一種車載天線的設計方法與流程
2023-08-02 20:25:31 1
本發明涉及一種車載天線的設計方法，屬於微波與天線技術領域。
背景技術：
各種安裝在高速移動的車輛（或艦艇、飛行器、太空飛行器等）表面的天線，一般可廣義統稱為「車載天線」。這類天線的一些顯著特徵包括：（1）天線周圍存在較大面積的金屬車（或船、艦、機、星）體；（2）天線具有較寬的俯仰面波束和方位面波束，以便充分捕捉來自不同方向上的散射分量、克服無線信號衰落；（3）為了滿足車輛之間的通信，要求天線在平行於金屬車體的方向上仍然保持足夠的輻射電平。
常用的車載天線形態包括單極子天線、貼片天線、倒l或倒f天線等。單極子天線具有增益較高的全向覆蓋特性，但是剖面尺寸較大，突兀在車體表面，既影響美觀，又容易損壞。貼片天線增益高、剖面低，但工作帶寬窄、波束較尖銳，通常在平行於車體方向呈現輻射零點，無法滿足車輛間通信的需要；倒l或倒f天線的剖面尺寸介於上述兩者之間，具有中等工作帶寬的全向覆蓋特性，但在平行於車體方向只有較低的輻射電平。
因此，有必要研究一種具備上述天線優點、又能在平行於車體方向上產生足夠覆蓋能力的新型天線設計方法。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種車載天線的設計方法，由短接輻射單元、一對開槽、饋電點、金屬反射器構成該車載天線，利用開槽擾動扇形貼片單元的多個諧振輻射模式，以實現雙諧寬帶匹配工作特性。該車載天線具有剖面低，結構簡單，成本低廉，工藝易實現等特點，因此該天線設計方法可廣泛應用到多個領域中。
本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：
一方面，本發明提供一種車載天線的設計方法，在金屬反射器的上方設置一個扇形貼片單元，該扇形貼片單元的兩個直邊通過短路面與金屬反射器短接，構成短接輻射單元；在扇形貼片單元上設置兩個從其弧形邊緣向圓心延伸的開槽，兩個開槽關於扇形貼片單元的角平分線對稱；在扇形貼片單元上設置饋電點，以激勵短接輻射單元。
作為本發明的進一步技術方案，扇形貼片單元為優角結構，角度範圍為190°至350°。
作為本發明的進一步技術方案，金屬反射器安裝在車體表面。
作為本發明的進一步技術方案，金屬反射器通過開窗方式嵌入車體內部、通過金屬窗框結構與車體連接。
作為本發明的進一步技術方案，兩個開槽的長度為高階諧振模式對應工作波長的1/10至1/2，寬度為高階諧振模式對應工作波長的1/5至1/40。
另一方面，本發明還提供一種車載天線，由上述任一所述的方法製得。
作為本發明的進一步技術方案，饋電點設置在兩個開槽之間。
本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明利用開槽擾動扇形貼片單元的多個諧振輻射模式，以實現雙諧寬帶匹配工作特性；本發明實現的車載天線是一種結構簡單、剖面低、體積小、製作成本低廉的寬帶車載天線，因此該方法可廣泛應用到多個領域中。
附圖說明
圖1是本發明方法設計的天線的正面結構與參考坐標示意圖。
圖2是本發明方法設計的天線的三維立體結構與參考坐標示意圖。
其中，1是扇形貼片單元，21和22是開槽，3是饋電點，4是金屬反射器，5是優角結構。
圖3是利用ie3d軟體計算的天線反射係數特性。
圖4是利用ie3d軟體計算的天線方向圖，其中，（a）是zox平面，（b）是xoy平面。
圖5是利用ie3d軟體計算的天線增益圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
本發明提供一種車載天線的設計方法，通過在金屬反射器的上方設計具有優角結構的短接輻射單元，並在其內部引入對稱開槽結構，實現低階與高階諧振模式的同時激發，實現雙諧寬帶匹配特性。本發明中，金屬反射器既可以安裝在車體表面，也可以通過開窗方式嵌入車體內部、通過金屬窗框結構與車體連接在一起。本發明的天線在平行於車體的方向上（即平行於金屬反射器的方向上），產生不低於-6dbi的覆蓋增益；在其輻射主瓣內，天線俯仰面、方位面均應具有波動不大於12db的均勻覆蓋特性。
如圖1和圖2所示，本發明的方法設計的一種車載寬帶天線，包括扇形貼片單元1、開槽21和22、饋電點3和金屬反射器4。扇形貼片單元1具有一定角度範圍的優角結構5，其角度範圍為190°至350°。扇形貼片單元1的直邊通過短路面與金屬反射器4短接，構成短接輻射單元。金屬反射器4既可直接安裝在車體表面，也通過開窗方式嵌入車體內部、通過金屬窗框結構與車體連接在一起。短接輻射單元的內部引入的開槽21和22（即在扇形貼片單元1上設置兩個開槽），開槽的一端指向優角結構5的頂點（即扇形貼片單元1的圓心），另一端終止於扇形貼片單元1的弧形邊緣，開槽21和22關於優角結構5的角平分線呈對稱分布，用以同時激發低階與高階諧振模式，實現雙諧寬帶匹配特性。開槽21和22的長度範圍為高階諧振模式對應工作波長的1/10-1/2，開槽21和22的寬度範圍為高階諧振模式對應工作波長的1/5-1/40。
下面通過具體實施例對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
本實施例中，優角結構5為240°、饋電點3按照同軸線饋電方式實施、開槽21和22的長度為高階諧振模式對應工作波長的1/4、寬度為高階諧振模式對應工作波長的1/25。如圖3所示的採用ie3d軟體計算的天線反射係數特性，天線的阻抗帶寬為2.48-3.16ghz,中心頻率為2.82ghz,相對帶寬為24.11%，阻抗帶寬內具有兩個諧振點，表明天線具有雙模諧振特性。
按照本實施例的實施方式，對照圖1中的參考坐標系，圖4中的（a）和（b）分別給出了2.5ghz頻率時兩個主工作平面（zox面與xoy面）的方向圖。其中，（a）中，虛線為eθ分量，短點線為eφ分量，實線為etotal分量，由圖可知，在zox面的輻射主瓣內，+/-75度仰角範圍內增益波動不大於5db，+/-90度仰角範圍內輻射增益波動不大於7.5db，表明天線既具有單向輻射特性，又具有相對均勻的俯仰覆蓋特性；（b）中，虛線為eθ分量，短點線為eφ分量，實線為etotal分量，天線的輻射波動不大於1.6db，仍具有良好的均勻覆蓋特性。
圖5給出了天線在+z軸和+x軸方向的輻射增益頻響曲線，在天線工作頻段內，+z方向的平均增益可達1.2dbi，+x方向（平行於反射器方向）的平均增益可達-4.1dbi。由圖3-圖5可知，天線具有較寬的工作頻帶，以及在其輻射主瓣內，天線的俯仰面、方位面均具有較高增益的均勻輻射覆蓋特性。
綜上所述，本發明的方法既能實現超過20%的工作帶寬，又具有均勻的俯仰面和方位面波束，還能在平行於車體方向上產生足夠強的輻射電平。採用本方法實現的天線具有低剖面特性，具有寬頻帶、均勻覆蓋的工作特性，不僅可以直接共形集成在車輛表面，而且具有結構簡單、體積小、剖面尺寸低、工藝簡易、便於實現等優點，應用領域十分廣泛。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。