一种l频段嵌入式宽带车载全向天线
阅读说明：本技术 一种l频段嵌入式宽带车载全向天线 (L-frequency-band embedded broadband vehicle-mounted omnidirectional antenna ) 是由 钟玲玲 李鹏 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种L频段嵌入式宽带车载全向天线,其结构为：下层圆环介质垫片、下层方形金属辐射体、上层圆环介质垫片及上层方形金属辐射体由下至上依次叠置在方形金属腔体内,同轴馈电连接器安装在方形金属腔体底部,同轴馈电连接器的同轴连接器内芯依次贯穿连接方形金属腔体底部、下层圆环介质垫片、下层方形金属辐射体、上层圆环介质垫片及上层方形金属辐射体,天线罩盖设在方形金属腔体顶部。本发明天线可以完全嵌入到车辆内部安装,便于与车身共形,不易损坏,不额外增加设备尺寸；天线馈电方式简单,易获得阻抗匹配,无需加载,不需匹配电路或平衡转换器,不存在天线与射频电路之间的物理限制。(The invention discloses an L-frequency-band embedded broadband vehicle-mounted omnidirectional antenna, which has the following structure: lower floor's ring dielectric gasket, the square metal radiator of lower floor, upper ring dielectric gasket and the square metal radiator of upper strata superpose in proper order in square metal cavity by supreme down, coaxial feed connector installs in square metal cavity bottom, coaxial feed connector's coaxial connector inner core run through the square metal cavity bottom in proper order, lower floor's ring dielectric gasket, the square metal radiator of lower floor, upper ring dielectric gasket and the square metal radiator of upper strata, antenna shroud establishes at square metal cavity top. The antenna can be completely embedded into the vehicle for installation, is convenient to be conformal with the vehicle body, is not easy to damage, and does not increase the size of equipment additionally; the antenna has simple feed mode, is easy to obtain impedance matching, does not need loading, does not need a matching circuit or a balance converter, and does not have physical limitation between the antenna and a radio frequency circuit.)
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种L频段嵌入式宽带车载全向天线，其结构稳定可靠、可以全部嵌入车辆顶部不凸出表面、性能良好，主要使用方向为民用及军用车辆通信系统。
背景技术
在无线电通信系统中，天线是不可或缺的重要组件，其将自由空间的无线电波与波导电磁波之间进行相互转换，从而在发射系统中实现自由空间和导波设备之间的过渡，因此，在任何无线电系统中，天线都占据着重要角色，一旦离开承担发射电磁波和接受功能的天线，无线电通信系统将无法继续工作。
车载通信系统以车为载体，能够随车的移动进行无线信号的传输。作为车载通信系统中辐射、接收能量的关键部件，车载天线的性能要求包括频带宽、体积小、加工成本低等多个方面；由于车辆经常在旷野、山地等复杂、恶劣的地貌上行驶，使车上的天线等通信设备频繁地受到振动、冲击、碰撞等损害，这样就对车载天线的可靠性提出了越来越高的要求；此外，为了满足“动中通”的通信条件，车载天线必须具有全向辐射的特性，以保证处于运动中的车载通信系统能够从各个方向收发信号。
目前常用的车载天线主要有交叉串馈天线、串馈套筒天线、缝隙天线、对称振子天线和印刷振子天线等。同轴共线(COCO)天线作为早期全向天线的代表，被广泛应用到工程实践中，从理论分析可知，采用交叉馈电形式将半波长同轴线内芯与外皮交叉连接，通过增加单元数量来实现COCO天线的全向高增益，不过由于这种天线自身的谐振结构，带宽成为制约其性能的关键参数，可以通过顶端加载方式展宽其带宽，但这样天线增益受到了影响，且增加了天线的尺寸；套筒天线频带比交叉馈电天线要宽，但是存在耦合缝隙的介质支撑的强度和精度问题；波导缝隙天线工作在较高频段，对于L频段来说，其天线结构复杂，调试较为困难；常用的对称振子鞭天线长度较长(L频段天线为75mm～150mm)。无论是交叉串馈天线、串馈套筒天线、缝隙天线、对称振子天线还是印刷振子天线，在车上安装时，需要完全凸出车体表面，不能嵌入车体内部。
综合来看，传统的车载全向天线主要存在以下技术问题：
(1)天线不能嵌入到车辆外壳内部，尺寸大、易损坏。传统的车载天线虽然安装简便，但是天线需要完全凸出到车辆外部，结构非常不稳定，当载体速度较快或者所处环境风速较大时，天线阻力较大，极易折断，并且影响车辆的限高要求，在天线制作、安装、运输以及隐蔽等方面都有许多不便，不适用于环境复杂的特殊应用场合，对于军用天线，过高的天线结构更会降低车辆的机动作战能力。
(2)天线需要匹配电路或者元器件加载，损耗大，成本高。为了适应车载全向天线的宽带需求，传统天线采用了增加匹配网络、添加负载等方式来改进其窄频特性，这些措施虽然展宽了天线频带，但是却使得天线的结构复杂化，并且带来了较多的损耗及过高的成本。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：为实际L频段车载通信平台开发一种嵌入式全向天线形式，提供比现有的天线设计更理想的电磁特性及结构特性。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种L频段嵌入式宽带车载全向天线，由双层方形金属辐射体、双层圆环介质隔离垫片、方形金属腔体、插入天线结构中的同轴馈电连接器及天线罩构成；双层方形金属辐射体为方形薄板，上层方形金属辐射体边长小，下层方形金属辐射体边长大，中间均有通孔，通孔直径与连接器内芯直径一致，双层方形金属辐射体与同轴连接器内芯焊接连接，双层方形金属辐射体选取材料为黄铜；双层圆环介质垫片中间有通孔，圆环内直径与连接器内芯直径一致，其作用是支撑隔离方形金属腔体以及双层方形金属辐射体，圆环介质垫片选取材料为聚四氟乙烯；方形金属腔体内部挖空，底部有通孔，通孔直径与连接器内芯直径一致，边缘有安装板，下层圆环介质垫片、下层方形金属辐射体、上层圆环介质垫片及上层方形金属辐射体自下而上依次放置在方形金属腔体内，由连接器内芯从方形金属腔体底部自下而上贯穿连接，方形金属腔体边缘的安装板上有通孔，用于其与车体及天线罩通过螺钉连接，方形金属腔体选取材料为黄铜；天线罩为方形介质薄板，通过螺钉旋拧在方形金属腔体边缘的安装板上，使得天线其它结构件及天线罩构成一个整体，天线罩选取材料为玻璃钢，其坚固耐用且透波率好，可以保证车载通信信号的高效收发；天线采用N型同轴连接器连接馈电，连接器选用陕西华达科技股份有限公司的N-50KFD52，其特殊之处在于伸出的同轴内芯较长(28.2mm)，内芯可以依次穿过方形金属腔体底部、下层圆环介质垫片、下层方形金属辐射体、上层圆环介质垫片及上层方形金属辐射体，连接器的法兰与方形金属腔体通过螺钉连接；同轴接头输出的能量从馈电端馈入，进而激起双层方形金属辐射体表面电流，从而产生辐射。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的L频段嵌入式宽带车载全向天线，具有以下优点：
(1)天线可以完全嵌入到车辆内部安装，便于与车身共形，不易损坏，不额外增加设备尺寸；
(2)天线馈电方式简单，易获得阻抗匹配，无需加载，不需匹配电路或平衡转换器，不存在天线与射频电路之间的物理限制；
(3)天线带宽较宽，增益、效率都相对较高，能够保持车载通信设备高效运转。
附图说明
图1是本发明天线的剖面图。
图2是本发明天线的俯视图。
图3是本发明天线的仰视图。
图4是本发明天线的驻波比与频率的关系。
图5是本发明天线的水平面方向图。
图中：
1.上层方形金属辐射体 2.下层方形金属辐射体
3.上层圆环介质隔离垫片 4.下层圆环介质隔离垫片
5.方形金属腔体 5.a方形金属腔体边缘的安装板
6.同轴连接器 6.a.同轴连接器外导体
6.b.同轴连接器介质 6.c.同轴连接器内芯
6.d.同轴连接器法兰 7.天线罩
8～11.螺钉 12～15.螺钉
16～19.螺钉
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
嵌入式天线是一种特殊的天线形式，它是指天线的外形完全嵌入载体内部，可以与载体的外表面共形的天线，也就是说天线的表面外形是由载体的气动外形或功能外形所确定的，而不是由天线的电磁外形所确定。一般的通信天线为垂直极化天线，要求水平面具有全向方向图。由于车载通信设备运输环境恶劣，车载天线采用嵌入式设计，能够确保设备在车辆行驶复杂力学环境下的可靠性。
本实施例提供的L频段嵌入式宽带车载全向天线，使其解决传统车载通信天线不能嵌入到车辆外壳内部，尺寸大、易损坏，需要匹配电路或者元器件加载，损耗大，成本高等问题。本发明用于发射和接收垂直极化电磁波，其结构简单，整个天线仅由金属黄铜、聚四氟乙烯介质及玻璃钢构成，加工制作容易、重量轻且成本低；天线为方形全嵌入式结构，可以完全嵌入到车辆内部安装，便于与车身共形，不易损坏，不额外增加设备尺寸；天线将双层辐射体与连接器通过焊点连接，连接器与腔体通过螺钉螺装，总体结构稳定；该天线匹配容易，可直接用50Ω同轴线馈电，可以满足L波段的车载通信系统需求；全天线结构简单，没有匹配电路或者元器件加载，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产；天线的辐射场在水平面360度范围内分布均匀，可以实现良好的全向特性。
具体地，参见图1、图2、图3所示，本发明是一种嵌入式的L频段宽带车载全向天线，包括上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体2、上层圆环介质隔离垫片3、下层圆环介质隔离垫片4、方形金属腔体5、同轴馈电连接器6及天线罩7；下层圆环介质垫片4、下层方形金属辐射体2、上层圆环介质垫片3及上层方形金属辐射体1由下至上依次叠置在方形金属腔体5内，同轴馈电连接器6安装在方形金属腔体5底部，同轴馈电连接器6的同轴连接器内芯6.c依次贯穿连接方形金属腔体5底部、下层圆环介质垫片4、下层方形金属辐射体2、上层圆环介质垫片3及上层方形金属辐射体1，天线罩7盖设在方形金属腔体5顶部。
上层方形金属辐射体1和下层方形金属辐射体2均为方形薄板，上层方形金属辐射体1边长小，下层方形金属辐射体2边长大，中间均有通孔，通孔直径与同轴连接器内芯6.c直径一致，上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体2与同轴连接器内芯6.c焊接连接，上层方形金属辐射体1和下层方形金属辐射体2选取材料为黄铜。
上层圆环介质隔离垫片3、下层圆环介质隔离垫片4中间有通孔，通孔直径与同轴连接器内芯6.c直径一致，其作用是支撑隔离方形金属腔体5以及上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体2，上层圆环介质隔离垫片3、下层圆环介质隔离垫片4选取材料为聚四氟乙烯。
方形金属腔体5内部挖空，底部有通孔，通孔直径与同轴连接器内芯6.c直径一致，方形金属腔体5顶部边缘有安装板5.a，安装板5.a上有通孔，用于与车体及天线罩7通过螺钉8～15连接，方形金属腔体5选取材料为黄铜。
天线罩7为方形介质薄板，通过螺钉旋拧在方形金属腔体5边缘的安装板5.a上，使得上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体2、上层圆环介质隔离垫片3、下层圆环介质隔离垫片4、方形金属腔体5、同轴馈电连接器6及天线罩7构成一个整体，天线罩7选取材料为玻璃钢，其坚固耐用且透波率好，可以保证车载通信信号的高效收发。
同轴连接器6采用N型同轴连接器连接馈电，选用陕西华达科技股份有限公司的N-50KFD52，其特殊之处在于伸出的同轴连接器内芯6.c较长，约有28.2mm。
同轴连接器6还包括形成在同轴连接器内芯6.c下端外部的同轴连接器介质6.b、形成在同轴连接器介质6.b下端外部的同轴连接器外导体6.a，以及位于同轴连接器介质6.b上端外周的同轴连接器法兰6.d，方形金属腔体5与同轴连接器内芯6.c之间由同轴连接器介质6.b隔离，同轴连接器法兰6.d与方形金属腔体5通过螺钉16～19固连。
在本发明中，上层方形金属辐射体1及下层方形金属辐射体片2是起辐射作用的最主要部件，用于向空间辐射电磁波，当发射信号时，同轴连接器6通过连接的同轴电缆输入外接发射机的发射信号，同轴接头输出的能量激起上层方形金属辐射体1及下层方形金属辐射体片2的表面电流，从而产生辐射；由于天线整体采用嵌入式结构，使得天线可以完全嵌入到车辆内部安装，便于与车身共形，不易损坏；由于采用上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体片2及方形金属腔体5的基本结构，使得天线可以接收或发射垂直极化电磁波且带宽较宽，满足天线在L频段的极化及带宽要求；由于引入了上层圆环介质隔离垫片3、下层圆环介质隔离垫片4，在不增加天线尺寸的情况下，分隔开天线的上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体片2及方形金属腔体5的地板，使得同轴连接器6连接的电缆能够有效的激励天线电流；由于整个天线结构的轴对称特性，可以使得天线在水平面360度范围内辐射场均匀分布；由于全天线为仅有两个垂直对称方向的焊点(上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体片2与同轴连接器内芯6.c焊接连接)，没有其它粘连装置，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产。
图4是本发明天线的驻波比VSWR与频率的关系。驻波比是天线的一个重要性能参数，它反映了被测天线的阻抗特性，也决定了天线的阻抗带宽。参见图4所示，本发明天线的工作频段在L波段，在1.03GHz～1.46GHz的宽频范围内，天线的驻波比均小于2，且与只有一层方形金属辐射体的天线相比，天线驻波明显下降，这说明在该频段内天线可以良好的与50Ω同轴电缆匹配，相对带宽约为34.5％，而常规对称振子天线相对带宽不足10％，本发明保证天线具有较宽的阻抗带宽。
图5是本发明天线的水平面辐射方向图。方向图是表征天线辐射特性与空间角度关系的图形。参见图5所示，天线在水平面360度的范围内辐射场均匀全向分布，不圆度小于0.6dB，能够保持良好的全向辐射特征。
本发明设计的天线结构可采用上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体片2及方形金属腔体5，同时也可根据车辆的实际外形需求适当调整金属辐射体及金属腔体的形状，基本不会影响天线性能；本发明设计的天线除工作在L频段外，可根据需要等比缩短上层方形金属辐射体1、下层方形金属辐射体片2及方形金属腔体5的尺寸，使其工作在L频段以上的频段(>2GHz)。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
本发明由于采用嵌入式结构，使得天线可以完全嵌入到车辆内部安装，便于与车身共形，不易损坏；由于采用双层辐射体及方形腔体的基本结构，使得天线可以接收或发射垂直极化电磁波且带宽较宽，满足天线在L频段的极化及带宽要求；由于引入了双层非金属介质，在不增加天线尺寸的情况下分隔开天线的双层辐射体及方形腔体地板，使得同轴电缆能够有效的激励天线电流；由于整个天线结构的轴对称特性，可以使得天线在水平面360度范围内辐射场均匀分布；由于全天线为仅有两个垂直对称方向的焊点，没有其它粘连装置，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产；此外，本天线腔体及辐射体形状可圆可方且尺寸可根据实际车辆外形及应用需求适当调整，天线使用频率也可通过调整天线尺寸等比例变化，整体天线结构及应用场合灵活。
本发明天线具有较低的电压驻波比、较高的增益、较宽的带宽，能够完全嵌入车辆顶部安装，不破坏车载设备表面的机械结构和强度，并且具有良好的全向辐射特性，质量轻、结构简单、易于加工、易于车载安装，对车载通信领域的应用有着重要的意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种用于车载通信天线的俯仰驱动装置