弊端，且很难预留空间将更多功能不同的天线集成在一起，所以为了保证天线所需性能的同时集成更多频段的天线一直是人们需要解决的问题。尤其是对于4G通信天线，若实现LTE全频带(698-960MHz/1710-2690MHz)的覆盖，需要较大的空间结构以在低频产生谐振，因此设计一款小型化宽频带的组合天线尤为重要。
例如，上海安费诺永亿通讯电子有限公司在其申请的名称为“一种集成DSRC与LTE的鲨鱼鳍式车载天线”(申请号201510218517.2，CN104882669A)申请的专利文献中，公开了一种集成DSRC与LTE的鲨鱼鳍式车载天线，包括电路板，设置在天线壳体与车顶之间，并与车顶连接接地，电路板还连接馈源；其中LTE天线采用弯折线结构直接印刷在鲨鱼鳍式外壳的一端，DSRC天线印刷在鲨鱼鳍式外壳的另一端，由于天线在仿真时需在平面结构上仿真，在加工后很难保证其性能的稳定，此外两天线均采用LDS技术，因此成本较高，该天线的频带覆盖范围窄，无法完全覆盖698-960MHz/1710-2690MHz频段。
例如，常州柯特瓦电子有限公司在其申请的名称为“一种全频段车载天线”(申请号201610217948.1，CN105896084A)申请的专利文献中，公开了一种全频段车载天线，该天线由副天线、主天线、隔离器以及天线PCB板组成，天线采用平面倒F天线加寄生振子的形式，为进一步扩展工作频段，采用了缺陷地的结构，虽然该天线剖面较低且可覆盖698-960MHz/1710-2690MHz，但是该天线横向尺寸较大，且需要寄生振子结构，整体结构复杂加工成本较高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，用于解决4G天线和WLAN天线尺寸大，频带窄的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。
一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，包括双频WIFI天线、4G天线、天线底座、鲨鱼鳍式外壳；
所述的双频WIFI天线由第一介质基板、第一馈电端口、低频辐射枝节、高频辐射枝节组成，所述的低频辐射枝节和高频辐射枝节分别呈梯形结构和阶梯型渐变结构；所述的4G天线由第二介质基板、第二馈电端口、直接馈电枝节、接地耦合枝节和高频寄生枝节组成，所述的高频寄生枝节加载于直接馈电枝节之上，所述的直接馈电枝节、接地耦合枝节和高频寄生枝节设置在第二介质基板的中间位置，所述的接地耦合枝节与天线底座相连；所述的双频WIFI天线和4G天线构成组合天线。
所述的低频辐射枝节的长度表示为L13，所述的高频辐射枝节的长度表示为L14，其中，L13的取值范围为15～30mm，L14的取值范围为5～25mm。
所述第一介质基板的长度表示为L11，宽度表示为W11，厚度表示为H11，其中，L11的取值范围为25～35mm，W11的取值范围为8～25mm，H11的取值范围为0.5～3mm。
所述的直接馈电枝节的总长度表示为L23，接地耦合枝节的总长度表示为L24，高频寄生枝节的总长度为L25，其中，L23的取值范围为40～80mm，L24的取值范围为60～100mm，L25的取值范围为20～50mm。
所述的高频寄生枝节设有凸起结构，该凸起结构的个数表示为N，其中，N的取值范围为1～5。
所述的第二介质基板的长度表示为L21，宽度表示为W21，厚度表示为H21，其中，L21的取值范围为40～60mm，W21的取值范围为10～35mm，H21的取值范围为1～6mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的4G天线由第二介质基板、第二馈电端口、直接馈电枝节、接地耦合枝节和高频寄生枝节组成，所述的高频寄生枝节加载于直接馈电枝节之上，该天线仅仅采用三个辐射枝节，且将三个辐射枝节加载在第二介质基板中间，同时采用印刷PCB版结构形式，克服了现有技术中天线横向尺寸大的技术问题，将双频WIFI天线与4G天线组合在一起，节约鲨鱼鳍式外壳内部空间，使得天线结构尺寸小，整体结构简单易于加工。
2、本发明的双频WIFI天线由第一介质基板、第一馈电端口、低频辐射枝节、高频辐射枝节组成，所述的低频辐射枝节和高频辐射枝节分别呈梯形结构和阶梯型渐变结构，克服了现有技术中天线工作频带窄的技术问题，该天线采用双枝节的单极子模式来覆盖2.4-2.5GHz/5.15-5.85GHz频段；对于4G天线，利用其基础辐射模式和高次辐射模式来覆盖698-960MHz/1710-2690MHz频段。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为双频WIFI天线的结构示意图；
图3为4G天线的结构示意图；
图4为双频WIFI天线的S11曲线图；
图5为双频WIFI天线的辐射效率曲线图；
图6为双频WIFI天线的增益曲线图；
图7为双频WIFI天线在2.45GHz、5.15GHz、5.85GHz三个频点处在水平面的辐射方向图；
图8为双频WIFI天线在2.45GHz、5.15GHz、5.5GHz三个频点处在垂直面的辐射方向图；
图9为4G天线的S11曲线图；
图10为4G天线的辐射效率曲线图；
图11为4G天线的增益曲线图；
图12为4G天线在0.7GHz、0.96GHz、1.7GHz、2.55GHz四个频点处在水平面的辐射方向图；
图13为4G天线在0.7GHz、0.96GHz、1.7GHz、2.55GHz四个频点处在垂直面的辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述
实施例1
参照图1、图2和图3
一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，包括双频WIFI天线1、4G天线2、天线底座3、鲨鱼鳍式外壳4，其特征在于：
所述的双频WIFI天线1由第一介质基板11、第一馈电端口12、低频辐射枝节13、高频辐射枝节14组成，所述的低频辐射枝节13和高频辐射枝节14分别呈梯形结构和阶梯型渐变结构；所述的4G天线2由第二介质基板21、第二馈电端口22、直接馈电枝节23、接地耦合枝节24和高频寄生枝节25组成，所述的高频寄生枝节25加载于直接馈电枝节23之上，所述的直接馈电枝节23、接地耦合枝节24和高频寄生枝节25设置在第二介质基板的中间位置，所述的接地耦合枝节24与天线底座3相连；所述的双频WIFI天线1和4G天线2构成组合天线。
本发明的双频WIFI天线1以及4G天线2均印刷在介质板上。所述的双频WIFI天线1，采用双枝节的单极子模式，通过优化低频辐射枝节13的长度及宽度来调节WIFI天线在低频的阻抗匹配，通过优化高频辐射枝节14的长度及宽度来调节WIFI天线在高频的阻抗匹配，此外通过将高频辐射枝节14采用阶梯型渐变结构设计，以进一步在高频产生较宽的工作频带；所述的4G天线2，通过直接馈电枝节23以及接地耦合枝节24的基础辐射模式来覆盖4G天线2的低频，通过直接馈电枝节23以及接地耦合枝节24的高次辐射模式来覆盖4G天线的部分高频，此外为进一步扩展高频带宽，在直接馈电枝节23的上方加载高频寄生枝节25，并在高频寄生枝节25上加载凸起结构用以改善高频的阻抗匹配，最终，所提出的4G天线2其-7.5dB阻抗带宽可覆盖698-960MHz以及1710-2690MHz。
所述的低频辐射枝节13的长度表示为L13，所述的高频辐射枝节14的长度表示为L14，其中，L13的取值范围为15～30mm，L14的取值范围为5～25mm。本发明中的L13优选为23mm，L14优选为18mm。
所述第一介质基板11的长度表示为L11，宽度表示为W11，厚度表示为H11，其中，L11的取值范围为25～35mm，W11的取值范围为8～25mm，H11的取值范围为0.5～3mm。本发明中的L11优选为30mm，W11优选为17mm，H11优选为2mm。
所述的直接馈电枝节23的总长度表示为L23，接地耦合枝节24的总长度表示为L24，高频寄生枝节25的总长度为L25，其中，L23的取值范围为40～80mm，L24的取值范围为60～100mm，L25的取值范围为20～50mm。本发明中的L23优选为65mm，L24优选为82mm，L25优选为41mm。
所述的高频寄生枝节25设有凸起结构，该凸起结构的个数表示为N，其中，N的取值范围为1～5。本发明中的N优选为3。
所述的第二介质基板21的长度表示为L21，宽度表示为W21，厚度表示为H21，其中L21的取值范围为40～60mm，W21的取值范围为10～35mm，H21的取值范围为1～6mm。本发明中的L21优选为55mm，W21优选为25mm，H21优选为4mm。
实施例2：
所述的低频辐射枝节13的长度表示为L13，所述的高频辐射枝节14的长度表示为L14，其中，L13的取值范围为15～30mm，L14的取值范围为5～25mm。本发明中的L13为15mm，L14为5mm。
所述第一介质基板11的长度表示为L11，宽度表示为W11，厚度表示为H11，其中，L11的取值范围为25～35mm，W11的取值范围为8～25mm，H11的取值范围为0.5～3mm。本发明中的L11为25mm，W11为8mm，H11为0.5mm。
所述的直接馈电枝节23的总长度表示为L23，接地耦合枝节24的总长度表示为L24，高频寄生枝节25的总长度为L25，其中，L23的取值范围为40～80mm，L24的取值范围为60～100mm，L25的取值范围为20～50mm。本发明中的L23为40mm，L24为60mm，L25为20mm。
所述的高频寄生枝节25设有凸起结构，该凸起结构的个数表示为N，其中，N的取值范围为1～5。本发明中的N为1。
所述的第二介质基板21的长度表示为L21，宽度表示为W21，厚度表示为H21，其中，L21的取值范围为40～60mm，W21的取值范围为10～35mm，H21的取值范围为1～6mm。本发明中的L21为40mm，W21为10mm，H21为1mm。
实施例3：
所述的低频辐射枝节13的长度表示为L13，所述的高频辐射枝节14的长度表示为L14，其中，L13的取值范围为15～30mm，L14的取值范围为5～25mm。本发明中的L13为30mm，L14为25mm。
所述第一介质基板11的长度表示为L11，宽度表示为W11，厚度表示为H11，其中，L11的取值范围为25～35mm，W11的取值范围为8～25mm，H11的取值范围为0.5～3mm。本发明中的L11为35mm，W11为25mm，H11为3mm。
所述的直接馈电枝节23的总长度表示为L23，接地耦合枝节24的总长度表示为L24，高频寄生枝节25的总长度为L25，其中，L23的取值范围为40～80mm，L24的取值范围为60～100mm，L25的取值范围为20～50mm。本发明中的L23为80mm，L24为100mm，L25为50mm。
所述的高频寄生枝节25设有凸起结构，该凸起结构的个数表示为N，其中，N的取值范围为1～5。本发明中的N为5。
所述的第二介质基板21的长度表示为L21，宽度表示为W21，厚度表示为H21，其中，L21的取值范围为40～60mm，W21的取值范围为10～35mm，H21的取值范围为1～6mm。本发明中的L21为60mm，W21为35mm，H21为6mm。
以下结合仿真实验对本发明的效果作进一步的详细描述
参照图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13
1、仿真条件：
本发明的仿真实验是利用商业电磁仿真软件HFSS_17.0进行建模仿真。
2、仿真内容
对本发明的S参数、增益、效率和辐射方向图进行仿真计算。
图4为双频WIFI天线的S11曲线图，图中所示横轴表示频率，单位GHz，纵轴为S11，单位为dB，所示阴影部分为双频WIFI天线的工作频段(2.4-2.5GHz/5.15-5.85GHz)；
图5为双频WIFI天线的辐射效率示意图，图中所示横轴表示频率，单位为GHz，纵轴为辐射效率，无单位,所示阴影部分为双频WIFI天线的工作频段(2.4-2.5GHz/5.15-5.85GHz)；
图6为双频WIFI天线的增益示意图，图中所示横轴表示频率，单位为GHz，纵轴为增益，单位为dBi，所示阴影部分为双频WIFI天线的工作频段(2.4-2.5GHz/5.15-5.85GHz)；
图7为双频WIFI天线在2.45GHz、5.15GHz、5.85GHz三个频点处在水平面的辐射方向图，图中左边标尺为增益值，代表极坐标中各虚线的增益大小，单位为dB，圆图刻度为theta值，单位为度；
图8为双频WIFI天线在2.45GHz、5.15GHz、5.5GHz三个频点处在垂直面的辐射方向图，图中左边标尺为增益值，代表极坐标中各虚线的增益大小，单位为dB，圆图刻度为theta值，单位为度；
图9为4G天线的S11曲线图，图中所示横轴表示频率，单位为GHz，纵轴为S11，单位为dB，所示阴影部分为4G天线的工作频段(0.698-0.96GHz/1.71-2.69GHz)；
图10为4G天线的辐射效率示意图，图中所示横轴表示频率，单位为GHz，纵轴为辐射效率，无单位,所示阴影部分为4G天线的工作频段(0.698-0.96GHz/1.71-2.69GHz)；
图11为4G天线的增益示意图，图中所示横轴表示频率，单位为GHz，纵轴为增益，单位为dBi，所示阴影部分为4G天线的工作频段(0.698-0.96GHz/1.71-2.69GHz)；
图12为4G天线在0.7GHz、0.96GHz、1.7GHz、2.55GHz四个频点处在水平面的辐射方向图，图中左边标尺为增益值，代表极坐标中各虚线的增益大小，单位为dB，圆图刻度为theta值，单位为度；
图13为4G天线在0.7GHz、0.96GHz、1.7GHz、2.55GHz四个频点处在垂直面的辐射方向图，图中左边标尺为增益值，代表极坐标中各虚线的增益大小，单位为dB，圆图刻度为theta值，单位为度。
3、仿真结果分析
从图4可知，本发明中的双频WIFI天线具有较好的阻抗带宽，其-10dB阻抗带宽在低频可覆盖2400-2500MHz，在高频可覆盖5.15-5.85GHz。
从图5可知，本发明中的双频WIFI天线在低频的辐射效率在95％以上，在高频的效率在76％～89％之间，具有较高的辐射效率。
从图6可知，本发明中的双频WIFI天线在低频的增益在8dBi以上，在高频的增益在8～10.5dBi之间，具有较高的增益。
从图7可知，本发明中的双频WIFI天线在工作频段内，其方向图在水平面具有良好的全向性。
从图8可知，本发明中的双频WIFI天线在工作频段内，其方向图在垂直面稳定，且后瓣较小。
从图9可知，本发明中的4G天线具有较好的阻抗带宽，其驻波小于2.5的带宽在低频可覆盖698-960MHz，在高频可覆盖1.71-2.69GHz。
从图10可知，本发明中的4G天线在低频的辐射效率在75～92％之间，在高频的效率在33％～80％之间。
从图11可知，本发明中的4G天线在低频的增益在2～5dBi之间，在高频的增益在0.8～6dBi之间。
从图12可知，本发明中的4G天线在工作频段内，其方向图在水平面具有良好的全向性。
从图13可知，本发明中的4G天线在工作频段内，其方向图在垂直面稳定，且后瓣较小。
以上仿真结果说明，本发明的组合天线在所工作的整个频段内具有良好的匹配特性和辐射特性，同时与现有车载天线相比，具有更小的结构尺寸和更宽的工作频带。
以上描述与实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，包括双频WIFI天线(1)、4G天线(2)、天线底座(3)、鲨鱼鳍式外壳(4)，其特征在于：
所述的双频WIFI天线(1)由第一介质基板(11)、第一馈电端口(12)、低频辐射枝节(13)、高频辐射枝节(14)组成，所述的低频辐射枝节(13)和高频辐射枝节(14)分别呈梯形结构和阶梯型渐变结构；所述的4G天线(2)由第二介质基板(21)、第二馈电端口(22)、直接馈电枝节(23)、接地耦合枝节(24)和高频寄生枝节(25)组成，所述的高频寄生枝节(25)加载于直接馈电枝节(23)之上，所述的直接馈电枝节(23)、接地耦合枝节(24)和高频寄生枝节(25)设置在第二介质基板的中间位置，所述的接地耦合枝节(24)与天线底座(3)相连，所述的直接馈电枝节(23)以及接地耦合枝节(24)的基础辐射模式共同覆盖4G天线(2)的低频，所述的直接馈电枝节(23)以及接地耦合枝节(24)的高次辐射模式共同覆盖4G天线(2)的部分高频，所述的高频寄生枝节(25)可进一步扩展高频带宽；所述的双频WIFI天线(1)和4G天线(2)构成组合天线。
2.根据权利要求1所述的紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，其特征在于，所述的低频辐射枝节(13)的长度表示为L13，所述的高频辐射枝节(14)的长度表示为L14，其中，L13的取值范围为15～30mm，L14的取值范围为5～25mm。
3.根据权利要求1所述的紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，其特征在于，所述第一介质基板(11)的长度表示为L11，宽度表示为W11，厚度表示为H11，其中，L11的取值范围为25～35mm，W11的取值范围为8～25mm，H11的取值范围为0.5～3mm。
4.根据权利要求1所述的紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，其特征在于，所述的直接馈电枝节(23)的总长度表示为L23，接地耦合枝节(24)的总长度表示为L24，高频寄生枝节(25)的总长度为L25，其中，L23的取值范围为40～80mm，L24的取值范围为60～100mm，L25的取值范围为20～50mm。
5.根据权利要求1所述的紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，其特征在于，所述的高频寄生枝节(25)设有凸起结构，该凸起结构的个数表示为N，其中，N的取值范围为1～5。
6.根据权利要求1所述的紧凑型宽带鲨鱼鳍式车载组合天线，其特征在于，所述的第二介质基板(21)的长度表示为L21，宽度表示为W21，厚度表示为H21，其中，L21的取值范围为40～60mm，W21的取值范围为10～35mm，H21的取值范围为1～6mm。
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