CN114069190A - 一种圆极化微带天线及obu装置及车辆玻璃 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种圆极化微带天线、OBU装置及车辆玻璃，包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的接地板，以及设置在绝缘介质板正面的辐射层；所述接地板上设置有缝隙槽，所述缝隙槽将所述接地板分成第一接地板和第二接地板，所述第一接地板和第二接地板分别用于与馈电元件电联接；所述缝隙槽用于将辐射层与馈电元件电联接；一种OBU装置，包括上述所述的圆极化微带天线以及OBU控制装置，所述圆极化微带天线通过馈电元件与所述OBU控制装置电联接；本申请通过辐射层和缝隙槽的设置，使得圆极化微带天线可以与硬件电路分开设置，进而可以方便将圆极化微带天线适应不同的使用场所；且辐射层结构简单，容易实现产业化。

Description

一种圆极化微带天线及OBU装置及车辆玻璃

技术领域

本发明涉及智能交通设备领域，具体涉及一种圆极化微带天线及OBU装置及车辆玻璃。

背景技术

ETC(Electronic Toll Collection)即全自动电子收费系统，是智能交通系统的服务功能之一，它特别适合在高速公路和路桥收费点。汽车车主只要在车辆前挡风玻璃上安装ETC车载单元(OBU)，并预存费用，通过收费站时便不用人工缴费，也无须停车。这种收费系统每车收费耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道的5至10倍。

2019年5月，国家加速推进ETC收费站建设的推进，ETC的未来使用达到90％以上。ETC收费站设备和车载ETC单元稳定可靠通信，增加车辆收费一次成功通过率，如果天线出现故障，车载电子标签将无法收到天线的数据，造成ETC交易中断或者失败，因此ETC天线的性能与可靠性需要兼顾。除了ETC天线，还有5G、车载FM/DTV等天线和汽车玻璃的融合成为车载天线设计的一种趋势。

现在的OBU大多是天线和硬件电路一起安装在黑盒中，然后将整个OBU贴在汽车的前挡风玻璃上，主要存在以下几个缺点：

(1)OBU安装在玻璃内表面：难以避免玻璃对天线性能的影响。影响美观，需要在要在玻璃上寻找合适的位置来安装OBU的盒体。

(2)OBU的天线部分安装在玻璃外表面：虽然避免了玻璃对天线性能的影响，但天线会受到外界环境影响，且易被侵蚀，从而影响使用年限和使用性能，且不美观。

(3)受制于板材材料和厚度、前挡玻璃合片工艺等，现有OBU单元天线技术无法从盒体中分离后直接夹在两片玻璃中间。因此天线和车辆玻璃是分立的，并未集成化。通常需要在车辆玻璃安装完成后，额外在车辆玻璃上安装一带有天线的OBU单元。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种圆极化微带天线、OBU装置及车辆玻璃，通过辐射层和缝隙槽的合理设置，使得圆极化微带天线可以与硬件电路分开设置，进而可以方便将圆极化微带天线适应不同的使用场所；且辐射层结构设计简单，工艺容易实现。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的接地板，以及设置在绝缘介质板正面的辐射层；所述接地板上设置有缝隙槽，所述缝隙槽将所述接地板分成第一接地板和第二接地板，所述第一接地板和第二接地板分别用于与馈电元件电联接；所述缝隙槽用于将辐射层与馈电元件电联接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述辐射层包括多个辐射单元以及馈电网络，所述馈电网络用于将多个辐射单元与馈电元件耦合连接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述馈电网络包括微带功分电路和相位延迟电路；所述微带功分电路分别与多个辐射单元电连接；所述微带功分电路用于与馈电元件耦合连接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述微带功分电路包括第一T型阻抗匹配器、第二T型阻抗匹配器、第三T型阻抗匹配器，优选地，所述第一T型阻抗匹配器的输入端与第三T型阻抗匹配器的输出端电连接，所述第三T型阻抗器的另一输出端通过相位延迟电路与第三T型阻抗匹配器电联接，所述缝隙槽用于将第三T型阻抗匹配器的输入端与馈电元件耦合连接；所述第一T型阻抗匹配器和所述第二T型阻抗匹配器的输出端分别与辐射单元电连接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述第一T型阻抗匹配器和所述第二T项阻抗匹配器的输出端分别设置有两条并联的分支线；所述分支线与辐射单元电连接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述微带功分电路通过调谐分枝节和伞型负载与馈电元件耦合连接；所述伞型负载通过微带传输线与所述微带功分电路电连接，所述调谐分枝节设置在所述微带传输线上。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述调谐分枝节距离所述伞型负载的距离为0.1mm～10mm，优选0.5mm～2mm。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述缝隙槽沿绝缘介质板厚度方向的水平投影的一部分位于所述伞型负载与所述调谐分枝节之间。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述伞型负载的伞形开口角度为30°～50°，所述伞型负载的伞形半径为3mm～5mm。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述缝隙槽的结构为L型或者H型或者Z型或者环形或者长条形。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述缝隙槽的结构为L型，包括相互垂直的第一缝隙槽和第二缝隙槽，优选地，所述第一缝隙槽的长度为5mm～10mm，宽度为0.5mm～1.0mm，所述第二缝隙槽的长度为5mm～10mm，宽度为0.5mm～1.0mm。

本申请还提供了一种OBU装置，其中圆极化微带天线和OBU控制装置可以通过馈电元件分开连接，从而避免了集中在一个黑盒中，解决了使用过程中不美观和需要在车辆玻璃上寻找合适的位置来安装OBU的盒体的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：一种OBU装置，包括上述所述的圆极化微带天线，以及还包括OBU控制装置，所述圆极化微带天线通过馈电元件与所述OBU控制装置电联接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述馈电元件为同轴线，所述同轴线包括内导体，外导体和绝缘层；所述内导体外侧包覆有绝缘层，所述绝缘层外侧包覆有外导体。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述内导体与所述第一接地板电连接，所述外导体与所述第二接地板电连接。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述内导体与设置在接地板上的馈电点电联接，所述馈电点与第一缝隙槽的距离等于与第二缝隙槽的距离。

本申请还提供了一种汽车天线，通过使用内层玻璃作为圆极化微带天线的介质基板，实现了圆极化天线夹在车辆玻璃中间的设计，没有增加额外的硬质板材且破坏车辆玻璃自身的特性，夹层玻璃合片工艺时不需要再在中间层上开槽，可以实现了OBU天线和车辆玻璃一体化。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：一种车辆玻璃，包括上述所述的圆极化微带天线，所述车辆玻璃为夹层玻璃，包括依次连接的内层玻璃、中间层和外层玻璃，所述圆极化微带天线的绝缘介质板为内层玻璃。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述圆极化微带天线的辐射层位于所述中间层与所述内层玻璃之间。

作为本发明一个优选的技术方案：所述辐射层沿绝缘介质板厚度方向的水平投影面积小于或者等于所述接地板的水平投影面积。

与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果：

1、通过辐射层和缝隙槽的合理设置，使得圆极化微带天线可以与硬件电路分开设置，进而可以方便将圆极化微带天线适应不同的应用场景；且辐射层结构设计简单，容易实现产业化。

2、OBU装置中的圆极化微带天线和OBU控制装置可以通过馈电元件分开连接，从而避免了集中在一个黑盒中，解决了使用过程中不美观以及需要在车辆玻璃上寻找合适的位置来安装OBU的盒体的问题。

3、通过采用夹层玻璃中的内层玻璃作为圆极化微带天线的介质基板，实现了圆极化天线夹在车辆玻璃中间的设计，无需增加额外的硬质板材且不会破坏车辆玻璃自身的特性，合片工艺时不需要再在中间层上开槽或者开孔，可以实现OBU天线和车辆玻璃一体化。

附图说明

图1为圆极化微带天线整体结构示意图；

图2为圆极化微带天线2×4辐射单元的整体结构示意图；

图3为圆极化微带天线接地板与辐射单元的结构示意图；

图4为馈电元件与圆极化微带天线的结构示意图；

图5为图4的局部放大示意图；

图6为图5的剖面结构示意图；

图7为车辆玻璃的整体结构示意图；

图8为圆极化微带天线的发射系数图；

图9为phi＝0°圆极化微带天线方向图；

图10为phi＝90°圆极化微带天线方向图。

图1～图7中：1、绝缘介质板，2、接地板，3、辐射层，4、缝隙槽，5、第一接地板，6、第二接地板，7、馈电元件，8、辐射单元，9、微带功分电路，10、相位延迟电路，11、第一T型阻抗匹配器，12、第二T型阻抗匹配器，13、第三T型阻抗匹配器，14、分支线，15、调谐分枝节，16、伞型负载，17、微带传输线，18、第一缝隙槽，19、第二缝隙槽，20、同轴线，21、内导体，22、外导体，23、绝缘层，24、内层玻璃，25、中间层，26、外层玻璃，27、护套，28、焊锡层，29、馈电点。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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。

实施例1

如图1～图3所示，本实施例提供了一种圆极化微带天线，包括绝缘介质板1和设置在绝缘介质板1背面的接地板2，以及设置在绝缘介质板1正面的辐射层3；接地板2对天线信号起反射作用，并使得辐射方向朝向外；接地板2尺寸优选为50mm×50mm；接地板2上设置有缝隙槽4，缝隙槽4将接地板2分成第一接地板5和第二接地板6，第一接地板5和第二接地板6分别与馈电元件7电联接，缝隙槽4的设置使得第一接地板5与第二接地板6之间形成电势差，即可将缝隙槽周边的微带传输线上信号耦合到接地板，使接地板在缝隙槽周边产生电势差，能量从而可以通过缝隙槽4耦合到辐射层3上；缝隙槽4的设置使得馈电结构设计简单，工艺方便实现，同时调节缝隙槽4的尺寸对于调节输入阻抗有较为明显的作用，可用于调节圆极化微带天线的频率，进而方便在生产中，制造适应不同场景应用的圆极化微带天线。

微带功分电路9通过调谐分枝节15和伞型负载16与馈电元件7耦合连接；伞型负载16通过微带传输线17与微带功分电路9电连接，调谐分枝节15设置在微带传输线17上；伞型负载16用于增加阻抗带宽，在本申请中伞型负载16的伞形开口角度为30°～50°，伞型负载16的伞形半径为3mm～5mm，通过伞型负载16的设置，使得第一接地板5和第二接地板6可以形成较强的电势差，提高天线效率。调谐分枝节15的位置会影响圆极化微带天线的谐振频率，离伞型越近，谐振频率趋向于低频移动，相反离伞型越远，谐振频率趋向于高频移动；其中，调谐分枝节15在离伞型的距离为0.5mm～2mm时，可使得圆极化微带天线谐振频率符合在ETC中应用。

接地板2优选为印刷银层或者其他具有高反射无线电波的材质制成；辐射层3包括多个辐射单元8以及馈电网络，多个辐射单元8分别通过馈电网络与馈电元件7耦合连接。馈电网络包括微带功分电路9和相位延迟电路10；微带功分电路9分别与多个辐射单元8电连接；微带功分电路9与馈电元件7耦合连接；优选地，微带功分电路9包括第一T型阻抗匹配器11、第二T型阻抗匹配器12、第三T型阻抗匹配器13；第一T型阻抗匹配器11，第二T型阻抗匹配器12的两个输出端通过微带传输线17与辐射单元8电连接，第一T型阻抗匹配器11的输入端的与第三T型阻抗匹配器13电连接，第三T型阻抗匹配器13通过相位延迟电路10与第二T型阻抗匹配器12输入端电连接；第一T型阻抗匹配器11，第二T型阻抗匹配器12的输出端分别通过微带传输线17与4个辐射单元8电连接，根据使用场合的需要，例如当接收的是为右旋信号时，可以通过微带传输线17长短的设置，使得4个辐射单元8沿着逆时针方向形成相位差为90°，从而整体形成右旋圆极化，即射频信号通过第三T型阻抗匹配器13等分后，一路进入第一T型阻抗匹配器11再一分为二，通过微带传输线17的长度不同，使得两路信号相差90°，另一路通过相位延迟电路10使得射频信号相位延迟180°，在经过第二T型阻抗匹配器12后，再一分为二，通过微带传输线17的长度不同，使得两路信号相差90°，从而可以实现四个辐射单元8之间的相位依次沿着逆时针的方向相差90°；如图2所示，第一T型阻抗匹配器11和第二T项阻抗匹配器也可以根据需要，在与其输出端相连接的微带传输线17的端部分别设置有两条并联的分支线14；分支线14与辐射单元8电连接，分支线14的设置使得第一T型阻抗匹配器11和第二T型阻抗匹配器12每个输出端可以设置两个辐射单元8，这样形成2×4辐射单元的结构形式从而利于提高天线的增益，也可以增强天线的方向性。可选地，多组辐射单元的阵列结构也可以使得天线具有双频特性。

缝隙槽4的结构为L型或者H型或者Z型或者环形或者长条形。缝隙槽4的结构优选为为L型，包括相互垂直的第一缝隙槽18和第二缝隙槽19，缝隙的长度增加，谐振频率下降，而调节缝隙宽度造成的变化不明显，且为了保证低的后向辐射，本申请选择一个较细的宽度，第一缝隙槽18的长度为5mm～10mm，优选8.5mm，宽度为0.5mm～1.0mm，优选0.8mm，第二缝隙槽19的长度为5mm～10mm，优选7.5mm，宽度为0.5mm～1.0mm，优选0.8mm。缝隙槽4沿绝缘介质板1厚度方向的水平投影的一部分位于伞型负载16与调谐分枝节15之间。具体来说，当L型缝隙槽4结构包括相互垂直的第一缝隙槽18和第二缝隙槽19时，则优选第二缝隙槽19沿绝缘介质板1厚度方向的水平投影位于伞型负载16与调谐分枝节15之间，能量从而可以通过第二缝隙槽19耦合到辐射层3上；同时调节缝隙槽4的尺寸，对于调节输入阻抗也有较为明显的作用。因此，合理设置L型缝隙槽，用于匹配馈电结构，可以使得微带天线设计更为灵活，工艺上简单，也容易实现产业化。

实施例2

如图4～图6所示，本申请还提供了一种OBU装置，包括上述的圆极化微带天线、OBU控制装置，圆极化微带天线通过馈电元件7与OBU控制装置电联接。OBU装置中的圆极化微带天线和OBU控制装置可以通过馈电元件7分开连接，从而避免集中在同一个OBU黑盒中，解决了使用过程中不美观和需要在车辆玻璃上寻找合适的位置来安装OBU的盒体的问题；其中馈电元件7优选为同轴线20，同轴线20包括内导体21，外导体22和绝缘层23；内导体21外侧包覆有绝缘层23，绝缘层23外侧包覆有外导体22，外导体外侧包覆有护套27。内导体21与第一接地板5电连接，外导体22与第二接地板6电连接；其中，内导体21与设置在接地板2上的馈电点29电联接，馈电点29距离第一缝隙槽18的距离与距离第二缝隙槽19的距离相等，优选地，馈电点29距离第一缝隙槽和距离第二缝隙槽为2.2mm，这样可以使得馈电点29的位置便于确认且易于焊接，外导体22与第一接地板5处加焊焊锡层28，焊锡层28距离第一缝隙槽17的距离优选为0.2mm，距离第二缝隙槽4端部的距离优选为2.4mm；焊锡层28的设置在保护同轴线20的同时，也可以保证同轴线20的外导体22与设置在绝缘介质板1上的印刷银层即接地板2的充分接触，做到工艺与性能双保险。同轴线通过合理设置内导体、外导体与L型缝隙槽之间的位置(如图5所示)，可以实现接地板在缝隙槽周边电势差的最大化，提高天线效率。

进一步地，优选伞型负载16的伞形开口角度为40°，长度为4mm；调谐分枝节15距离伞型负载16优选0.5mm～2mm，更优选0.8mm，此时圆极化微带天线的谐振频率在5.8GHZ附近，满足通用的ETC频率，使得圆极化微带天线处于最佳性能状态。其中辐射层3的伞型负载16的伞形开口角度为40°，长度为4mm；调谐分枝节15距离伞型负载16为0.8mm，此时圆极化微带天线的谐振频率在5.8GHZ附近，如图7所示的天线反射图，在5.8GHZ时，圆极化微带天线的反射系数为S11为-22.9dB，阻抗匹配良好，且在ETC的整个工作频带内S11都可以满足要求。如图8和图9所示的圆极化微带天线的仿真图，在phi＝0°和phi＝90°时，3dB波瓣宽度都<70°，满足ETC标准对于OBU天线的设计要求。天线增益仍可达到5dBi，从而保证ETC应用中OBU与收费设备的通信可靠性。

实施例3

如图7所示，本申请还提供了一种车辆玻璃，包括实施例1的圆极化微带天线，车辆玻璃为夹层玻璃，包括依次层叠的内层玻璃24、中间层25和外层玻璃26，圆极化微带天线的绝缘介质板1为内层玻璃24；中间层25的材质优选聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，还可以选用聚碳酸酯(PC)、隔音PVB、遮光带PVB、热控制PVB、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、热塑性聚氨酯(TPU)、离聚物、热塑性材料、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚乙烯醋酸乙烯酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯(PVf)、聚丙烯酸酯(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PUR)及其组合物等。

圆极化微带天线的辐射层3位于外层玻璃26与内层玻璃24之间，优选位于中间层25与内层玻璃24之间，辐射层3设置在内层玻璃24的外侧，可以减小玻璃对圆极化微带天线的影响，且不破坏玻璃自身的可靠性，同时接地板2设计于车辆内层玻璃的内侧，可以屏蔽车辆内部物体对天线的影响；优选地，辐射层3沿绝缘介质板厚度方向的水平投影面积小于或者等于接地板2的水平投影面积，这样设计，有利于提高圆极化微带天线增益，利于调控圆极化微带天线的方向性。通过直接采用内层玻璃24作为圆极化微带天线的介质基板，实现了天线夹在车辆玻璃中间的设计，无需增加额外的硬质板材且不会破坏车辆玻璃自身的特性，合片工艺时也不需要再在中间层25上开槽或者开孔，从而实现OBU天线和车辆玻璃一体化。

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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种圆极化微带天线，其特征在于：包括绝缘介质板和设置在绝缘介质板背面的接地板，以及设置在绝缘介质板正面的辐射层；所述接地板上设置有缝隙槽，所述缝隙槽将所述接地板分成第一接地板和第二接地板，所述第一接地板和第二接地板分别用于与馈电元件电联接；所述缝隙槽用于将辐射层与馈电元件电联接。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述辐射层包括多个辐射单元以及馈电网络，所述馈电网络用于将多个辐射单元与馈电元件耦合连接。

3.根据权利要求2所述的圆极化微带天线，其特征在于：所述馈电网络包括微带功分电路和相位延迟电路；所述微带功分电路分别与多个辐射单元电连接；所述微带功分电路用于与馈电元件耦合连接。

4.根据权利要求3所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述微带功分电路包括第一T型阻抗匹配器、第二T型阻抗匹配器、第三T型阻抗匹配器，

5.根据权利要求4所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第一T型阻抗匹配器的输入端与第三T型阻抗匹配器的输出端电连接，所述第三T型阻抗器的另一输出端通过相位延迟电路与第三T型阻抗匹配器电联接，所述缝隙槽用于将第三T型阻抗匹配器的输入端与馈电元件耦合连接；所述第一T型阻抗匹配器和所述第二T型阻抗匹配器的输出端分别与辐射单元电连接。

6.根据权利要求4所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第一T型阻抗匹配器和所述第二T项阻抗匹配器的输出端分别设置有两条并联的分支线；所述分支线与辐射单元电连接。

7.根据权利要求3所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述微带功分电路通过调谐分枝节和伞型负载与馈电元件耦合连接；所述伞型负载通过微带传输线与所述微带功分电路电连接，所述调谐分枝节设置在所述微带传输线上。

8.根据权利要求7所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述调谐分枝节距离所述伞型负载的距离为0.1mm～10mm。

9.根据权利要求7所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述缝隙槽沿绝缘介质板厚度方向的水平投影的一部分位于所述伞型负载与所述调谐分枝节之间。

10.根据权利要求7所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述伞型负载的伞形开口角度为30°～50°，所述伞型负载的伞形半径为3mm～5mm。

11.根据权利要求1～10任一项所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述缝隙槽的结构为L型或者H型或者Z型或者环形或者长条形。

12.根据权利要求11所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述缝隙槽的结构为L型，包括相互垂直的第一缝隙槽和第二缝隙槽。

13.根据权利要求12所述的一种圆极化微带天线，其特征在于：所述第一缝隙槽的长度为5mm～10mm，宽度为0.5mm～1.0mm，所述第二缝隙槽的长度为5mm～10mm，宽度为0.5mm～1.0mm。

14.一种OBU装置，其特征在于：包括权利要求1～13任一项所述的圆极化微带天线，以及还包括OBU控制装置，所述圆极化微带天线通过馈电元件与所述OBU控制装置电联接。

15.根据权利要求14所述的一种OBU装置，其特征在于：所述馈电元件为同轴线，所述同轴线包括内导体，外导体和绝缘层；所述内导体外侧包覆有绝缘层，所述绝缘层外侧包覆有外导体。

16.根据权利要求15所述的一种OBU装置，其特征在于：所述内导体与所述第一接地板电连接，所述外导体与所述第二接地板电连接。

17.根据权利要求15所述的一种OBU装置，其特征在于：所述内导体与设置在接地板上的馈电点电联接，所述馈电点与第一缝隙槽的距离等于与第二缝隙槽的距离。

18.一种车辆玻璃，其特征在于：包括权利要求1～13任一项所述的圆极化微带天线，所述车辆玻璃为夹层玻璃，包括依次层叠的内层玻璃、中间层和外层玻璃，所述圆极化微带天线的绝缘介质板为内层玻璃。

19.根据权利要求18所述的一种车辆玻璃，其特征在于：所述圆极化微带天线的辐射层位于所述中间层与所述内层玻璃之间。

20.根据权利要求19所述的一种车辆玻璃，其特征在于：所述辐射层沿绝缘介质板厚度方向的水平投影面积小于或者等于所述接地板的水平投影面积。

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