CN110401035B - 一种具有fm频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，包括：第一天线和第二天线之外，还包括位于第一天线和第二天线之间的隔离器，所述隔离器包括直立层和顶加载层；通过结构设置，能够实现FM天线功能，且由于该结构的存在，使得第一天线和第二天线之间的隔离度提升，从而可以将第一天线和第二天线之间的距离减小，例如由现有技术中的39mm减小至小于30mm，进而使得车载天线系统占用空间减小，更加小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及射频元件技术领域，尤其涉及一种具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统。
背景技术
随着无线通信技术的高速发展，车联网应运而生。为了满足大量的不同功能的信息交互，在车辆上必须安装不同频段的天线，由于车辆上给予天线的空间有限，车载天线的集成化与小型化是未来发展的必然趋势。在车载鲨鱼鳍天线外壳空间内布置不同功能和不同频段的天线，必然会导致天线间的耦合增大，影响通信的质量；同时天线小型化也会带来天线增益较低的问题。因此，在集成化、小型化环境中，如何降低车载天线之间耦合影响，提升天线之间隔离度的同时提高天线增益，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有FM频段辐射功能的蜂窝天线隔离器的车载天线系统，既可以作为隔离器提高车载蜂窝移动通信天线间隔离度，又能够作为高增益FM天线，实现小型化和集成化的同时，满足提高天线的增益和天线间隔离度的要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，包括：
依次设置的第一天线、隔离器和第二天线；
其中，所述第一天线和第二天线为车载通信天线；
所述隔离器用于隔离所述第一天线和第二天线；
所述隔离器包括：直立层和顶加载层；
所述直立层包括第一介质板、第一金属曲线和第二金属曲线，所述第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；所述第一金属曲线位于所述第一表面，所述第二金属曲线位于所述第二表面；其中，所述第一金属曲线包括第一连接段和多个第一Hilbert基本单元，所述第一连接段位于所述直立层的顶部，且所述第一连接段与其中一个所述第一Hilbert基本单元电性相连，多个第一Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接；所述第二金属曲线包括第二连接段和第三连接段，所述第二连接段的一端与多个所述第一Hilbert基本单元相连后远离所述第一连接段的一端电性连接，所述第二连接段的另一端与所述顶加载层电性连接；所述第三连接段的一端作为所述车载天线结构的馈电点，另一端与所述顶加载层电性连接；
所述顶加载层包括第二介质板和第三金属曲线，所述第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面；所述第三金属曲线包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端，所述两个自由端分别与所述第二连接段和所述第三连接段电性连接；
其中，所述第一介质板为硬性介质板，所述第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在所述直立层的顶部，且沿所述直立层的顶部边缘轮廓折叠；所述第三金属曲线位于所述第三表面。
优选地，所述第一天线和所述第二天线均包括介质基板和金属线，所述介质基板和所述第一介质板位于同一平面，且一体成型。
优选地，所述第一天线和所述第二天线的金属线均位于所述介质基板与第一表面同侧的表面。
优选地，所述第一Hilbert基本单元和所述第二Hilbert基本单元均为三阶Hilbert曲线。
优选地，所述第一Hilbert基本单元的个数为2个，所述第二Hilbert基本单元的个数为4个，4个所述Hilbert基本单元的外围轮廓为正方形。
优选地，所述Hilbert曲线的线宽为0.5mm，相邻导线之间的间距为2.5mm。
优选地，所述第二介质板为Rogers5880柔性基板、F4B柔性基板或FPC柔性电路板中的一种。
优选地，所述第二介质板的厚度为0.2mm。
优选地，所述顶加载层相对于所述直立层的顶部边缘轮廓对折。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的具有FM频段辐射功能的蜂窝天线隔离器的车载天线系统，包括第一天线和第二天线之外，还包括位于第一天线和第二天线之间的隔离器，所述隔离器包括直立层和顶加载层；通过结构设置，能够实现FM天线功能，且由于该结构的存在，使得第一天线和第二天线之间的隔离度提升，从而可以将第一天线和第二天线之间的距离减小，例如由现有技术中的39mm减小至小于30mm，进而使得车载天线系统占用空间减小，更加小型化和集成化。
附图说明
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中车载天线系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种车载天线系统第一表面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种车载天线系统第二表面结构示意图；
图4为本发明实施例提供的隔离器示意图；
图5为本发明实施例提供的隔离器的直立层的第一表面结构示意图；
图6为本发明实施例提供的隔离器的直立层的第二表面结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种顶加载层结构示意图；
图8为一至四阶Hilbert分形形状示意图；
图9为本发明实施例提供的Hilbert曲线参数示意图；
图10为本发明实施例提供的隔离器作为车载FM天线时的反射系数S11曲线；
图11为本发明实施例提供的隔离器作为车载FM天线时的增益方向图；
图12为本发明实施例提供的车载天线系统增加隔离器前后S21曲线对比图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中车载天线的集成化和小型化成为必然的研究方向，但随着小型化，不同功能和不同频段天线设置在同一空间中，必然导致天线之间的隔离度不足，通信质量受到影响。
发明人发现，小型化、集成化与天线增益的提高，以及天线之间隔离度的提升存在矛盾。如图1所示，为现有技术中车载天线系统结构示意图，现有技术中车载天线系统包括第一车载通信天线101和第二车载通信天线102，两者之间的距离为G，约为39mm，已经是极限距离，若再靠近，则出现两个天线之间的相互干扰。目前车载天线提高无源增益和天线之间隔离度的传统方法为增大天线高度、使用板开槽刻缝和加载寄生元件等，这就导致天线无法进行小型化。然而随着研究发现，超材料的本质特征为等效磁导率或等效介电常数为负数，可呈现与天然材料相反的电磁特性。合理的运用电磁超材料技术，可以实现高性能小型化的天线结构。人工电磁超材料的出现为在集成化、小型化环境中提高天线增益，解决天线之间的耦合问题提供了新的设计思路。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。
本发明实施例提供一种具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，请参见图2-图3，其中，图2为本发明实施例提供的一种车载天线系统第一表面结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种车载天线系统第二表面结构示意图；包括：依次设置的第一天线101、隔离器103和第二天线102；其中，第一天线101和第二天线102为车载通信天线；隔离器103用于隔离第一天线101和第二天线102；本发明实施例提供的隔离器，针对现有车载集成化天线系统中天线增益较低的问题，利用人工电磁结构与商用介质基板构成人工电磁超材料，该材料具有高性能、小型化的性能优势。
需要说明的是，第一天线和第二天线均包括介质基板和金属线，介质基板和第一介质板位于同一平面，且一体成型。也就是说，如图2所示，多个天线硬质介质板共用。除顶加载层的柔性介质板外，其他介质板共用。所述第一天线和所述第二天线的金属线均位于所述介质基板与第一表面同侧的表面。
隔离器103不仅能够提高车载天线系统的隔离度，使得第一天线和第二天线之间的隔离度提升，可以将第一天线和第二天线之间的距离减小，由现有技术中的39mm减小至小于30mm，进而使得车载天线系统占用空间减小，更加小型化和集成化。还自带FM天线功能，从而使得车载天线系统具有FM频段辐射功能。
具体的，请参见图4，图4为本发明实施例提供的隔离器示意图，所述隔离器包括：
直立层1和顶加载层2；直立层1包括第一介质板(图中未示出)、第一金属曲线和第二金属曲线，第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；第一金属曲线位于第一表面，第二金属曲线位于第二表面。顶加载层2包括第二介质板和第三金属曲线，第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面。本发明实施例中，其中，第一介质板为硬性介质板，可选的，可以是PCB板，从而为顶加载层形成支撑作用。第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在直立层1的顶部，且沿直立层1的顶部边缘轮廓折叠；第三金属曲线位于第三表面。本实施例中不限定第三表面是朝向直立层的还是背离直立层，只要能够实现顶加载层2覆盖直立层1的顶部，并形成折叠，实现FM天线功能即可。
需要说明的是，由于顶加载层弯折后覆盖直立层，为了避免弯折后的顶加载层上的金属曲线与直立层的金属曲线之间发生短路连接，本实施例中可选的，顶加载层上的金属曲线位于背离直立层的表面，也即第三表面为背离直立层的表面。
为进一步说明本实施例中提供的隔离器，请参见图5和图6，其中，图5为直立层的第一表面结构示意图，图6为直立层的第二表面结构示意图；其中，第一金属曲线位于第一介质板11的第一表面，第一金属曲线包括第一连接段13和多个第一Hilbert基本单元12——如图5中的虚线框，第一连接段13位于直立层的顶部，且第一连接段13与其中一个第一Hilbert基本单元12电性相连，多个第一Hilbert基本单元12之间首尾相接电性连接；第二金属曲线包括第二连接段14和第三连接段15，第二连接段14的一端B与多个第一Hilbert基本单元12相连后远离第一连接段13的一端B’电性连接，第二连接段14的另一端D与顶加载层电性连接；第三连接段15的一端A作为隔离器的馈电点，另一端C与顶加载层电性连接；
请参见图7所示，图7为本发明实施例提供的一种顶加载层结构示意图；其中，顶加载层包括第二介质板21和第三金属曲线22，第三金属曲线22包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端(C’和D’)，两个自由端分别(C’和D’)与第二连接段14和第三连接段15电性连接。
需要说明的是，本实施例中所述的第一Hilbert基本单元和第二Hilbert基本单元均为三阶Hilbert曲线。Hilbert分形天线是目前所有天线类型中的典型设计，由介质基板、导线层和接地板构成，其中，导线层为Hilbert分形形成，图8是一至四阶Hilbert分形形状示意图，Hilbert分形可以描述为：将正方形等分成四个一阶小正方形，依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的正方形中心，得到一个分型单元(即一阶Hilbert分形)；将每个一阶小正方形分别分割为四个二阶小正方形，重复上述过程，生成的高阶分形单元开口方向遵守一定规则(图8中左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：左、下、下、右)，并按照特定的顺序连接分型单元的开口(图8中为依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元开口)，最终就得到一条可以填满整个正方形的曲线，这就是Hibert曲线。
本实施例中，不限定直立层中第一Hilbert基本单元和顶加载层中第二Hilbert基本单元的具体个数，可选的，如图5中所示，直立层中可以包括两个第一Hilbert基本单元，如图7中所示，顶加载层中可以包括四个第二Hilbert基本单元。需要说明的是，在其他实施例中，直立层1中还可以包括三个、四个或更多的第一Hilbert基本单元。同样地，顶加载层中可以包括八个甚至更多第二Hilbert基本单元。
其中，需要说明的是，本实施例中不限定直立层中Hilbert曲线单元的个数以及排布方式，可以如图5中所示，上下设置两个Hilbert曲线单元，也可以设置多个Hilbert曲线单元，本实施例中对此不作限定。如图5中所示的设置，可以使得FM天线总线长的等效长度(FM天线金属曲线加起来的所有长度)达到100MHz谐振所需的长度，以实现天线谐振于FM接收器工作所需频段，实现对自由空间内FM信号的良好接受如果其他方式能够达到FM天线谐振在100MHz，可以进行相应设置。
另外，需要说明的是，本实施例中不限定直立层结构与顶加载层结构之间的放置关系，只要顶加载层的金属与直立层结构的金属曲线之间相连，共同构成单极子天线即可。
本实施例中不限定直立层结构的介质板材料的具体厚度，可选的介质板材料厚度范围为0.5mm-1.6mm，包括端点值，本实施例中不限定介质板材料的具体材料，在本发明的一个实施例中，介质板材料可以是RF4材料，介电常数为4.3-4.6，包括端点值。还可以是其他PCB板材料。顶加载层的介质板(也即第二介质板)厚度为0.2mm，材质可以是Rogers5880，该材料具有柔性可弯折的物理特性，因此可以依附于天线罩内壁，从而提升空间利用率，进而最大程度提升天线增益。顶加载层的金属层还可以使用镭射雕刻工艺将金属曲线雕刻在天线罩内表面。需要说明的是，本实施例中顶加载层结构的弯折形变不会改变天线的谐振频率。在本发明的其他实施例中，第二介质板还可以是F4B柔性基板、FPC柔性电路板等柔性印刷电路板基材，本实施例中对此不作限定。
本实施例中不限定FM天线中的第一金属曲线、第二金属曲线和第三金属曲线的具体材质，可选的，均为铜。
本实施例中提供的超材料FM天线由直立层与顶加载层两部分组成，其基本结构均为Hilbert基本单元，该Hilbert曲线结构如图9所示，具体参数如表1所示。
| 宽度W | 长度L | 线宽s | 单元距离d | 介质厚度t |
| 20mm | 20mm | 0.5mm | 1.5mm | 1.5mm |
上述介质厚度为直立层的介质厚度。介电常数εr＝4.4。Hilbert曲线在结构上类似于开口谐振环，共振频率可以通过驻波共振理论来预测，公式如下：
fm＝mc/2L (1)
式中fm指谐振中心频率，c为光速，m为谐振集次，L为曲线总长度。谐振带宽则与Hilbert曲线压缩比以及曲线宽度有关。
以图4中所示的隔离器，直立层中Hilbert基本单元线宽s均为0.5mm，基本单元间距(也即相似单元之间)d为2.5mm为例说明本发明提供的隔离器，所述隔离器还能够提高车载移动通信双天线间隔离度，为低剖面超材料结构。
顶加载层Hilbert基本单元尺寸与直立层的Hilbert单元尺寸完全相同，也即每个Hilbert单元的线宽s与基本单元间距均相同，区别仅在于介质板材料不同。所述顶加载层Hilbert单元基于Rogers5880柔性材料，介质板厚度0.2mm，从而能够内附于鲨鱼鳍外壳内壁上。
如图10所示，为本发明实施例提供的高增益超材料FM天线反射系数S11曲线，从图中可以看出，本发明实施例提供的车载FM天线的工作频段为87.5MHz-108MHz。
如图11所示，为本发明实施例提供的高增益超材料FM天线的增益方向图，通过计算机离散化计算仿真分析，本发明实施例提供的车载超材料FM天线工作在98MHz主频点时，天线增益为-22dB。
也即，本发明实施例提供的超材料FM天线中心频点为98MHz，工作带宽为87.5MHz-108MHz，包括端点值。本实施例中隔离器的Hilbert曲线线宽0.5mm，总长度134mm。天线垂直方向总高度(也即图4中的上下高度)小于45mm，总宽度(这里指图4中直立层的左右两边之间的距离)小于32mm，从而可以作为一种集成化、小型化且具有高增益的FM功能的车载FM天线。
本发明提供的具有FM频段辐射功能的新型蜂窝天线系统，包括第一天线、第二天线和位于第一天线和第二天线之间的隔离器，隔离器包括直立层和顶加载层，通过在直立层的顶部设置能够柔性折叠的顶加载层，通过Hilbert结构设置顶加载层和直立层中的金属曲线结构，实现具有FM功能的天线结构。由于直立层和顶加载层均采用包括介质板和金属曲线结构的人工电磁超材料形成，金属曲线均采用Hilbert基本单元形成，使得隔离器实现FM功能的同时，满足小型化、集成化且高天线增益的要求。
本发明提供的蜂窝天线系统中的隔离器当作为车载FM天线辐射时，其工作主频点为98MHz，天线增益为-22dB，效果曲线见图10、图11，其分别为集成超材料结构作为FM天线时辐射的反射参数与增益方向图；作为提高隔离度的隔离器时，在0.5GHz-3GHz之内的某频带范围，使得第一天线和第二天线之间的隔离度由不足15dB提高到全部到达22dB以上，效果曲线见图12。图12中实线曲线对应没有加隔离器的隔离度曲线，虚线曲线对应加载隔离器的隔离度曲线，由图12可见隔离度参数由不足15dB全部提升到22dB以上。
此隔离器可与通信天线系统及其他天线(如FM频段广播天线，GPS天线，WiFi天线，蓝牙天线等)集成在鲨鱼鳍外壳内部，与蜂窝天线系统共同构成一套高增益、高隔离度的车载天线系统。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，包括：
依次设置的第一天线、隔离器和第二天线；
其中，所述第一天线和第二天线为车载通信天线；
所述隔离器用于隔离所述第一天线和第二天线；
所述隔离器包括：直立层和顶加载层；
所述直立层包括第一介质板、第一金属曲线和第二金属曲线，所述第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；所述第一金属曲线位于所述第一表面，所述第二金属曲线位于所述第二表面；其中，所述第一金属曲线包括第一连接段和多个第一Hilbert基本单元，所述第一连接段位于所述直立层的顶部，且所述第一连接段与其中一个所述第一Hilbert基本单元电性相连，多个第一Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接；所述第二金属曲线包括第二连接段和第三连接段，所述第二连接段的一端与多个所述第一Hilbert基本单元相连后远离所述第一连接段的一端电性连接，所述第二连接段的另一端与所述顶加载层电性连接；所述第三连接段的一端作为所述车载天线系统的馈电点，另一端与所述顶加载层电性连接；
所述顶加载层包括第二介质板和第三金属曲线，所述第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面；所述第三金属曲线包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端，所述两个自由端分别与所述第二连接段和所述第三连接段电性连接；
其中，所述第一介质板为硬性介质板，所述第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在所述直立层的顶部，且沿所述直立层的顶部边缘轮廓折叠；所述第三金属曲线位于所述第三表面。
2.根据权利要求1所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述第一天线和所述第二天线均包括介质基板和金属线，所述介质基板和所述第一介质板位于同一平面，且一体成型。
3.根据权利要求2所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述第一天线和所述第二天线的金属线均位于所述介质基板与第一表面同侧的表面。
4.根据权利要求1所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述第一Hilbert基本单元和所述第二Hilbert基本单元均为三阶Hilbert曲线。
5.根据权利要求4所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述第一Hilbert基本单元的个数为2个，所述第二Hilbert基本单元的个数为4个，4个所述Hilbert基本单元的外围轮廓为正方形。
6.根据权利要求4所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述Hilbert曲线的线宽为0.5mm，相邻导线之间的间距为2.5mm。
7.根据权利要求1所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述第二介质板为Rogers5880柔性基板、F4B柔性基板或FPC柔性电路板中的一种。
8.根据权利要求1所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述第二介质板的厚度为0.2mm。
9.根据权利要求1所述的具有FM频段辐射功能蜂窝天线隔离器的车载天线系统，其特征在于，所述顶加载层相对于所述直立层的顶部边缘轮廓对折。
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