申请/专利权人：上海汽车集团股份有限公司;上海交通大学

申请日：2019-07-17

公开（公告）日：2020-10-13

公开（公告）号：CN110401017B

主分类号：H01Q1/36(20060101)

分类号：H01Q1/36(20060101);H01Q1/50(20060101);H01Q1/32(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.13#授权;2019.11.26#实质审查的生效;2019.11.01#公开

摘要：本申请提供一种车载FM天线结构及车载天线系统，其中，车载FM天线结构包括直立层和顶加载层，通过在直立层的顶部设置能够柔性折叠的顶加载层，通过Hilbert结构设置顶加载层和直立层中的金属曲线结构，实现具有FM功能的天线结构。由于直立层和顶加载层均采用包括介质板和金属曲线结构的人工电磁超材料形成，金属曲线均采用Hilbert基本单元形成，使得车载FM天线结构实现FM功能的同时，满足小型化、集成化且高天线增益的要求。

主权项：1.一种车载FM天线结构，其特征在于，包括：直立层和顶加载层；所述直立层包括第一介质板、第一金属曲线和第二金属曲线，所述第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；所述第一金属曲线位于所述第一表面，所述第二金属曲线位于所述第二表面；其中，所述第一金属曲线包括第一连接段和多个第一Hilbert基本单元，所述第一连接段位于所述直立层的顶部，且所述第一连接段与其中一个所述第一Hilbert基本单元电性相连，多个第一Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接；所述第二金属曲线包括第二连接段和第三连接段，所述第二连接段的一端与电性连接后的多个所述第一Hilbert基本单元的远离所述第一连接段的一端电性连接，所述第二连接段的另一端与所述顶加载层电性连接；所述第三连接段的一端作为所述车载FM天线结构的馈电点，另一端与所述顶加载层电性连接；所述顶加载层包括第二介质板和第三金属曲线，所述第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面；所述第三金属曲线包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端，所述两个自由端分别与所述第二连接段和所述第三连接段电性连接；其中，所述第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在所述直立层的顶部，且沿所述直立层的顶部边缘轮廓折叠；所述第三金属曲线位于所述第三表面。

全文数据：一种车载FM天线结构及车载天线系统技术领域本发明涉及射频元件技术领域，尤其涉及一种车载FM天线结构及车载天线系统。背景技术随着无线通信技术的高速发展，车联网需要使用车辆上大量的电子标签、传感器信息；广播天线、GPS天线等车载终端天线用来发射和接收相关信息。由于车辆上给予天线的空间有限，车载天线的小型化是未来发展的必然趋势。在有限的空间内提高天线增益，是一个重要的研究方向。目前车载天线提高无源增益的传统方法均为增大天线垂直方向的有效高度，其中，所述垂直方向为在天线设计中，相对于地表面的+z轴方向。但是这样不满足小型化和集成化的发展趋势，因此，如何提供一种满足小型化和集成化的同时，提高天线增益车载天线成为亟待解决的技术问题，尤其是能够实现FM功能的天线结构。发明内容有鉴于此，本发明提供一种车载FM天线结构及车载天线系统，以解决现有技术中车载FM天线的天线增益和小型化、集成化矛盾的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种车载FM天线结构，包括：直立层和顶加载层；所述直立层包括第一介质板、第一金属曲线和第二金属曲线，所述第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；所述第一金属曲线位于所述第一表面，所述第二金属曲线位于所述第二表面；其中，所述第一金属曲线包括第一连接段和多个第一Hilbert基本单元，所述第一连接段位于所述直立层的顶部，且所述第一连接段与其中一个所述第一Hilbert基本单元电性相连，多个第一Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接；所述第二金属曲线包括第二连接段和第三连接段，所述第二连接段的一端与多个所述第一Hilbert基本单元相连后远离所述第一连接段的一端电性连接，所述第二连接段的另一端与所述顶加载层电性连接；所述第三连接段的一端作为所述车载FM天线结构的馈电点，另一端与所述顶加载层电性连接；所述顶加载层包括第二介质板和第三金属曲线，所述第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面；所述第三金属曲线包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端，所述两个自由端分别与所述第二连接段和所述第三连接段电性连接；其中，所述第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在所述直立层的顶部，且沿所述直立层的顶部边缘轮廓折叠；所述第三金属曲线位于所述第三上表面或下表面。优选地，所述FM天线结构的工作频率范围为87.5MHz-108MHz，包括端点值。优选地，所述第一Hilbert基本单元和所述第二Hilbert基本单元均为三阶Hilbert曲线。优选地，所述第一Hilbert基本单元的个数为2个，所述第二Hilbert基本单元的个数为4个，4个所述Hilbert基本单元的外围轮廓为正方形。优选地，所述Hilbert曲线的线宽为0.5mm，相邻导线之间的间距为2.5mm。优选地，所述第三表面为背离所述直立层的表面，顶加载层金属和直立层金属短路相接。优选地，所述第二介质板为Rogers5880柔性基板、或F4B柔性基板、FPC柔性电路板。优选地，所述第二介质板的厚度为0.2mm。优选地，所述顶加载层相对于所述直立层的顶部边缘轮廓对折。本发明还提供一种车载天线系统，包括上面任意一项所述的车载FM天线结构。经由上述的技术方案可知，本发明提供的车载FM天线结构，包括直立层和顶加载层，通过在直立层的顶部设置能够柔性折叠的顶加载层，通过Hilbert结构设置顶加载层和直立层中的金属曲线结构，实现具有FM功能的天线结构。由于直立层和顶加载层均采用包括介质板和金属曲线结构的人工电磁超材料形成，金属曲线均采用Hilbert基本单元形成，使得车载FM天线结构实现FM功能的同时，满足小型化、集成化且高天线增益的要求。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本发明实施例提供的车载FM天线结构示意图；图2为本发明实施例提供的车载FM天线结构的直立层的第一表面结构示意图；图3为本发明实施例提供的车载FM天线结构的直立层的第二表面结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种顶加载层结构示意图；图5为一至四阶Hilbert分形形状示意图；图6为本发明实施例提供的Hilbert曲线参数示意图；图7为本发明实施例提供的车载FM天线反射系数S11曲线；图8为本发明实施例提供的车载FM天线的增益方向图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。本发明实施例提供的车载FM天线结构，针对现有车载集成化天线系统中FM天线增益较低的问题，利用人工电磁结构与商用介质基板构成人工电磁超材料，该材料具有高性能、小型化的性能优势。具体的，请参见图1，图1为本发明实施例提供的车载FM天线结构示意图，所述车载FM天线结构包括：直立层1和顶加载层2；直立层1包括第一介质板图中未示出、第一金属曲线和第二金属曲线，第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；第一金属曲线位于第一表面，第二金属曲线位于第二表面。顶加载层2包括第二介质板和第三金属曲线，第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面。本发明实施例中，其中，第一介质板为硬性介质板，可选的，可以是PCB板，从而为顶加载层形成支撑作用。第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在直立层1的顶部，且沿直立层1的顶部边缘轮廓折叠；第三金属曲线位于第三表面。本实施例中不限定第三表面是朝向直立层的还是背离直立层，只要能够实现顶加载层2覆盖直立层1的顶部，并形成折叠，实现FM天线功能即可。需要说明的是，由于顶加载层弯折后覆盖直立层，为了避免弯折后的顶加载层上的金属曲线与直立层的金属曲线之间发生短路连接，本实施例中可选的，顶加载层上的金属曲线位于背离直立层的表面，也即第三表面为背离直立层的表面。为进一步说明本实施例中提供的车载FM天线结构，请参见图2和图3，其中，图2为直立层的第一表面结构示意图，图3为直立层的第二表面结构示意图；其中，第一金属曲线位于第一介质板11的第一表面，第一金属曲线包括第一连接段13和多个第一Hilbert基本单元12——如图2中的虚线框，第一连接段13位于直立层的顶部，且第一连接段13与其中一个第一Hilbert基本单元12电性相连，多个第一Hilbert基本单元12之间首尾相接电性连接；第二金属曲线包括第二连接段14和第三连接段15，第二连接段14的一端B与多个第一Hilbert基本单元12相连后远离第一连接段13的一端B’电性连接，第二连接段14的另一端D与顶加载层电性连接；第三连接段15的一端A作为车载FM天线结构的馈电点，另一端C与顶加载层电性连接；请参见图4所示，图4为本发明实施例提供的一种顶加载层结构示意图；其中，顶加载层包括第二介质板21和第三金属曲线22，第三金属曲线22包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端C’和D’，两个自由端分别C’和D’与第二连接段14和第三连接段15电性连接。需要说明的是，本实施例中所述的第一Hilbert基本单元和第二Hilbert基本单元均为三阶Hilbert曲线。Hilbert分形天线是目前所有天线类型中的典型设计，由介质基板、导线层和接地板构成，其中，导线层为Hilbert分形形成，图5是一至四阶Hilbert分形形状示意图，Hilbert分形可以描述为：将正方形等分成四个一阶小正方形，依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的正方形中心，得到一个分型单元即一阶Hilbert分形；将每个一阶小正方形分别分割为四个二阶小正方形，重复上述过程，生成的高阶分形单元开口方向遵守一定规则图5中左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：左、下、下、右，并按照特定的顺序连接分型单元的开口图5中为依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元开口，最终就得到一条可以填满整个正方形的曲线，这就是Hibert曲线。本实施例中，不限定直立层中第一Hilbert基本单元和顶加载层中第二Hilbert基本单元的具体个数，可选的，如图2中所示，直立层中可以包括两个第一Hilbert基本单元，如图4中所示，顶加载层中可以包括四个第二Hilbert基本单元。需要说明的是，在其他实施例中，直立层1中还可以包括三个、四个或更多的第一Hilbert基本单元。同样地，顶加载层中可以包括八个甚至更多第二Hilbert基本单元。其中，需要说明的是，本实施例中不限定直立层中Hilbert曲线单元的个数以及排布方式，可以如图2中所示，上下设置两个Hilbert曲线单元，也可以设置多个Hilbert曲线单元，本实施例中对此不作限定。如图2中所示的设置，可以使得FM天线总线长的等效长度FM天线金属曲线加起来的所有长度达到100MHz谐振所需的长度，以实现天线谐振于FM接收器工作所需频段，实现对自由空间内FM信号的良好接受。如果其他方式能够达到FM天线谐振在100MHz，可以进行相应设置。另外，需要说明的是，本实施例中不限定直立层结构与顶加载层结构之间的放置关系，只要顶加载层的金属与直立层结构的金属曲线之间相连，共同构成单极子天线即可。本实施例中不限定直立层结构的介质板材料的具体厚度，可选的介质板材料厚度范围为0.5mm-1.6mm，包括端点值，本实施例中不限定介质板材料的具体材料，在本发明的一个实施例中，介质板材料可以是RF4材料，介电常数为4.3-4.6，包括端点值。还可以是其他PCB板材料。顶加载层的介质板也即第二介质板厚度为0.2mm，材质可以是Rogers5880，该材料具有柔性可弯折的物理特性，因此可以依附于天线罩内壁，从而提升空间利用率，进而最大程度提升天线增益。顶加载层的金属层还可以使用镭射雕刻工艺将金属曲线雕刻在天线罩内表面。需要说明的是，本实施例中顶加载层结构的弯折形变不会改变天线的谐振频率。在本发明的其他实施例中，第二介质板还可以是F4B柔性基板或FPC柔性电路板等柔性基板，本实施例中对此不作限定。本实施例中不限定FM天线中的第一金属曲线、第二金属曲线和第三金属曲线的具体材质，可选的，均为铜。本实施例中提供的超材料FM天线由直立层与顶加载层两部分组成，其基本结构均为Hilbert基本单元，该Hilbert曲线结构如图6所示，具体参数如表1所示。宽度W长度L线宽s单元距离d介质厚度t20mm20mm0.5mm1.5mm1.5mm上述介质厚度为直立层的介质厚度。本发明实施例提供的天线结构中，将多个Hilbert结构级连，等效为一个曲折形单极子天线，单极子天线的谐振中心频点可以用下式表示：f＝c4L1式中f指天线工作所在中心频率，L为Hilbert曲线总长。以图1中所示的车载FM天线结构，直立层中Hilbert基本单元线宽s均为0.5mm，基本单元间距也即相似单元之间d为2.5mm为例说明本发明提供的车载FM天线结构，所述车载FM天线结构还能够提高车载移动通信双天线间隔离度，为低剖面超材料结构。顶加载层Hilbert基本单元尺寸与直立层的Hilbert单元尺寸完全相同，也即每个Hilbert单元的线宽s与基本单元间距均相同，区别仅在于介质板材料不同。所述顶加载层Hilbert单元基于Rogers5880柔性材料，介质板厚度0.2mm，从而能够内附于鲨鱼鳍外壳内壁上。如图7所示，为本发明实施例提供的高增益超材料FM天线反射系数S11曲线，从图中可以看出，本发明实施例提供的车载FM天线的工作频段为87.5MHz-108MHz。如图8所示，为本发明实施例提供的高增益超材料FM天线的增益方向图，通过计算机离散化计算仿真分析，本发明实施例提供的车载超材料FM天线工作在98MHz主频点时，天线增益为-22dB。也即，本发明实施例提供的超材料FM天线中心频点为98MHz，工作带宽为87.5MHz-108MHz，包括端点值。天线垂直方向总高度也即图1中的上下高度小于45mm，总宽度这里指图1中直立层的左右两边之间的距离小于32mm，从而可以作为一种集成化、小型化且具有高增益的FM功能的车载FM天线。本发明提供的车载FM天线结构，包括直立层和顶加载层，通过在直立层的顶部设置能够柔性折叠的顶加载层，通过Hilbert结构设置顶加载层和直立层中的金属曲线结构，实现具有FM功能的天线结构。由于直立层和顶加载层均采用包括介质板和金属曲线结构的人工电磁超材料形成，金属曲线均采用Hilbert基本单元形成，使得车载FM天线结构实现FM功能的同时，满足小型化、集成化且高天线增益的要求。基于相同的发明构思，本发明还提供一种车载天线系统，包括上面实施例中所述的车载FM天线结构，还可以包括其他天线结构，例如GPS天线、WiFi天线、蓝牙天线等等，本实施例中对此不作限定，统一集成在鲨鱼鳍外壳内部，形成高增益车载天线系统。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

权利要求：1.一种车载FM天线结构，其特征在于，包括：直立层和顶加载层；所述直立层包括第一介质板、第一金属曲线和第二金属曲线，所述第一介质板包括相对设置的第一表面和第二表面；所述第一金属曲线位于所述第一表面，所述第二金属曲线位于所述第二表面；其中，所述第一金属曲线包括第一连接段和多个第一Hilbert基本单元，所述第一连接段位于所述直立层的顶部，且所述第一连接段与其中一个所述第一Hilbert基本单元电性相连，多个第一Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接；所述第二金属曲线包括第二连接段和第三连接段，所述第二连接段的一端与多个所述第一Hilbert基本单元相连后远离所述第一连接段的一端电性连接，所述第二连接段的另一端与所述顶加载层电性连接；所述第三连接段的一端作为所述车载FM天线结构的馈电点，另一端与所述顶加载层电性连接；所述顶加载层包括第二介质板和第三金属曲线，所述第二介质板包括相对设置的第三表面和第四表面；所述第三金属曲线包括多个第二Hilbert基本单元，多个第二Hilbert基本单元之间首尾相接电性连接，形成两个自由端，所述两个自由端分别与所述第二连接段和所述第三连接段电性连接；其中，所述第二介质板为柔性介质板，覆盖设置在所述直立层的顶部，且沿所述直立层的顶部边缘轮廓折叠；所述第三金属曲线位于所述第三上表面或下表面。2.根据权利要求1所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述FM天线结构的工作频率范围为87.5MHz-108MHz，包括端点值。3.根据权利要求1所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述第一Hilbert基本单元和所述第二Hilbert基本单元均为三阶Hilbert曲线。4.根据权利要求3所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述第一Hilbert基本单元的个数为2个，所述第二Hilbert基本单元的个数为4个，4个所述Hilbert基本单元的外围轮廓为正方形。5.根据权利要求3所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述Hilbert曲线的线宽为0.5mm，相邻导线之间的间距为2.5mm。6.根据权利要求1所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述第三表面为背离所述直立层的表面，顶加载层金属和直立层金属短路相接。7.根据权利要求1所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述第二介质板为Rogers5880柔性基板、F4B柔性基板或FPC柔性电路板。8.根据权利要求1所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述第二介质板的厚度为0.2mm。9.根据权利要求1所述的车载FM天线结构，其特征在于，所述顶加载层相对于所述直立层的顶部边缘轮廓对折。10.一种车载天线系统，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的车载FM天线结构。

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