CN116315582A - 一种车载多频段组合天线及车载通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种车载多频段组合天线及车载通信系统，属车载通信领域。该天线包括：GSM‑R窄带振子、5G‑R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子从前至后间隔固设在底座上；无源引向振子固设在底座上，位于GSM‑R窄带振子侧前方；GSM‑R窄带振子、5G‑R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子分别与集束电缆的对应通信输入端子电气连接，该集束电缆另一端分设有GSM‑R通信端口、5G‑R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口，均伸出至底座外；天线罩密封固设罩住无源引向振子、GSM‑R窄带振子、5G‑R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子。该天线能在集成多频段天线前提下，保证各天线间隔离度，保障各天线通信性能。

Description

一种车载多频段组合天线及车载通信系统
技术领域
本发明涉及车载天线领域，尤其涉及一种高铁机车用的车载多频段组合天线及车载通信系统。
背景技术
为保证铁路行车安全，提高运输效率和服务水平，实现铁路运营管理的信息化和自动化，目前在动车组上装备了多种移动通信系统和卫星导航系统，为列车运行控制、调度指挥、运营管理、铁路防灾等业务系统提供车地信息传输平台。基于既有铁路通信导航业务需求，目前已经在机车车顶有限的空间内安装了多副天线，现有天线均为单通信端口天线，分为窄带天线和超宽带天线两种：窄带天线不同型号对应铁路不同的业务频段；而超宽带天线则覆盖几乎铁路通信涉及的所有频段，使用时车载业务终端通过多频段合路器统一接入。目前机车上采用的是多个窄带天线保障重点业务，加上部分超宽带天线配合的天线布局方式。随着智能铁路的快速发展，投入使用的新业务设备对监测信息、控制信息、指挥信息和命令信息等的传输需求不断增加，对通信系统和天线的需求也在不断增加。
既要满足既有车辆通信相关业务设备的天线需求，又需兼顾新增加业务设备的天线需求，目前机车顶部的天线布局方案和天线型号已不能满足这样的需求，现有车载天线至少主要存在以下技术缺陷：(1)机车顶部天线安装位置有限，窄带天线的存在使得安装位置的利用率很低，一个位置只能一个业务在使用。具体可参见中国实用新型专利CN201920776061.5公开的一种应用于高铁的天线，以及参考文献[1]公开的新型高增益天线在高铁上的应用，曹广山、迟明仁等，信息通信技术，2019（013）005和中国实用新型专利CN201721299835.7公开的一种双频全向高铁天线；(2)超宽带天线虽然可以通过多频段合路器来保证多个业务同时工作，但铁路重点业务和普通业务以及移动通信公用频段共用天线存在安全风险，而且频段接近时合路器的高隔离度很难实现。具体可参见中国发明专利CN202010211270.2公开的一种单极子高铁天线，中国实用新型专利CN201821896138.4公开的一种用于高铁提供无线通讯的天线，参考文献[2]公开的一种应用于高铁通信系统的高增益宽带天线设计，艾壮，刘英等，2019全国天线年会和中国实用新型专利CN201720750542.X公开的一种用于铁路机车的定位通信组合天线；(3)有限的车顶空间内难以继续加装天线，天线间距离过近会造成系统间的电磁兼容性问题，影响通信系统正常工作，从而影响列车相关业务系统的正常使用。具体可参见中国实用新型专利CN201811062293.0公开的一种高铁用三端口组合天线中采用的多端口多频段综合方案，该方案未充分考虑端口之间隔离度，无法满足现在高铁通信业务需求。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种车载多频段组合天线及车载通信系统，能够在集成多种频段天线的前提下，保证各天线之间的隔离度，保障各天线的通信性能，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种车载多频段组合天线，包括：
天线罩、底座、集束电缆、无源引向振子、GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子；其中，
所述GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子从前至后依次间隔固定设置在所述底座上；
所述无源引向振子固定设置在所述底座上，位于所述GSM-R窄带振子的侧前方；
所述GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子分别与所述集束电缆的对应通信输入端子电气连接，该集束电缆的另一端分别设有GSM-R通信端口、5G-R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口，所述GSM-R通信端口、5G-R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口伸出至所述底座外面；
所述天线罩密封固定设置在所述底座上，罩设住所述无源引向振子、GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子。
一种车载通信系统，包括：车载天线和通信主机，所述车载天线设置在高铁机车顶部，与通信主机电气连接，所述车载天线采用本发明所述的车载多频段组合天线。
与现有技术相比，本发明所提供的车载多频段组合天线，其有益效果包括：
通过在底座上间隔设置GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子，并在GSM-R窄带振子侧前方设置无源引向振子，实现了在较小空间内集成了不同频段的天线，使得铁路机车在车顶空间有限的情况下布设更多业务天线的同时保证业务通信信道之间仍然具有足够的隔离度，充分满足现有包括未来5G车载业务需求及特种业务独立性要求，还对端口之间设计有充分的隔离度以保证重点业务抗干扰性，满足铁路新一代通信系统建设要求。为现有车顶系列天线提供了更高集成度，更高电磁兼容性的解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的车载多频段组合天线的内部结构示意图。
图2为本发明实施例提供的车载多频段组合天线的外部整体结构示意图。
图中：1-天线罩；2-底座；3-集束电缆；4-无源引向振子；5-GSM-R窄带振子；6-5G-R窄带振子；7-超宽带移动公网通信振子；8-GNSS卫星定位模组；9-GSM-R通信端口；10-5G-R通信端口；11-移动公网通信端口；12-卫星定位端口；13-防水密封垫。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明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文的限制。
下面对本发明所提供的车载多频段组合天线进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种车载多频段组合天线，包括：
天线罩、底座、集束电缆、无源引向振子、GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子；其中，
所述GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子从前至后依次间隔固定设置在所述底座上；
所述无源引向振子固定设置在所述底座上，位于所述GSM-R窄带振子的侧前方；
所述GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子分别与所述集束电缆3的对应通信输入端子电气连接，该集束电缆的另一端分别设有GSM-R通信端口、5G-R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口，所述GSM-R通信端口、5G-R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口伸出至所述底座外面2；
所述天线罩密封固定设置在所述底座上，罩设住所述无源引向振子、GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子。
上述天线中，所述GNSS卫星定位模组8以架高方式固定安装在所述底座的中部，架高的高度为31mm。
上述天线中，所述GSM-R窄带振子5由第一金属辐射体和第一玻璃纤维载板组成，所述第一金属辐射体采用T字型板状结构体，该第一金属辐射体与第一玻璃纤维载板的印刷电路焊接实现电气连接，所述第一金属辐射体通过所述第一玻璃纤维载板固定在底座上，所述第一玻璃纤维载板上印刷电路的馈电点与所述集束电缆的GSM-R通信输入端子焊接实现电气连接。这种结构的第一金属辐射体能在保证性能的前提下，有效缩减尺寸，优化空间占用。
上述天线中，所述5G-R窄带振子6由第二金属辐射体和第二玻璃纤维载板组成，所述第二金属辐射体采用T字型板状结构体，T字型板状结构体的顶部横条两端均设有竖向下突起，该第二金属辐射体后与第二玻璃纤维载板的印刷电路焊接实现电气连接，所述第二金属辐射体通过所述第二玻璃纤维载板固定在底座上，所述第二玻璃纤维载板上印刷电路的馈电点与所述集束电缆的5G-R通信输入端子焊接实现电气连接。这种结构的第二金属辐射体能在保证性能的前提下，实现模式去耦，优化性能。第二金属辐射体的高端小于第一金属辐射体的高度。
上述天线中，所述超宽带移动公网通信振子7由第三金属辐射体和第三玻璃纤维载板组成，所述第三金属辐射体采用上端为圆弧型及下端为尖角型的结构体，该第三金属辐射体与第三玻璃纤维载板的印刷电路焊接实现电气连接，所述第三玻璃纤维载板上印刷电路的馈电点与所述集束电缆的超宽带移动公网通信输入端子焊接实现电气连接。这种结构的第三金属辐射体经过超宽带阻抗优化，能提升性能。
上述天线中，所述天线罩为圆弧形结构，内部设置若干加强筋，该天线罩的底部通过防水密封垫与底座通过螺丝紧固形成密封连接结构。能降低风阻且增加强度。
本发明实施例还提供一种车载通信系统，包括：车载天线和通信主机，所述车载天线设置在高铁机车顶部，与通信主机电气连接，所述车载天线采用本发明所述的车载多频段组合天线。
综上可见，本发明实施例的天线，具有体积小，集成度高，性能好以及安全性高的优点。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的车载多频段组合天线进行详细描述。
实施例：
本发明实施例提供一种车载多频段组合天线，是一种具备GSM-R/5G-R/移动通信网三大类通信频段以及GNSS卫星定位功能为一体的四端口组合天线，应用于铁路列车车顶装载使用。天线包含了铁路专网的4G、5G频段两个端口，为下一代铁路专网通信提供支持。天线还包含有移动通信公网通信端口，能够适用于3G/4G/5G所有通信频段。天线的GNSS端口支持双网四星的卫星定位，可以给列车提供实时定位服务。
在综合多业务多频段功能的同时，考虑铁路列车应用场景的特殊性，这种设计提高了各业务频段之间的信道隔离度，即≥15dB@≤1GHz，≥20dB@＞1GHz，能够很好的解决铁路系统车载天线面临的空间有限与电磁兼容性的矛盾。
天线的天线罩为弧线的低风阻设计并充分考虑高速列车12级风下380Km时速以及经过隧道等极端条件下的强风压、撞击等结构强度要求。
如图1所示，本发明实施例提供的车载多频段组合天线，包括：
天线罩1、天线底座2、集束电缆3、无源引向振子4、GSM-R窄带振子5、 5G-R窄带振子6、超宽带移动公网通信振子7、 GNSS卫星定位模组8、 GSM-R通信端口9、 5G-R通信端口10、移动公网通信端口11、卫星定位端口12和防水密封垫13；
其中，所述天线罩1、防水密封垫13与底座2通过螺丝紧固，构成天线防水密封外壳，满足IP67要求。
所述底座2预留可以兼容铁路列车多种安装孔位的螺栓通孔。
所述GSM-R窄带振子5、 5G-R窄带振子6、 GNSS卫星定位模组8和超宽带移动公网通信振子7从前至后固定安装在所述底座上，处于天线罩1内，由天线罩1、防水密封垫13与底座2形成的密封结构保护；GSM-R窄带振子5、 5G-R窄带振子6、 GNSS卫星定位模组8和超宽带移动公网通信振子7均通过集束电缆3的对应通信输入端子分别连接外部的GSM-R通信端口9（N-50K）、5G-R通信端口（N-50K）10、卫星定位端口12（TNC-50K）和移动公网通信端口11（N-50K）。
所述无源引向振子4固定安装在底座2上，位于GSM-R窄带振子5的侧前方。通过设置无源引向振子，对GSM-R窄带振子5的GSM-R频段的辐射方向图进行修正，保证天线各端口隔离度的同时，适当修正由于多振子组合引起的低频段天线方向图畸变，保证天线辐射波束对前方宽角度范围的覆盖。
所述GSM-R窄带振子5由第一金属辐射体、第一玻璃纤维载板组成，第一金属辐射体经过缩减尺寸优化设计形状后与第一玻璃纤维载板印刷电路焊接连接。
这种结构的GSM-R窄带振子采用了顶部加载和振子体阻抗调谐等手段，实现了GSM-R专网频段的小型化窄带天线，尽量减低了振子高度并抑制高次模产生，在保证工作频段内驻波小于1.5的同时，提高了相邻振子在工作频段内的隔离度，满足-15dB的隔离度指标。
所述5G-R窄带振子6由第二金属辐射体、第二玻璃纤维载板组成，第二金属辐射体经过模式去耦技术优化设计形状后与第二玻璃纤维载板印刷电路焊接连接。
这种结构的5G-R窄带振子，采用了模式去耦设计，全工作频段内驻波小于1.5，同时大大降低与相邻GSM-R窄带振子的互耦。提高了相邻端口隔离度，达到-20dB要求。
所述超宽带移动公网通信振子7由第三金属辐射体、第三玻璃纤维载板组成，第三金属辐射体经过超宽带阻抗优化设计形状后与第三玻璃纤维载板印刷电路焊接连接。
这种结构的超宽带移动公网通信振子综合采用了馈电线阻抗变化、矩形超宽带单极子和耦合电容加载等超宽带小型化天线技术设计，能覆盖700~4900MHz的超宽带小型化天线，并设计有针对GSM-R和5G-R频段的空间滤波天线设计，减小互耦，提高了相邻端口隔离度，达到-20dB要求。
所述GNSS卫星定位模组8安装在底座2中部，采用架高方式安装，安装高度为31mm。架高方式安装能更好的接收卫星信号，同时起到提高相邻振子隔离度作用。
上述天线中，天线外罩整体为圆弧设计，减低风阻，同时内部设计有一定密度加强筋，能够保证10倍风压条件下的结构强度及抗疲劳损坏。
本发明的天线使得铁路机车在车顶空间有限的情况下布设更多业务天线的同时保证业务通信信道之间仍然具有足够的隔离度，满足铁路新一代通信系统建设要求。为现有车顶系列天线提供了更高集成度，更高电磁兼容性的解决方案。本发明的车载多频段组合天线，整体可应用于高速动车组通信车厢，也可以用于其他客运列车、货运列车的通信车厢。天线包含的各频段振子单独也可以应用于对应的频段通信场景，并不限于整体使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种车载多频段组合天线，其特征在于，包括：
天线罩、底座、集束电缆、无源引向振子、GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子；其中，
所述GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子从前至后依次间隔固定设置在所述底座上；
所述无源引向振子固定设置在所述底座上，位于所述GSM-R窄带振子的侧前方；
所述GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子分别与所述集束电缆的对应通信输入端子电气连接，该集束电缆的另一端分别设有GSM-R通信端口、5G-R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口，所述GSM-R通信端口、5G-R通信端口、卫星定位端口和移动公网通信端口伸出至所述底座外面；
所述天线罩密封固定设置在所述底座上，罩设住所述无源引向振子、GSM-R窄带振子、5G-R窄带振子、GNSS卫星定位模组和超宽带移动公网通信振子。
2.根据权利要求1所述的车载多频段组合天线，其特征在于，所述GNSS卫星定位模组以架高方式固定安装在所述底座的中部，架高的高度为31mm。
3.根据权利要求1或2所述的车载多频段组合天线，其特征在于，所述GSM-R窄带振子由第一金属辐射体和第一玻璃纤维载板组成，所述第一金属辐射体采用T字型结构体，该第一金属辐射体与第一玻璃纤维载板的印刷电路焊接实现电气连接，所述第一金属辐射体通过所述第一玻璃纤维载板固定在底座上，所述第一玻璃纤维载板上印刷电路的馈电点与所述集束电缆的GSM-R通信输入端子焊接实现电气连接。
4.根据权利要求1或2所述的车载多频段组合天线，其特征在于，所述5G-R窄带振子由第二金属辐射体和第二玻璃纤维载板组成，所述第二金属辐射体采用T字型结构体，T字型板状结构体的顶部横条两端均设有竖向下突起，该第二金属辐射体与第二玻璃纤维载板的印刷电路焊接实现电气连接，所述第二金属辐射体通过所述第二玻璃纤维载板固定在底座上，所述第二玻璃纤维载板上印刷电路的馈电点与所述集束电缆的5G-R通信输入端子焊接实现电气连接。
5.根据权利要求1或2所述的车载多频段组合天线，其特征在于，所述超宽带移动公网通信振子由第三金属辐射体和第三玻璃纤维载板组成，所述第三金属辐射体采用上端为圆弧型及下端为尖角型的结构体，该第三金属辐射体与第三玻璃纤维载板的印刷电路焊接实现电气连接，所述第三金属辐射体通过所述第三玻璃纤维载板固定在底座上，所述第三玻璃纤维载板上印刷电路的馈电点与所述集束电缆的超宽带移动公网通信输入端子焊接实现电气连接。
6.根据权利要求1或2所述的车载多频段组合天线，其特征在于，所述天线罩为圆弧形结构，内部设置若干加强筋，该天线罩的底部通过防水密封垫与底座通过螺丝紧固形成密封连接结构。
7.一种车载通信系统，包括：车载天线和通信主机，所述车载天线设置在高铁机车顶部，与通信主机电气连接，其特征在于，所述车载天线采用权利要求1-6任一项所述的车载多频段组合天线。
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