CN112271440B - 一种双频段多模式低剖面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频段多模式低剖面天线，包括介质基板，介质基板的上表面的中间位置覆盖金属辐射贴片，介质基板的下表面覆盖金属地，金属辐射贴片为近似的六边形形状，金属辐射贴片的边缘周期性排列有凹槽和凸起，金属辐射贴片的中心为馈电点，在馈电点处设置同轴连接器；还包括若干贯穿介质基板的金属柱，金属柱的一端连接金属辐射贴片，金属柱的另一端连接金属地。本发明可以同时工作在两个频段，在较低的频率上实现全向辐射，在较高的频率上实现锥状辐射，从而利用单个天线同时实现车辆与车辆以及车辆与基站之间的通讯。

Description

一种双频段多模式低剖面天线
技术领域
本发明属于车载无线通信领域，特别涉及了一种双频段多模式天线。
背景技术
车联网技术可以通过道路信息和车辆信息进行整合，统筹规划车辆速度、行驶路径，提升车队运行效率。车载天线是安装在车上用于发射和接受高频电磁波并传输给车载装备的无线接受设备，常用于收音机、通信、导航等领域，是车联网通信中的关键部件。随着新一代无线通讯技术的迅猛发展，车辆可以通过无线通讯技术，在车辆运行过程中提供先进的功能服务。一方面来说，车与车之间可以通信，这为保持车与车之间的距离提供了保障；另一方面来说，车辆可以建立与基站的通讯，结合其他车辆连接为通讯网络，提高交通运行效率。
车载天线通常置于车辆的顶部，为了让车辆与车辆之间产生最佳的信号传输，天线应当具有全向的辐射特性，这样无论车辆的相对位置如何，车辆之间都能够具备较好的信号传输特性。室外基站通常架设于较高的位置，为了车辆与基站产生最佳的信号传输效率，需要天线具备锥状的辐射特性。
对于通讯频段来说，因为较低的频率具有较长的波长，衍射能力较强，遮蔽衰弱就会降低，因此在全向辐射时通常选用较低的工作频率，如L波段(1350-1390MHz)或S波段(2200-2507MHz)。锥状辐射相比于全向辐射具有较高的增益，较高的频率定向性更好，因此在实际应用中，天线在无线通讯频段应当具有锥状的辐射特性。如何能够使天线能够同时工作在两个频段，从而使车联网通讯中利用单个天线同时实现车辆与车辆以及车辆与基站之间的通讯。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种双频段多模式低剖面天线，天线可以同时工作在两个频段，在较低的频率上实现全向辐射，在较高的频率上实现锥状辐射。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种双频段多模式低剖面天线，包括介质基板，所述介质基板的上表面的中间位置覆盖金属辐射贴片，介质基板的下表面覆盖金属地，所述金属辐射贴片为近似的六边形形状，金属辐射贴片的边缘周期性排列有凹槽和凸起，金属辐射贴片的中心为馈电点，在馈电点处设置同轴连接器；还包括若干贯穿介质基板的金属柱，所述金属柱的一端连接金属辐射贴片，金属柱的另一端连接金属地；通过设置金属辐射贴片的尺寸参数以及金属柱的位置，使天线具有全向辐射特性的TM01模式和TM02模式以及具有锥状辐射特性的TM21模式。
基于上述技术方案的优选方案，所述介质基板采用聚四氟乙烯PCB板。
基于上述技术方案的优选方案，所述金属辐射贴片和金属地的材质为铜。
基于上述技术方案的优选方案，所述各金属柱位于金属辐射贴片边缘的凸起所在位置。
基于上述技术方案的优选方案，所述TM21模式的辐射频率与所述金属辐射贴片的半径相关，金属辐射贴片的半径越大，TM21模式的辐射频率越低。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明设计的双频段多模式低剖面天线，能够通过不同的三种模式分别在低频实现全向辐射，在高频实现锥状辐射；
(2)本发明设计的双频段多模式低剖面天线，具有低剖面特性；
(3)本发明设计的双频段多模式低剖面天线，其辐射带宽较宽。
附图说明
图1是本实施例提出的双频段多模式低剖面天线结构图；
图2是本实施例中天线俯视图中的各参数的示意图；
图3是本实施例中天线侧视图中的各参数的示意图；
图4是本实施例中天线S11示意图；
图5是本实施例中2.436GHZ下XOZ面归一化的辐射方向图；
图6是本实施例中2.436GHZ下XOY面归一化的辐射方向图；
图7是本实施例中2.646GHZ下XOZ面归一化的辐射方向图；
图8是本实施例中2.646GHZ下XOY面归一化的辐射方向图；
图9是本实施例中3.492GHZ下XOZ面归一化的辐射方向图；
图10是本实施例中3.492GHZ下XOY面归一化的辐射方向图；
图11是本实施例中TM01模式下的电场图；
图12是本实施例中TM02模式下的电场图；
图13是本实施例中TM21模式下的电场图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例提供了一种车与车之间以及车与基站之间两用低剖面车载天线，通过工作于2.436GHz的TM01模式和2.646GHZ的TM02模式在较宽的带宽范围内实现全向辐射，以及工作于3.492GHz的TM21模式实现锥状辐射。
本实施例提出的双频段多模式低剖面天线，如图1所示，包括介质基板，所述介质基板的上表面的中间位置覆盖金属辐射贴片，为辐射的主体，介质基板的下表面覆盖金属地。所述金属辐射贴片为近似的六边形形状，金属辐射贴片的边缘周期性排列有凹槽和凸起，金属辐射贴片的中心为馈电点，在馈电点处设置同轴连接器；还包括12根贯穿介质基板的金属柱，所述金属柱的一端连接金属辐射贴片，金属柱的另一端连接金属地。
在本实施例中，所述介质基板可以采用天线常用的介电材料聚四氟乙烯高频板材F4B，其介电常数为2.65，当然也不局限于该材料，任何高频PCB介电材料均可适用。所述金属辐射贴片和金属地优选采用铜。
在本实施例中，所述12根金属柱分别位于金属辐射贴片边缘的12个凸起所在位置。金属辐射贴片的特殊形状和12根金属柱的位置可以在相近的频率范围内实现TM01和TM02辐射模式，这两种模式的辐射方向图均为全向，可以通过调节参数改变两种模式的谐振频率，当这两种工作模式的频率相近时可以实现较宽的工作带宽。同时，金属辐射贴片还可以在相对更高的频率产生TM21辐射模式，TM21辐射模式的辐射频率与金属辐射贴片的半径相关，贴片半径越大，工作频率越低。
天线的尺寸如图2、3所示，参数分别为：D＝36.91mm，r＝1mm，M＝4mm，PK＝2.5mm，T＝40.54mm，QL1＝25mm，N＝14.4mm，SL＝3mm，SD＝1mm，K＝7mm，PL1＝32mm，H＝6.6mm，h＝0.017mm。需要注意的是，此尺寸参数系针对工作在2.45GHz与3.492GHz两个频段的优化结果，针对不同的频率应用，天线的尺寸也会有所变化。所述上述参数都可以根据实际需要自由设置，此处只是举例说明。
图4是仿真的S11参数图。通过该图可以得出，在2.45GHz附近天线有两个谐振点，2.436GHz和2.646GHZ，这两个谐振频率分别是TM01模式和TM02模式，经过特定的优化，这两个模式的谐振频率较接近，从而达到拓展带宽的效果。在3.492GHz，天线的S11值低于-10dB，达到阻抗匹配，实现双频带功能。图5和图6展示了在2.436GHz的仿真方向图，图7和图8分别是天线在2.646GHZ XOZ和XOY平面的仿真方向图，可以发现，在这两个频率，天线呈现全向辐射特性，符合车与车之间通信的需求。图9和图10分别展示了在3.492GH XOZ和XOY平面的方向图，可以发现天线呈锥状辐射特性，符合基站通信对天线的辐射特性的要求。图11和图12分别展示了在较低频段的TM01模式、TM02模式的电场分布图，可以发现在低频段辐射的两个模式中，TM01模式的电场在金属柱的两边均是由下表面指向上表面，TM02模式的电场在在金属柱到圆心的范围内，是由下表面指向上表面，在金属柱往外到天线边缘的范围内电场方向相反，由上表面指向下表面，两个模式均具有全向的辐射特性。图13展示了天线在较高频段TM21模的电场分布图，TM21模式与TM01和TM02均不相同，具有锥状的辐射特性。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双频段多模式低剖面天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板的上表面的中间位置覆盖金属辐射贴片，介质基板的下表面覆盖金属地，所述金属辐射贴片为六边形形状，金属辐射贴片的边缘周期性排列有凹槽和凸起，金属辐射贴片的中心为馈电点，在馈电点处设置同轴连接器；还包括12 根贯穿介质基板的金属柱，所述金属柱的一端连接金属辐射贴片，金属柱的另一端连接金属地，所述12 根贯穿介质基板的金属柱分别位于金属辐射贴片边缘的 12 个凸起所在位置；通过设置金属辐射贴片的尺寸参数以及金属柱的位置，使天线具有全向辐射特性的TM01模式和TM02模式以及具有锥状辐射特性的TM21模式。
2.根据权利要求1所述双频段多模式低剖面天线，其特征在于：所述介质基板采用聚四氟乙烯PCB板。
3.根据权利要求1所述双频段多模式低剖面天线，其特征在于：所述金属辐射贴片和金属地的材质为铜。
4.根据权利要求1所述双频段多模式低剖面天线，其特征在于：所述TM21模式的辐射频率与所述金属辐射贴片的半径相关，金属辐射贴片的半径越大，TM21模式的辐射频率越低。
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