CN213717060U - 一种多频段组合天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多频段组合天线，包括介质基板和设置在介质基板上的天线本体，接地板，所述接地板与射频接头的外导体连接，所述介质基板垂直设置于所述接地板之上，其中，所述天线本体为近似“T”形结构，且沿竖直方向的中心线成左右对称结构，其包括产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点的第一单极子天线，以及产生中频段中心谐振点的第二单极子天线，所述天线本体通过馈电点连接至射频接头的内芯。

Description

一种多频段组合天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域，更确切地说，涉及一种适用于新一代列车通信系统的天线结构。

背景技术

天线(antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。列车在高速行驶时，需要控制系统对列车的行驶方向、运行间隔和运行速度进行控制，使其达到安全运行，而这些系统的控制都是主要通过固定服务台与该列车之间的无线电通信实现的。随着铁路技术的发展，新一代列车通讯系统中用于各种通信的需求也越来越多，这就需要安装不同功能的天线以满足各种通信的需求。一般的方法，各种天线都是安装在列车的车顶，然而列车车顶空间有限，这样天线的安装位置就会受到局限。但是另一方面为了使各个天线能够正常工作，减小天线之间的相互干扰，天线之间需要满足一定的隔离度要求。因此，业界开发出了能够集成多种通信功能的组合天线，通过组合天线的方法不但可以有效地减少天线的数目，另一方面为提高天线之间的隔离度，使用天线去耦结构减小天线之间的相互耦合。

在文献[吴文平；王晓辉.应用于高铁系统的多频带组合天线设计.测绘出版社.2019年.276-280]中，设计了一款适用于高铁列车移动通信和较高精度卫星定位应用场景下的多频段组合式天线。导航天线采用两层介质板层叠的方式实现双频段，两层天线利用两个3dB电桥馈电网络对双层贴片进行双点馈电，从而实现了圆极化，同时扩展了天线的带宽和提高了微带天线相位中心的稳定性。移动通信天线采用带短路枝节的直立单极子天线，为满足小型化的设计要求，把单极子天线变形为倒锥形。另外天线的短路枝节还可以当作天线的支撑部分，提高了天线的结构稳定性。设计的天线可以满足690-960MHz、1710-2700MHz、5700-5900MHz的移动通信需求和北斗卫星定位系统、GPS、GLONASS三系统七频段的卫星定位需求。但同时该结构也存在受通信天线的影响，导航天线的方向图对称性较差的问题。

文献[D.V.Navarro-Méndez et al.,"Wideband Double Monopole for Mobile,WLAN,and C2C Services in Vehicular Applications,"in IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,vol.16,pp.16-19,2017.]设计了一款车辆通信应用场景的组合式天线。该天线由两个子天线组合而成，第一个子天线是双短路的单极子天线，工作频率为698-960MHz(LTE700， GSM850，GSM900)，第二个子天线是雨滴形状的单极子天线，工作频率为1.4-2.7GHz(DCS1800，PCS1900，WCDMA2100，WLAN2400， LTE2600，WiMAX2350，Wi-Fi 2.4G频段)，和5.1-6GHz(WiFi 5G频段，C2C频段)。两个子天线相互垂直放置，装置在一个鱼鳍状的塑料天线罩里。

在文献[O.Kwon,R.Song and B.Kim,"A Fully Integrated Shark-Fin Antennafor MIMO-LTE,GPS,WLAN,and WAVE Applications,"in IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.17,no.4,pp.600-603,April 2018.]中，设计了一款应用于汽车通信场景的鱼鳍状组合式天线。该天线可以覆盖LTE(850MHz)、GPS(1575MHz)、WLAN(2.4GHz)和 WAVE(5.9GHz)频段。天线由两个平面倒F天线，两个修改的单极子和微带天线构成，这些天线通过合理布局装配在一个鱼鳍形的天线罩内。

在文献[C.Demien and R.Sarkis,"Design of Shark Fin Integrated AntennaSystems for Automotive Applications,"2019 PhotonIcs&Electromagnetics ResearchSymposium-Spring(PIERS-Spring), Rome,Italy,2019,pp.620-627.]中，设计了一款汽车通信应用场景下的组合天线。天线由工作在MIMO-LTE频段的两个倒F天线、工作在WiFi2.4GHz和5GHz频段的两个V2V天线和工作在GPS频段的微带天线组成。通过合理布局，所有天线集成在一个鱼鳍形状的天线罩内。

文献[E.Ghafari,A.Fuchs,D.Eblenkamp and D.N.Aloi,"A vehicular rooftop,shark-fin,multiband antenna for the GPS/LTE/cellular/DSRC systems,"2014 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications(APWC),Palm Beach,2014,pp.237-240.]中，设计了一款应用于汽车车顶的多频段组合天线。天线由两个PCB和一个 GPS天线组成。其中一个PCB水平放置，另一个PCB垂直放置，两块PCB 的材料都是使用的FR4材料，造价低廉。LTE天线刻蚀在垂直放置的PCB 上，GPS天线使用了高介电常数的材料以减小GPS天线模块的尺寸。分析比较了四种不同类型和位置的振子天线对整个天线辐射性能的影响，得出采用放置在垂直PCB上方的微带偶极子形式辐射更有优势的结论。

文献[H.Hu,X.Liu,H.Guo and R.Zhou,"The design of a dual band antennafor high-speed train,"2011 4th IEEE International Symposium on Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications,Beijing,2011,pp.737-740.]中，设计了一款应用于高铁通信和无线警报系统的组合式天线。天线的两部分印刷在垂直放置的FR4 介质板的两侧，其中一部分采用弯折的形式减小了整体天线的尺寸。为了与地隔开，在垂直放置的介质板与地之间放置了一块无金属的介质板材料。天线罩采用了有机合成材料以提升整体天线的强度。结果表明，天线可以工作在457-469MHz和820-935MHz频段，增益为1～2dBi，整体天线的造价比较便宜。

但是，以上的几种天线结构是放置于鲨鱼鳍状的天线罩内，对于新一代列车天线的适用性不匹配，为了契合新一代列车天线的要求，需要设计一款匹配性好的天线。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供了一种适用于新一代列车通信系统、且匹配性能高的天线结构。

具体的，该实用新型提供一种多频段组合天线，包括介质基板和设置在介质基板上的天线本体，接地板，所述接地板与射频接头的外导体连接，所述介质基板垂直设置于所述接地板之上，其中，所述天线本体为近似“T”形结构，且沿竖直方向的中心线成左右对称结构，其包括产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点的第一单极子天线，以及产生中频段中心谐振点的第二单极子天线，所述天线本体通过馈电点连接至射频接头的内芯。

在一实施方式中，所述第一单极子天线分为头部和躯干部，所述头部是一沿所述中心线对称分布的矩形，所述躯干部为沿所述中心线对称分布的“T”型结构，且所述头部与所述躯干部通过间隙被隔开。所述第一单极子天线通过合理设置，能产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点。

具体描述如下：

天线由一个顶部加载的单极子天线演变而来，所述第一单极子天线产生一个工作频率为400～470MHz的低频谐振点，由于天线高频频段 (1785～1805MHz)的谐振频率约是低频频段谐振频率的四倍，亦即低频频段的电磁波波长是高频频段电磁波波长的四倍，在此可以利用低频频段与高频频段的倍频关系产生天线的高频谐振点，因此只需要调整该第一单极子天线的头部的矩形结构加载的位置，使得天线本体的高度为天线高频频段波长的四分之三即可产生天线高频段的谐振点。头部的矩形结构加载的位置放置在高频频段(1785～1805MHz)中心谐振点四分之三波长的位置，使得天线本体的长度为125mm(125mm约为高频频段中心谐波频率波长的3/4)，这样通过合理选择天线顶部加载的位置，可以同时产生天线的高频频段的谐振点。另外，通过调整所述头部的矩形以及躯干部对应于所述头部的矩形的横向长度，可以改善天线在低频频段的匹配性能。

在一实施方式中，所述第二单极子天线的主体部分与所述第一单极子天线通过间隙隔开，但其第一端部与所述第一单极子天线相连，且所述第二单极子天线沿所述中心线成左右对称分布结构。该第二单极子天线产生天线工作在中频频段(885～934MHz)的谐振点。

对于所述第二单极子天线的在一实施方式中结构，所述第二单极子天线在所述中心线一侧的结构为两个不同长度的矩形结构，其中第一矩形的第一端部和第二矩形的第一端部均与所述第一单极子天线相连，且所述第一矩形的主体部分与所述第二矩形的主体部分之间、所述第二矩形的主体部分与所述第一单极子天线之间通过间隙隔开，所述间隙为两个“L”形，且所述第二矩形的长度比所述第一矩形的长度稍短。该结构能够进一步提高天线在中频频段的匹配性能。

在一实施方式中，所述天线本体还包括寄生单元，所述寄生单元沿所述中心线成左右对称的形式分布于两侧靠近所述第二单极子天线的位置，且相比于所述第二单极子天线，距离所述中心线更远。且关于所述寄生单元的具体结构可以设计成具有平行于所述中心线的矩形主体部，以及朝向所述中心线的梳齿部。该结构的寄生单元能够进一步提高天线在高频频段的匹配性能。

较为完整的，所述接地板上设有贯通孔，所述天线本体在所述馈电点处与穿过所述贯通孔的所述射频接头的内芯连接。

有益效果

本申请提出的多频段组合天线，使得天线的极化方式为垂直极化，在水平面内天线为全向辐射，天线的增益均大于3dB；另外，天线包括高中低多个频段，实验证明，每个频段的回波损耗S11均为-10dB以下；另外天线的结构简单，制造成本较低。

附图说明

图1为本实用新型的一种多频段组合天线的整体结构图；

图2为本实用新型的天线本体的一种构造；

图3为本实用新型的天线本体的另一种构造；

图4为天线本体各部位的具体尺寸；

图5为天线的回波损耗仿真及实测结果；

图6为天线在垂直面的辐射图；

图7为天线在包含最大辐射方向的水平面内的辐射方向图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

为更进一步阐述本实用新型为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本申请提出一种多频段组合天线，该天线适用于新一代列车通信系，

其包括：介质基板和设置在介质基板上的天线本体及接地板，接地板与射频接头的外导体连接，介质基板垂直设置于接地板之上，天线本体呈“T”形结构，且沿竖直方向的中心线成左右对称结构，第一单极子天线，其用以产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点，及第二单极子天线，其以产生中频段中心谐振点，天线本体通过馈电点连接至射频接头的内芯。这样的设计，天线的增益均大于3dB。

请参考图1-3，图1为本实用新型的一种多频段组合天线的整体结构图。包括介质基板1和设置在介质基板1上的天线本体2，接地板3，所述接地板3与射频接头4的外导体41连接，所述介质基板1垂直设置于所述接地板3之上，其中，所述天线本体2为近似“T”形结构，且沿竖直方向的中心线5成左右对称结构，其包括产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点的第一单极子天线21，以及产生中频段中心谐振点的第二单极子天线(22、22’)，所述天线本体通过馈电点6连接至射频接头的内芯42。

作为天线本体的一种结构设计，请参考图2，所述天线本体2包括产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点的第一单极子天线21，以及产生中频段中心谐振点的第二单极子天线(22、22’)，所述第一单极子天线21分为头部211和躯干部212，所述头部211是一沿所述中心线5对称分布的矩形，所述躯干部212为沿所述中心线5对称分布的“T”型结构，且所述头部211与所述躯干部212通过间隙被隔开。所述第二单极子天线(22、22’)的主体部分与所述第一单极子天线21通过间隙隔开，但其第一端部(A、A’)与所述第一单极子天线21相连，且所述第二单极子天线沿所述中心线5成左右对称分布结构。该第二单极子天线(22、22’)产生天线工作在中频频段(885～934MHz)的谐振点。

所述第一单极子天线21产生一个工作频率为400～470MHz的低频谐振点，并且通过调整该第一单极子天线21的头部211的矩形结构的加载的位置，使得天线本体2的高度为125mm(约为天线高频频段波长的四分之三)，此时即可产生天线高频段的谐振点。另外，通过调整所述头部211 的矩形以及躯干部212与头部对应的矩形的横向长度，可以改善天线在低频频段的匹配性能。

作为在一实施方式中结构，所述第二单极子天线(22、22’)在所述中心线5一侧的结构为两个不同长度的矩形结构，其中第一矩形(221、 221’)的第一端部(A、A’)和第二矩形(222、222’)的第一端部(B、 B’)均与所述第一单极子天线21相连，且所述第一矩形(221、221’) 的主体部分与所述第二矩形(222、222’)的主体部分之间、所述第二矩形(222、222’)的主体部分与所述第一单极子天线21之间通过间隙隔开，所述间隙为两个“L”形。且如图中所示，所述第二矩形的长度(51.3mm) 比所述第一矩形的长度(45mm)稍短。该结构能够进一步提高天线在中频频段的匹配性能。

作为天线本体2的另一种在一实施方式中结构设计，所述天线本体2 还包括寄生单元(23、23’)，所述寄生单元(23、23’)沿所述中心线 5成左右对称的形式分布于两侧靠近所述第二单极子天线(22、22’)的位置，且相比于所述第二单极子天线(22、22’)，距离所述中心线5更远。另外，具体的，所述寄生单元(23、23’)具有平行于所述中心线5 的矩形主体部(231、231’)，以及朝向所述中心线的梳齿部(232、232’)。该结构的寄生单元能够进一步提高天线在高频频段的匹配性能。

图4为天线本体的相关尺寸，其中较为重要的，该天线本体的整体长度被调整为125mm，所述第一单极子天线的头部长度为110mm，躯干部的顶部与所述头部的矩形对应的矩形部分长度也为110mm，躯干部的下部宽度为70mm。第二单极子天线以及寄生部等的尺寸请参考附图4，此处不再一一赘述。

文中所提到的多个频段，其中所述高频段为1785～1805MHz范围的频段，所述低频段为400～470MHz范围的频段，所述中频段为885～934MHz范围的频段。

另外，作为完整的结构，所述接地板上设有贯通孔31，所述天线本体2在所述馈电点6处与穿过所述贯通孔31的所述射频接头的内芯连接。

通过以上结构，天线在垂直放置时，天线的极化方式为垂直极化，天线可以实现在水平面全向辐射。天线的回波损耗仿真及实测结果如图5所示，天线在所要的频段范围内都能够满足小于等于-10dB的要求，在中频频段天线的仿真结果和实测结果比较吻合。

图6为天线在垂直面的辐射图，图7为天线在包含最大辐射方向的水平面内的辐射方向图，从图中可以看出天线在水平面内天线的不圆度小于 3dB，满足天线全向辐射的要求。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种多频段组合天线，其特征在于，包括：

介质基板和设置在介质基板上的天线本体及接地板，

所述接地板与射频接头的外导体连接，

所述介质基板垂直设置于所述接地板之上，

所述天线本体呈“T”形结构，且沿竖直方向的中心线成左右对称结构，

第一单极子天线，其用以产生高频段中心谐振点和低频段中心谐振点，及

第二单极子天线，其以产生中频段中心谐振点，

所述天线本体通过馈电点连接至射频接头的内芯。

2.根据权利要求1所述的多频段组合天线，其特征在于：所述第一单极子天线包括：头部和躯干部，

所述头部配置成一沿所述中心线对称分布的矩形，

所述躯干部配置成沿所述中心线对称分布的“T”型结构，且所述头部与所述躯干部通过间隙被隔开。

3.根据权利要求1所述的多频段组合天线，其特征在于：所述第二单极子天线的主体部分与所述第一单极子天线通过间隙隔开，但其第一端部与所述第一单极子天线相连，且所述第二单极子天线沿所述中心线左右对称分布结构。

4.根据权利要求3所述的多频段组合天线，其特征在于：所述第二单极子天线在所述中心线一侧的结构为两个不同长度的矩形结构，其中，第一矩形的第一端部和第二矩形的第一端部分别与所述第一单极子天线相连，且所述第一矩形的主体部分与所述第二矩形的主体部分之间、所述第二矩形的主体部分与所述第一单极子天线之间通过间隙隔开，所述间隙为两个“L”形。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的多频段组合天线，其特征在于：所述天线本体还包括：寄生单元，所述寄生单元沿所述中心线左右对称的形式分布于两侧靠近所述第二单极子天线的位置，且相比于所述第二单极子天线，距离所述中心线更远。

6.根据权利要求5所述的多频段组合天线，其特征在于：所述寄生单元具有：平行于所述中心线的矩形主体部，以及朝向所述中心线的梳齿部。

7.根据权利要求1所述的多频段组合天线，其特征在于：

所述高频段介于1785～1805MHz的频段，

所述低频段介于400～470MHz的频段，

所述中频段介于885～934MHz的频段。

8.根据权利要求1所述的多频段组合天线，其特征在于：

所述接地板上设有贯通孔，所述天线本体在所述馈电点处与穿过所述贯通孔的所述射频接头的内芯连接。

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