CN111179450B - 一种天线、路侧单元rsu - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种天线，包括第一介质壳体、第一金属层、第二金属层、第二介质基板和第三金属层，其中，所述第一介质壳体，用于覆盖所述天线；所述第一金属层，印制在所述第一介质壳体的下表面；所述第二金属层，印刷在所述第二介质基板上表面；所述第二介质基板，位于所述第一介质壳体的下方，作为天线的辐射基板；所述第三金属层，印制在所述第二介质基板下表面，用作天线的辐射地板；所述第二介质基板平行位于所述第一介质壳体下面，两者之间设置有空气层，且所述空气层位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，采用上述技术方案，解决了路侧单元采用的微带阵列天线形式往往成本高，馈电网络复杂等问题。

Description

一种天线、路侧单元RSU
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种天线、路侧单元RSU。
背景技术
近年来，电子信息技术的快速发展推动了智能交通技术不断的更新换代，其中具有代表性是电子不停车收费(Electronic Toll Collection，ETC)系统。该系统通过安装于车辆前挡风玻璃上的车载电子标签(On Board Unit，OBU)和安装于高速收费站点ETC车道上的路侧单元(Road-Side Unit，RSU)之间的专用短程无线通信，实现高速、停车场等出入口车辆的不停车自动收费，提高了收费效率，有效缓解了车辆密集场合的交通拥堵问题，并逐渐取代人工收费，成为未来高速收费的主流方式。
目前，为了合理的控制ETC收费车道的交易区域，减小相邻车道之间的干扰，路侧单元往往采用微带阵列天线形式，通过多个天线单元在空间形成能量叠加，实现天线的高增益窄波束覆盖，从而实现对于交易区域的控制。同时通过对每个天线单元进行幅度加权，从而实现天线的低副瓣设计，从而解决相邻车道干扰问题。这种主流的技术方案具有波束控制灵活的优势，但是也存在一定的缺陷。(1)馈电网络复杂。对于这种幅度加权形式的微带阵列天线，往往需要不等功分的馈电网络，或串联馈电，或并联馈电。串联馈电的方式工作带宽往往较窄，设计流程繁琐。而并联馈电虽然带宽较宽，但是占用面积较大，经济费用更高。(2)对于板材参数依赖严重，一经更换板材，则需把设计流程重新进行一遍，耗时耗力。同时，为了实现较高的增益，RSU所采用的板材往往为高性能的微波射频板材，费用较高。虽然也有使用诸如FR-4等费用较低的板材，但是其不同批次板材特性会有所差别，从而造成设计参数的偏移，调试工作繁杂耗时，或者采用FR-4板材进行更复杂的设计，诸如叠层设计、耦合设计等，以提升整体性能，这往往又需耗费更多时间与经济成本。
针对相关技术中，路侧单元采用的微带阵列天线形式往往成本高，馈电网络复杂等问题，尚未提出有效的技术方案。
发明内容
本发明实施例提供了涉及一种天线、路侧单元RSU，以至少解决相关技术中，路侧单元采用的微带阵列天线形式往往成本高，馈电网络复杂等问题。
根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，包括：第一介质壳体、第一金属层、第二金属层、第二介质基板和第三金属层，其中，第一介质壳体用于覆盖天线；第一金属层印制在第一介质壳体的下表面；第二金属层印刷在第二介质基板上表面；第二介质基板位于第一介质壳体的下方，作为天线的辐射基板；第三金属层印制在第二介质基板下表面，用作天线的辐射地板；第二介质基板平行位于第一介质壳体下面，两者之间设置有空气层，且空气层位于第一金属层和第二金属层之间。
在本发明实施例中，所述空气层是可调的，且可调宽度在2～50mm之间。
在本发明实施例中，所述第一金属层，采用的是非规则的相似元的周期排布方式。
在本发明实施例中，每个相似元具有4个矩形槽。
在本发明实施例中，所述第三金属层，用于辐射圆极化电磁波。
在本发明实施例中，所述第二金属层为刻蚀的金属辐射贴片及馈线。
在本发明实施例中，所述第二金属层刻蚀的金属辐射贴片为三角型切角形式，并被刻蚀的馈线环绕。
在本发明实施例中，所述第二金属层的刻蚀的馈线对刻蚀的金属辐射贴片进行正交90°垂直馈电。
在本发明实施例中，所述第二金属层包括：功分器与方形贴片，其中，所述功分器采用了两级阻抗变换，并通过环绕的方式与方形贴片相连。
根据本发明的另一个实施例，还提供了一种路侧单元RSU，包括以上任一项所述的天线。
通过本发明，提供了一种天线，包括：第一介质壳体、第一金属层、第二金属层、第二介质基板和第三金属层，其中，所述第一介质壳体，用于覆盖所述天线；所述第一金属层，印制在所述第一介质壳体的下表面；所述第二金属层，印刷在所述第二介质基板上表面；所述第二介质基板，位于所述第一介质壳体的下方，作为天线的辐射基板；所述第三金属层，印制在所述第二介质基板下表面，用作天线的辐射地板；所述第二介质基板平行位于所述第一介质壳体下面，两者之间设置有空气层，且所述空气层位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，采用上述技术方案，解决了路侧单元采用的微带阵列天线形式往往成本高，馈电网络复杂等问题，进而省略了复杂的馈电网络设计，设计流程更加快捷便利，天线的整体性能控制灵活，只需简单的调整覆盖层与天线单元的间距，实现对于天线增益的灵活控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为根据本发明实施例的一种天线的结构框图；
图2为根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线的立体结构图；
图3为根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线的分层结构图；
图4是根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线的覆盖层金属图案示意图；
图5是根据本发明可选实施例的天线的辐射馈源示意图；
图6是根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线的回波损耗特性S11曲线图；
图7是根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线在5.79GHz频点处的方向图；
图8是根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线在5.8GHz频点处的方向图；
图9是根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线在5.83GHz频点处的方向图；
图10是根据本发明可选实施例的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线在5.84GHz频点处的方向图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明的一个实施例，提供了一种天线，图1为根据本发明实施例的一种天线的结构框图，如图1所示，包括：
第一介质壳体10、第一金属层12、第二金属层14、第二介质基板16和第三金属层18，
其中，所述第一介质壳体10，用于覆盖所述天线；所述第一金属层12，印制在所述第一介质壳体的下表面；所述第二金属层14，印刷在所述第二介质基板上表面；所述第二介质基板16，位于所述第一介质壳体的下方，作为天线的辐射基板；所述第三金属层18，印制在所述第二介质基板下表面，用作天线的辐射地板；所述第二介质基板16平行位于所述第一介质壳体10下面，两者之间设置有空气层，且所述空气层位于所述第一金属层12和所述第二金属层14之间。
通过本发明，提供了一种天线，包括：第一介质壳体、第一金属层、第二金属层、第二介质基板和第三金属层，其中，所述第一介质壳体，用于覆盖所述天线；所述第一金属层，印制在所述第一介质壳体的下表面；所述第二金属层，印刷在所述第二介质基板上表面；所述第二介质基板，位于所述第一介质壳体的下方，作为天线的辐射基板；所述第三金属层，印制在所述第二介质基板下表面，用作天线的辐射地板；所述第二介质基板平行位于所述第一介质壳体下面，两者之间设置有空气层，且所述空气层位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，采用上述技术方案，解决了路侧单元采用的微带阵列天线形式往往成本高，馈电网络复杂等问题，进而省略了复杂的馈电网络设计，设计流程更加快捷便利，天线的整体性能控制灵活，只需简单的调整覆盖层与天线单元的间距，实现对于天线增益的灵活控制。
需要说明的是，第一介质壳体其下表面为平面结构与附着于第一介质壳体下表面的第一金属层共同形成该天线的覆盖层，同时，第一介质壳体也作为整个RSU结构的外壳体，其外侧表面可以制作加工为弧形，以改善整个结构的强度。
在本发明实施例中，所述空气层是可调的，且可调宽度在2～50mm之间，通过调节空气层来改变第一介质壳体与第二介质基板之间的距离，进一步的改变天线谐振腔体的谐振特性，控制谐振的强弱，从而实现对于天线增益和增益带宽的控制。
在本发明实施例中，所述第一金属层，采用的是非规则的相似元的周期排布方式。通过非规则的相似元的周期排布方式，从而改变天线对电磁波的反射与透射的特性，进一步通过不同的图案形式及不同的延拓周期，对于天线的增益及副瓣特性进行决定性的作用确定。
在本发明实施例中，每个相似元具有4个矩形槽。
在本发明实施例中，所述第三金属层，用于辐射圆极化电磁波。
在本发明实施例中，所述第二金属层为刻蚀的金属辐射贴片及馈线。
在本发明实施例中，所述第二金属层刻蚀的金属辐射贴片为三角型切角形式，并被刻蚀的馈线环绕。
在本发明实施例中，所述第二金属层的刻蚀的馈线对刻蚀的金属辐射贴片进行正交90°垂直馈电。
在本发明实施例中，所述第二金属层包括：功分器与方形贴片，其中，所述功分器采用了两级阻抗变换，并通过环绕的方式与方形贴片相连，通过刻蚀的馈线环绕与金属辐射贴片相连，形成紧凑形式的双馈圆极化微带天线，进而通过第二金属层特性决定了整个天线的工作频带及极化方式。
以下结合一示例对上述的天线的技术方案进行解释说明，但不用于限定本发明实施例的技术方案。
本发明实施例提供了一种低成本高增益低副瓣圆极化天线，其立体结构如图2所示，分层结构如图3所示，包括：第一介质壳体101(相当于上述实施例的第一介质壳体10)、第一金属层201(相当于上述实施例的第一金属层12)、第二金属层301(相当于上述实施例的第二金属层14)、第二介质基板401(相当于上述实施例的第二介质基板16)和第三金属层501(相当于上述实施例的第三金属层18)，其中：
第一介质壳体101，其下表面为平面结构，与附着于其下表面的第一金属层201共同形成该天线的覆盖层，同时，第一介质壳体101也作为整个RSU结构的外壳体，其外侧表面可以制作加工为弧形，以改善整个结构的强度。在本实施例中，第一介质壳体101采用ABS和PC的混合材料，厚度2mm。
第一金属层201覆着于第一介质壳体101的下表面，采用相似元延X、Y方向周期拓展形成，对电磁波具有反射与透射特性。不同的图案形式及不同的延拓周期，对于天线的增益及副瓣特性具有决定性作用，本实施例中采用了方形加矩形切角的相似元形式，如图4所示，一种低成本高增益低副瓣圆极化天线的覆盖层金属图案示意图，尺寸为11mm，并旋转对称的附加4个长3.5mm，宽2mm的矩形槽，以15mm作为延拓周期，沿X、Y两个垂直方向进行等数量的周期延拓。
如图5为天线的辐射馈源示意图，第二金属层301作为该天线的辐射馈源，包括一个具有切角形式的方形贴片3011和一个1分2且具有90°相位差的威尔金森功分器3012，在本实施例中，方形贴片宽度为15.2mm，三角形切角宽度为0.7mm。功分器3012的总馈电口阻抗为50Ω，通过威尔金森功分器进行等功分功率分配，两路输出阻抗为50Ω，并且具有90°的相位差，为了与方形贴片3011进行匹配，采用了两级阻抗变换，并通过环绕的方式与方形贴片3011相连，形成紧凑形式的双馈圆极化微带天线。第二金属层301的特性决定了整个天线的工作频带及极化方式。
第二介质基板401设置在第二金属层的下面，用于第二金属层301和第三金属层501的附着材质，其材质性能决定了天线的辐射特性，在本次实施例中，选用了FR-4材料作为介质基板，以降低材料成本。
第三金属层501作为整个天线结构的地板，与第二金属层301和第二介质基板401共同构成微带天线，同时与第一介质壳体101和第二金属层201共同构成谐振结构，提升天线增益。
实际应用中，第一介质壳体101与第二介质层301之间具有空气层，高度可调，通过空气层调整两者之间的距离，可以调节第一介质壳体101、第一金属层201和第三金属层501构成的谐振腔体的谐振特性，控制谐振的强弱，从而实现对于天线增益和增益带宽的控制。在本次实施例中，空气层厚度选为25mm，为工作频率5.8GHz的半个波长高度。
根据本发明的另一个实施例，还提供了一种路侧单元RSU，包括以上任一项所述的天线。
图6是本发明实施例提供的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线的回波损耗特性S11曲线图。从图中可以看出，天线的工作带宽覆盖5GHz～6.75GHz频带范围，即S11＜-10dB，完全满足RSU的工作频段要求。
图7至图10是本发明实施例提供的一种低成本高增益低副瓣圆极化天线在5.79GHz、5.8GHz、5.83GHz和5.84GH在频点处的方向图。从图中可以看出，天线的右旋圆极化增益为16dB，远远超出圆极化微带天线单元的增益，副瓣电平低于19.2dB，具有低副瓣特性，交叉极化大于20dB，具有良好的极化隔离度。该天线的辐射性能与常规16单元微带阵列天线的辐射性能相当，但该天线无馈电网络，设计更为简洁。
另一方面，本发明实施例还提供了一种路侧单元，该路侧单元内部包括上文所述的一种低成本高增益低副瓣圆极化微带天线，并且采用第一介质壳体101作为路侧单元的外壳体。由于该路侧单元采用上述低成本高增益低副瓣微带圆极化天线制成，因而可以解决同样的技术问题，并取得相同的技术效果，在此不再一一赘述。
综上所述，本发明实施例通过采用单元加覆盖层的形式，突破了传统RSU天线广泛采用微带阵列天线的设计思路。将覆盖层与RSU外壳体合二为一，实现天线结构-功能的一体化设计，有利于降低RSU设备成本。馈源采用单天线形式，相比于传统的微带阵列天线形式，圆极化天线单元设计更为简单、通用，省略了复杂的馈电网络设计，设计流程更加快捷便利。天线的整体性能控制灵活，只需简单的调整覆盖层与天线单元的间距，便可实现对于天线增益的灵活控制。
可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，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 (7)

1.一种天线，其特征在于，包括：第一介质壳体、第一金属层、第二金属层、第二介质基板和第三金属层，其中，
所述第一介质壳体，用于覆盖所述天线，所述第一介质壳体的外侧表面为弧形，所述第一介质壳体的下表面为平面结构，与附着于所述第一介质壳体的下表面的第一金属层共同形成所述天线的覆盖层；
所述第一金属层，印制在所述第一介质壳体的下表面；
所述第二金属层，印刷在所述第二介质基板上表面；
所述第二介质基板，位于所述第一介质壳体的下方，作为天线的辐射基板；
所述第三金属层，印制在所述第二介质基板下表面，用作天线的辐射地板；
所述第二介质基板平行位于所述第一介质壳体下面，两者之间设置有空气层，且所述空气层位于所述第一金属层和所述第二金属层之间；
其中，所述第一金属层为周期排布的非规则相似元结构，所述第二金属层为一个馈源结构；其中，每个相似元具有4个矩形槽；
其中，所述第二金属层包括：功分器与方形贴片，其中，所述功分器采用了两级阻抗变换，并通过环绕的方式与方形贴片相连。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述空气层是可调的，且可调宽度在2~50mm之间。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第三金属层，用于辐射圆极化电磁波。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二金属层为刻蚀的金属辐射贴片及馈线。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第二金属层刻蚀的金属辐射贴片为三角型切角形式，并被刻蚀的馈线环绕。
6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第二金属层的刻蚀的馈线对刻蚀的金属辐射贴片进行正交90°垂直馈电。
7.一种路侧单元RSU，其特征在于，包括：权利要求1至6中任一项所述的天线。
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