CN112736427A - 用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线 - Google Patents

用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，包括介质谐振器、介质基板、金属地平面以及微带线；微带线设置在介质基板底部正中心，金属地平面设置介质基板的表面，金属地平面的正中开设缝隙，缝隙与底部微带线垂直；介质谐振器设置在缝隙的正上方；介质谐振器包括棱柱体，棱柱体的上部设置有混合圆柱体，混合圆柱体为中空柱体，中空柱体内设有液体，中空柱的柱体为金属电介质；棱柱体的上部和下部对角处设有三棱柱形缺口；通过缝隙耦合馈电，激发基本模式和高阶模式以获得双频带，混合天线是通过在空心挖空圆柱部分加液体实现，扩大了高频带宽，对低频几乎没有影响，天线的增益在加水后得到改善，水增加在高频时增益增加。

Description

用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线。
背景技术
随着汽车技术的发展，汽车已经成为日常生活的重要部分。而汽车天线作为收发电磁波的重要功能配件之一，其高集成度和多功能性越来越受到人们的重视。传统的车辆天线是鞭状天线，其位于外部，行驶中不仅会增加汽车的风阻，还可能由于外部环境影响导致天线的损坏。内置的车载天线可以减少外部冲击，既不影响车身美观，也不影响车身风阻，还能为车辆提供所需的信号。因此，设计车载内部天线具有更高的实用性。
介质谐振器天线具有损耗小、频带宽、馈电方式多样等优点，具有广泛的应用前景，十分适合用于设计车载内部天线。此外，该天线的三维结构使其设计自由度高于其他类型的天线，通过调整天线的高度来激发更高的模态，可扩大天线的应用范围。由于它可以灵活地改变外观特征，DR还可以被设计成精美的装饰，增添车载内部的美观性。但是作为车载天线，其主要工作频段为GPS频段，WIFI频段，这也对天线设计提出了更高的要求，如低干扰、圆极化(CP)、宽频率范围等。其重要的解决办法是在天线设计中加入其他元素，利用混合技术，满足性能和美观的综合设计需求。
水天线是一种特殊的液体模型，可以通过流体发送和接收电磁波。因为它可以提供各种设计形式,它吸引了许多研究者。然而，对于水天线的研究大多采用高介电常数和低电导率的水作为材料，以实现小型化和可重构性。然而，由于整体的紧密性和不动性，应用受到限制，带宽和效率都很差。基于混合技术，结合不同类型的天线部件，或改变馈电形式，可以有效地拓宽带宽或提高增益。因此可以加入固态的介质谐振器，结合三维介质谐振器设计与水天线优势，来完成混合介质谐振器天线设计。已经报道了一些双频双圆极化介质谐振器天线的设计，其中包括通过三角槽耦合馈电来获得单馈双频CP性能；在地面开一对等弧型槽的，通过切割介质材料形成两个槽口的圆柱，最终获得了较宽的轴比带宽；也有利用地面刻蚀一对交叉槽产生正交效应，并实现双圆极化的天线设计。上述天线设计仅利用了介电谐振器的特性，没有采用混合技术，且无增益调节效果，需要进一步开发。
综上所述，为完成车载内置介质天线设计，现有的天线技术，能独立完成性能要求，或者能实现美观装饰但是适应性受限，未能充分结合需求。将需要一款可以实现车载内部通信，双频带内能够实现圆极化，并且可以通过混合技术改变天线指定性能(增益)的天线，兼具性能与装饰功能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，以电介质为主要成分，水为混合成分的混合介质谐振器水天线，同时实现天线在双频段内圆极化辐射的效果，水不仅是作为天线的辐射器，还能通过水量多少调节天线的增益，而且能用香水替代，整体还不失美观。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，包括介质谐振器、介质基板、金属地平面以及微带线；微带线设置在介质基板底部正中心，金属地平面设置介质基板的表面，金属地平面的正中开设缝隙，所述缝隙与底部微带线垂直；介质谐振器设置在缝隙的正上方；介质谐振器包括棱柱体，棱柱体的上部设置有混合圆柱体，混合圆柱体为中空柱体，中空柱体内设有液体，中空柱的柱体为金属电介质；棱柱体的上部对角处设有三棱柱形缺口；棱柱体的下部对角处设有三棱柱形缺口。
棱柱体平行于介质基板的截面为平行四边形。
采用但馈电单元耦合电磁能量，馈电单元为微带线。
所述液体为水或香水。
基板采用FR4制成，介电常数为4.4。
下部棱柱的介电常数低于上部混合圆柱体的介电常数。
中空柱体外圆半径为D1＝16，高度为H2＝12；中空柱体内圆半径为D2＝8，高度为H3＝20。
棱柱体表面贴有金属贴片。
所述下部的三棱柱形缺口横截面所得三角形为等腰三角形，三角形的腰长c2＝11.3mm，下部的三棱柱形缺口的高度ch2＝13mm，所述上部的三棱柱形缺口横截面所得三角形为等腰三角形，三角形的腰长c1＝15mm，下部的三棱柱形缺口的高度ch1＝15.4mm；金属贴片的宽度为Pw＝12.8mm，高度与下部的三棱柱形缺口的高度相等；中心线到微带线端点的距离l＝16.2mm，微带线的馈电宽度wf＝2.4mm；缝隙的长度Ls＝31.3mm，缝隙的宽度ws＝4.4mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
介质谐振器作为天线，微带线为馈电结构，实现双频带特性：背部微带线与地面槽线结合的设计，仅由单馈电输入，以单一微带线将电磁能量通过缝隙耦合给上部分的谐振器；三维介质谐振器结构，通过高度调控高次模，同时激励起基模与高次模，分别针对GPS与WIFI两个频段，实现单天线双频段辐射的功能；介质谐振器通过切角的技术手段，实现通带内圆极化效果：沿对角线切角的方式，分别于介质上面与底部切了两个角，打破了内部场的分布，底部切角主要调整低频部分，顶部切角主要调整高频部分，场的分布影响产生了对应频率附近的简并模产生，实现双频带内圆极化，避免外置天线受到环境影响受损。
进一步的，金属贴片的添加能调整场的分布，改善天线在两个频段内的轴比。
进一步的，作为混合技术载体的水，是一种高介电常数物质，不仅可以作为天线辐射器，还可以通过液体量的多少控制天线在高频处的增益；在液体用完后，天线仍保持GPS低频段的辐射性能。
进一步的，水的添加，也可以由其他液体例如香水等替代，增加车载内置天线的功能性。
附图说明
图1a是本发明一种可实施的天线整体三维结构示意图。
图1b是本发明一种可实施的天线介质谐振器的俯视示意图。
图1c是本发明一种可实施的天线介质谐振器的仰视示意图。
图1d是本发明一种可实施的天线主视图。
图1e是本发明一种可实施的天线介质板俯视图。
图2a是本发明一种可实施的介质谐振器天线的演变第一步示意图。
图2b是本发明一种可实施的介质谐振器天线的演变第二步示意图。
图2c是本发明一种可实施的介质谐振器天线的演变第三步示意图。
图2d是本发明一种可实施的介质谐振器天线的演变第四步示意图。
图3是本发明一种可实施的天线初始模型与最终模型的S11仿真对比图。
图4是本发明一种可实施的天线增益受到水位影响的仿真图。
图5是本发明一种可实施的天线S11仿真与实测对比图。
图6是本发明一种可实施的天线的轴比与增益的仿真实测对比图。
图7a是本发明一种可实施的天线在1.575GHz谐振点E面辐射方向图。
图7b是本发明一种可实施的天线在1.575GHz谐振点H面辐射方向图。
图7c是本发明一种可实施的天线在2.4GHz谐振点E面辐射方向图。
图7d是本发明一种可实施的天线在2.4GHz谐振点H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明进行详细阐述。
本发明提供一种用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，包括介质谐振器、介质基板1、金属地平面以及微带线5；微带线5设置在介质基板底部正中心，金属地平面设置介质基板1的表面，金属地平面的正中开设缝隙6，所述缝隙6与底部微带线5垂直；介质谐振器设置在缝隙6的正上方；介质谐振器包括棱柱体2，棱柱体2的上部设置有混合圆柱体3，混合圆柱体3为中空柱体，中空柱体内设有液体，中空柱的柱体为金属电介质；棱柱体2的上部对角处设有三棱柱形缺口；棱柱体的下部对角处设有三棱柱形缺口。
作为一个可实施的实例，本发明提供一种天线和馈电网络的几何形状如图1a-图1e所示。首先说明天线的工作原理。天线的能量交换主要由介质谐振器完成，金属地面刻蚀矩形缝隙，介质基板为电磁能量由底部微带线作为馈线耦合到上面的介质谐振器，使介质谐振器发生电磁谐振，最终产生天线辐射。DRA设计思路是获得双频带CP天线，根据矩形谐振器模式分析理论，在低频时会激发基本模式TE111，而在高频时会激发高阶模式TE113。因此，本发明所述混合介质谐振器天线，在回波损耗(S11)的表现为两个通带。同时为了满足圆极化的需要，需要进行进一步的处理以获得最终切角模型，具体的参数设计如表1所示。
参考图1a与图1d，介质谐振器天线(DRA)的三维立体图与侧视图如图所示，自下而上的结构分别为：馈电结构，金属地平面，介质谐振器，液体(水)这几个部分组成。DR为陶瓷(氧化铝)，以9.8的介电常数居中放置在金属地平面上；150mm×150mm的基板采用FR4制成，介电常数为4.4，厚度为1.6mm；混合技术主要由液体与介质混合产生，水的介电常数为81，存在部分为介质的圆柱中空部分。参考图1e，L为介质基板的宽度，l为缝隙中心线到微带线端点的距离，wf为微带线的馈电宽度。介质基板表面为金属地平面刻蚀了一个矩形缝隙，Ls为缝隙长度，ws为缝隙宽度。能量耦合部分由微带线通过缝隙进行耦合。
参考图2a-2d，DRA的天线设计演化如图所示。天线设计的初始模型为矩形介质块，a为DR宽度，H1为DR高度。参考图2b，设计了混合技术以拓展功能，具体实施步骤为在顶部增添了一个圆柱型的介质块，其半径为D1，高度为H2。并且在中心部分，挖去了一个中空圆柱部分，其半径为D2，高度为H3。圆极化的产生是通过切角技术实现的，参考图2c，具体实施步骤为于矩形DR的上部分，沿着对角线方向的两个对角，切去一对长宽相同的三棱柱，其切角宽度为c1，切角高度为ch1；同样的，在底部，也沿着对角线方向的对角，切去一对长宽相同的三棱柱，所述下部的三棱柱形缺口横截面所得三角形为等腰三角形，三角形的腰长即切角宽度为c2，下部三棱柱形缺口的高度即切角高度为ch2；所述上部的三棱柱形缺口横截面所得三角形为等腰三角形，三角形的腰长即切角宽度为c1，下部三棱柱形缺口的高度即切角高度为ch1；参考图2d，金属贴片的添加可以更好的调控天线的轴比，其添加位置位于介质基板的底部，为斜切面的中心，其宽度为Pw，高度为底部切角高度ch2。参考图1b和图1c，分别展示了最终切角模型的俯视图与仰视图。
参考图3，对比初始模型与最终切角模型的回波损耗仿真图，可以得出结论，两者都激发了基模与高次模，区别是：在E平面上两个场的分布相似，仅仅是场强不同，而且加入水不会影响基模，在高频处还可以引入一个准高次模以拓展带宽。因此，基于经典公式，重新切割后的最终切角模型天线能激发不同的模式以形成双频天线
参考图3、图2a、图2b、图2c和图2d，DRA采取切角手段获得了双频CP天线。通过S11图发现，整体天线在1.575GHz附近激发了的一对简并模，也在2.4GHz附近激发的一对简并模，这样就实现了双频双圆极化的效果，产生圆极化的原因是上下切割后，DRA内部场的分布受到影响，导致x方向的电场方向短于y方向的电场方向，并且简并模的存在形成了圆极化，同时金属贴片的添加能调整场的分布，改善天线在两个频段内的轴比。
参考图4，为水量变化对天线增益影响的仿真变化图。可以看出，随着水面高度的增加，天线的增益也增加。这是由于以下事实：介质谐振器包括上部的混合圆柱体和下部的棱柱体，混合圆柱体为中空柱体，中空柱内部的腔体中设置液体，所述液体优选水，所述中空柱体为电介质，等效介电常数较高；天线整体上会激发基模与高次模，但上部的高介电常数部分会激发其准高次模。相比之下，本申请所述天线的低频影响较小，而高频部分的影响较大，加水可以扩展高频带宽并提高高频增益。
随着DR宽度的减小，两种模式都将移至更高的频率。因此，DR的宽度在确定和模式的谐振频率时起着重要作用；并且随着高度的增加，最高谐振频率向左移动，因为水的量增加了，并且准模的激励移向了较低的频率，低频带AR主要受下部棱柱体的影响，而高频带AR主要受上部混合圆柱体的影响；在DR上部和下部进行切割角的情况下，而且改变切割角的尺寸能有效地影响基本模式和高阶模式的电场，可以通过调整切角参数来优化AR的谐振频率。本发明所述混合DRA的尺寸参数如表1所示，
表1混合DRA的相关尺寸参数
Figure BDA0002856029710000071
综上所述，本发明提出的双频双圆极化混合介电共振器天线，参考图5，测得天线的低频带和高频带阻抗带宽分别为20.1％和21.9％；水添加到天线中，激发了准模式并扩大了高频带宽；当水增加时，天线的增益在高频带中提高。
参考图6，本发明所述天线在低频段(1.55-1.60GHz)具有左旋圆极化方向图，在高频段(2.38-2.42GHz)具有右旋圆极化方向图。两个CP频段的仿真平均增益为6.1和8.1dBi，实测平均增益为5.3和7.4dBi。本发明所述天线可以满足车载天线的GPS(1.575GHz)和WIFI(2.4GHz)频段的应用。
参考图7a-图7d，图7a和图7b分别是1.575GHz谐振点处E面和H面的辐射方向图。观察到在方向图的视轴方向θ＝0°，LHCP模式比RHCP模式大20dB，这证实了本发明天线在第一频段支持左旋圆极化。类似地，图7c和图7d分别是2.4GHz谐振点处E面和H面的辐射方向图。观察到在方向图的视轴方向θ＝0°，RHCP模式比LHCP模式大20dB，这证实了本发明天线在第二频段支持右旋圆极化。
液体作为可选的方案，还可以用香水代替水，以提高内置天线的实用性。

Claims (9)

1.用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，包括介质谐振器、介质基板(1)、金属地平面以及微带线(5)；微带线(5)设置在介质基板底部正中心，金属地平面设置介质基板(1)的表面，金属地平面的正中开设缝隙(6)，所述缝隙(6)与底部微带线(5)垂直；介质谐振器设置在缝隙(6)的正上方；介质谐振器包括棱柱体(2)，棱柱体(2)的上部设置有混合圆柱体(3)，混合圆柱体(3)为中空柱体，中空柱体内设有液体，中空柱的柱体为金属电介质；棱柱体(2)的上部对角处设有三棱柱形缺口；棱柱体的下部对角处设有三棱柱形缺口。
2.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，棱柱体(2)平行于介质基板(1)的截面为平行四边形。
3.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，采用但馈电单元耦合电磁能量，馈电单元为微带线。
4.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，所述液体为水或香水。
5.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，基板采用FR4制成，介电常数为4.4。
6.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，下部棱柱的介电常数低于上部混合圆柱体的介电常数。
7.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，中空柱体外圆半径为D1＝16，高度为H2＝12；中空柱体内圆半径为D2＝8，高度为H3＝20。
8.根据权利要求1所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，棱柱体(2)表面贴有金属贴片。
9.根据权利要求8所述的用于车载内置的双频段双圆极化混合介质谐振器天线，其特征在于，所述下部的三棱柱形缺口横截面所得三角形为等腰三角形，三角形的腰长c2＝11.3mm，下部的三棱柱形缺口的高度ch2＝13mm，所述上部的三棱柱形缺口横截面所得三角形为等腰三角形，三角形的腰长c1＝15mm，下部的三棱柱形缺口的高度ch1＝15.4mm；金属贴片的宽度为Pw＝12.8mm，高度与下部的三棱柱形缺口的高度相等；中心线到微带线端点的距离l＝16.2mm，微带线的馈电宽度wf＝2.4mm；缝隙(6)的长度Ls＝31.3mm，缝隙(6)的宽度ws＝4.4mm。
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