一种四频段定向性车载天线

1.本发明涉及天线技术领域，具体为一种四频段定向性车载天线。


背景技术：

2.近年来随着无线通信标准的不断发展，多频段已经成为了越来越多电子设备所需要具备的必备要求。以此同时，汽车作为出行的交通工具，也在不断的推陈出行以不断满足人们日益增长的驾乘体验。在关注出行安全的同时还需要兼顾人们的娱乐需求，因此汽车电子设备中被引入越来越多的无线功能，如：wifi、蓝牙、全球导航定位、v2x等。考虑到外观因素，这些通信天线往往需要被设计成具有小体积的平面结构以方便安装，同时也能够降低成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是提供一种四频段定向性车载天线，它可以在四种不同频段展现出不同波束特性，能满足不同频段的辐射性能。
4.本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有金属地板和贴设在金属地板上表面的介质基板，所述天线还包括有开槽辐射贴片单元、同轴馈电结构和两个t形单极子枝节；
5.开槽辐射贴片单元，平行于金属地板且设置在介质基板的上表面；
6.同轴馈电结构，其内导体与开槽辐射贴片单元连接，其外导体与金属地板连接；
7.两个t形单极子枝节相对且等间隙的设置在开槽辐射贴片单元的两侧，用于激励起圆形贴片两端边沿的等效磁流。
8.进一步，所述开槽辐射贴片单元为圆形贴片，在圆形贴片的圆周边缘开设有四个l形槽。
9.进一步，所述t形单极子枝节均包括有一个短接柱和一个弧形的水平臂，所述短接柱的一端与水平臂接触，另一端与地面连接；
10.所述两个弧形水平臂相对的位于圆形贴片的两侧，且与圆形贴片的圆周平行。
11.进一步，所述四个l形槽分别为第一l形槽、第二l形槽、第三l形槽和第四l形槽；
12.第一l形槽和第二l形槽大小相等，与其中一个水平臂的两端位置对应；第三l形槽和第四l形槽大小相等，与另一个水平臂的两端位置对应；
13.所述第一l形槽和第二l形槽关于天线的中心轴x轴对称，第三l形槽和第四l形槽关于天线的中心轴x对称；所述第一l形槽和第三l形槽关于天线的另一条中心轴y对称，所述第二l形槽和第四l形槽关于天线的另一条中心轴y对称。
14.进一步，所述第一l形槽和第二l形槽均包括有第一矩形条带和第一弧形条带，第一矩形条带的一端开设于圆形贴片的圆周边缘处，另一端伸入圆形贴片内且与第一弧形条带的一端连接；
15.所述第三l形槽和第四l形槽均包括有第二矩形条带和第二弧形条带，第二矩形条
带的一端开设于圆形贴片的圆周边缘处，另一端伸入圆形贴片内且与第二弧形条带的一端连接。
16.进一步，所述第一矩形条带和第二矩形条带的长度均为3.85mm，宽度g1为0.4mm；所述第一弧形条带的宽度g2为0.85mm，长度为11deg；所述第二弧形条带的宽度g2为0.85mm，长度为9deg。
17.进一步，所述弧形水平臂与开槽辐射贴片单元之间的间隙为0.15mm。
18.进一步，所述介质基板材料为rogers/duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，所述介质基板与所述金属地板具有相同的尺寸，所述介质基板的尺寸长度和宽度均为80mm。
19.进一步，所述水平臂的宽度w为2mm，长度为84deg，a1：42deg；所述短接柱的直径为2mm，r2：1mm，高度为3mm，所述圆形贴片的半径r1为15.4mm，所述l形槽与x轴的夹角a1为43deg。
20.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
21.1、本发明通过一对接地金属柱用于产生一组等效磁流，这一组等效磁流关于中心对称，因此能够形成具有较高增益值的定向倾斜双波束。
22.2、本发明通过切割的l形槽能够改变圆形贴片的高次模的表面电流分布，重塑不规则形状的锥形波束，使其形成定向倾斜辐射的双波束；同时l形槽的引入能够增加电流的路径从而降低高频的谐振频率。
23.3、本发明的天线与传统的单极子天线相比，结合了微带天线的低剖面优势，剖面高度为0.024λg，λg表示最低频谐振频率处所对应的波长值，辐射体直径为r:0.29λg，易于加工集成，良好的定向辐射特性，增益峰值高达9.55dbi。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
25.本发明的附图说明如下。
26.图1是本发明具有四频段定向性车载天线的立体示意图；
27.图2是本发明具有四频段定向性车载天线的俯视图；
28.图3是本发明四频段定向性车载天线利用hfss软件计算的天线回波损耗特性曲线和对应频段的天线峰值增益；
29.图4是本发明四频段定向性车载天线在2.45ghz的辐射方向图；
30.图5是本发明四频段定向性车载天线在3.25ghz的辐射方向图；
31.图6是本发明四频段定向性车载天线在4.45ghz的辐射方向图；
32.图7为本发明四频段定向性车载天线在5.8ghz的辐射方向图。
33.图中：1、介质基板；2、金属地板；3、开槽辐射贴片单元；4、同轴馈电结构；5、第一t形单极子；6、第二t形单极子；7、l形槽；l1、第一l形槽；l2、第二l形槽；l3、第三l形槽；l4、第四l形槽；w1、第一矩形条带；w2、第二矩形条带；s1、第一弧形条带；s2、第二弧形条带；31、第
一水平臂；32、第二水平臂；p1、第一短接柱；p2、第二短接柱。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
35.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
36.一种四频段定向性车载天线，可以根据不同频段的需求能设计出具有不同波束特性的多频应用天线，如在v2v通信中，dsrc频段通信需要具有全向或者双端射的辐射性能；wifi和蓝牙频段中需要具有定向辐射性能；基站通信应用中，在wimax频段需要高增益值的定向倾斜双波束辐射性能；sub-6g通信应用频段需要设计为具有定向辐射性能的天线。
37.如图1所示，包括有金属地板1、介质基板2、开槽辐射贴片单元3、同轴馈电结构4以及t形单极子枝节，t形单极子枝节为两个，分别是第一t形单极子枝节5和第二t形单极子枝节6。
38.所述金属地板1贴设在介质基板2的下表面，开槽辐射贴片单元3平行于金属地板1并位于在介质基板2的上表面，同轴馈电结构4的内导体与开槽辐射贴片单元3连接，其外导体与金属地板1连接，第一t形单极子枝节5和第二t形单极子枝节6分别对称的位于形槽辐射贴片单元3的两侧。
39.如图2所示，开槽辐射贴片单元3为圆形贴片，在圆形贴片的圆周边缘开设有四个l形槽7，四个l形槽7分别为第一l形槽l1；第二l形槽l2；第三l形槽l3；第四l形槽l4；第一l形槽l1和第二l形槽l2大小相等，第三l形槽l3和第四l形槽l4大小相等；所述第一l形槽l1和第二l形槽l2关于天线的中心轴x轴对称，第三l形槽l3和第四l形槽l4关于天线的中心轴x对称；所述第一l形槽l1和第三l形槽l3关于天线的另一条中心轴y对称，第二l形槽l2和第四l形槽l4关于天线的另一条中心轴y对称。
40.第一l形槽l1和第二l形槽l2均包括有第一矩形条带w1和第一弧形条带s1，第一矩形条带w1的一端开设于圆形贴片的圆周边缘处，另一端伸入圆形贴片内且与第一弧形条带s1的一端连接；
41.所述第三l形槽l3和第四l形槽l4均包括有第二矩形条带w2和第二弧形条带s2，第二矩形条带w2的一端开设于圆形贴片的圆周边缘处，另一端伸入圆形贴片内且与第二弧形条s2带的一端连接。
42.位于圆形贴片两侧的t形单极子枝节分别为第一t形单极子枝节5和第二t形单极子枝节6，第一t形单极子枝节5包括有第一水平臂31和第一短接柱p1，第一短接柱p1的一端
与第一水平臂31接触，另一端与地面连接；第二t形单极子枝节6包括有第二水平臂32和第二短接柱p2，第二短接柱p2的一端与第二水平臂32接触，另一端与地面连接。
43.第一水平臂31和第二水平臂32分别位于圆形贴片的两侧，且与圆形贴片的圆周平行。
44.第一矩形条带w1和第二矩形条带w2的长度均为3.85mm，宽度g1为0.4mm；所述第一弧形条带s1的宽度g2为0.85mm，长度为11deg；所述第二弧形条带s2的宽度g2为0.85mm，长度为9deg。
45.第一水平臂31和第二水平臂32与开槽辐射贴片单元之间的间隙均为0.15mm。
46.介质基板1材料为rogers/duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，所述介质基板1与所述金属地板2具有相同的尺寸，所述介质基板1的尺寸长度和宽度均为80mm。
47.第一水平臂和第二水平臂的宽度w为2mm，长度为84deg，a1：42deg；所述第一短接柱p1和第二短接柱p2的直径为2mm，r2：1mm，高度为3mm，圆形贴片的半径r1为15.4mm，所述l形槽与x轴的夹角a1为43deg。
48.完成上述的初始设计后，使用高频电磁仿真软件hfss进行仿真分析，经过仿真优化之后的各参数最佳尺寸如表1所示：
49.表1本发明各参数最佳尺寸表
[0050][0051]
依照上述参数，使用hfss对所设计的一种小尺寸的四频段定向性车载天线的反射系数、峰值增益及四个频段的辐射方向图特性参数进行仿真分析和测试，其分析结果如下：
[0052]
如图3所示，为本发明一种小尺寸的四频段定向性车载天线反射系数|s
11
|仿真曲线和峰值增益曲线，在2.42-2.47ghz，3.23-3.27ghz、4.44-4.51ghz和5.78-5.82ghz之间|s
11
|《-10db，相对带宽分别为2％，1.2％，1.6％和0.7％，并且在2.45ghz，3.25ghz、4.45ghz和5.8ghz处产生四个谐振点，需要指出的是用于车载应用中，诸如wifi-2.4g和dsrc(dedicated short range communication)专用短程通信频段都是基于窄带设计的，因此本发明中天线的各个频段带宽属于窄带范围。此外图中右边的坐标轴表示天线的峰值增益
值，对应四个频段，从低频到高频峰值增益值分别是6.33dbi、6.98dbi、9.55dbi、6.83dbi。
[0053]
如图4-7所示，用电磁仿真软件hfss对本发明车载天线进行仿真实验。分别给出了2.45ghz，3.25ghz、4.45ghz和5.8ghz四个频点上的天线辐射方向图。可以看出此天线在不同的频率上辐射的性能良好，且在指定方向上其均具有较强的辐射能力，即此天线具有较好的定向辐射。
[0054]
如图4所示，天线呈现轴向辐射，最大增益值对应角度在天线正上方；图5中天线呈现左右的双定向辐射，最大增益值值对应角度指向θ＝
±
44
°
，图6中，天线呈现轴向辐射，最大增益值对应角度在天线正上方；图7中天线呈现前后的双定向辐射，最大增益值值对应角度指向θ＝
±
34
°
，
[0055]
综上所述，本发明的一种小尺寸的四频段定向性车载天线，在具有优良辐射特性的同时，还具有尺寸紧凑、结构简单、高增益的优点。
[0056]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种四频段定向性车载天线，包括有金属地板和贴设在金属地板上表面的介质基板，其特征在于，所述天线还包括有开槽辐射贴片单元、同轴馈电结构和两个t形单极子枝节；开槽辐射贴片单元，平行于金属地板且设置在介质基板的上表面；同轴馈电结构，其内导体与开槽辐射贴片单元连接，其外导体与金属地板连接；两个t形单极子枝节相对且等间隙的设置在开槽辐射贴片单元的两侧，用于激励起圆形贴片两端边沿的等效磁流。2.如权利要求1所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述开槽辐射贴片单元为圆形贴片，在圆形贴片的圆周边缘开设有四个l形槽。3.如权利要求2所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述t形单极子枝节均包括有一个短接柱和一个弧形的水平臂，所述短接柱的一端与水平臂接触，另一端与地面连接；所述两个弧形水平臂相对的位于圆形贴片的两侧，且与圆形贴片的圆周平行。4.如权利要求2所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述四个l形槽分别为第一l形槽、第二l形槽、第三l形槽和第四l形槽；第一l形槽和第二l形槽大小相等，与其中一个水平臂的两端位置对应；第三l形槽和第四l形槽大小相等，与另一个水平臂的两端位置对应；所述第一l形槽和第二l形槽关于天线的中心轴x轴对称，第三l形槽和第四l形槽关于天线的中心轴x对称；所述第一l形槽和第三l形槽关于天线的另一条中心轴y对称，所述第二l形槽和第四l形槽关于天线的另一条中心轴y对称。5.如权利要求4所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述第一l形槽和第二l形槽均包括有第一矩形条带和第一弧形条带，第一矩形条带的一端开设于圆形贴片的圆周边缘处，另一端伸入圆形贴片内且与第一弧形条带的一端连接；所述第三l形槽和第四l形槽均包括有第二矩形条带和第二弧形条带，第二矩形条带的一端开设于圆形贴片的圆周边缘处，另一端伸入圆形贴片内且与第二弧形条带的一端连接。6.如权利要求5所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述第一矩形条带和第二矩形条带的长度均为3.85mm，宽度g1为0.4mm；所述第一弧形条带的宽度g2为0.85mm，长度为11deg；所述第二弧形条带的宽度g2为0.85mm，长度为9deg。7.如权利要求3所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述弧形水平臂与开槽辐射贴片单元之间的间隙为0.15mm。8.如权利要求1所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述介质基板材料为rogers/duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，所述介质基板与所述金属地板具有相同的尺寸，所述介质基板的尺寸长度和宽度均为80mm。9.如权利要求3所述的四频段定向性车载天线，其特征在于，所述水平臂的宽度w为2mm，长度为84deg，a1：42deg；所述短接柱的直径为2mm，r2：1mm，高度为3mm，所述圆形贴片的半径r1为15.4mm，所述l形槽与x轴的夹角a1为43deg。

技术总结
一种四频段定向性车载天线，包括有金属地板、介质基板、开槽辐射贴片单元、同轴馈电结构和两个T形单极子枝节。开槽辐射贴片单元为圆形贴片，在圆形贴片的圆周边缘开设有四个L形槽，L形槽能够改变圆形贴片的高次模的电流分布，重塑不规则形状的锥形波束，使其形成定向倾斜辐射的双波束；同时L形槽的引入能够增加电流的路径从而降低高频的谐振频率。两个T形单极子枝节相对且等间隙的设置在开槽辐射贴片单元的两侧，用于激励起圆形贴片两端边沿的等效磁流，这一组等效磁流关于中心对称，因此能够形成具有较高增益值的定向倾斜双波束。能够形成具有较高增益值的定向倾斜双波束。能够形成具有较高增益值的定向倾斜双波束。


技术研发人员：李梅 张春丽 唐明春
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/22