一种车载天线的设计方法与流程

本发明涉及一种车载天线的设计方法，属于微波与天线技术领域。

背景技术：

各种安装在高速移动的车辆（或舰艇、飞行器、航天器等）表面的天线，一般可广义统称为“车载天线”。这类天线的一些显著特征包括：（1）天线周围存在较大面积的金属车（或船、舰、机、星）体；（2）天线具有较宽的俯仰面波束和方位面波束，以便充分捕捉来自不同方向上的散射分量、克服无线信号衰落；（3）为了满足车辆之间的通信，要求天线在平行于金属车体的方向上仍然保持足够的辐射电平。

常用的车载天线形态包括单极子天线、贴片天线、倒l或倒f天线等。单极子天线具有增益较高的全向覆盖特性，但是剖面尺寸较大，突兀在车体表面，既影响美观，又容易损坏。贴片天线增益高、剖面低，但工作带宽窄、波束较尖锐，通常在平行于车体方向呈现辐射零点，无法满足车辆间通信的需要；倒l或倒f天线的剖面尺寸介于上述两者之间，具有中等工作带宽的全向覆盖特性，但在平行于车体方向只有较低的辐射电平。

因此，有必要研究一种具备上述天线优点、又能在平行于车体方向上产生足够覆盖能力的新型天线设计方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种车载天线的设计方法，由短接辐射单元、一对开槽、馈电点、金属反射器构成该车载天线，利用开槽扰动扇形贴片单元的多个谐振辐射模式，以实现双谐宽带匹配工作特性。该车载天线具有剖面低，结构简单，成本低廉，工艺易实现等特点，因此该天线设计方法可广泛应用到多个领域中。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种车载天线的设计方法，在金属反射器的上方设置一个扇形贴片单元，该扇形贴片单元的两个直边通过短路面与金属反射器短接，构成短接辐射单元；在扇形贴片单元上设置两个从其弧形边缘向圆心延伸的开槽，两个开槽关于扇形贴片单元的角平分线对称；在扇形贴片单元上设置馈电点，以激励短接辐射单元。

作为本发明的进一步技术方案，扇形贴片单元为优角结构，角度范围为190°至350°。

作为本发明的进一步技术方案，金属反射器安装在车体表面。

作为本发明的进一步技术方案，金属反射器通过开窗方式嵌入车体内部、通过金属窗框结构与车体连接。

作为本发明的进一步技术方案，两个开槽的长度为高阶谐振模式对应工作波长的1/10至1/2，宽度为高阶谐振模式对应工作波长的1/5至1/40。

另一方面，本发明还提供一种车载天线，由上述任一所述的方法制得。

作为本发明的进一步技术方案，馈电点设置在两个开槽之间。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用开槽扰动扇形贴片单元的多个谐振辐射模式，以实现双谐宽带匹配工作特性；本发明实现的车载天线是一种结构简单、剖面低、体积小、制作成本低廉的宽带车载天线，因此该方法可广泛应用到多个领域中。

附图说明

图1是本发明方法设计的天线的正面结构与参考坐标示意图。

图2是本发明方法设计的天线的三维立体结构与参考坐标示意图。

其中，1是扇形贴片单元，21和22是开槽，3是馈电点，4是金属反射器，5是优角结构。

图3是利用ie3d软件计算的天线反射系数特性。

图4是利用ie3d软件计算的天线方向图，其中，（a）是zox平面，（b）是xoy平面。

图5是利用ie3d软件计算的天线增益图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种车载天线的设计方法，通过在金属反射器的上方设计具有优角结构的短接辐射单元，并在其内部引入对称开槽结构，实现低阶与高阶谐振模式的同时激发，实现双谐宽带匹配特性。本发明中，金属反射器既可以安装在车体表面，也可以通过开窗方式嵌入车体内部、通过金属窗框结构与车体连接在一起。本发明的天线在平行于车体的方向上（即平行于金属反射器的方向上），产生不低于-6dbi的覆盖增益；在其辐射主瓣内，天线俯仰面、方位面均应具有波动不大于12db的均匀覆盖特性。

如图1和图2所示，本发明的方法设计的一种车载宽带天线，包括扇形贴片单元1、开槽21和22、馈电点3和金属反射器4。扇形贴片单元1具有一定角度范围的优角结构5，其角度范围为190°至350°。扇形贴片单元1的直边通过短路面与金属反射器4短接，构成短接辐射单元。金属反射器4既可直接安装在车体表面，也通过开窗方式嵌入车体内部、通过金属窗框结构与车体连接在一起。短接辐射单元的内部引入的开槽21和22（即在扇形贴片单元1上设置两个开槽），开槽的一端指向优角结构5的顶点（即扇形贴片单元1的圆心），另一端终止于扇形贴片单元1的弧形边缘，开槽21和22关于优角结构5的角平分线呈对称分布，用以同时激发低阶与高阶谐振模式，实现双谐宽带匹配特性。开槽21和22的长度范围为高阶谐振模式对应工作波长的1/10-1/2，开槽21和22的宽度范围为高阶谐振模式对应工作波长的1/5-1/40。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本实施例中，优角结构5为240°、馈电点3按照同轴线馈电方式实施、开槽21和22的长度为高阶谐振模式对应工作波长的1/4、宽度为高阶谐振模式对应工作波长的1/25。如图3所示的采用ie3d软件计算的天线反射系数特性，天线的阻抗带宽为2.48-3.16ghz,中心频率为2.82ghz,相对带宽为24.11%，阻抗带宽内具有两个谐振点，表明天线具有双模谐振特性。

按照本实施例的实施方式，对照图1中的参考坐标系，图4中的（a）和（b）分别给出了2.5ghz频率时两个主工作平面（zox面与xoy面）的方向图。其中，（a）中，虚线为eθ分量，短点线为eφ分量，实线为etotal分量，由图可知，在zox面的辐射主瓣内，+/-75度仰角范围内增益波动不大于5db，+/-90度仰角范围内辐射增益波动不大于7.5db，表明天线既具有单向辐射特性，又具有相对均匀的俯仰覆盖特性；（b）中，虚线为eθ分量，短点线为eφ分量，实线为etotal分量，天线的辐射波动不大于1.6db，仍具有良好的均匀覆盖特性。

图5给出了天线在+z轴和+x轴方向的辐射增益频响曲线，在天线工作频段内，+z方向的平均增益可达1.2dbi，+x方向（平行于反射器方向）的平均增益可达-4.1dbi。由图3-图5可知，天线具有较宽的工作频带，以及在其辐射主瓣内，天线的俯仰面、方位面均具有较高增益的均匀辐射覆盖特性。

综上所述，本发明的方法既能实现超过20%的工作带宽，又具有均匀的俯仰面和方位面波束，还能在平行于车体方向上产生足够强的辐射电平。采用本方法实现的天线具有低剖面特性，具有宽频带、均匀覆盖的工作特性，不仅可以直接共形集成在车辆表面，而且具有结构简单、体积小、剖面尺寸低、工艺简易、便于实现等优点，应用领域十分广泛。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。