一种多频小型化车载天线及其设计方法与流程

1.本发明属于天线设计技术领域，具体涉及一种多频小型化车载天线及其设计方法。


背景技术：

2.铁路系统是中国交通运输的支柱，列车/机车与地面基站的可靠通信是轨道交通安全的保障，因此对车载天线提出更高的要求。
3.现有车载天线需要支持的频带有：400m、gsm-r、gps、北斗、wifi、5g-r等。
4.目前车载天线的安装方式为多天线共用，即将工作在每个频带的天线通过功率分配器、合路器等连接起来。其缺点是天线体积大，多天线间耦合明显，系统复杂度高。
5.现有车载天线有采用商用鳍型天线的方式，但商用鳍型天线亦存在天线体积大的问题，且因为鳍型天线采用了异构单极子结构，其各个频带之间影响较大，其工作频带设计和调节复杂。
6.由于列车/机车车顶天线的安装位有限，目前已有的gsm-r、gps等天线已占用了车头顶端的全部位置。但随着通信技术的更新和各种应用服务的加入，车顶天线需要支持更多的制式及频带，如果采用传统的独立天线设计及安装方式，车头顶端将无法提供足够的安装空间，且天线各个频带之间影响更大，其工作频带设计和调节更为复杂。
7.因此对后续车顶天线的设计提出挑战。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种多频小型化车载天线及其设计方法。
9.本发明通过如下技术方案实现：
10.本发明提供一种多频小型化车载天线，
11.所述车载天线包括中央部件；
12.根据中频段确定所述中央部件的物理参数。
13.进一步的，所述车载天线还包括内层耦合部件；
14.所述内层耦合部件设置在所述中央部件的外部；
15.根据高频段确定所述内层耦合部件的物理参数。
16.进一步的，所述车载天线还包括外层部件；
17.所述外层部件设置在所述内层耦合部件外部，包围所述中央部件和内层耦合部件；
18.根据低频段确定所述外侧部件的物理参数。
19.进一步的，所述中央部件为轴对称图形。
20.进一步的，所述内层耦合部件为平面图形。
21.进一步的，所述外侧部件为包围所述中央部件和内层耦合部件的任意形状。
22.进一步的，所述根据中频段确定所述中央部件的物理参数，具体包括：
23.根据中频段确定所述中央部件的高度。
24.进一步的，所述根据高频段确定所述内层耦合部件的物理参数，具体包括：
25.根据高频段确定所述内层耦合部件的长度。
26.进一步的，所述根据低频段确定所述外层部件的物理参数，具体包括：
27.根据低频段确定所述外层部件的宽度和高度。
28.对应的，本发明还提供一种多频小型化车载天线的设计方法，包括如下步骤：
29.根据中频段确定中央部件的物理参数；
30.根据高频段确定内层耦合部件的物理参数；
31.根据低频段确定外层部件的物理参数。
32.进一步的，所述根据中频段确定中央部件的物理参数，具体包括：
33.根据中频段确定所述中央部件的高度；
34.所述根据高频段确定内层耦合部件的物理参数，具体包括：
35.根据高频段确定所述内层耦合部件的长度；
36.所述根据低频段确定外层部件的物理参数，具体包括：
37.根据低频段确定所述外层部件的宽度和高度。
38.和现有技术比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
39.本发明提出一种多频小型化车载天线，天线电尺寸小，车载天线整体高度不超过0.18波长，而现有传统车载天线整体高度最少为0.25波长，因此实现车载天线的小型化。
40.车载天线通过采用相互独立的天线结构，实现了在低、中、高频三个频带的通信需求，各个频带间相互独立,每个频带独立可调，可以快速部署并应用在机车上。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本实施例的车载天线的整体结构示意图。
43.图2为本实施例的车载天线包括中央部件和天线地平面的结构示意图。
44.图3为本实施例的车载天线包括中央部件、天线地平面以及内层耦合部件的结构示意图。
45.图4为本实施例的车载天线整体结构的物理尺寸参数图。
46.图5为本实施例的车载天线的s参数曲线图。
47.图6为本实施例的车载天线工作频段为低频状态下天线的电流分布图。
48.图7为本实施例的车载天线工作频段为中频状态下天线的电流分布图。
49.图8为本实施例的车载天线工作频段为高频状态下天线的电流分布图。
50.图9为本实施例的车载天线工作频段为低频状态下的天线方向图。
51.图10为本实施例的车载天线工作频段为中频状态下的天线方向图。
52.图11为本实施例的车载天线工作频段为高频状态下的天线方向图。
53.1-中央部件，2-内层耦合部件，3-外侧部件，4-天线地平面。
具体实施方式
54.下面将结合本发明的实施例，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“a包括b”意在表示在逻辑上b属于a，而不表示在空间上b位于a的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“a包括b”意在表示b属于a，但是b不一定构成a的全部，a还可能包括c、d、e等其它元素。
56.在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“优选实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，所述替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。
57.在本文的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.本发明提供一种多频小型化车载天线，本实施例以三频小型化车载天线为例进行描述，车载天线包括中央部件1、内层耦合部件2、外层部件3以及天线地平面4。
59.图1为本实施例的车载天线的整体结构示意图，图2为本实施例的车载天线包括中央部件1和天线地平面4的结构示意图，图3为本实施例的车载天线包括中央部件1、天线地平面4以及内层耦合部件2的结构示意图。
60.从图中可以看出，内层耦合部件2设置在中央部件1的外部上端。天线地平面4设置在中央部件1的底部。外层部件3设置在内层耦合部件2外部，包围中央部件1和内层耦合部件2，图中示意的是外层部件3的底部两端与天线地平面4连接，将中央部件1和内层耦合部件2包围在内。
61.其中，中央部件1为轴对称图形。可以是圆形、椭圆形、矩形、菱形、多边形等。图中示意，中央部件为圆形和矩形的拼接图形，类似于扇子形状。
62.其中，内层耦合部件2为平面图形。其形状可以是圆环、扇形、矩形等任何可以与中央部件靠近的平面图形。图中示意，内层耦合部件为部分圆环形状。
63.其中，外层部件3为包围所述中央部件和内层耦合部件的任意形状。其形状可以是矩形、椭圆形、半圆形、圆形、多边形等。图中示意，外层部件为不规则多边形。
64.其中，天线地平面4，其形状可以是矩形、椭圆形、半圆形、圆形、多边形等任何形状。图中示意，天线地平面为不规则多边形。
65.本实施例的车载天线，将中央部件1对应天线工作的中频段，内层耦合部件2对应
天线工作的高频段，外层部件3对应天线工作的低频段。因此，需要根据天线的各个部件的工作频段，确定天线各个组成部件的物理参数。
66.示例性的，中频段的频率范围为1.15ghz-1.79ghz，高频段的频率范围为2.40ghz-2.55ghz，低频段的频率范围为0.35ghz-1.07ghz。
67.如图4所示，为本实施例的车载天线的物理尺寸示意图。
68.其中，
69.r0表示中央部件的半径，
70.r1表示内层耦合部件的内半径，
71.r2表示内层耦合部件的外半径，
72.l1表示外层部件高度1，
73.l2表示外层部件高度2，
74.l3表示内层耦合部件高度，
75.l4表示地平面高度，
76.l5表示共面波导长度，
77.w0表示外层部件宽度0，
78.w1表示外层部件宽度1，
79.w2表示外层部件宽度2，
80.w5表示共面波导内导体宽度，
81.w6表示共面波导地平面间距，
82.w7表示阻抗匹配宽度，
83.w表示外层部件导体宽度。
84.天线的物理尺寸参数数据，具体如下表1所示：
85.表1
[0086][0087]
具体的，根据中频段确定上述中央部件1的物理参数，根据高频段确定上述内层耦合部件2的物理参数，根据低频段确定上述外层部件3的物理参数。
[0088]
其中，根据中频段确定所述中央部件1的物理参数，具体包括：
[0089]
根据中频段确定所述中央部件1的高度。示例性的，对于图4中的r0，2r0＝0.25*c0/fm，其中c0为真空光速，fm为中频段的中心频率。
[0090]
其中，根据高频段确定所述内层耦合部件2的物理参数，具体包括：
[0091]
根据高频段确定所述内层耦合部件2的长度。示例性的，对于图4中的l3,l3＝0.25*c0/fh，其中c0为真空光速，fh为中频段的中心频率。
[0092]
其中，根据低频段确定所述外层部件3的物理参数，具体包括：
[0093]
根据低频段确定所述外层部件3的宽度和高度。示例性的，对于图4中w2和l2，w2+l2＝0.25*c0/f
l
，其中c0为真空光速，f
l
为中频段的中心频率。
[0094]
本实施例的车载天线，通过中央部件1对内层耦合部件2和外层部件3的电磁耦合，
以及外层部件3的弯折作用，有效的将天线电尺寸降低为0.18波长，实现了天线小型化的目标。
[0095]
通过对本实施例上述尺寸的车载天线进行电磁仿真，可以得到车载天线的阻抗和辐射方向图性能。
[0096]
图5是本实施例的车载天线的s参数曲线图，从图中可以看到，车载天线的工作频率范围是：0.35ghz-1.07ghz(低频)，1.15ghz-1.79ghz(中频)和2.40ghz-2.55ghz(高频)。
[0097]
图6-8为本实施例的车载天线中每个频段对应天线上的电流分布。从图中可以看到，在工作在低频时，电流主要集中在外层部件3上，此时天线上电流分布如图6中j1所示，其路径为：中央圆，外层部件和地平面；在工作在中频时，电流主要集中在中央部件1上，此时天线上电流分布如图7中j2所示,其路径为：中央圆；当工作在高频时，电流主要集中内层耦合部件2上，此时天线上电流分布如图8中j3所示。从电流分布中可以看到，频段间的电流耦合很小，三个工作频段相互独立。
[0098]
图9-11展示了本实施例的车载天线的辐射方向图，图9为低频段方向图，图10为中频段方向图，图11为高频段方向图。从图中可以看到，天线在低频、中频、高频的增益为：-0.1db，3.3db和7.5db。天线在水平面上的方向图呈圆形，此天线全向辐射性很好，天线的主极化分量(θ分量)远远大于交叉极化分量(分量)，交叉极化抑制比大于40db。
[0099]
本实施例还提供一种多频小型化车载天线的设计方法，包括如下步骤：
[0100]
根据中频段确定中央部件的物理参数；
[0101]
根据高频段确定内层耦合部件的物理参数；
[0102]
根据低频段确定外层部件的物理参数。
[0103]
其中，根据中频段确定中央部件的物理参数，具体包括：
[0104]
根据中频段确定所述中央部件的高度。
[0105]
其中，根据高频段确定内层耦合部件的物理参数，具体包括：
[0106]
根据高频段确定所述内层耦合部件的长度。
[0107]
其中，根据低频段确定外层部件的物理参数，具体包括：
[0108]
根据低频段确定所述外层部件的宽度和高度。
[0109]
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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。