CN110611153B - 一种超材料及车载天线系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种超材料及车载天线系统，超材料包括介质基板、Hilbert结构、第一谐振柱和第二谐振柱；所述第一谐振柱和所述第二谐振柱平行设置在所述介质基板的第一表面；所述Hilbert结构设置在所述介质基板的第一表面，且位于所述第一谐振柱和第二谐振柱之间。将超材料设置在车载天线之间能够吸收电磁波，降低车载天线之间互扰，降低了车载天线之间的耦合影响，提高了车载天线之间的隔离度。

Description

一种超材料及车载天线系统
技术领域
本发明涉及车辆领域，更具体地说，涉及一种超材料及车载天线系统。
背景技术
随着无线通信技术的高速发展，车联网应运而生。车联网是使用车辆上的广播天线、GPS天线和车载终端天线等车载天线来发射和接收相关信息，进而实现车与车、车与人、车与路互连互通，并在信息网络平台上进行信息提取、共享和通信。所以车载天线是车联网中必备的器件。为了满足大量的不同功能的信息交互，在车辆上需要安装不同频段的天线，如100M广播天线，GPS天线，wifi天线，GSM天线和LTE天线等。由于车辆上给予天线的空间有限，因此对于车载天线的小型化提出了很高要求。在狭小的空间内布置不同功能和不同频段的天线，必然会导致天线间的耦合增大，影响通信的质量。因此，如何降低车载天线之间耦合影响，提升车载天线之间隔离度是目前亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种超材料及车载天线系统，欲实现降低车载天线之间的耦合影响，提高车载天线之间的隔离度的目的。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种超材料，其特征在于，包括：介质基板、Hilbert结构、第一谐振柱和第二谐振柱；
所述第一谐振柱和所述第二谐振柱平行设置在所述介质基板的第一表面；
所述Hilbert结构设置在所述介质基板的第一表面，且位于所述第一谐振柱和第二谐振柱之间。
一种车载天线系统，在车载天线之间设置上述超材料。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
上述技术方案提供的一种超材料及车载天线系统，超材料包括介质基板、Hilbert结构、第一谐振柱和第二谐振柱；所述第一谐振柱和所述第二谐振柱平行设置在所述介质基板的第一表面；所述Hilbert结构设置在所述介质基板的第一表面，且位于所述第一谐振柱和第二谐振柱之间。将超材料设置在车载天线之间能够吸收电磁波，降低车载天线之间互扰，降低了车载天线之间的耦合影响，提高了车载天线之间的隔离度。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种超材料的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的Hilbert结构的示意图；
图3为本发明实施例提供的第一谐振柱和第二谐振柱的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种车载天线系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的设置超材料前后车载天线之间隔离度的曲线图；
图6为本发明实施例提供超材料结构的瞬态电流分布示意图；
图7为开口谐振环等常见的超材料结构的等效电路图；
图8为本发明实施例提供的一种超材料结构的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种超材料，参见图1所示，包括：介质基板11、Hilbert结构12、第一谐振柱13和第二谐振柱14。
所述第一谐振柱13和所述第二谐振柱14平行设置在所述介质基板11的第一表面A；
所述Hilbert结构12设置在所述介质基板11的第一表面A，且位于所述第一谐振柱13和第二谐振柱14之间。
Hilbert结构12的谐振中心频率fm只在目标频段中心，Hilbert结构12的谐振带宽满足目标频段带宽，才可以起到理想的提高隔离度效果。例如，若车载天线工作频段在2GHz～3GHz之间，则Hilbert结构12的谐振中心频率fm为2.5GHZ，Hilbert结构12的谐振带宽大于等于1GHz，可以提高车载天线之间的隔离度。
Hilbert结构12的谐振中心频率fm公式如下：
fm＝mc/2L
式中fm指谐振中心频率，c为光速，m为该Hilbert结构中电磁波谐振所处的谐振模式，L为曲线总长度。
Hilbert结构12的谐振带宽与第一谐振柱13和第二谐振柱14有关。第一谐振柱13的长度越长和/或宽度越宽，则Hilbert结构12的谐振带宽越大；第二谐振柱14的长度越长和/或宽度越宽，则Hilbert结构12的谐振带宽也越大。
可选的，Hilbert结构12、第一谐振柱13和第二谐振柱14的材料均为金属。具体的，，Hilbert结构12、第一谐振柱13和第二谐振柱14的材料均为铜。
可选的，所述介质基板11的材料为FR-44、所述介质基板11的厚度为1.5mm，所述介质基板11的介电常数为4.4。
可选的，所述Hilbert结构12的曲线线宽为0.5mm，所述Hilbert结构12的曲线总长为134mm。参见图2所示，121表示Hilbert结构12的曲线线宽。
可选的，所述Hilbert结构12的长度的取值范围为30mm～50mm，所述Hilbert结构12的宽度取值范围为20mm～30mm。优选的，所述Hilbert结构12的长度为41mm，所述Hilbert结构12的宽度25.5mm。参见图2所述，122表示Hilbert结构的12的长度，123表示表示Hilbert结构的12的宽度。
可选的，所述第一谐振柱13的长度的取值范围为30mm～50mm，所述第一谐振柱13的宽度的取值范围为2mm～6mm，所述第一谐振柱13距离所述Hilbert结构12的最近距离的取值范围为1mm～3mm。优选的，所述第一谐振柱13的长度为41mm，所述第一谐振柱13的宽度为4mm，所述第一谐振柱13距离所述Hilbert结构12的最近距离为2mm。参见图3所示，131表示第一谐振柱13的长度、132表示第一谐振柱13的宽度、133表示第一谐振柱13距离所述Hilbert结构12的最近距离。
可选的，所述第二谐振柱14的长度的取值范围为30mm～40mm，所述第二谐振柱14的宽度的取值范围为1mm～3mm，所述第二谐振柱14距离所述Hilbert结构12的最近距离的取值范围为1mm～4mm。优选的，所述第二谐振柱14的长度为36m，所述第二谐振柱14的宽度为2mm，所述第二谐振柱14距离所述Hilbert结构12的最近距离为2.5mm。参见图3所示，141表示第二谐振柱14的长度、142表示第二谐振柱14的宽度、143表示第二谐振柱14距离所述Hilbert结构12的最近距离。
本实施例提供一种车载天线系统，参见图4所示，在车载天线15和车载天线16之间设置上述的超材料。超材料和车载天线集成在鲨鱼鳍外壳内部。车载天线包括但不限于FM频段广播天线、GPS天线、WIFI天线和蓝牙天线等。
设置天线介质基板17的材料同介质基板11的材料相同，天线介质基板17和介质基板11的材料均为FR-4、厚度均为1.5mm、以及介电常数均为4.4；Hilbert结构12的曲线线宽为0.5mm、曲线总长为134mm、长度为41mm、宽度25.5mm；第一谐振柱13的长度为41mm、宽度为4mm、距离Hilbert结构12的最近距离为2mm、以及距离右侧的车载天线15的最近距离为6.8mm；第二谐振柱14的长度为36m、宽度为2mm、距离Hilbert结构12的最近距离为2.5mm、以及距离左侧的车载天线16的最近距离为0.4mm。车载天线15和车载天线16工作在0.5GHz-3GHz之内的某频带范围时，这两个车载天线之间的隔离度由部分不足15dB提高到全部到达22dB以上，效果曲线见图5所示，实线表示在车载天线之间没有设置超材料时的隔离度，虚线表示在车载天线之间设置超材料后的隔离度。说明该超材料可以在频段0.5GHz-3GHz内整体上提高车载天线之间的隔离度。
Hilbert结构12、第一谐振柱13以及第二谐振柱14组成的超材料结构，在实验时的瞬态电流分布如图6所示，在Hilbert结构12、第一谐振柱13以及第二谐振柱14上，电流均有分布，即Hilbert结构12、第一谐振柱13以及第二谐振柱14共同实现了去耦功能。
开口谐振环等常见的超材料结构的等效电路如图7所示，等效于两个天线之间相连的RLC谐振电路，调节开口谐振环的结构尺寸，可以改变其等效电路的参数，进而改变工作频率，但是开口谐振环等超材料结构的作用相对带宽不超过20％，作用范围较小。本实施例中Hilbert结构12、第一谐振柱13以及第二谐振柱14组成的超材料结构不同于开口谐振环(SRR)等常见超材料结构，Hilbert结构12的空间利用率相比开口谐振环等超材料结构有较大幅度提升。本实施例中Hilbert结构12、第一谐振柱13以及第二谐振柱14组成的超材料结构的等效电路如图8所示，在Hilbert结构12结构两侧设置谐振柱，可以实现宽带化去耦功能，其作用的相对带宽可以达到120％以上。
图7和图8中，Antenna1和Antenna2均表示天线，L、L’、L11、L12、L21和L22均表示电感，C、C’、C1、C2均表示电容，R、R’均表示电阻。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超材料，其特征在于，包括：介质基板、Hilbert结构、第一谐振柱和第二谐振柱；
所述第一谐振柱和所述第二谐振柱平行设置在所述介质基板的第一表面；
所述Hilbert结构设置在所述介质基板的第一表面，且位于所述第一谐振柱和第二谐振柱之间；
所述Hilbert结构的谐振中心频率fm值在目标频段中心，所述Hilbert结构的谐振带宽满足目标频段带宽，其中，所述Hilbert结构的谐振中心频率fm为车载天线工作频段的中心频率，所述Hilbert结构的谐振带宽大于等于车载天线工作频段带宽；
所述Hilbert结构、所述第一谐振柱以及所述第二谐振柱共同实现去耦功能。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述Hilbert结构的曲线线宽为0.5mm，所述Hilbert结构的曲线总长为134mm。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述介质基板的材料为FR-44、所述介质基板的厚度为1.5mm，所述介质基板的介电常数为4.4。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述Hilbert结构的长度的取值范围为30mm～50mm，所述Hilbert结构的宽度取值范围为20mm～30mm。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述Hilbert结构的长度为41mm，所述Hilbert结构的宽度25.5mm。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一谐振柱的长度的取值范围为30mm～50mm，所述第一谐振柱的宽度的取值范围为2mm～6mm，所述第一谐振柱距离所述Hilbert结构的最近距离的取值范围为1mm～3mm。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述第一谐振柱的长度为41mm，所述第一谐振柱的宽度为4mm，所述第一谐振柱距离所述Hilbert结构的最近距离为2mm。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第二谐振柱的长度的取值范围为30mm～40mm，所述第二谐振柱的宽度的取值范围为1mm～3mm，所述第二谐振柱距离所述Hilbert结构的最近距离的取值范围为1mm～4mm。
9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述第二谐振柱的长度为36m，所述第二谐振柱的宽度为2mm，所述第二谐振柱距离所述Hilbert结构的最近距离为2.5mm。
10.一种车载天线系统，其特征在于，在车载天线之间设置如权利要求1～9任意一项所述的超材料。
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