CN116845552B - 一种具有方向图改善的高增益车载光学透明天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有方向图改善的高增益车载光学透明天线，工作在0.74‑0.87GHz。本发明包括基板、天线本体、系统地板；基板包括PET薄膜层、OCA胶层、PC介质基板；天线本体由两个梯形的辐射贴片、反向抵消条带、馈线、与天线位于同一层的系统地板组成，两个梯形辐射贴片通过反向抵消条带将其较长的底边连接。其透明性主要得益于采用了透明基板材料和薄且细微的金属线构成的金属网格结构，并通过级联的梯形辐射贴片以及连接的反向辐射条带获得高增益、宽带宽、水平方向图零点改善等性能提升。本发明能够实现在工作频带能够达到70％以上的光学透明度，65％以上的辐射效率以及3dB以上的方向图零点改善。

Description

一种具有方向图改善的高增益车载光学透明天线

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种具有方向图改善的高增益车载透明天线，具体是一种高增益、低副瓣、具有方向图改善以及光学透明性能的高增益车载透明天线，其具体工作在0.74GHz-0.87GHz频段。

背景技术

天线作为无线通信、无线网络、卫星定位等智能网联系统的关键部件。在无线通信系统中起到收发信号的关键作用。随着5G汽车智能化、自动驾驶、物联网的快速发展，新一代智能汽车对于天线的需求越来越高。天线的好坏直接决定整个智能网联汽车系统的整体性能。常见的传统车载天线大概为以下几类：鞭形天线、鲨鱼鳍天线、内置天线。鞭形天线通常较为普遍的安装在老式汽车上，鞭形天线往往都具有较长的物理尺寸，这也带来了较强的信号收集能力。但同时会增加汽车的风阻并可能在通过低矮地区或者隧道时导致天线折断。相较于鞭形状天线目前大多数车辆采用的是更为美观风阻更小的鲨鱼鳍天线，鲨鱼鳍天线同时还兼具释放静电的作用。但往往在一些特殊场合的信号接受能力不如传统天线。内置天线又被称作隐形天线，因其可以完整的与车体融为一体、不影响车辆整体美观且不带来额外的风阻的特性而被广泛应用。但由于将天线置入汽车内部，往往会受到车体金属框架的影响导致信号接收能力下降。上述常见的车载天线都具有一定的优势及不足，因此一种兼具美观、不影响汽车行驶风阻、具有良好的信号接收能力、高增益的新型天线设计变得尤为重要。

光学透明天线则是一种有望解决上诉问题的潜在方案，光学透明天线往往是贴在玻璃或者透明介质基板上使用的，通常又称其为玻璃天线。玻璃天线作为当今天线研究的热点方向，在扩展其带宽，实现双极化，获得高隔离度以及大功率容量等问题上都有很多相关研究。相较于传统天线，玻璃天线具备以下优点：一是整体呈透明状，美观度高且安装灵活；二是玻璃天线的常规天线性能指标(增益，辐射效率，波速宽度，定向性等)均可与传统金属天线媲美；三是体积小重量轻且较为隐蔽。目前关于玻璃天线的研究涵盖方方面面，但关于车载玻璃天线的研究却并不多。玻璃天线由于其良好的光学透明性因此可以贴在汽车玻璃上以获得更好的信号接收能力。由于其紧贴玻璃放置的特性也不影响汽车的行驶风阻以及外观。因此玻璃天线是一种可行度很高的新型车载天线备选方案。

但不同于室内玻璃天线的应用，车载前挡风玻璃往往设计成一定倾角，用于减少风阻，但这也会导致在水平面上天线方向图并非全向而是在某些特定角度会存在零点。零点处将会无法接受及发射信号，这将会大大的影响车载天线的可靠性。因此一款具有水平面方向图零点改善的车载透明天线变得尤为重要。

本发明提出了一种具有方向图改善的高增益车载透明天线，其光学透明原理是通过选择透明的基板材料(PC基板、OCA(OpticallyClearAdhesive)胶、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜)，并利用足够细的金属线组成的金属网格实现金属层的电气互联以及光学透明。光学透明度与金属网格的间距及金属线的粗细有关，通过选择合适的金属网格工艺能够有效的兼顾天线辐射效率以及光学透明度。天线以及基板均被设计成L型是为了更好的嵌入车窗内与馈线相连。天线的主体辐射部分为两个辐射贴片，通过调节辐射贴片的长度来确定天线的工作频率，并通过调节贴片的宽来确保天线的带宽能覆盖0.74GHz-0.87GHz频段。其辐射工作原理为通过调节反向抵消条带的形状和长度来使两个串联的辐射贴片的辐射模式同向从而叠加形成高增益的效果。最后通过将传统的矩形辐射贴片的设计更换成梯形贴片能够使水平面上的方向图零点得到明显改善(-3dB提升)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的传统车载天线在外形以及低信号接收能力上的不足，提出了一种矩形贴片的高增益的车载透明天线，由于车载前窗玻璃在安装时往往会存在一个倾角，会导致水平面出现信号接收零点，本发明针对于此对矩形辐射贴片进行改良，梯形的辐射贴片能够获得一定的方向图零点改善并能扩宽天线的工作带宽。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种具有方向图改善的高增益车载透明天线，包括基板(1)、天线本体、系统地板(2)；

所述基板(1)为“L”形，其从上至下依次包括PET薄膜层(1-1)、OCA胶层(1-2)、PC介质基板(1-3)；PET薄膜层(1-1)，作为金属网格的生长基板；OCA胶层(1-2)，用于连接PET薄膜与PC介质基板(1-3)；

所述天线本体位于所述基板(1)的上表面，其包括两个轴对称设置的梯形辐射贴片(3)、反向抵消条带(4)、微带馈线(5)；

所述两个梯形辐射贴片(3)的长底边分别与所述反向抵消条带(4)的两端连接；

所述系统地板(2)位于所述基板(1)的上表面，且所述系统地板(2)为“L”形，其与汽车金属边框结合后，适用于车载天线的馈电；

所述系统地板(2)靠近所述天线本体端开有“L”形槽缝(6)；

所述“L”形槽缝(6)内设有“L”形的微带馈线(5)，所述微带馈线(5)的两端分别连接所述天线本体的梯形辐射贴片(3)短底边、所述系统地板(2)；

所述梯形辐射贴片(3)、反向抵消条带(4)、微带馈线(5)、系统地板(2)采用金属网格材料。

作为优选，梯形辐射贴片(3)的长底边约为0.12个波长，波长为工作频段中心频率所对应波长，短底边波长约为0.04个波长，能够有效的克服由于车前窗玻璃倾角导致的水平方向存在辐射零点的问题。

作为优选，梯形辐射贴片(3)的高度约为0.368个波长；

作为优选，反向抵消条带采用弯折线，从而实现电流的抵消，其总长度约为1.22个波长；天线的高增益即是利用两个梯形辐射贴片(3)的同向辐射模式叠加造成的。

天线及系统地板存在同一层，并且存在金属的区域均采用金属网格的设计以实现其透明性，并且天线的透明度与天线的辐射效率存在一个矛盾的关系，优选选用厚度为4um，方阻为0.12Ω/□的透明金属网格材料，其透明度理论能达到70％左右，辐射效率能够达到65％以上。

梯形辐射贴片的长底边的长度决定了其辐射方向图零点改善效果，其长度越长对于零点的改善效果越好，但也会使天线体积越大成本提高，梯形辐射贴片的设计同时增加了辐射贴片的宽度从而带来了更宽的阻抗匹配带宽，因此出于折衷考虑较长的底边长度选取约为0.12个波长。

反向抵消条带采取的是弯折线条的方式实现条带内部的电流相互抵消，防止其产生与辐射贴片相反的辐射模式从而降低天线增益；通过调节反向抵消条带的总长度以及弯折线之间的间距能够很好的控制其抵消作用，作为优选采用弯折19次的条带作为反向抵消条带。

本发明采用了共面波导(CPW)的馈电方式，能够通过调节地板的槽以及天线的馈线的尺寸来调节天线的阻抗匹配性能。

本发明提出了一种具有方向图改善的高增益车载透明天线，其光学透明原理是通过选择透明的基板材料(PC基板、OCA胶、PET薄膜)，并利用金属线组成的金属网格实现金属层的电气互联以及光学透明。光学透明度与金属网格的间距及金属线的粗细有关，通过选择合适的金属网格工艺能够有效的兼顾天线辐射效率以及光学透明度。天线以及基板均被设计成L型是为了更好的嵌入车窗内与馈线相连。天线的主体辐射部分为两个梯形辐射贴片，通过调节梯形辐射贴片的长度来确定天线的工作频率，并通过调节梯形辐射贴片的宽来确保天线的带宽能覆盖0.74GHz-0.87GHz频段。其辐射工作原理为通过调节反向抵消条带的形状和长度来使两个串联的辐射贴片的辐射模式同向从而叠加形成高增益的效果。最后通过将传统的矩形辐射贴片的设计更换成梯形贴片能够使水平面上的方向图零点得到明显改善(3dB提升)。

本发明的有效效果是：本发明是一种具有方向图改善的高增益车载透明天线，在尺寸以及外形上，其为平面结构，相较于传统车载天线具有光学透明性，更具有隐藏性，使其能够更好的与车身融为一体从而达到降低风阻，便于安装的目的。性能上，利用双辐射贴片串联的叠加效应实现高增益，全向的辐射方向图使其有良好的信号接收能力，通过梯形辐射贴片的设计使其拥有更宽的工作带宽以及方向图零点改善性能，且本款透明天线还在室内玻璃，家具一体化等应用场景有着广泛前景。

附图说明

图1是本发明具有方向图零点改善的高增益车载透明天线的结构示意图；

图2是本发明具有方向图零点改善的高增益车载透明天线的叠层信息图；

图3是没有方向图零点改善的高增益车载透明天线(对比例)的结构示意图；

图4是所设计的高增益车载透明天线采用的金属网格示意图；

图5是所设计的高增益车载透明天线采用的金属网格单元的尺寸标注图；

图6是所设计的具有方向图零点改善的高增益车载透明天线的反射系数图；

图7是800MHz时车载透明天线在水平面的辐射方向图；

其中，1为基板，1-1为PET薄膜层、1-2为OCA胶层、1-3为PC基板；2为系统地板；3为梯形辐射贴片；4为反向抵消条带；5为微带馈线；6为“L”形槽缝。

具体实施方式

为了进一步阐述，通过结合实例并对附图结构进行说明，对本发明进行进一步的介绍说明，但本发明并不局限于这个实施例。

图1为本发明所提出的具有方向图零点改善的高增益车载透明天线，具体包括基板1、天线本体、系统地板2；

所述基板1为“L”形，包括横向部分和纵向部分；基板1则包括三部分，从上至下分别为图2中的作为金属网格生长基板的PET薄膜层1-1、OCA胶层1-2、PC基板层1-3。

所述天线本体位于所述基板1的上表面，其包括两个轴对称设置的梯形辐射贴片3、反向抵消条带4、微带馈线5；所述两个梯形辐射贴片3的长底边分别与所述反向抵消条带4的两端连接；辐射主体部分由反向抵消条带4连接两个梯形辐射贴片3组成。

所述系统地板2位于所述基板1的上表面，且所述系统地板2为“L”形，其与汽车金属边框结合后，适用于车载天线的馈电；系统地板以及馈线之所以要设计成L型是为了能够嵌入车窗的金属框架结构从而隐藏馈线。所述系统地板2包括横向金属地和纵向金属地；所述纵向金属地与所述基板1的纵向部分的形状、尺寸相同，且所述纵向金属地完全覆盖所述基板1的纵向部分；所述横向金属地位于所述基板1的横向部分的一端，且横向金属地的长度小于所述基板1的横向部分的长度，宽度等于所述基板1的横向部分的宽度。

所述系统地板2靠近所述天线本体端开有“L”形槽缝；

所述“L”形槽缝内设有“L”形的微带馈线5，所述微带馈线5的两端分别连接所述天线本体的梯形辐射贴片3短底边、所述系统地板2；

所述梯形辐射贴片3、反向抵消条带4、微带馈线5、系统地板2采用图4金属网格材料，其厚度仅为H_MM＝4um，超薄的金属网格结构使其呈光学透明性，透明度能够达到70％以上，方阻仅为0.12Ω□/，低方阻能够带来高的天线辐射效率。

其中介质基板呈L形，远离地板的宽为W_sub＝50mm，长边为L_sub＝420mm，短边W_g1＝25mm。系统地板也是L型放置的，其长为L_g＝73mm，宽为W_g1+W_g2＝45mm，缺口处宽W_g2＝20mm。通过在系统地板上刻蚀“L”形槽缝，并通过加入L形金属微带线进行馈电，其中馈线宽为1mm，“L”形槽缝的宽W_s＝3mm，“L”形槽缝的两级长分别为L_s1＝34mm，L_s2＝26.5mm，微带馈线5的长度比“L”形槽缝的长度略长。两个梯形辐射贴片3分布在反向抵消条带4的两侧，设置两级梯形辐射贴片3是通过使二者工作电流同向从而辐射模式相互叠加达到提高天线增益的目的，反向抵消条带4则是通过弯折的方式使本该与辐射贴片3反向的辐射模式在内部发生抵消。两个梯形辐射贴片长底边靠近放置，长底边W_p2＝45mm，腰长L_p2＝138.8mm。方向图的零点改善性能由W_p2的宽度决定，W_p2的值越大对于方向图的零点改善效果越好，但出于成本以及天线尺寸的考虑，作为优选选取45mm作为梯形辐射贴片的底边长。反向抵消条带的设计则采用节省空间的弯绕设计，其线宽W_b＝3mm，两条弯折线之间的间距g＝2.6mm，部分线长L_b＝5.6mm，通过改变反向抵消条带的总长度能够很好的控制两个矩形辐射贴片的辐射相位从而实现高增益性能。

在此，提供如图3的对比例，在图1天线基础上将梯形辐射贴片3的形状由梯形更改为长L_p1＝138mm，宽W_p1＝15mm的矩形。辐射贴片的长L_p1主要决定天线工作频率，宽则主要决定其工作带宽。

图4为金属网格的微观示意图，通过这种规则排布的超薄金属网格的配置实现天线层的光学透明性能，透明度能够达到70％以上，能够满足应用在车载玻璃但不影响车内人员视线的要求。图5则为金属网格单元的结构示意图，其由垂直交叉排布的金属线组成，线宽W_m，线距g_M与金属网格工艺有关。这两个指标也会影响透明天线的透明度，往往线宽越窄，线距越大透明度越高，但同时金属损耗也会随着提高，另外一个决定金属损耗的因素为H_MM，通常H_MM越大天线金属损耗越小，最终设计天线的辐射效率会越高性能会越好。PET薄膜层1-1主要目的是附着金属网格层使其能够稳定生长，厚度为H_PET＝50um，介电常数为3.4，损耗角为0.008。OCA胶层1-2用于连接PET薄膜以及PC基板，厚度选取H_OCA＝100um的胶层，介电常数为3.8，损耗角为0.005。PC基板层1-3厚度H_PC＝1.5mm，介电常数为2.9，损耗角为0.01。

图6为本发明随着频率变化的反射系数图。可以看到在天线的预设工作频段(0.74GHz-0.87GHz)上，反射系数达到15dB以下，其-10dB阻抗带宽达到约300MHz远远达到设计目标。图7为图1本发明与图3无零点改善的透明车载天线的水平面方向图对比，可知本发明的天线还具有方阻低、透明度高，高增益、结构简单易于安装等特点。

本发明所提出的具有方向图改善的高增益车载透明天线。基板均为透明材料(PC、OCA、PET)，以及金属层采用金属网格设计，因此具有良好的光学透明性能，能够很好的在车载天线上得到应用，当其安装在车前挡风玻璃时相较于传统天线具有美观，易于安装，不影响车本身风阻等优势。同时本发明通过串联两个辐射贴片，并调节反向抵消条带的形状使得两个辐射贴片的电流同向而实现高增益，高增益意味着信号接收/发射能力强。此外本发明通过将辐射贴片的形状变为梯形从而克服了由于天线倾斜放置带来的在水平面方向图存在零点的问题，避免在某些特定角度存在无信号的情况。本发明的这些优势能够比其他方案更加适用于现代5G车载无线通信系统中对天线系统高信道容量，高数据吞吐量，天线美观度的要求。

上述仅为本发明的一个具体实施例，仅用于阐述本发明的设计方法以及核心设计思想。但本发明所提出的去耦方案不仅仅局限于本实施例的具体工作频段的高增益天线，可以通过调节天线辐射贴片的长来调节天线的工作频率，通过调节天线辐射贴片的宽来调节工作带宽。同时不局限于特定的介质基板，根据具体应用不同能够适用不同的应用场景，例如室内窗户等其余需要天线透明的应用场景。此外可以通过调节金属网格工艺当中金属网格的疏密程度得到不同透明度的透明天线以适用于对透明度要求不同的应用场合。应当指出的是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，仍然可以对本发明进行优化改进，这些优化改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。本发明并未限制具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要发生的各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，一切以本发明为设计思想构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种具有方向图改善的高增益车载光学透明天线，其特征在于包括基板（1）、天线本体、系统地板（2）；

所述基板（1）为“L”形，其从上至下依次包括作为金属网格生长基板的PET薄膜层（1-1）、OCA胶层（1-2）、PC介质基板（1-3）；

所述天线本体位于所述基板（1）的上表面，其包括两个轴对称设置的梯形辐射贴片（3）、反向抵消条带（4）、微带馈线（5）；

所述两个梯形辐射贴片（3）的长底边分别与所述反向抵消条带（4）的两端连接；

所述系统地板（2）位于所述基板（1）的上表面，且所述系统地板（2）为“L”形，其与汽车金属边框结合后，适用于车载天线的馈电；

所述系统地板（2）靠近所述天线本体端开有“L”形槽缝（6）；

所述“L”形槽缝内设有“L”形的微带馈线（5），所述微带馈线（5）的两端分别连接所述天线本体的梯形辐射贴片（3）短底边、所述系统地板（2）；

所述梯形辐射贴片（3）、反向抵消条带（4）、微带馈线（5）、系统地板（2）采用金属网格材料；所述反向抵消条带（4）采用弯折线，反向抵消条带（4）总长度为1.22个波长，所指波长为工作频段中心频率所对应波长，通过调节反向抵消条带（4）的形状和长度来使两个梯形辐射贴片（3）的辐射模式同向，从而叠加形成高增益。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于所述梯形辐射贴片（3）长底边为0.12个波长，所指波长为工作频段中心频率所对应波长，短底边波长为0.04个波长。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于所述梯形辐射贴片（3）的高度为0.368个波长，所指波长为工作频段中心频率所对应波长。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于金属网格材料厚度为4um，方阻为0.12Ω/□。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于通过调节反向抵消条带（4）的总长度以及弯折线之间的间距实现调控反向抵消条带（4）的抵消作用。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于通所述反向抵消条带（4）采用弯折19次的条带。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于通过调节系统地板（2）的“L”形槽缝（6）以及天线的微带馈线（5）的尺寸调节天线的阻抗匹配性能。