一种车载天线以及相应车辆的制作方法

1.本发明总体上涉及车辆技术领域，更具体地，涉及一种车载天线以及相应车辆。


背景技术：

2.随着现代通信以及汽车性能的快速发展，车辆与车辆之间、车辆与基础设施之间的通信越来越频繁，此外，在某些情况下，车辆与车辆之间、车辆与基础设施之间的通信环境可能较差，例如雨雪天气，这给通信带来了一定的困难，如果通信质量较差，不仅会给用户带来使用上的不便利，而且至少不能够在已配备的软硬件条件下达到充分高的使用满意度。因此，对于车载天线的性能的要求也日益提高。
3.目前的解决方案更多地采用基于超材料加载的高增益喇叭天线，通过在喇叭天线输出端口面上设置超材料平板，来提升其辐射增益。例如，中国专利公开号cn104916918b的专利文献公开了一种基于超材料加载的高增益喇叭天线，包括标准喇叭天线、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四个螺丝钉，超材料平板由多个具有不同内部金属结构尺寸的四种超材料结构单元平行紧贴排列而成，将其加载到标准喇叭天线的输出端口面上，可以调整喇叭天线的电磁波幅度与相位分布，进而实现其高增益辐射。这些已有方案更多地着眼于在外部增设超材料结构，而在辐射器的改进上并未给予更多重视。


技术实现要素：

4.本公开总结了实施例的各方面，并且不应当用于限制权利要求。根据在此描述的技术可设想到其他实施方式，这对于本领域普通技术人员来说在研究以下附图和具体实施方式后将是显而易见的，并且这些实施方式意图被包含在本申请的范围内。
5.本申请的发明人认识到，需要一种车载天线，该车载天线能够在比较恶劣的环境中仍然保持比较好的通信质量，以给予用户足够的便利性以及提高驾驶者的满意度。
6.根据本发明，提供了一种车载天线，包括：
7.基板；
8.设置在基板的第一表面的辐射器，辐射器包括：
9.环形槽，环形槽包括第一开口，
10.由第一开口向辐射器的第一侧边延伸形成的扩口槽，扩口槽包括与第一开口连通的端部开口以及尺寸大于端部开口的第二开口，第二开口设置在辐射器的第一侧边上，
11.多个凹槽，多个凹槽设置在辐射器上与第一侧边相邻的第二和第三侧边上。
12.根据本发明的一个实施例，多个凹槽关于与第一侧边垂直的中轴线对称。
13.根据本发明的一个实施例，多个凹槽沿整个第二和第三侧边均匀排布。
14.根据本发明的一个实施例，单个凹槽的周长为车载天线的工作频段的半个波长的长度。
15.根据本发明的一个实施例，单个凹槽为纵长形，单个凹槽的长边与第一侧边平行。
16.根据本发明的一个实施例，环形槽的周长为车载天线的工作频段的半个波长的长
度。
17.根据本发明的一个实施例，还包括：多个超材料结构单元，多个超材料结构单元设置为与第一侧边相邻。
18.根据本发明的一个实施例，多个超材料结构单元关于与第一侧边垂直的中轴线对称。
19.根据本发明的一个实施例，多个超材料结构单元排列成阵列。
20.根据本发明的一个实施例，阵列的第一边与第一侧边相邻，第一边与第一侧边之间具有非零间距。
21.根据本发明的一个实施例，非零间距小于20毫米。
22.根据本发明的一个实施例，超材料结构单元包括基底和设置在基底上的几何导电结构。
23.根据本发明的一个实施例，几何导电结构包括矩形边框以及从矩形边框向内相对延伸的多组t形组件。
24.根据本发明的一个实施例，单个几何导电结构为蛇形。
25.根据本发明，提供了一种车辆，包括车载天线，车载天线包括：
26.基板；
27.设置在基板的第一表面的辐射器，辐射器包括：
28.环形槽，环形槽包括第一开口，
29.由第一开口向辐射器的第一侧边延伸形成的扩口槽，扩口槽包括与第一开口连通的端部开口以及尺寸大于端部开口的第二开口，第二开口设置在辐射器的第一侧边上，
30.多个凹槽，多个凹槽设置在辐射器上与第一侧边相邻的侧边上。
31.根据本发明的一个实施例，单个凹槽的周长为车载天线的工作频段的半个波长的长度。
32.根据本发明的一个实施例，环形槽的周长为车载天线的工作频段的半个波长的长度。
33.根据本发明的一个实施例，车载天线还包括：多个超材料结构单元，多个超材料结构单元设置为与第一侧边相邻。
34.根据本发明的一个实施例，超材料结构单元包括基底和设置在基底上的几何导电结构。
35.根据本发明的一个实施例，几何导电结构包括矩形边框以及从矩形边框向内相对延伸的多组t形组件。
附图说明
36.为了更好地理解本发明，可以参考以下附图中所示的实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，并且可以省略相关的元件，或者在一些情况下比例可能已经被放大，以便强调和清楚地示出本文描述的新颖特征。另外，如本领域中已知的，系统部件可以被不同地布置。此外，在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示相应的部分。
37.图1示出了根据本发明一实施例的车载天线的第一表面的示意图；
38.图2示出了根据本发明一实施例的车载天线的第二表面的示意图；
39.图3a示出了根据本发明一实施例的车载天线的超材料结构单元的示意图；
40.图3b示出了根据本发明一实施例的车载天线的超材料结构单元的示意图；
41.图3c示出了根据本发明一实施例的车载天线的超材料结构单元的示意图；
42.图4示出了根据本发明一实施例的车载天线的示意图；
43.图5示出了根据本发明一实施例的车载天线的电场面增益示意图；
44.图6示出了根据本发明一实施例的车载天线的磁场面增益示意图；
45.图7示出了包括根据本发明一实施例的车载天线的机动车辆的示意图。
具体实施方式
46.以下描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制；某些功能可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改对于某些特定应用或实施方式可能是期望的。
47.车载天线可以支持车辆的多种通信，包括车辆到车辆(v2v)通信以及车辆到基础设施(v2i)通信，并且被用于通过车辆间的通信来指明在车辆行驶的路况前方产生的危险情况，或者被用于通过车辆间的通信或移动通信的基站传播危险情况至后方车辆，以便防止事故。为了便于说明，在本公开的内容中，将沿天线基板平面的方向规定为x方向和与x方向垂直的y方向，将垂直于天线基板平面的方向规定为z方向。
48.为了提高车载天线的增益，给予用户足够的便利性以及提高驾驶者的满意度，本发明提供了一种车载天线110，参考图1所示。在图1所示的实施例中，车载天线110包括：基板1和设置在基板1的第一表面的辐射器2。辐射器2包括：环形槽21，环形槽21包括第一开口211；由第一开口211向辐射器2的第一侧边61延伸形成的扩口槽23，扩口槽23包括与第一开口211连通的端部开口232以及尺寸大于端部开口232的第二开口231，第二开口231设置在辐射器2的第一侧边上；多个凹槽22，多个凹槽22设置在辐射器2上与第一侧边61相邻的第二侧边62和第三侧边63上。
49.在本发明的一些实施例中，基板1可以是pcb(printed circuit board，印制电路板)基材，pcb可以是电子元器件的支撑体，也可以是电子元器件电气连接的载体，因此，采用pcb基材作为基板1可以更好的支撑在基板1上的电子元器件，也可以让设置在基板1上的电子元器件更好地连接。但是，这并不是对基板1材料的限制，在其他的实施例中，基板1可以采用其他的材料。辐射器2用于将能量辐射到空中，在一些实施例中，为了达到比较好的辐射效果，可以采用金属制成，例如铜或铝。在一些实施例中，为了使得车载天线更好地适应放置的空间，可以采用柔性基材，例如fpc(flexible printed circuit，柔性电路板)制作基板1和辐射器2。fpc相较于pcb具有更好的柔性，fpc可以自由弯曲、折叠和卷绕，以及可以在三维空间随意移动和伸缩。
50.根据本发明的一些实施例，环形槽21可以是圆形，也可以是椭圆形，甚至可以是不
规则的近似圆形，环形槽21的形状可以根据不同的情形具体设计，在本发明中仅以圆形的环形槽21进行举例说明。环形槽21用于平衡辐射器2的馈电和阻抗匹配，大小可以根据不同频率进行调整。环形槽21并不是一个完全封闭的部件，环形槽21的边上包括第一开口211，从第一开口211向辐射器2的第一侧边61延伸形成了扩口槽23。第一开口211与扩口槽23通过端部开口232连通，扩口槽23在第一侧边61上的开口为第二开口231，第二开口231的尺寸大于端部开口232。
51.在本发明的一些实施例中，扩口槽23可以是关于垂直于第一侧边61的中轴线对称的规则的开口，也可以是非规则的开口，具体形状可以根据具体的需要进行设计。在一些实施例中，扩口槽23可以为规则的喇叭状，以用于均匀的向外辐射能量。
52.在一个或多个实施例中，在辐射器2上与第一侧边61相邻的第二侧边62和第三侧边63上，设置有多个凹槽22，以用于抑制辐射器2的电流回流。凹槽22的长度和宽度可以根据具体抑制辐射器2的电流回流的情况进行设置。顾名思义，凹槽22是相对于第二侧边62或第三侧边63向辐射器2内部凹陷的。
53.在本发明的一些实施例中，第一侧边61的长度可以是40毫米，第二侧边62和第三侧边63的长度可以是32.5毫米，第一开口211距离第一侧边61的垂直距离可以为22.3毫米，第二开口231的尺寸可以是5毫米，以上仅为举例而非限定。
54.在本发明的若干实施方式中，单个凹槽22为纵长形，凹槽22的长边与第一侧边平行，这样可以有利于获得更大的天线增益。单个凹槽22可以是矩形或者u形或者其他类似的形状。在某些实施例中，可以将多个凹槽22一部分设置成矩形，一部分设置成u形，另一部分设置成其他类似的形状。在本实施例中，以矩形槽进行举例说明。
55.在本发明的一些实施方式中，多个凹槽22关于与第一侧边61垂直的中轴线7对称。在若干进一步的实施方式中，辐射器2关于与第一侧边61垂直的中轴线对称，例如，辐射器2是矩形，第二侧边62和第三侧边63关于与第一侧边61垂直的中轴线7对称。基于此，设置在第二侧边62和第三侧边63的多个凹槽22也可以关于与第一侧边61垂直的中轴线7对称。在多个凹槽22关于与第一侧边61垂直的中轴线7对称的基础上，辐射器2可以更均匀的向外辐射能量。
56.在本发明的一些实施方式中，多个凹槽22沿整个第二侧边62和第三侧边63均匀排布。在某些情形下，第二侧边62和第三侧边63设置的凹槽22数量可能不一致，可以对第二侧边62和第三侧边63的多个凹槽22分别均匀排布。这里所指的“均匀排布”，既包括多个凹槽22之间等距设置，也包括在第二侧边62或第三侧边63上只有一个或两个凹槽22的情况下，将这一个或两个凹槽22关于与第二侧边62或第三侧边63垂直的中轴线对称设置。在本发明的一些进一步实施方式中，可以同时将多个凹槽22既关于与第一侧边垂直的中轴线对称设置，又沿整个第二和第三侧边均匀排布，这样可以进一步获得更大的天线增益。
57.在本发明的一些实施方式中，单个凹槽22的周长为车载天线的工作频段的半个波长的长度。单个凹槽22的周长为车载天线的工作频段的半个波长的长度可以获得较大的天线增益。这里所指的周长是指凹槽22的总长，例如，在凹槽22为矩形槽的情况下，凹槽22的周长为凹槽22向内凹陷的三个边的长度。一般情况下，车载天线工作的频段在5.9ghz～5.925ghz，根据设计所用基板材料特性计算可得半个波长的长度大约为14毫米。在一些实施例中，凹槽22的长边例如可以设置成6毫米，短边例如可以设置成2毫米，因此，凹槽的周
长为6*2+2＝14毫米。在一些其他的实施例中，为了更多的设置凹槽22，可以缩短短边的长度，例如短边可以设置为1毫米，这样就可以将长边设置为6.5毫米，但是，短边的长度并不能无限的缩短，当缩短到一定长度时，凹槽22之间可能会产生干扰。因此，根据本发明的一些实施例，优选地将短边的长度设置为1～2毫米。在另一些实施例中，单个凹槽22的周长范围为10mm-20mm。
58.在本发明的一些实施方式中，环形槽21的周长为车载天线110的工作频段的半个波长的长度。环形槽21的周长为车载天线110的工作频段的半个波长的长度可以获得较大的增益。这里所指的周长是指环形槽21的总长，不包括第一开口211的长度。在一个实施例中，环形槽21为圆形，直径可以为4.76毫米，如果是一个完整的圆形，则环形槽21的周长为14.95毫米，这个长度与半个波长的长度的差值即是第一开口211的尺寸。因此，在半个波长的长度大约为14毫米的情况下，第一开口211的尺寸大约为0.95毫米，当然由于第一开口211所围住的圆周部分为圆弧状，因此，第一开口211的实际尺寸应该小于0.95毫米。在另一些实施例中，环形槽21的周长尺寸在10mm-20mm之间。
59.在本发明的一些实施方式中，车载天线110还包括多个超材料结构单元5，多个超材料结构单元5设置为与第一侧边61相邻。将多个超材料结构单元5设置为与第一侧边61相邻，用于电流耦合，以收集来自辐射器2的辐射波。在若干进一步的实施例中，多个超材料结构单元5可以靠近第二开口231设置，可以进一步获得更大的天线增益。
60.在本发明的一些实施方式中，多个超材料结构单元5关于与第一侧边61垂直的中轴线7对称。将多个超材料结构单元5关于与第一侧边61垂直的中轴线7对称设置可以均匀吸收来自辐射器2的辐射波。
61.在本发明的若干进一步的实施方式中，多个超材料结构单元5排列成阵列。将多个超材料结构单元5排列成阵列可以有效减少布置超材料结构单元5的空间，能够使得车载天线的尺寸进一步小型化。例如但不限于，可以将多个超材料结构单元5排列成2*3阵列、4*4阵列或其他阵列。多个超材料结构单元5可以关于x方向对称设置，也可以关于y方向对称设置，在此实施例中，x方向为基板平面中与第一侧边61垂直的方向，y方向为基板平面中与第一侧边61平行的方向。
62.在本发明的一些实施方式中，阵列的第一边与第一侧边61相邻，第一边与第一侧边61之间具有非零间距。阵列的第一边为阵列最靠近第一侧边的一边，并且第一边与第一侧边61之间具有非零间距。在第一边与第一侧边61之间没有间距的情况下，超材料结构单元5对于辐射器2的辐射波的吸收可能会减弱，因此，在第一边与第一侧边61之间最好能够留有间距。
63.在本发明的一些实施方式中，该非零间距小于20毫米。虽然第一边与第一侧边61之间需要留有间距，但是这个间距不能过大，过大也会影响超材料结构单元5对于辐射器2的辐射波的吸收。因此，这个非零间距一般控制在小于20毫米。在进一步的实施例中，第一边与第一侧边61之间的距离例如可以为3.5毫米。
64.图2为根据本发明一实施例的车载天线的第二表面的示意图。第二表面是与第一表面相对的表面。如图2所示，根据本发明的一些实施例，车载天线110还包括馈电件3和连接馈电件3和辐射器2的微带线4。微带线4通过连接器24连接到辐射器2。馈电件3配置用于通过电流耦合将能量馈送到辐射器2，微带线4配置用于将馈电件3的能量传递到辐射器2。
在一些实施例中，馈电件3为扇形。当然，这并不是对馈电件形状的限制，在其他的实施方式中，馈电件3可以是其他的形状，调整馈电件3的尺寸可以获得更好的阻抗匹配。在一些实施例中，微带线4的电阻为50欧姆。当然，这也不是对微带线的限制，在其他的实施方式中，可以采用其他阻值的微带线，可以调节微带线4的宽度以获得更好的阻抗匹配。
65.图3a为根据本发明一实施例的车载天线的超材料结构单元的示意图。如图3a所示，根据本发明的一些实施例，超材料结构单元5包括基底51和设置在基底上的几何导电结构52，这可以进一步获得更大的天线增益。基底51也可以采用pcb基材，也即是基底51与基板1可以采用相同的材料。在一实施例中，超材料结构单元5设置在1.6毫米厚度的pcb基材上。pcb基材的厚度产生变化则超材料结构单元5也需要相应的改变尺寸。根据一些实施例，几何导电结构52可以由taconic rf30材料制成。
66.根据本发明的一些实施例，几何导电结构52包括矩形边框521以及从矩形边框521向内相对延伸的多组t形组件，可以更好的吸收辐射器2发射的辐射波。t形组件包括头部522以及连接头部522和矩形边框521的连接部523。相对的两个头部522可以形成一个电容，以用于储存能量。在一些实施例中，头部522可以与第一侧边平行，这样可以更好的吸收辐射器2发射的辐射波。根据一些实施例，矩形边框521平行于第一侧边61的长度可以为10毫米，垂直于第一侧边61的长度可以为10.5毫米，连接部523的长度可以为3.25毫米，两个头部522之间的距离可以是1.5毫米，以上仅为举例而非限定。
67.可以理解，在一个或多个实施例中，也可以根据需要采用其他形状的超材料结构单元。图3b和图3c显示了一些其他超材料结构单元。如图3b所示，超材料结构单元5由基底51和边框近似为矩形的几何导电结构52构成。在该实施例中，几何导电结构52的边框并没有完全闭合，内部是相互连通的。如图3c所示，超材料结构单元5由基底51和边框近似为圆形的几何导电结构52构成。同样的，几何导电结构52的边框并没有完全闭合，内部是相互连通的。这种完全对称的形状可以不用考虑电流以及辐射波的方向，能够更加自由地对超材料结构单元进行排列，降低了排列超材料结构单元5的难度。
68.在本发明的一些实施方式中，单个几何导电结构还可以为蛇形。图4为根据本发明一实施例的车载天线的示意图，其中示出了几何导电结构为蛇形的车载天线。如图4所示，多个超材料结构单元5中包括基底和设置在基底上的蛇形几何导电结构52，车载天线110其他部分的结构与前述实施例大体相同，在此不再赘述，设置蛇形几何导电结构52同样可以获得更好的天线增益和更紧凑的排布。
69.图5示出了根据本发明一实施例的车载天线的电场面增益示意图。如
70.图5所示，横轴为方位角，单位为deg，纵轴为增益，单位为dbi，从图中可知，最大增益点为(3，10.2582)，也即是方位角为3deg时，增益最大为10.2582dbi，相较于原来的最大增益6.5dbi，增长了57.8％。
71.图6示出了根据本发明一实施例的车载天线的磁场面增益示意图。如图6所示，横轴为方位角，单位为deg，纵轴为增益，单位为dbi，从图中可知，最大增益点为(88，10.2153)，也即是方位角为88deg时，增益最大为10.2153dbi，相较于原来的最大增益6.5dbi，增长了57.2％。根据图5和图6可以看出，车载天线110的电场面增益和磁场面增益都获得了大幅提高。
72.根据本发明的另一个方面，还提供了一种车辆100，如图7所示。车辆100包括车载
天线110。车载天线110在车中的位置不受限制，例如可以将车载天线110设置在车顶，也可以将车载天线110设置在一些空间受限的位置，例如后视镜。车载天线110包括基板1和设置在基板1的第一表面的辐射器2。辐射器2包括：环形槽21，环形槽21包括第一开口211；由第一开口211向辐射器2的第一侧边延伸形成的扩口槽23，扩口槽23包括与第一开口211连通的端部开口232以及尺寸大于端部开口232的第二开口231，第二开口231设置在辐射器2的第一侧边上；多个凹槽22，多个凹槽22设置在辐射器2上与第一侧边相邻的第二和第三侧边上。
73.应当理解，在不相互冲突的情况下，以上针对根据本发明的车载天线110阐述的所有实施方式、特征和优势同样地适用于根据本发明的车辆100。也就是说，上面所述的车载天线110的所有实施例及其变化都可以直接移转应用于根据本发明的车辆100中，并直接结合于此，为了本公开的简洁起见，在此不再重复阐述。
74.综上，相比于现有技术，本发明提出了一种车载天线110和相应的车辆100，本发明的方案能够在比较恶劣的环境中仍然保持比较好的通信质量，以给予用户足够的便利性以及提高驾驶者的满意度。
75.在技术上可行的前提下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外实施例。
76.在本申请中，反意连接词的使用旨在包括连接词。定或不定冠词的使用并不旨在指示基数。具体而言，对“该”对象或“一”和“一个”对象的引用旨在表示多个这样对象中可能的一个。此外，可以使用连接词“或”来传达同时存在的特征，而不是互斥方案。换句话说，连接词“或”应理解为包括“和/或”。术语“包括”是包容性的并且具有与“包含”相同的范围。
77.上述实施例是本发明的实施方式的可能示例，并且仅是为了使本领域技术人员清楚地理解本发明的原理而给出。本领域技术人员应当理解：以上针对任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的整体构思下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以彼此进行组合，并产生如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在具体实施方式中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所要求的保护范围之内。