一种全向高增益车载天线的制作方法

1.本发明涉及车载天线技术领域，特别是一种全向高增益车载天线。


背景技术：

2.uhf频段的频率范围为300mhz～3000mhz，相较于其他频段，uhf频段绝对带宽较窄，因此常用到跳频和扩频技术，同时也能够保证车载通信的隐蔽性和安全性。车载等移动平台上对天线尺寸有严格要求，供安装天线的空间有限，如果在较小的空间里架设多个天线势必会造成天线间互耦。因此为了保证通信质量，通常采用提高单个天线的电性能从而避免多个天线的架设。车载天线一般是鞭状形式，其特点在于横向尺寸小且辐射方向图为水平全向，鞭天线的形状限制了其带宽、增益和小型化等关键参数。
3.所以对于车载天线，在保证增益的同时，如何扩展其带宽是时下鞭天线的难点和突破点，具有重要研究意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种全向高增益车载天线，用于在保证增益的同时，进一步扩展带宽。其具体技术方案如下：
5.一种全向高增益车载天线，所述天线包括：阶梯渐变结构、耦合层；
6.所述阶梯渐变结构为直径不同的圆柱体叠加结构，第一阶梯渐变结构内设置有通孔，第二阶梯渐变结构的圆柱体与对应的第一阶梯渐变结构的圆柱体直径相同；所述耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述耦合层的金属圆柱体按照预设间距在同一直线上同轴设置；所述第一阶梯渐变结构安装在所述耦合层的左侧，所述第二阶梯渐变结构安装在所述耦合层的右侧，所述第一阶梯渐变结构与所述第二阶梯渐变结构间隔有预设距离的空隙。
7.优选的，所述耦合层为设置有空腔的三段金属圆柱体，耦合层第一段金属圆柱体与耦合层第二段金属圆柱体之间形成缝隙1，耦合层第二段金属圆柱体与耦合层第三段金属圆柱体之间形成缝隙2。
8.优选的，所述缝隙1和所述缝隙2设置有保护罩。
9.优选的，所述耦合侧包括初级耦合层和次级耦合层；
10.所述初级耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述初级耦合层直接嵌套在所述第一阶梯渐变结构和所述第二阶梯渐变结构上；所述次级耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述次级耦合层嵌套在，嵌套有所述初级耦合层的所述第一阶梯渐变结构和所述第二阶梯渐变结构上。
11.优选的，所述初级耦合层设置有三段金属圆柱体，每段金属圆柱体之间按照预设间隔排列在同一条直线上，初级耦合层第一段金属圆柱体与初级耦合层第二段金属圆柱体之间形成次级馈电点1，初级耦合层第二段金属圆柱体与初级耦合层第三段金属圆柱体之间形成次级馈电点2。
12.优选的，所述初级耦合层第二段金属圆柱体内设置有第三阶梯渐变结构，所述第三阶梯渐变结构设置在所述第一阶梯渐变结构与所述第二阶梯渐变结构之间，所述第三阶梯渐变结构与所述第一阶梯渐变结构之间形成初级馈电点。
13.优选的，所述次级耦合层设置有五段金属圆柱体，每段金属圆柱体之间按照预设间隔排列在同一条直线上，次级耦合层第一段金属圆柱体与次级耦合层第二段金属圆柱体之间形成缝隙1，次级耦合层第二段金属圆柱体与次级耦合层第三段金属圆柱体之间形成缝隙2，次级耦合层第三段金属圆柱体与次级耦合层第四段金属圆柱体之间形成缝隙3，次级耦合层第四段金属圆柱体与次级耦合层第五段金属圆柱体之间形成缝隙4。
14.优选的，所述缝隙1、缝隙2、缝隙3、缝隙4设置有保护罩。
15.优选的，所述阶梯渐变结构内的圆柱体直径基于所述天线工作频段最高频率所对应的波长确定。
16.优选的，所述耦合层的多段金属圆柱体长度基于所述天线工作频段最高频率所对应的波长确定。
17.本发明的有益效果如下：
18.本发明公开一种全向高增益车载天线，包括：阶梯渐变结构、耦合层。第一阶梯渐变结构安装在所述耦合层的左侧，第二阶梯渐变结构安装在所述耦合层的右侧，第一阶梯渐变结构与第二阶梯渐变结构间隔有预设距离的空隙。该缝隙形成初级馈电点，初级馈电点向耦合层的缝隙进行耦合馈电。该结构使得天线辐射体表面电流相同，可以消除电流不平衡带来的增益恶化影响，进而提高增益。
附图说明
19.图1是本发明一种全向高增益车载天线的整体剖视图；
20.图2是本发明一种全向高增益车载天线的具体实施例1的天线结构示意图；
21.图3是本发明一种全向高增益车载天线的具体实施例2的天线结构示意图；
22.图4是本发明一种全向高增益车载天线的具体实施例1的阶梯增益结构尺寸标示图之一；
23.图5是本发明一种全向高增益车载天线的具体实施例1的耦合层尺寸标示图；
24.图6是本发明一种全向高增益车载天线的具体实施例1的阶梯增益结构尺寸标示图之一；
25.图7是本发明一种全向高增益车载天线的具体实施例2的阶梯增益结构尺寸标示图之一；
26.图8是本发明一种全向高增益车载天线的等效原理图；
27.图9是本发明一种全向高增益车载天线的不加入渐变结构的仿真结果图之一；
28.图10是本发明一种全向高增益车载天线的不加入渐变结构的仿真结果图之一；
29.图11是本发明一种全向高增益车载天线的不同直径d2对电压驻波比和阻抗分布的影响图之一；
30.图12是本发明一种全向高增益车载天线的不同直径d2对电压驻波比和阻抗分布的影响图之一；
31.图13是本发明一种全向高增益车载天线的耦合层不同直径d对增益的影响图；
32.1、阶梯渐变结构；101、第一阶梯渐变结构；102、第二阶梯渐变结构；103、第二阶梯渐变结构；2、耦合层；201、耦合层第一段金属圆柱体；202、耦合层第二段金属圆柱体；203、耦合层第三段金属圆柱体；3、初级耦合层；301、初级耦合层第一段金属圆柱体；302、初级耦合层第二段金属圆柱体；303、初级耦合层第三段金属圆柱体；4、次级耦合层；401、次级耦合层第一段金属圆柱体；402、次级耦合层第二段金属圆柱体；403、次级耦合层第三段金属圆柱体；404、次级耦合层第四段金属圆柱体；405、次级耦合层第五段金属圆柱体。
具体实施方式
33.为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及其相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本文件保护的范围。
34.以下结合图1-13，详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。
35.具体实施例1：
36.一种全向高增益车载天线，所述天线包括：阶梯渐变结构、耦合层；所述阶梯渐变结构为直径不同的圆柱体叠加结构，第一阶梯渐变结构内设置有通孔，第二阶梯渐变结构的圆柱体与对应的第一阶梯渐变结构的圆柱体直径相同；所述耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述耦合层的金属圆柱体按照预设间距在同一直线上同轴设置；所述第一阶梯渐变结构安装在所述耦合层的左侧，所述第二阶梯渐变结构安装在所述耦合层的右侧，所述第一阶梯渐变结构与所述第二阶梯渐变结构间隔有预设距离的空隙。
37.所述耦合层为设置有空腔的三段金属圆柱体，耦合层第一段金属圆柱体与耦合层第二段金属圆柱体之间形成缝隙1，耦合层第二段金属圆柱体与耦合层第三段金属圆柱体之间形成缝隙2。所述缝隙1和所述缝隙2设置有保护罩。
38.本方案中，采用全波偶极子形式。即天线整体电长度为一个波长，相较于半波偶极子，由于辐射体长度的加长，天线的方向性系数有了明显加强，在理想匹配条件下，天线的最低增益能够达到4dbi，符合指标中对增益的要求。
39.由于全波偶极子带宽窄，需要通过设计匹配网络来拓展带宽，由此带来一个问题。由于电容电感等元件存在自谐振频率，在f1～f2频段内已经处于元件自谐振频率的极限，也就说如果继续在f1～f2频段内使用电感或电容等集总元件，它们自身带来的寄生参数效应会非常明显。一个电容或者电感在整个频段内不再是一个确定值，而是随频率变化的一个范围。这对其确定值求解带来很大困扰，在实际匹配电路制作中将会非常困难。如果考虑多种元件混合使用即集总元件和分布式元件协同使用，那么在实际匹配电路的布局和制作中需要考虑到微带线的尺寸，通常与工作频率的波长有关。由于天线的横向尺寸不能过大，在f1～f2频段内，微带线还是受限于布局的问题。使得天线中留给匹配网络的空间进一步减小，实际加工难度增大。
40.本发明中，将锥体按一定的角度平滑变换可以在工作频段内得到较稳定的输入阻抗，满足双锥天线任意高度处与该高度所对应的直径的比值为一个常数可以得到较宽的带宽。根据等效模型法，设计出三段阶梯式变换的辐射体。通过距离中心间距相等的两条等长缝隙激励天线辐射体实现能量的辐射。天线的辐射体分为3段，等效为一个等幅同相二元阵
列，如图8所示。采用缝隙式耦合馈电使得电流同相来提升增益。相比较于传统的馈电形式带来方向图裂瓣和电流不平衡问题，缝隙式耦合馈电可以将此二种影响降到最低。天线内部设置有阶梯渐变的金属铜棒形成空气同轴，通过调节金属铜棒的直径大小来实现阻抗变换，可以有效拓展天线带宽。
41.天线的整体长度为l1，可以看作是一个套筒偶极子，套筒的长度分别为l2，l3和l4。其中l2》l3＝l4，套筒长度由工作的最低频率决定。在距离中心位置相同间距开两条等长的缝隙，长度为l6，通过双缝耦合馈电，从而改变天线的工作模式，使得电流同相即等效为一个等幅同相二元阵列。为了满足指标中天线的辐射特性，使最大辐射方向在水平方向，水平面的方向图不能产生裂瓣，天线的馈电结构就尤为重要。天线的馈电结构采用的式三段阶梯渐变的同轴线，为了给偶极子的两臂等幅同相馈电，根据传输线理论需将50欧姆的馈线分成两根100欧姆馈线并联完成阻抗匹配。馈电结构的等效电路如图8所示。其中z1表示特性阻抗为50欧姆的传输线，z2表示特性阻抗为75欧姆的传输线，z3表示特性阻抗为100欧姆的传输线。它们所对应的半径分别为r1,r2,r3，长度分别为l8,l9,l
10
。它们作为同轴线的内芯，同轴线的外皮由直径为d2的铜棒组成，由此构成了空气同轴。通过cst电磁仿真软件调整内芯的长度和半径以及三者之间的比列关系，完成阻抗匹配。
42.在辐射体的外围有三段金属圆筒组成耦合层，用于扩展天线带宽，可以等效看作是一个带有寄生套筒的偶极子。在耦合层上有两条关于中心对称的裂缝，电磁场通过耦合层向缝隙辐射，形成缝隙馈电。相比较传统的直接馈电能够消除辐射体表面的反相电流，起到电流叠加的作用，以此来提高增益。
43.为了更好的分析阶梯渐变结构对阻抗的影响，首先对不加入阶梯渐变结构时天线的电压驻波比和阻抗分布分析，根据实际加工精度情况，天线辐射体的最大直径不得大于d＝0.09λ
min
(λ
min
为工作频段最高频率所对应的波长)。图9和图10，在整个工作频段中大部分电压驻波比超过2.5，峰值达到5严重不符合工程指标要求，由史密斯阻抗圆图可以看出，天线整个频段内的阻抗分布较为发散。作为本发明的重要发明点，不同长细比辐射体对天线的驻波参数影响较大。通过实验证明，在本发明特定的数值情况下，天线的性能参数具有超常规的增益情况。阶梯渐变结构示意图6所示，第一段渐变体直径为d1，第二段直径为d2，第三段直径为d3，受限制于实际尺寸，将最小直径确定为d
min
，最大直径确定为d
max
，即d
min
＝0.015λ
min
，d
max
＝0.09λ
min
。暂定d1＝0.015λ
min
、d3＝0.09λ
min
、l1＝l2＝l3＝1/4λ
max
(λ
max
为工作频段最低频率所对应的波长)。确定了最小和最大直径，从两端逼近优化d2的数值。通过仿真得到图11和图12。
44.由于工程项目的需要，车载天线的横向尺寸受到限制。考虑到后期的实物封装，本设计将天线的横向尺寸限制不能超过d
max
。耦合层的初始直径设置为d，缝隙宽度为t，初始长度分别为为h1、h2和h3其中h2＝0.32λ
max
、h1＝h3＝0.26λ
max
、d＝0.045λ
min
。如图2所示。同样采用控制变量法，保持每一段耦合层长度不变。耦合层上的表面电流分布可以等效为两个正弦周期和两个不完整的正弦的叠加，根据等效模型的思想可以看作是两个不对称振子构成的二元阵列，需要优化耦合层三段的长度和比列关系，使得电流同相以此来提高增益。本设计中天线的横向结构尺寸受到限制，使用控制变量法分析天线结构对天线性能的影响，保证最大长度不变，通过优化耦合层的最大直径，相当于优化双锥天线的锥体角度，根据实际工程需要取d＝0.045λ
min
、0.056λ
min
、0.067λ
min
、0.085λ
min
，仿真结果如图13所示。
45.从图13的仿真结果中可以分析得出，天线的增益对于耦合层直径大小比较敏感，当耦合层直径逐渐增大并趋于指标要求内最大尺寸时，天线效率明显提高。增大耦合层的半径，使得耦合层一定程度远离辐射体，耦合效应减弱，反相电流减少，增益提升，获得更宽的增益带宽。当耦合层直径d＝0.085λ
min
时，全频段大部分带宽满足增益在3.5dbi以上，但距离指标要求还有至少0.5dbi的差距，接下来需要进一步调节耦合层长度。调整耦合层的长度实际相当于在调整缝隙t的大小，缝隙的大小决定了电磁场辐射能量能力，确定耦合层总长度不变，调节每一节的长度，最后构成一定比列关系从而达到高增益。最终确定耦合层结构长度分别为h1＝0.26λ
max
、h2＝0.32λ
max
、h3＝0.26λ
max
，对应的直径d＝0.085λ
min
46.具体实施例2：
47.本实施例中在具体实施例1的基础上，所述耦合侧包括初级耦合层和次级耦合层。
48.所述初级耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述初级耦合层直接嵌套在所述第一阶梯渐变结构和所述第二阶梯渐变结构上；所述次级耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述次级耦合层嵌套在，嵌套有所述初级耦合层的所述第一阶梯渐变结构和所述第二阶梯渐变结构上。
49.所述初级耦合层设置有三段金属圆柱体，每段金属圆柱体之间按照预设间隔排列在同一条直线上，初级耦合层第一段金属圆柱体与初级耦合层第二段金属圆柱体之间形成次级馈电点1，初级耦合层第二段金属圆柱体与初级耦合层第三段金属圆柱体之间形成次级馈电点2。
50.所述初级耦合层第二段金属圆柱体内设置有第三阶梯渐变结构，所述第三阶梯渐变结构设置在所述第一阶梯渐变结构与所述第二阶梯渐变结构之间，所述第三阶梯渐变结构与所述第一阶梯渐变结构之间形成初级馈电点。
51.所述次级耦合层设置有五段金属圆柱体，每段金属圆柱体之间按照预设间隔排列在同一条直线上，次级耦合层第一段金属圆柱体与次级耦合层第二段金属圆柱体之间形成缝隙1，次级耦合层第二段金属圆柱体与次级耦合层第三段金属圆柱体之间形成缝隙2，次级耦合层第三段金属圆柱体与次级耦合层第四段金属圆柱体之间形成缝隙3，次级耦合层第四段金属圆柱体与次级耦合层第五段金属圆柱体之间形成缝隙4。
52.所述缝隙1、缝隙2、缝隙3、缝隙4设置有保护罩。
53.本实施例的天线(以下称为天线2)相比于具体实施例1的天线(以下称为天线1)增益要求大于6dbi，单个天线难以实现，需要组阵实现。本节将天线1中的双缝耦合馈电增加至四缝耦合馈电，可以等效成等幅同相四元阵列。馈电结构由初级耦合层和次级耦合层组成，可以看作是一个一分二、二分四的功分器。通过双耦合层激励天线辐射体，消除电流不平衡带来的影响，从而提高增益。天线2的仿真模型结构如图3所示，由天线1中的单层耦合馈电增至双层耦合馈电。其中里层三段金属圆筒作为初级耦合层，外层五段金属圆筒作为次级耦合层。由初级馈电点向次级馈电点1和2馈电，再由次级馈电点1和2分别向缝隙1、2、3、4进行耦合馈电。保证缝隙1、2到次级馈电点1的距离相等，缝隙3、4到次级馈电点2距离相等。可以看作是一个一分二、二分四的功分器，构成等幅同相四元阵列。从而使得天线辐射体表面电流同相，以消除电流不平衡带来增益恶化的影响，进而提高增益。同时调节辐射体内部空气同轴的比例关系来调节驻波。
54.按照天线1中的设计方法，确定每一段辐射体和耦合层的长细比，最终初级耦合层
共三段，其中f_l1＝f_l3＝0.22λ
max
、f_l2＝0.68λ
max
，直径为f_d＝0.38λ
min
。次级耦合层共五段，每一段长度相等为0.33λ
max
。辐射体仍然采用天线1中的阶梯渐变结构，从细到粗的长度依次为0.65λ
max
、0.16λ
max
、0.23λ
max
。天线2总长960mm满足工程指标，天线2的部分参数如表1所示：
55.表1天线2部分参数表
[0056][0057]
以上所述仅为本说明书的优选实施例而已，并不用于限制本说明书，对于本领域的技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述天线包括：阶梯渐变结构、耦合层；所述阶梯渐变结构为直径不同的圆柱体叠加结构，第一阶梯渐变结构内设置有通孔，第二阶梯渐变结构的圆柱体与对应的第一阶梯渐变结构的圆柱体直径相同；所述耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述耦合层的金属圆柱体按照预设间距在同一直线上同轴设置；所述第一阶梯渐变结构安装在所述耦合层的左侧，所述第二阶梯渐变结构安装在所述耦合层的右侧，所述第一阶梯渐变结构与所述第二阶梯渐变结构间隔有预设距离的空隙。2.如权利要求1所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述耦合层为设置有空腔的三段金属圆柱体，耦合层第一段金属圆柱体与耦合层第二段金属圆柱体之间形成缝隙1，耦合层第二段金属圆柱体与耦合层第三段金属圆柱体之间形成缝隙2。3.如权利要求2所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述缝隙1和所述缝隙2设置有保护罩。4.如权利要求1所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述耦合侧包括初级耦合层和次级耦合层；所述初级耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述初级耦合层直接嵌套在所述第一阶梯渐变结构和所述第二阶梯渐变结构上；所述次级耦合层为设置有空腔的多段金属圆柱体，所述次级耦合层嵌套在，嵌套有所述初级耦合层的所述第一阶梯渐变结构和所述第二阶梯渐变结构上。5.如权利要求4所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述初级耦合层设置有三段金属圆柱体，每段金属圆柱体之间按照预设间隔排列在同一条直线上，初级耦合层第一段金属圆柱体与初级耦合层第二段金属圆柱体之间形成次级馈电点1，初级耦合层第二段金属圆柱体与初级耦合层第三段金属圆柱体之间形成次级馈电点2。6.如权利要求5所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述初级耦合层第二段金属圆柱体内设置有第三阶梯渐变结构，所述第三阶梯渐变结构设置在所述第一阶梯渐变结构与所述第二阶梯渐变结构之间，所述第三阶梯渐变结构与所述第一阶梯渐变结构之间形成初级馈电点。7.如权利要求4所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述次级耦合层设置有五段金属圆柱体，每段金属圆柱体之间按照预设间隔排列在同一条直线上，次级耦合层第一段金属圆柱体与次级耦合层第二段金属圆柱体之间形成缝隙1，次级耦合层第二段金属圆柱体与次级耦合层第三段金属圆柱体之间形成缝隙2，次级耦合层第三段金属圆柱体与次级耦合层第四段金属圆柱体之间形成缝隙3，次级耦合层第四段金属圆柱体与次级耦合层第五段金属圆柱体之间形成缝隙4。8.如权利要求7所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述缝隙1、缝隙2、缝隙3、缝隙4设置有保护罩。9.如权利要求1-8任一权利要求所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述阶梯渐变结构内的圆柱体直径基于所述天线工作频段最高频率所对应的波长确定。10.如权利要求1-8任一权利要求所述的一种全向高增益车载天线，其特征在于，所述耦合层的多段金属圆柱体长度基于所述天线工作频段最高频率所对应的波长确定。

技术总结
本发明公开一种全向高增益车载天线，包括：阶梯渐变结构、耦合层。第一阶梯渐变结构安装在所述耦合层的左侧，第二阶梯渐变结构安装在所述耦合层的右侧，第一阶梯渐变结构与第二阶梯渐变结构间隔有预设距离的空隙。该缝隙形成初级馈电点，初级馈电点向耦合层的缝隙进行耦合馈电。该结构使得天线辐射体表面电流相同，可以消除电流不平衡带来的增益恶化影响，进而提高增益。进而提高增益。进而提高增益。


技术研发人员：邓安杰
受保护的技术使用者：北京遥感设备研究所
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/9/9