CN113612019B - 一种应用于v2x的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列 - Google Patents

一种应用于v2x的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于V2X(vehicle‑to‑everything，车联网)的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，由若干个天线阵列组成，每个所述天线阵列由8个按照周期排列的阵列单元组成，阵列单元包括介质基板、印刷在介质基板前表面的馈电结构、印刷在介质基板后表面的偶极子天线单元、紧贴于介质基板后方的第二层介质基板以及紧贴着第二层介质基板后方的亚克力板。本发明所使用的馈电巴伦在Marchand巴伦的地面上，加入挖孔微带线，增强巴伦的阻抗匹配能力。本发明使用了PCB版印刷制成，结构简单且无需后期组装，使用亚克力板作为背板，增强结构的稳定性以应对颠簸的车载环境，并且可以工作在毫米波频段，且具有节约空间，成本低廉的优点，在未来的车联网领域中具有良好的应用前景。

Description

一种应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列
技术领域：
本发明涉及车载天线设计，特别涉及一种应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其属于移动通信技术领域。
背景技术：
近年来，随着自动驾驶技术的不断发展，车联网的实际应用场景越来越多。作为汽车通讯系统的一部分，天线作为发射和接收的终端部件，往往影响着整个系统的性能。
随着5G技术的发展以及整体配套设施的建设，将5G毫米波与车联网结合起来，是未来研究的趋势。但是，车载系统需要接收和发射的信号的频带是多样的，包括不限于车辆和基站间的通讯、汽车和全球定位系统之间的通讯、车辆与驾驶人手机、汽车与汽车之间等多端的连接等，传统做法是根据不同的频段，给车辆配备多款天线，这增加了设备数量，互相也会产生一定的干扰。超宽带天线的工作带宽较宽，可以覆盖多个工作频段，因此，如何使得一个天线就能工作于车辆的多个所需频段，减少天线的数量，设计出满足使用环境的车载超宽带天线，成为亟待研究解决的问题。
紧耦合天线是一种超宽带天线，具有超宽带、小尺寸、低剖面的特点。它起源于Wheeler教授的连续电流片阵列，当阵列相互排布紧密时，阵列表面可以形成连续的电流，通过偶极子之间的耦合电容与偶极子与反射板之间的电感在整个频带内的动态平衡实现超宽带匹配，同时紧耦合天线是一种相控阵天线，通过在各端口间引入相位差，可以使天线向不同方向进行辐射，因此将紧耦合技术与毫米波技术结合起来，并应用到车联网系统当中，具有重要的实际工程意义。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，超带宽、阻抗匹配好、结构简单利于加工生产。
本发明所采用的技术方案有：一种应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，由若干个天线阵列组成，每个所述天线阵列由8个按照周期排列的阵列单元组成，所述阵列单元包括介质基板、印刷在介质基板前表面的馈电结构、印刷在介质基板后表面的偶极子天线单元、紧贴于介质基板后方的第二层介质基板以及紧贴着第二层介质基板后方的亚克力板。
进一步地，所述介质基板的前表面为上部金属电路层，介质基板的后表面为底部金属电路层，所述介质基板的厚度为0.254mm，第二层介质基板的厚度为1mm，底层亚克力板的厚度为3mm，整体厚度为4.254mm，单个单元的宽度为4.5mm。
进一步地，所述馈电结构由位于介质基板下方的金属条带以及上方的金属地面组成。金属条带从单元下方向上延伸，随着向上的高度增加，条带宽度逐级递减两次，之后向右弯折90°延长之后，再向下弯折90°。
进一步地，所述金属地面由挖孔金属地面以及渐变金属臂组成，金属地面上挖出矩形框，所述矩形框的左侧挖5个凹槽，凹槽由矩形和半圆组，所述渐变金属臂由两个对称的用于连接金属地面和偶极子天线的金属贴片组成，所述金属贴片包括外侧曲线和内测直线。
进一步地，所述偶极子天线单元包括左天线臂以及右天线臂，所述左天线臂包括位于介质基板前表面的矩形的左天线上层和位于介质基板后表面的左天线下层，所述介质基板上设有金属通孔。
进一步地，所述介质基板以及第二层介质基板的材料都采用的Taconic TLY，介电常数为2.2。
进一步地，所述馈电结构以及偶极子天线采用了厚度为0.017mm的铜层，亚克力板采用了PMMA，介电常数为2.9。
进一步地，还包括用于给8个天线阵列单元馈电的一分八微带功率分配器。
进一步地，应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列的整体尺寸为84mm×84mm×4.254mm。
进一步地，还包括将介质基板、第二层介质基板以及底层亚克力板固定于一起的树脂螺丝。
本发明具有如下有益效果：
1、通过将偶极子天线的两个天线臂放在介质板的两侧，并延长两臂，使得相邻单元间的天线臂形成重叠结构，不增添额外结构，就可以在低频时引入强力的电容耦合，使得在频率较低时，整个阵列面上有连续的电流，利于超宽带阻抗匹配；
2、馈电结构由改良的Marchand巴伦以及渐变金属臂组成，Marchand巴伦对挖孔的部分做了适当更改，增加了挖孔的5个凹槽，通过优化凹槽的长度以及宽度，可以调节巴伦的匹配性能，最终得到一种性能优良的超宽带紧耦合天线；
3、本发明相比传统的测在天线具有超宽带的优点，可以覆盖大部分车载设备的使用频段，同时厚度仅为4.254mm，占用空间小。
附图说明：
图1为本发明实施例的单元结构示意图。
图2为本发明实施例的偶极子单元和馈电结构示意图。
图3为本发明实施例的介质基板上表面金属涂层尺寸示意图。
图4为本发明实施例的介质基板下表面金属涂层尺寸示意图。
图5为本发明实施例组成阵列的整体示意图。
图6为本发明的天线单元电压驻波比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，由若干个天线阵列组成，所述天线阵列包括前侧天线阵列(A1)和后侧天线阵列(A2)，每个天线阵列由8个按照周期排列的阵列单元组成，阵列单元包括矩形介质基板1、印刷在介质基板1前表面的馈电结构2、印刷在介质基板1后表面的偶极子天线单元3、紧贴于介质基板1后方的第二层介质基板4以及紧贴着第二层介质基板4后方的亚克力板5。介质基板1，第二层介质基板4以及底层亚克力板5使用树脂螺丝7来固定。
介质基板1的前表面为上部金属电路层，介质基板1的后表面为底部金属电路层。介质基板1的厚度为0.254mm，第二层介质基板4的厚度为1mm，底层亚克力板5的厚度为3mm，整体厚度为4.254mm，单个单元的宽度为4.5mm。
馈电结构2由位于介质基板1下方的金属条带21以及上方的金属地面22组成。金属条带21从单元下方向上延伸，随着向上的高度增加，条带宽度逐级递减两次，之后向右弯折90°，延长一定距离(即为弯折部)之后，再向下弯折90°。
金属条带21由单元下方向上延伸，其中每级高F1、F2、F3分别为1.74mm、1.75mm、1.26mm，宽度Fw1、Fw2、Fw3分别为0.46mm、0.62mm、0.78mm，弯折部包括位于上方的弯折长度以及位于下方的第二弯折长度，弯折长度为A1＝3.67mm，第二弯折长度为A12＝2.29mm。金属地面2由挖孔金属地面221以及渐变金属臂222组成，金属地面22上挖出孔的形状为一个高A3＝2.5mm，宽A2＝2.5mm的矩形框2211。除此外，还需在矩形框的左侧挖孔5个凹槽2212，凹槽2212的长为0.27mm，宽为0.35mm，凹槽2212的右侧为半径R2＝0.175mm的半圆。渐变金属臂222由两个对称的金属贴片组成，单侧金属贴片的外侧曲线，以金属地面22为起点，以偶极子天线3下侧为终点，单侧金属贴片的内测直线以金属地面221上的矩形2211的中心点为起点，偶极子天线3的上侧为终点，分别连接外侧曲线和内测直线的起点与终点。馈电结构2的作用是完成馈电线或馈电头到偶极子天线3间的阻抗匹配，设计的馈电结构2可以匹配50Ω的输入阻抗。
偶极子天线3单元包括左天线臂以及右天线臂32。两个相邻的阵列单元之间的偶极子天线3的左天线臂以及右天线臂32是相互前后重叠的，形成一定电容耦合。矩形的左天线上层311覆盖于介质基板1的前表面，左天线下层312部分覆盖于介质基板1的后表面，形状为矩形并且与馈电结构2相连，左天线上层311和左天线下层312通过金属通孔313与介质基板1相连。右天线臂32处于介质基板1的后表面，相关参数为：B1＝0.25mm、B2＝0.7mm、B3＝0.6mm、B4＝2.95mm、R1＝0.15mm、W1＝1.9mm、G1＝1.75mm、H1＝2.7mm、L1＝2.75mm、L2＝1.75mm。
金属地面22到偶极子天线单元3的中点的距离为3.65mm，介质基板1以及第二层介质基板4的材料都采用的Taconic TLY，介电常数为2.2。馈电结构2以及偶极子天线3采用了厚度为0.017mm的铜层，亚克力板5采用了PMMA，介电常数为2.9。
车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列将由两个独立的天线集成在一个基板上，分别是前侧天线阵列(A1)以及后侧天线阵列(A2)，每个天线阵列由8个按照周期排列的阵列单元组成，8个阵列单元使用一个一分八微带功率分配器6，应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列的整体尺寸为84mm×84mm×4.254mm。
偶极子天线3为末端重叠的紧耦合天线，由标准射频连接器进行馈电，使用一分八微带功分器6将电流等分给8个阵列单元，电流从一分八微带功分器6流出后，首先经过本发明改良的Marchand巴伦，再由金属劈向偶极子天线3的左天线臂以及右天线臂32上提供等幅度相位相反的激励，以在左天线臂以及右天线臂32上形成电流。
改良的Marchand巴伦在原有结构的金属地面上，挖出金属缺陷，进一步提升了巴伦的阻抗匹配能力，有助于天线阵列实现整体的超宽带性能
图6为超宽带紧耦合天线阵列的电压驻波比，电压驻波比反应了天线整体的阻抗匹配情况，从5.66GHz-42GHz频段范围内，电压驻波比小于3，匹配良好，说明本专利实例达到了超宽带的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，由若干个天线阵列组成，每个所述天线阵列由8个按照周期排列的阵列单元组成，所述阵列单元包括介质基板（1）、印刷在介质基板（1）前表面的馈电结构（2）、印刷在介质基板（1）前后表面的偶极子天线单元（3）、紧贴于介质基板（1）后方的第二层介质基板（4）以及紧贴着第二层介质基板（4）后方的亚克力板（5）；
所述馈电结构（2）由位于介质基板（1）下表面的金属条带（21）以及上表面的金属地面（22）组成，金属条带（21）从单元下方向上延伸，随着向上的高度增加，条带宽度逐级递减两次，之后向右弯折90°延长之后，再向下弯折90°，
所述金属地面（22）由挖孔金属地面（221）以及渐变金属臂（222）组成，金属地面（22）上挖出矩形框（2211），所述矩形框（2211）的左侧挖5个凹槽（2212），凹槽（2212）的形状由一个矩形和一个半圆形组成，所述渐变金属臂（222）由两个对称的用于连接金属地面（22）和偶极子天线（3）的金属贴片组成，所述金属贴片形状外侧为曲线和内侧 为直线。
2.如权利要求1所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述介质基板（1）的前表面为上部金属电路层，介质基板（1）的后表面为底部金属电路层，所述介质基板（1）的厚度为0.254mm，第二层介质基板（4）的厚度为1mm，底层亚克力板（5）的厚度为3mm，整体厚度为4.254mm，单个单元的宽度为4.5mm。
3.如权利要求2所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述偶极子天线（3）单元包括左天线臂以及右天线臂（32），所述左天线臂包括位于介质基板（1）前表面的矩形的左天线上层（311）和位于介质基板（1）后表面的左天线下层（312），所述介质基板（1）上设有金属通孔（313）。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述介质基板（1）以及第二层介质基板（4）的材料都采用的Taconic TLY，介电常数为2.2。
5.如权利要求4所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述馈电结构（2）以及偶极子天线（3）采用了厚度为0.017mm的铜层，亚克力板（5）采用了PMMA，介电常数为2.9。
6.如权利要求5所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：还包括用于给8个天线阵列单元馈电的一分八微带功率分配器（6）。
7.如权利要求6所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列的整体尺寸为84mm×84mm×4.254mm。
8.如权利要求3所述的应用于V2X的车载毫米波超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：还包括将介质基板（1）、第二层介质基板（4）以及底层亚克力板（5）固定于一起的树脂螺丝（7）。
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