CN111416199A - 一种多频段车载通信天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频段车载通信天线，包括金属微带天线、介质基片、金属接地板；所述介质基片的一面附上所述的金属微带天线；所述介质基板设置在所述金属接地板上，在所述的金属接地板的底部设有馈电线端口；所述的金属微带天线用于产生824‑960MHz的工作频段，在所述金属微带天线上设有矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生更多的谐振模式，满足全频段824‑960MHz、1710‑2690MHz、3300‑5000MHz的通信要求。本发明所设计出来的多频段车载通信天线具有尺寸较小、辐射效率高、增益高等特点，对于现有技术，克服了大尺寸、辐射增益低的特点。本发明技术路线首先通过设计一个工作于824‑960MHz印刷单极子天线，然后通过创新性的进行结构性切割镂空，引入多谐振模式，使得设计出来的天线满足所有的工作频段。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信天线技术领域，更具体的，涉及一种多频段车载通信天线。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，人们对汽车的无线通信系统设备要求越来越高，对用于无线通信天线来说，覆盖所有的通信频段、高性能辐射性能，已成为研究的重中之重。
如今，移动通信频段主要包含了：824-960MHz、1710-2690MHz、3300-5000MHz。人们尽可能要求无线通信天线进行小型化设计并保持高性能工作，但是传统的单极子天线由于体积等原因无法集成到汽车上去。现有技术所实现的天线系统绝大部分均是尺寸过大、辐射效率较低、增益较低、频带宽度并不能覆盖2G/3G/4G/5G频段。
目前，大多数研究者均是对印刷式单极子天线进行弯折处理以减小天线的最大尺寸，但是这也同时减小的天线的工作带宽，最明显的是并不能保证覆盖824-960MHz频段，另一个问题就是辐射效率很差，不适合大规模社会推广生产。
发明内容
本发明为了解决现有的印刷式单极子天线不能覆盖824-960MHz频段，同时辐射效率很差，不适合大规模社会推广生产的问题，提供了一种多频段车载通信天线，该通信天线能覆盖2G/3G/4G/5G绝大部分的工作频段，包括824-960MHz、1710-2690MHz、3300-5000MHz，同时其具有尺寸较小、辐射效率高、增益高等特点。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种多频段车载通信天线，包括金属微带天线、介质基片、金属接地板；所述介质基片的一面附上所述的金属微带天线；所述介质基板设置在所述金属接地板上，在所述的金属接地板的底部设有馈电线端口；所述的金属微带天线用于产生824-960MHz的工作频段，在所述金属微带天线上设有矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生更多的谐振模式，满足全频段的通信要求。
优选地，设置所述的矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生1710-2690MHz、3300-5000MHz的工作频段。
进一步地，所述的金属微带天线包括第一微带天线、第二微带天线、金属丝；所述的第一微带天线设置成矩形结构，且位于介质基片的顶部，所述的第二微带天线设置成六边形结构，所述的第一微带天线的一边、第二微带天线的一边通过金属丝连接；所述的矩阵镂空结构设置在第二微带天线上。
再进一步地，所述的矩阵镂空结构包括第一矩形镂空结构、第二矩形镂空结构、第三矩形镂空结构、第四矩形镂空结构、第五矩形镂空结构、第六矩形镂空结构；所述的第五矩形镂空结构设置与金属接地板相互平行，所述第三矩形镂空结构、第四矩形镂空结构、第一矩形镂空结构、第二矩形镂空结构均设置在第五矩形镂空结构的一侧；所述第三矩形镂空结构的一端、第四矩形镂空结构的一端与第五矩形镂空结构连接并接通，且第三矩形镂空结构、第四矩形镂空结构相互水平设置；所述的第一矩形镂空结构的一端与第三矩形镂空结构的另一端连接并接通，且第一矩形镂空结构与第三矩形镂空结构之间存在夹角a1；所述的第二矩形镂空结构的一端与第三矩形镂空结构的另一端连接并接通，且第二矩形镂空结构与第三矩形镂空结构之间存在夹角a2；所述的第六矩形镂空结构位于第五矩形镂空结构的侧边。
再进一步地，所述的金属接地板采用金属铜材质制作而成，其厚度为0.035mm、长度为80mm、宽度为20mm。
再进一步地，所述的介质基板采用FR4基板材料制作而成，其介电常数为4.3，损耗正切角为0.025，介质基片的厚度为1.6mm、长度L0为70.5mm、宽度为32mm；所述的介质基板置于金属接地板3的正中心。
再进一步地，所述的馈电线端口采用50欧姆的同轴线直接馈电，所述的同轴线包括内导体、外导体；所述的内导体与第二微带天线的一边连接，所述的外导体与金属接地板连接。
本发明的有益效果如下：
本发明所设计出来的多频段车载通信天线具有尺寸较小、辐射效率高、增益高等特点，对于现有技术，克服了大尺寸、辐射增益低的特点。本发明技术路线首先通过设计一个工作于824-960MHz印刷单极子天线，然后通过创新性的进行结构性切割镂空，引入多谐振模式，使得设计出来的天线满足所有的工作频段。
附图说明
图1是实施例1多频段车载通信天线的立体结构图。
图2是实施例1多频段车载通信天线的辐射单元图。
图3是实施例1多频段车载通信天线的尺寸标注示意图。
图4是实施例1多频段车载通信天线的驻波比图。
图5是实施例1多频段车载通信天线的实际增益图。
图6是实施例1多频段车载通信天线的效率图。
图7是实施例1多频段车载通信天线在频率850MHz处的辐射方向图。
图8是实施例1多频段车载通信天线在频率2GHz处的辐射方向图。
图9是实施例1多频段车载通信天线在频率2.5GHz处的辐射方向图。
图10是实施例1多频段车载通信天线在频率3.5GHz处的辐射方向图。
图11是实施例1多频段车载通信天线在频率4.5GHz处的辐射方向图。
图12是实施例1多频段车载通信天线在频率5GHz处的辐射方向图。
图中，1-介质基片、2-金属接地板、3-第一微带天线、4-第二微带天线、5-金属丝、6-第二矩形镂空结构、7-第一矩形镂空结构、8-第四矩形镂空结构、9-第三矩形镂空结构、10-第六矩形镂空结构、11-第五矩形镂空结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
在通信天线中，印刷式的微带天线由于其特有的小尺寸、高辐射效率等性能使其成为设计通信天线的首选。因此本实施例提出了一种可用于车载无线通信系统的多频段车载通信天线，主要辐射单元为印刷式的微带金属结构，通过创新性地对微带金属进行开缝，产生更多的谐振工作频率，使该天线结构的工作频段覆盖2G/3G/4G/5G频段。下面结合附图和具体实施例来进一步说明本实施例的技术方案。
如图1、图2所示，一种多频段车载通信天线，包括金属微带天线、介质基片1、金属接地板2；所述介质基片1的一面附上所述的金属微带天线；所述介质基板1设置在所述金属接地板2上，在所述的金属接地板2的底部设有馈电线端口；所述的金属微带天线用于产生824-960MHz的工作频段，在所述金属微带天线上设有矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生更多的谐振模式，实现金属微带天线产生其他的工作频段。
对于通信工作于所需频段的最低频率824-960MHz，我们必须先初步计算所需要的印刷式单极子天线的尺寸大小。根据单极子天线的理论知识可知，印刷式单极子天线的谐振频率计算方法为：
其中c为光速，εr是介质板相对介电常数，L和W分别是单极子天线的长度和宽度。
通过上式可以初步计算得到工作于最低频段824-960MHz的天线长度尺寸，但是对于车载通信系统，要求天线部分必须进行小型化设计并保持高增益、高效率辐射，所以本实施例在保证天线高性能工作的前提下，对介质基片进行弯折处理，实现对金属微带天线进行弯折处理。
在一个具体的实施例中，设置所述的矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生1710-2690MHz、3300-5000MHz的工作频段。
在一个具体的实施例中，如图1、图3所示，所述的金属微带天线包括第一微带天线3、第二微带天线4、金属丝5；所述的第一微带天线3设置成矩形结构，且位于介质基片1的顶部，所述的第二微带天线4设置成六边形结构，所述的第一微带天线3的一边、第二微带天线4的一边通过金属丝5连接；所述的矩阵镂空结构设置在第二微带天线4上。
在一个具体的实施例中，所述的金属接地板2、金属微带天线均采用金属铜材质制作而成，所述的金属接地板2的厚度为0.035mm、长度为80mm、宽度为20mm。所述的介质基板采用FR4基板材料制作而成，其介电常数为4.3，损耗正切角为0.025，该材料成本很低，降低制造成本，易于大批量生产，易于加工；所述的介质基片的厚度为1.6mm、长度L0为70.5mm、宽度为32mm；所述的介质基板1置于金属接地板2的正中心。
在一个具体的实施例中，在对金属微带天线未进行创新性开缝处理时，所述的车载通信天线结构的电性能不能够满足，所以在引入创新性矩阵镂空结构之后，所提出的车载通信天线结构引入多个谐振工作点，在保证小尺寸、高效率的前提下，满足多频段通信天线的工作指标要求。
具体的，所述的矩阵镂空结构包括第一矩形镂空结构7、第二矩形镂空结构6、第三矩形镂空结构9、第四矩形镂空结构8、第五矩形镂空结构11、第六矩形镂空结构10；所述的第五矩形镂空结构11设置与金属接地板2相互平行，所述第三矩形镂空结构9、第四矩形镂空结构8、第一矩形镂空结构7、第二矩形镂空结构6均设置在第五矩形镂空结构11的一侧；所述第三矩形镂空结构9的一端、第四矩形镂空结构8的一端与第五矩形镂空结构11连接并接通，且第三矩形镂空结构9、第四矩形镂空结构8相互水平设置；所述的第一矩形镂空结构7的一端与第三矩形镂空结构9的另一端连接并接通，且第一矩形镂空结构7与第三矩形镂空结构9之间存在夹角a1；所述的第二矩形镂空结构6的一端与第三矩形镂空结构9的另一端连接并接通，且第二矩形镂空结构6与第三矩形镂空结构9之间存在夹角a2；所述的第六矩形镂空结构10位于第五矩形镂空结构11的侧边。
为了达到所有通信频段的要求，进行了创新性的开缝设计，引入多谐振模式，形成多频段宽带天线，满足2G/3G/4G/5G通信频段要求。所述的第一矩形镂空结构7、第二矩形镂空结构6、第三矩形镂空结构9、第四矩形镂空结构8、第五矩形镂空结构11、第六矩形镂空结构10，如图3所示，详细结构参数为：y0＝18.5mm、x0＝2mm、x1＝6mm、x2＝9.5mm、ɑ1＝25o、ɑ2＝40o；所述第五矩形镂空结构11的长度为20mm、宽度为2mm，所述第四矩形镂空结构8的长度为13mm、宽度为2mm；所述第三矩形镂空结构9的长度为25mm、宽度为2mm；所述第一矩形镂空结构7的长度为22mm、宽度为1.5mm；所述第二矩形镂空结构6的长度为14mm、宽度为2mm；其中第一矩形镂空结构7由垂直状态旋转角度ɑ1，第二矩形镂空结构由垂直状态旋转角度ɑ2。
在一个具体的实施例中，所述的馈电线端口采用50欧姆的同轴线直接馈电，所述的同轴线包括内导体、外导体；所述的内导体与第二微带天线4的一边连接，具体地，内导体焊接点为图3所示中的AB两点的中点；所述的外导体与金属接地板连接。现有技术主要是采用微带线馈电或者是共面波导馈电，本实施例采用50欧姆的同轴线接头，可直接将天线与通信系统相连，避免了其他馈电结构对天线辐射方向图、辐射效率的影响。
本实施例所设计的多频段车载通信天线所测试的驻波比图如图4所示，可以看到在824-960MHz频段，驻波比均低于4dB，而对于高频段1710-2690MHz、3300-5000MHz。其驻波比更是可以低于2.5dB，相当于射频信号绝大部分能量均从50欧姆同轴线传输到天线中去，且可以看到在高频段，本实施例所述的车载通信天线所实现的驻波比指标涵盖了1.5GHz到5GHz，实现了宽频带工作性能，满足通信频段要求。本实施例所述的多频段车载通信天线所实现的增益性能如图5所示，可以看到天线的最大实际增益高达6.4dBi，保证了高增益辐射性能，所设计的天线的辐射效率如图6所示，可以看到在所需的通信频段内除了一个极小点低于65％，其余频段的辐射效率均高于65％，保证了高辐射效率。
对本实施例所提出的车载通信天线进行电磁仿真软件CST分析，并给出了天线辐射方向图，图7-12显示了该天线在六个频点(850MHz、2GHz、2.5GHz、3.5GHz、4.5GHz、5GHz)处的辐射方向图，可以看到天线的仿真结果较为符合全向辐射的性能，可用于车载多频段通信系统。
本实施例所述的多频段车载通信天线具有的性能优点如下：
(1)尺寸较小：总体长度仅70mm，尺寸较小使得可以集成该天线在车载通信系统中去。
(2)本实施例直接采用50欧姆同轴线馈电，不需要阻抗匹配网络，结构紧凑简单，易于组装。
(3)本实施例所述的车载通信天线覆盖了2G/3G/4G/5G的工作频段，包括824-960MHz、1710-2690MHz、3300-5000MHz，在频带内的驻波比均低于4dB。
(4)本实施例采用的介质基板为普通的FR4，介电常数为4.3，材料成本低，可以进行大规模社会生产。
(5)本实施例所设计的多频段车载通信天线的辐射效率高，在全部工作频段内均高于65％。
(6)本实施例所设计的多频段车载通信天线的增益高，频段内最大增益为6.4dBi，均高于现有技术所实现的增益大小。
(7)本实施例通过创新性的引入多个辐射镂空结构，从而引入多个高频工作谐振点，满足工作频段要求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多频段车载通信天线，其特征在于：包括金属微带天线、介质基片、金属接地板；所述介质基片的一面附上所述的金属微带天线；所述介质基板设置在所述金属接地板上，在所述的金属接地板的底部设有馈电线端口；所述的金属微带天线用于产生824-960MHz的工作频段，在所述金属微带天线上设有矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生谐振模式，实现金属微带天线产生其他的工作频段。
2.根据权利要求1所述的多频段车载通信天线，其特征在于：设置所述的矩阵镂空结构，使得金属微带天线产生谐振模式，实现金属微带天线产生1710-2690MHz、3300-5000MHz的工作频段。
3.根据权利要求2所述的多频段车载通信天线，其特征在于：所述的金属微带天线包括第一微带天线、第二微带天线、金属丝；所述的第一微带天线设置成矩形结构，且位于介质基片的顶部，所述的第二微带天线设置成六边形结构，所述的第一微带天线的一边、第二微带天线的一边通过金属丝连接；所述的矩阵镂空结构设置在第二微带天线上。
4.根据权利要求3所述的多频段车载通信天线，其特征在于：所述的矩阵镂空结构包括第一矩形镂空结构、第二矩形镂空结构、第三矩形镂空结构、第四矩形镂空结构、第五矩形镂空结构、第六矩形镂空结构；所述的第五矩形镂空结构设置与金属接地板相互平行，所述第三矩形镂空结构、第四矩形镂空结构、第一矩形镂空结构、第二矩形镂空结构均设置在第五矩形镂空结构的一侧；所述第三矩形镂空结构的一端、第四矩形镂空结构的一端与第五矩形镂空结构连接并接通，且第三矩形镂空结构、第四矩形镂空结构相互水平设置；所述的第一矩形镂空结构的一端与第三矩形镂空结构的另一端连接并接通，且第一矩形镂空结构与第三矩形镂空结构之间存在夹角a1；所述的第二矩形镂空结构的一端与第三矩形镂空结构的另一端连接并接通，且第二矩形镂空结构与第三矩形镂空结构之间存在夹角a2；所述的第六矩形镂空结构位于第五矩形镂空结构的侧边。
5.根据权利要求4所述的多频段车载通信天线，其特征在于：所述的金属接地板采用金属铜材质制作而成，其厚度为0.035mm、长度为80mm、宽度为20mm。
6.根据权利要求5所述的多频段车载通信天线，其特征在于：所述的介质基板采用FR4基板材料制作而成，其介电常数为4.3，损耗正切角为0.025，介质基片的厚度为1.6mm、长度L0为70.5mm、宽度为32mm；所述的介质基板置于金属接地板3的正中心。
7.根据权利要求6所述的多频段车载通信天线，其特征在于：所述的馈电线端口采用同轴线直接馈电，所述的同轴线包括内导体、外导体；所述的内导体与第二微带天线的一边连接，所述的外导体与金属接地板连接。
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