車載全向偶極子天線的制作方法

本發明涉及移動通信基站/終端天線設備與技術，尤其是涉及一種適合車載的全向高增益偶極子天線。

背景技術：

目前，人類已經全面進入信息時代，獲取資訊成為人們每天生活內容中不可或缺的重要部分。以互聯網和無線通信為核心的信息技術已經深刻地改變了人類的生產生活方式。移動通信以其特有的便捷性，已成為人們隨時隨地獲取信息和彼此通信的關鍵手段。利用遍布各處的蜂窩基站，2G/3G/4G移動通信網絡實現了信號廣域連續覆蓋，使得人們“任意時間、任意地點、與任何人以任何方式進行通信”的夢想基本成為了現實。人與人之間實現了自由溝通，而物與物之間、人與物之間尚未實現完全聯通。信息隨心所至、萬物互聯互通，才是人類的終極目標。建立在信息網基礎上的物聯網IoT(Internet of Thing)是下一代移動通信技術5G的關鍵技術及應用，例如利用移動基站信號，人們可以對車輛進行遠程控制，從而實現無人駕駛。比如，工程類車輛如垃圾運輸車、道路清掃車、礦石運載車、水泥攪拌車、渣土車可以實現無人作業，從而節省人力成本；而旅客車輛如公交車、商務車、小轎車、大客車則可以無人駕駛，從而更好地保障交通安全。

實現車輛自動駕駛的兩大關鍵技術：一是人工智能技術，二是無線通信技術。前者是大腦和指揮機構，負責判斷和決策；后者則是耳目和傳感器，負責信息偵聽和收集傳遞。為了實現車輛與附近基站通信，車載天線必不可少。天線是無線通信系統關鍵子部件，它的性能優劣對整個系統的影響是決定性的。在車載LTE移動通信系統中，由于車輛的運動性或移動性，基站發射臺和車載終端天線之間的相對位置關系時刻都在變化，兩者的方位關系也是任意的。因此，雙方均需安裝全向天線才能保證彼此處于任何方位關系時都能獲得良好的通信效果。另外，由于車體顛簸搖晃，車載天線結構必須足夠堅固，才能經久耐用。單/偶極子天線是最常用的單極化全向天線，但增益較低。為了提高增益，單/偶極子天線通常將多個單元共軸排成直線陣，或組成平面陣并后置反射板進一步提高增益，然后排成圓陣以實現全向覆蓋。此類陣列天線尺寸較大、設計復雜、成本較高，適合于廣域連續覆蓋的室外大型宏基站天線。而終端設備由于體積、尺寸受限，通常直接在單/偶極子單元上直接構造陣列以獲得較高增益。實現原理是，通過反相器使電流在單根天線上的多節直導體段上保持同向，從而獲得與常規陣列等效的高增益。實現形式有集總加載、導線彎折、窄環加載和螺旋加載等。集總加載損耗大、效率損失嚴重，常用于小型化接收天線設計；導線彎折損耗較小、輻射干擾較強、尺寸較大、帶寬較窄、較易匹配；窄環加載損耗較小、輻射較干擾較弱、尺寸偏大、帶寬較窄、較易匹配；螺旋加載損耗低、輻射干擾弱、尺寸小、帶寬窄、較難匹配，但可由單根導線繞制，結構強度高，經久耐用。綜上可知，反相器設計是實現高增益單/偶極子單元陣列的關鍵。而現有的螺旋加載帶寬窄、匹配差，其匹配度、增益大小仍未能滿足需要。

因此，提供一種性能優越、尺寸短小、結構堅固、經濟耐用、干擾少、損耗低、匹配度高的車載全向終端天線實為必要。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種性能優越、尺寸短小、結構堅固的車載全向偶極子天線。

為實現本發明目的，提供以下技術方案：

本發明提供一種車載全向偶極子天線，其包括由下而上共軸排列依次加載連接的套筒、第一導體段、第一螺旋體、第二導體段、第二螺旋體和第三導體段，該套筒包括由下至上連接的第一圓柱段、圓錐段、第二圓柱段，該第一圓柱段直徑大于第二圓柱段，且該第一圓柱段直徑與該圓錐段下端直徑一致，該第二圓柱段直徑與該圓錐段上端直徑一致，在套筒中心軸線上設有一根自下而上穿過的同軸電纜，該同軸電纜的外導體與套筒頂端連接，該同軸電纜的內導體朝上延伸至第一導體段底部連接；該套筒頂端與該第一導體段底端彼此靠近，該第一導體段頂端與該第一螺旋體底端連接，該第一螺旋體頂端與該第二導體段底端連接，該第二導體段頂端與該第二螺旋體的底端連接，第三導體段底端與第二導體段頂端連接，且套于第二螺旋體內部，或者，該第二導體段頂端與該第二螺旋體的頂端連接的同時，連接第三導體段的底端，第二螺旋體以第二導體段為軸線朝下旋繞。

本發明在保留螺旋反相器優點的同時，克服其帶寬窄、匹配差的缺點，將下部平直地板變成豎直套筒，導體中間段和末端同時加載螺旋，使天線實現了良好匹配，增益大，帶寬增加；增益與常規兩單元半波振子陣列相當，卻省去了復雜的饋電網絡設計，減小了損耗，提高了效率。而且，該設計尺寸短小、結構強度高、經濟耐用，是適合工程類車輛的理想終端類天線。該第三導體段加載連接在該第二導體段頂端。導體頂端同時加載螺旋和導線段，使天線實現了良好匹配，增益大，帶寬增加，匹配和帶寬均比常規頂端導體加載方案顯著改善；增益與常規兩單元半波振子陣列相當，卻省去了復雜的饋電網絡設計，減小了損耗，提高了效率。

優選的，該套筒外壁總長度Ls為0.15·λ_c～0.25·λ_c，底端直徑為0.01·λ_c～0.1·λ_c，頂端直徑大于等于該同軸電纜外導體外徑，其中λ_c為中心波長。

本發明將下部平直地板變成長度約0.25·λ_c的豎直套筒，從而增強了水平方向的增益，使天線在LTE頻段(1820MHz-2020MHz)、近1.5·λc電長度上實現了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小達-25.4dB)。

優選的，該套筒壁厚大于0而小于套筒頂端半徑。

優選的，該第一導體段長度為0.15·λ_c～0.25·λ_c，其中λ_c為中心波長，上端有第一L形彎折段，該第一L形彎折段與第一導體段豎直部分的夾角為62°～70°或110°～118°。

優選的，該第一螺旋體線徑為0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈數為2.0-2.8、升角為10°～16°，連接于第一導體段上端L形彎折段的頂端。

優選的，該第二導體段長度為0.48·λ_c～0.52·λ_c，兩端設有第二L形彎折段，上下兩端的第二L形彎折段的水平面夾角為90°，互呈異面直角。

優選的，該第二螺旋體線徑為0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈數為2.0-2.8、升角為10°～16°，連接于第二導體段上端的第二L形彎折段的頂端。

優選的，該第三導體段線徑為0.01·λ_c～0.10·λ_c，長度為0.20·λ_c～0.30·λ_c，豎直朝上。

優選的，該同軸電纜為帶SMA、BNC、TNC、N型連接頭的50Ω同軸電纜。

優選的，該套筒、第一導體段、第一螺旋體、第二導體段、第二螺旋體、第三導體段均為純銅或銅合金或鋁材料制作。

本發明還提供一種車載全向偶極子天線，其包括由下而上共軸排列依次加載連接的套筒、第一導體段、第一螺旋體、第二導體段、第二螺旋體，該套筒包括由下至上連接的第一圓柱段、圓錐段、第二圓柱段，該第一圓柱段直徑大于第二圓柱段，且該第一圓柱段直徑與該圓錐段下端直徑一致，該第二圓柱段直徑與該圓錐段上端直徑一致，在套筒中心軸線上設有一根自下而上穿過的同軸電纜，該同軸電纜的外導體與套筒頂端連接，該同軸電纜的內導體朝上延伸至第一導體段底部連接；該套筒頂端與該第一導體段底端彼此靠近，該第一導體段頂端與該第一螺旋體底端連接，該第一螺旋體頂端與該第二導體段底端連接，該第二導體段頂端與該第二螺旋體的頂端連接，第二螺旋體以第二導體段為軸線朝下旋繞。

對比現有技術，本發明具有以下優點：

本發明在保留螺旋反相器優點的同時，克服其帶寬窄、匹配差的缺點，獨特地采用以下設計方法：1、將下部平直地板變成長度約0.25·λ_c的豎直套筒，從而增強了水平方向的增益；2、導體中間段加載螺旋，加載上下圓柱螺旋，通過選擇合適的螺旋參數，如直徑為0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈數為2.0-2.8、升角為10°～16°，以實現帶內輻射水平指向；3、導體頂端同時加載螺旋和導線段，以改善帶內匹配、擴展帶寬和提高增益；4、通過選擇上下L形導體段的長度(分別約0.50·λ_c、0.25·λ_c)、線徑(0.01·λ_c～0.10·λ_c)和彎折角度(62°～70°或110°～118°)，以實現了寬帶寬和水平高增益；5、單根導線繞制而成，結構強度高，經濟耐用。使天線在LTE頻段(1820MHz-2020MHz)、近1.5·λ_c電長度上實現了50Ω良好匹配(|S₁₁|<-10dB，最小達-25.4dB)，增益達到4.5dBi，帶寬為10.5％，匹配和帶寬均比常規頂端導體加載方案顯著改善(|S₁₁|最大改善15dB)；增益與常規兩單元半波振子陣列相當，卻省去了復雜的饋電網絡設計，減小了損耗，提高了效率(≥89％)。而且，該設計尺寸短小、結構強度高、經濟耐用，是適合工程類車輛的理想終端類天線。另外，該方法還具有思路新穎、原理清晰、方法普適、簡單易行等特點，對于更高增益的單/偶極子全向天線的設計和改進也是適用和有效的。

【附圖說明】

圖1為本發明車載全向偶極子天線建立模型所采用的直角坐標系定義的示意圖；

圖2為本發明車載全向偶極子天線實施例一的XOZ平面視圖；

圖3為本發明車載全向偶極子天線實施例一的YOZ平面視圖；

圖4為本發明車載全向偶極子天線實施例二的示意圖；

圖5為本發明車載全向偶極子天線實施例三的示意圖；

圖6為本發明車載全向偶極子天線實施例一的輸入阻抗Z_in頻率特性曲線。

圖7為本發明車載全向偶極子天線實施例一與常規全向偶極子天線的反射系數|S₁₁|曲線對比圖。

圖8為本發明車載全向偶極子天線實施例一的在f_L＝1.82GHz的實增益2D方向圖。

圖9為本發明車載全向偶極子天線實施例一在f_C＝1.91GHz的實增益2D方向圖。

圖10為本發明車載全向偶極子天線實施例一在f_H＝2.02GHz的實增益2D方向圖。

圖11為本發明車載全向偶極子天線實施例一的實增益G_R隨頻率f變化曲線。

圖12為本發明車載全向偶極子天線實施例一的E面半功率波束寬度HPBW隨頻率f變化曲線。

圖13為本發明車載全向偶極子天線實施例一的H面不圓度隨頻率f變化曲線。

圖14為本發明車載全向偶極子天線實施例一的效率η_A隨頻率f變化曲線。

【具體實施方式】

請參閱圖1～3，以本發明車載全向偶極子天線實施例一為例說明，本發明提供一種車載全向偶極子天線，其包括由下而上共軸排列依次加載連接的套筒6、第一導體段1、第一螺旋體2、第二導體段3、第二螺旋體4，以及加載連接在該第二導體段頂端的第三導體段5。該套筒包括由下至上連接的第一圓柱段61、圓錐段62、第二圓柱段63，該第一圓柱段直徑大于第二圓柱段，且該第一圓柱段直徑與該圓錐段下端直徑一致，該第二圓柱段直徑與該圓錐段上端直徑一致，在套筒中心軸線上設有一根自下而上穿過的同軸電纜7，該同軸電纜的外導體與套筒頂端連接，該同軸電纜的內導體朝上延伸至第一導體段底部連接。

請結合參與圖4和圖5，本發明車載全向偶極子天線還可以有其他實施方式。在圖3所示的第一實施例中，具體連接方式，該套筒6頂端與該第一導體段1底端連接，該第一導體段1頂端與該第一螺旋體2底端連接，該第一螺旋體2頂端與該第二導體段3底端連接，該第二導體段3頂端與第二螺旋體4底端連接，同時第二導體段3頂端與第三導體段5底端連接。

在第二實施例中，如圖4所示，該第二導體段3頂端與該第二螺旋體4的頂端連接，第二螺旋體4向下繞第二導體段3設置，同時第二導體段3頂端與第三導體段5底端連接。

在第三實施例中，如圖5所示，該第二導體段3頂端與該第二螺旋體4的頂端連接，第二螺旋體4向下繞第二導體段3設置。

本發明還有另一種實施例可以是在第一實施例基礎上省卻第三導體段5。

請結合參與圖1～5，該車載全向偶極子天線構建的方式采用圖1所示的直角坐標系定義來建立模型，具體為，步驟一，建立空間直角坐標系，見圖1；

步驟二，在XOZ平面，構造一個自上而下分別為第二圓柱段、圓錐段、第一圓柱段，直徑依次增大的金屬套筒6，套筒6外壁總長度L_s為0.15·λ_c～0.25·λ_c，近0.25·λ_c(λ_c為中心波長)，底端直徑為0.01·λ_c～0.1·λ_c，頂端直徑大于等于該同軸電纜外導體外徑，該套筒壁厚大于0而小于套筒頂端半徑，見圖2和圖3；

步驟三，在步驟二的套筒6頂端上方，用線徑為D_w的金屬導線構造一節第一導體段1，該第一導體段1長約為0.15·λ_c～0.25·λ_c，優選近0.25·λ_c，其中λ_c為中心波長，上端有第一L形彎折段11，該第一L形彎折段11與第一導體段豎直部分12的夾角為62°～70°或110°～118°；

步驟四，在步驟三的第一導體段1頂端，用線徑為D_w的金屬導線構造一節朝上右旋或左旋的圓柱螺旋，也就是所述第一螺旋體2，該第一螺旋體2線徑為0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈數為2.0-2.8、升角為10°～16°，連接于第一導體段1上端L形彎折段11的頂端；

步驟五，在步驟四的第一螺旋體2頂端，用線徑為D_w的金屬導線構造一段兩端均L形彎折的導體段，也就是所述第二導體段3，該第二導體段3長度為0.48·λ_c～0.52·λ_c，兩端設有第二L形彎折段31，上下兩端的第二L形彎折段的水平面夾角為90°，互呈異面直角；

步驟六，在步驟五的第二導體段3頂端，加載一節線徑為D_w、朝上右旋或左旋圓柱螺旋，也就是圖3所述第二螺旋體4，或者加載一節朝下右旋或左旋圓柱螺旋，也就是圖4、5所述第二螺旋體4，該第二螺旋體線徑為0.03·λ_c～0.09·λ_c、圈數為2.0-2.8、升角為10°～16°，連接于第二導體段3上端的第二L形彎折段31的頂端。

進一步地，步驟七，在步驟五的第二導體段3頂端，加載一節線徑為D_w、豎直朝上的導體段，也就是所述第三導體段5，見圖3、圖5，該第三導體段5線徑為0.01·λ_c～0.10·λ_c，長度為0.20·λ_c～0.30·λ_c，豎直朝上。

步驟八，在步驟二的金屬套筒1中心軸線上，自下而上穿過一根50Ω同軸線，也就是所述同軸電纜7，其外導體在套筒1頂端斷開并與之焊接為一體，內導體則朝上延伸至步驟三的第一導體段1底部并與之焊接，該同軸電纜7帶有SMA、BNC、TNC、N型連接頭。

該套筒6、第一導體段1、第一螺旋體2、第二導體段3、第二螺旋體4、第三導體段5均為純銅或銅合金或鋁材料制作。

圖6為本發明車載全向偶極子天線實施例一的輸入阻抗Z_in頻率特性曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是輸入阻抗Z_in，單位為Ω；實線表示實部R_in，虛線表示虛部X_in。

圖7為本發明車載全向偶極子天線實施例一與常規全向偶極子天線的反射系數|S₁₁|曲線對比圖。其中，實線表示方案一的|S₁₁|，虛線表示常規加載的|S₁₁|；橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是S₁₁的幅度|S₁₁|，單位為dB。由圖知，實施例一在LTE頻段(1.82-2.02GHz)實現了良好的阻抗匹配(|S₁₁|≤-10dB，BW＝10.42％；最佳匹配|S₁₁|＝-25.4dB@1.91GHz)，而常規頂端加載中心頻點的反射系數|S₁₁|僅-10dB。顯然，方案一的頂端螺旋與導體段復合加載方式的帶寬和匹配改善效果顯著。

圖8為本發明車載全向偶極子天線實施例一的在f_L＝1.82GHz的實增益2D方向圖。其中，圖中實線表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虛線表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.40dBi，E面半功率波束寬度HPBW＝38°，第一旁瓣SLL低于主瓣電平9.0dB。

圖9為本發明車載全向偶極子天線實施例一在f_C＝1.91GHz的實增益2D方向圖。其中，實線表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虛線表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.18dBi，E面半功率波束寬度HPBW＝38.8°，第一旁瓣SLL低于主瓣電平8.7dB。

圖10為本發明車載全向偶極子天線實施例一在f_H＝2.02GHz的實增益2D方向圖。其中，實線表示H-面(Theta＝90°，XOY平面)，虛線表示E-面(Phi＝0°，XOZ平面)；增益G＝4.04dBi，E面半功率波束寬度HPBW＝38.5°，第一旁瓣SLL低于主瓣電平8.2dB。

圖11為本發明車載全向偶極子天線實施例一的實增益G_R隨頻率f變化曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是實增益G_R，單位為dBi。整個頻帶內，實增益G_R＝4.0-4.5dBi，接近于兩單元半波振子陣列增益(約5.0dBi)。

圖12為本發明車載全向偶極子天線實施例一的E面半功率波束寬度HPBW隨頻率f變化曲線。由圖知，整個頻帶內，E面HPBW＝38°-39°。

圖13為本發明車載全向偶極子天線實施例一的H面不圓度隨頻率f變化曲線。由圖知，整個頻帶內，H面方向圖不圓度(全向性或均勻性)小于0.06dB，這說明螺旋加載對方向圖水平全向性影響很小。

圖14為本發明車載全向偶極子天線實施例一的效率η_A隨頻率f變化曲線。由圖知，整個頻帶內，天線的效率大于89％(最高可達99.95％)。

以上數據及圖表均可證明本發明在保留螺旋反相器優點的同時，克服其帶寬窄、匹配差的缺點，使天線實現了良好匹配，增益大，帶寬增加；增益與常規兩單元半波振子陣列相當，卻省去了復雜的饋電網絡設計，減小了損耗，提高了效率。而且，該設計尺寸短小、結構強度高、經濟耐用，是適合工程類車輛的理想終端類天線。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，本發明的保護范圍并不局限于此，任何基于本發明技術方案上的等效變換均屬于本發明保護范圍之內。