CN114039202B - 一种天线 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种天线，包括：第一介质基板，具有第一表面和第二表面，第一表面设有加载调谐部，第二表面设有辐射部，或者加载调谐部和辐射部均设于第一表面或第二表面；第二介质基板，具有第三表面和第四表面，第三表面设有反射地板，第四表面设有馈电网络层；所述辐射部和所述反射地板均用于定向圆极化模式的辐射；垂直互联探针，所述垂直互联探针一端连接所述加载调谐部，另一端连接所述馈电网络层；所述垂直互联探针和所述加载调谐部用于实现全向线极化辐射。本申请解决了现有ETC系统中的天线性能无法满足V2X系统对天线的要求的问题。
Description
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别涉及一种天线。
背景技术
V2X(Vehicle to everything)技术，是通过无线通信、传感检测等技术进行车路信息获取，来实现车、路、人、网的实时信息交互，从而完成车辆安全控制和道路协同管理，进而保证交通安全，提高通行效率，是未来构建智能网联交通体系的关键技术。
ETC(Electronic Toll Collection)，即电子不停车收费，是通过采用专用短程通信技术DSRC，在车载电子标签OBU与收费站ETC车道上的路侧单元RSU之间进行信息交互，并通过计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过高速公路或桥梁收费站无需停车而能交纳高速公路或桥梁费用的目的。目前ETC已经成为我国高速公路或桥梁的主要收费方式。
目前，ETC系统的主要用途是自动收费，资源并没有得到充分利用，由于ETC系统和V2X系统之间有相通之处，因此可以利用现有ETC系统来实现部分V2X的功能，从而扩展ETC系统的应用场景。但是V2X系统要求天线具有全向辐射能力，以满足多方向通信的需求，而目前ETC系统车载端OBU采用的是定向右旋圆极化天线，不能满足V2X系统对天线的要求，也就无法实现ETC系统扩展V2X功能。
发明内容
本申请实施例提供一种天线，解决了现有ETC系统中的天线性能无法满足V2X系统对天线的要求的问题。
本发明是这样实现的，一种天线，包括：第一介质基板、第二介质基板以及垂直互联探针，其中，所述第一介质基板具有第一表面和第二表面，第一表面设有加载调谐部，第二表面设有辐射部，或者加载调谐部和辐射部均设于所述第一表面或所述第二表面；所述第二介质基板具有第三表面和第四表面，第三表面设有反射地板，第四表面设有馈电网络层；所述辐射部和所述反射地板均用于定向圆极化模式的辐射；所述垂直互联探针一端连接所述加载调谐部，另一端连接所述馈电网络层；所述垂直互联探针和所述加载调谐部用于实现全向线极化辐射。
根据本申请实施例提供的天线，同时设置加载调谐部和辐射部，通过垂直互联探针将加载调谐部和馈电网络层电连接，以实现全向线极化辐射；通过反射地板使辐射部和馈电网络层耦合，以实现定向圆极化模式的辐射；这样同一个天线就具有全向线极化和定向圆极化两种辐射模式，提升了天线的多场景适用性及应用的灵活性，能够实现ETC系统扩展V2X功能。
在其中一个实施例中，所述辐射部为方形金属贴片结构，所述辐射部具有边缘缺失结构和内部缺失结构；
所述边缘缺失结构分别设置于所述辐射部的四个角处，用于形成极化简并模，实现定向圆极化辐射；
所述内部缺失结构设置于所述辐射部的中心处，用于使所述垂直互联探针穿过所述辐射部与所述加载调谐部相连接，且所述垂直互联探针与所述辐射部不接触。
在其中一个实施例中，所述边缘缺失结构为切角结构；
沿逆时针方向，分别位于所述辐射部的四个角处的所述切角结构的半径由大到小逐渐递减。
在其中一个实施例中，所述加载调谐部具有圆形焊盘、从所述圆形焊盘中心点引出的多条呈放射状分布的金属条带以及连接在所述金属条带端部的环形金属贴片；
所述圆形焊盘与所述垂直互联探针电连接。
在其中一个实施例中，所述加载调谐部在所述辐射部的正投影的中心点与所述辐射部的中心点重合。
在其中一个实施例中，所述反射地板具有第一槽和第二槽；
所述第一槽设置于所述反射地板的中心处，用于使所述垂直互联探针穿过所述反射地板且不与所述反射地板接触；
所述第二槽在所述辐射部的正投影与所述辐射部交叠，用于形成缝隙以使所述辐射部与所述馈电网络层耦合。
在其中一个实施例中，所述内部缺失结构的截面形状和所述第一槽的截面形状均与所述垂直互联探针的截面形状相同；
所述垂直互联探针的截面面积小于所述内部缺失结构的截面面积和所述第一槽的截面面积。
在其中一个实施例中，所述馈电网络层具有全向线极化馈电网络和定向圆极化馈电网络，所述定向圆极化馈电网络和所述全向线极化馈电网络互相独立；
所述定向圆极化馈电网络在所述反射地板上的正投影与所述第二槽的中心线重叠；
所述全向线极化馈电网络的一端与所述垂直互联探针电连接。
在其中一个实施例中，所述第一介质基板与所述第二介质基板之间具有空气层。
在其中一个实施例中，还包括支撑结构，所述支撑结构位于所述第一介质基板与所述第二介质基板之间；
所述空气层设于所述支撑结构内部，所述空气层在所述第二表面上的正投影面积大于所述辐射部的面积。
本申请提供的天线的有益效果在于：与现有技术相比，本申请同时具备天线定向圆极化辐射和全向线极化辐射两种模式，提升了天线的多场景适用性及应用的灵活性；将两种模式的天线合二为一，不仅降低了天线成本，同时降低了后续系统集成的难度；采用双模式的天线能够占用更小的系统空间，有利于实现整机的小型化与高集成设计。
附图说明
图1是本申请实施例提供的天线的结构爆炸图；
图2是本申请实施例提供的天线的结构图；
图3是本申请实施例提供的天线的俯视图；
图4是本申请实施例提供的天线的辐射部的俯视图；
图5是本申请实施例提供的天线的加载调谐部的俯视图；
图6是本申请实施例提供的天线的反射地板的俯视图；
图7是本申请实施例提供的天线的馈电网络层的俯视图。
附图标记：101、第一介质基板；1011、第一表面；1012、第二表面；
102、第二介质基板；1021、第三表面；1022、第四表面；
103、支撑结构；
104、垂直互联探针；
201、加载调谐部；2011、圆形焊盘；2012、金属条带；2013、环形金属贴片；
202、辐射部；2025、内部缺失结构；2021、第一切角结构；2022、第二切角结构；2023、第三切角结构；2024、第四切角结构；
203、反射地板； 2031、第一槽； 2032、第二槽；
204、馈电网络层； 2041、全向线极化馈电网络； 20411、第一匹配调节枝节；20412、第二匹配调节枝节；2042、定向圆极化馈电网络；20421、第一阻抗枝节；20422、第二阻抗枝节；
205、空气层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供一种天线，解决了现有ETC系统中的天线性能无法满足V2X系统对天线的要求的问题。
参考图1-图2，本申请实施例提供的天线包括第一介质基板101、第二介质基板102以及垂直互联探针104，其中，第一介质基板101具有第一表面1011和第二表面1012，第一表面1011设有加载调谐部201，第二表面1012设有辐射部202，或者加载调谐部201和辐射部202均设于第一表面1011或第二表面1012；第二介质基板102具有第三表面1021和第四表面1022，第三表面1021设有反射地板203，第四表面1022设有馈电网络层204；辐射部202和反射地板203均用于定向圆极化模式的辐射；垂直互联探针104一端连接加载调谐部201，另一端连接馈电网络层204；垂直互联探针104和加载调谐部201用于实现全向线极化辐射。
本申请实施例中，当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。水平极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是水平方向。全向天线通常是指天线的方向图在水平面内是一个无方向性的圆。
需要说明的是，第一介质基板101为双面覆铜板结构，加载调谐部201可以设置在第一介质基板101的任一表面上，辐射部202也可以设置在第一介质基板101的任一表面上，具体为当第一介质基板101包括上表面和下表面时，加载调谐部201设置在上表面、辐射部202设置在下表面；或者加载调谐部201设置在下表面、辐射部202设置在上表面；或者加载调谐部201和辐射部202均设置在上表面；或者加载调谐部201和辐射部202均设置在下表面；具体的设置方式可以根据实际需要进行选择，本实施例不做限制。
第二介质基板102也为双面覆铜板结构，但是反射地板203和馈电网络层204必须设置在第二介质基板102的不同表面上，比如，当第二介质基板102包括上表面和下表面时，反射地板203设置在上表面、馈电网络层204设置在下表面；或者反射地板203设置在下表面、馈电网络层204设置在上表面。
可以理解的是，加载调谐部201和辐射部202均采用印刷的方式设置在第一介质基板101的表面上，反射地板203和馈电网络层204也均采用印刷的方式设置在第二介质基板102的表面上。
传统方案中往往采用两副天线来分别实现定向圆极化辐射和全向线极化辐射，不仅需要同时设计两种类型天线，提升了天线的设计及加工成本，同时在系统集成时，还需要对两副天线进行详细的优化布局，以获得良好的隔离度，增加了后续系统集成的复杂度；根据本申请实施例提供的天线，同时设置加载调谐部201和辐射部202，通过垂直互联探针104将加载调谐部201和馈电网络层204电连接，以实现全向线极化辐射；通过反射地板203使辐射部202和馈电网络层204耦合，以实现定向圆极化模式的辐射；这样同一个天线就具有全向线极化和定向圆极化两种辐射模式，提升了天线的多场景适用性及应用的灵活性，能够实现ETC系统扩展V2X功能。
在其中一个实施例中，参考图4，辐射部202为方形金属贴片结构，辐射部202具有边缘缺失结构和内部缺失结构2025；边缘缺失结构分别设置于辐射部202的四个角处，用于形成极化简并模，实现定向圆极化辐射；内部缺失结构2025设置于辐射部202的中心处，用于使垂直互联探针104穿过辐射部202与加载调谐部201相连接，且垂直互联探针104与辐射部202不接触。
需要说明的是，上述边缘缺失结构为分别开在辐射部202四个角处的四分之一圆形切角结构，包括第一切角结构2021、第二切角结构2022、第三切角结构2023、第四切角结构2024，沿逆时针方向，分别位于辐射部202的四个角处的第一切角结构2021、第二切角结构2022、第三切角结构2023、第四切角结构2024的半径由大到小逐渐递减。这些不同尺寸的切角形式可以实现天线TM01和TM10两种极化简并模的幅度与相位调节，当两种极化简并模的幅度相同，相位相差90°，则可以实现辐射部202辐射圆极化电磁波。
上述内部缺失结构2025的形状不限，只要可以保证垂直互联探针104穿过穿过第一介质基板101的第二表面1012上设置的辐射部202时不与辐射部202金属贴片产生电气连接即可，这样就能够提升全向线极化模式与定向线极化模式之间的隔离度。
在其中一个实施例中，参考图5，加载调谐部201具有圆形焊盘2011、从圆形焊盘2011中心点引出的多条呈放射状分布的金属条带2012以及连接在金属条带2012端部的环形金属贴片2013；圆形焊盘2011与垂直互联探针104电连接。
需要说明的是，通过以上设置，整个加载调谐部201与垂直互联探针104构成了加载单极子天线，通常单极子天线的长度为1/4工作波长，本申请实施例中通过设置加载调谐部201，引入了额外的电感和电容，产生了加载效应，可以减小垂直互联探针104的长度，从而降低整个天线的剖面高度，加载调谐部201的放射状金属条带2012可以等效为电感，而加载调谐部201的环形金属贴片2013可以等效为电容，再加上垂直互联探针104引入的电感成分，整个结构可以看作为LC谐振电路，通过调节加载调谐部201和垂直互联探针104的尺寸，从而使得天线在ETC工作频段5.79GHz～5.84GHz实现谐振，完成全向线极化电磁波辐射。本实施例中，垂直互联探针104的最终长度仅为4毫米，远远小于常规单极子天线12.9毫米的理论长度。
在其中一个实施例中，参考图3，加载调谐部201在辐射部202的正投影的中心点与辐射部202的中心点重合。
需要说明的是，由于辐射部202的中心处设置有内部缺失结构2025，因此辐射部202的中心点即为内部缺失结构2025的中心点，当加载调谐部201在辐射部202的正投影的中心点与辐射部202的中心点重合时，可以保证加载调谐部201的圆形焊盘2011的圆心与辐射部202的中心点重合，这样垂直互联探针104从辐射部202的内部缺失结构2025穿过之后一定可以与加载调谐部201的圆形焊盘2011正对连接，保证了垂直互联探针104与加载调谐部201的圆形焊盘2011之间的连接稳定性，有利于实现全向线极化辐射。
在其中一个实施例中，参考图6，反射地板203具有第一槽2031和第二槽2032；第一槽2031设置于反射地板203的中心处，用于使垂直互联探针104穿过反射地板203且不与反射地板203接触；第二槽2032在辐射部202的正投影与辐射部202交叠，用于形成缝隙以使辐射部202与馈电网络层204耦合。
以上设置中，反射地板203在中心处开有第一槽2031，用以防止穿过其中的垂直互联探针104短路，从而保证天线全向线极化模式的正常辐射。反射地板203上的第二槽2032在辐射部202的正投影与辐射部202交叠，用于形成缝隙以使辐射部202与馈电网络层204耦合，反射地板203上的第二槽2032可以为H型。
在其中一个实施例中，可选的，内部缺失结构2025的截面形状和第一槽2031的截面形状均与垂直互联探针104的截面形状相同；垂直互联探针104的截面面积小于内部缺失结构2025的截面面积和第一槽2031的截面面积。
需要说明的是，内部缺失结构2025的截面形状和第一槽2031的截面形状均与垂直互联探针104的截面形状相同，这样垂直互联探针104可以保持同一个方向一起穿过反射地板203和辐射部202，而且内部缺失结构2025和第一槽2031可以采用同一个开孔装置来实施，操作难度降低；垂直互联探针104的截面面积小于内部缺失结构2025的截面面积和第一槽2031的截面面积，这样垂直互联探针104在穿过反射地板203和辐射部202就可以实现垂直互联探针104不接触反射地板203和辐射部202，具体的内部缺失结构2025的截面面积和第一槽2031的截面面积可以相同，也可以不同。
示例性的，当垂直互联探针104为圆柱形时，内部缺失结构2025的截面形状为圆形，内部缺失结构2025为圆孔，具体可以是3.2毫米的圆孔，第一槽2031的截面形状也为圆形，第一槽2031为圆孔，具体可以是3毫米的圆孔，此时的垂直互联探针104即为截面半径小于3毫米的圆柱。
在其中一个实施例中，参考图7，馈电网络层204具有全向线极化馈电网络2041和定向圆极化馈电网络2042，定向圆极化馈电网络2042和全向线极化馈电网络2041互相独立；定向圆极化馈电网络2042在反射地板203上的正投影与第二槽2032的中心线重叠；全向线极化馈电网络2041的一端与垂直互联探针104电连接。
需要说明的是，馈电网络层204具有两个独立的馈电网络，即全向线极化馈电网络2041和定向圆极化馈电网络2042，其中全向线极化馈电网络2041与垂直互联探针104采用焊接方式进行电气连接，全向线极化馈电网络2041同时还具有两个匹配调节枝节，分别为第一匹配调节枝节20411和第二匹配调节枝节20412，第一匹配调节枝节20411为开路线枝节，第二匹配调节枝节20412为短路线枝节，共同调节全向线极化模式的阻抗匹配；定向圆极化馈电网络2042具有两个阻抗枝节，分别为第一阻抗枝节20421和第二阻抗枝节20422，其中第一阻抗枝节20421位于反射地板203的第二槽2032的中心线处，并通过第二槽2032对辐射部202进行耦合馈电；第二阻抗枝节20422为阻抗变换枝节，其长度为1/4工作波长，用于调节天线输入端口的阻抗匹配。
在其中一个实施例中，参考图1，第一介质基板101与第二介质基板102之间具有空气层205。
通过以上设置，空气层205的设置可以降低天线等效介电常数，提升天线辐射效率，空气层205的存在，既使得辐射部202和馈电网络之间构成了空气介质耦合天线，提升了定向圆极化模式的工作带宽，又为垂直互联探针104提供了低介电、低损耗的辐射环境，提升了全向线极化模式的辐射效率。
在其中一个实施例中，参考图1，本申请实施例的天线还包括支撑结构103，支撑结构103位于第一介质基板101与第二介质基板102之间；空气层205设于支撑结构103内部，空气层205在第二表面1012上的正投影面积大于辐射部202的面积。
需要说明的是，第一介质基板101和第二介质基板102通过支撑结构103形成集成结构，在结构上实现第一介质基板101与第二介质基板102的良好固定；支撑结构103为中空腔体结构，具有内部镂空区域以在第一介质基板101和第二介质基板102之间形成空气层205。支撑结构103可以为金属腔体结构，采用机械加工一体化成型，第一介质基板101和第二介质基板102采用回流焊接工艺，焊接于支撑结构103的上、下表面，共同构成集成结构。
举例说明，当外部OBU主控模块工作于V2X广播模式时，外部射频能量接入全向线极化模式的馈电网络，能量经由垂直互联探针104及加载调谐部201向外辐射，从而实现全向线极化辐射；而当外部OBU主控模块工作于ETC交易模式时，外部射频能量接入定向圆极化模式的馈电网络，能量经由第二槽2032对辐射部202进行耦合馈电，从而实现定向圆极化辐射。外部OBU主控模块与全向线极化模式的馈电网络和定向圆极化模式的馈电网络之间的连接方式可以采用线缆方式，也可以采用其他方式，本申请实施例不做限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种天线，其特征在于，包括：
第一介质基板(101)，具有沿所述第一介质基板(101)厚度方向相背设置的第一表面(1011)和第二表面(1012)，所述第一表面(1011)设有加载调谐部(201)，所述第二表面(1012)设有辐射部(202)，或者加载调谐部(201)和辐射部(202)均设于所述第一表面(1011)或所述第二表面(1012)；
第二介质基板(102)，具有沿所述第二介质基板(102)厚度方向相背设置的第三表面(1021)和第四表面(1022)，所述第三表面(1021)朝向所述第二表面(1012)，所述第三表面(1021)设有反射地板(203)，所述第四表面(1022)设有馈电网络层(204)；
垂直互联探针(104)，所述垂直互联探针(104)一端连接所述加载调谐部(201)，另一端连接所述馈电网络层(204)，所述垂直互联探针(104)和所述加载调谐部(201)用于实现全向线极化辐射；
所述辐射部(202)和所述反射地板(203)均用于定向圆极化模式的辐射；
所述辐射部(202)用于形成极化简并模，实现定向圆极化辐射；
所述加载调谐部(201)与所述垂直互联探针(104)连接形成加载单极子天线，所述加载调谐部(201)具有圆形焊盘(2011)、从所述圆形焊盘(2011)中心点引出的多条呈放射状分布的金属条带(2012)，以及连接在所述金属条带(2012)端部的环形金属贴片(2013)，所述圆形焊盘(2011)与所述垂直互联探针(104)电连接；
所述反射地板(203)具有第一槽(2031)和第二槽(2032)；所述第一槽(2031)设置于所述反射地板(203)的中心处，用于使所述垂直互联探针(104)穿过所述反射地板(203)且不与所述反射地板(203)接触；所述第二槽(2032)在所述辐射部(202)的正投影与所述辐射部(202)交叠，用于形成缝隙以使所述辐射部(202)与所述馈电网络层(204)耦合。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，
所述辐射部(202)为方形金属贴片结构，所述辐射部(202)具有边缘缺失结构和内部缺失结构(2025)；
所述边缘缺失结构分别设置于所述辐射部(202)的四个角处，用于形成极化简并模，实现定向圆极化辐射；
所述内部缺失结构(2025)设置于所述辐射部(202)的中心处，用于使所述垂直互联探针(104)穿过所述辐射部(202)与所述加载调谐部(201)相连接，且所述垂直互联探针(104)与所述辐射部(202)不接触。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，
所述边缘缺失结构为切角结构；
沿逆时针方向，分别位于所述辐射部(202)的四个角处的所述切角结构的半径由大到小逐渐递减。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，
所述加载调谐部(201)在所述辐射部(202)的正投影的中心点与所述辐射部(202)的中心点重合。
5.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，
所述内部缺失结构(2025)的截面形状和所述第一槽(2031)的截面形状均与所述垂直互联探针(104)的截面形状相同；
所述垂直互联探针(104)的截面面积小于所述内部缺失结构(2025)的截面面积和所述第一槽(2031)的截面面积。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，
所述馈电网络层(204)具有全向线极化馈电网络(2041)和定向圆极化馈电网络(2042)，所述定向圆极化馈电网络(2042)和所述全向线极化馈电网络(2041)互相独立；
所述定向圆极化馈电网络(2042)在所述反射地板(203)上的正投影与所述第二槽(2032)的中心线重叠；
所述全向线极化馈电网络(2041)的一端与所述垂直互联探针(104)电连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的天线，其特征在于，
所述第一介质基板(101)与所述第二介质基板(102)之间具有空气层(205)。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，还包括支撑结构(103)，所述支撑结构(103)位于所述第一介质基板(101)与所述第二介质基板(102)之间；
所述空气层(205)设于所述支撑结构(103)内部，所述空气层(205)在所述第二表面(1012)上的正投影面积大于所述辐射部(202)的面积。
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