一种复合天线和车载电子标签的制作方法

本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种复合天线和车载电子标签。

背景技术：

随着智能交通系统的发展，电子不停车收费(Electronic Toll Collection，ETC)系统被广泛应用在高速、隧道、停车场等收费出入口，取代人工收费，提高收费效率，有效地缓解拥堵问题，同时降低了有害气体排放。ETC系统通过安装于收费站车道上的路侧单元(Road-Side Unit，RSU)和安装于车辆上的车载电子标签(On Board Unit，OBU)之间进行无线通信和信息交换实现不停车收费。

目前，高速公路不断建设以及我国目前实施高速公路联网收费等实际情况，在公路网结构变得错综复杂、路径多义性问题以及投资主体多元化的情况下，路径识别不仅涉及到通行车辆如何计算通行费的问题，还涉及得将收入的通行费拆分给不同收费单位的问题，关系到各条高速公路的合法利益，因此如果不考虑车辆实际行驶路径，仅依靠记录车辆通过高速公路入口、出口信息，实施收费操作则显得不尽合理。因此，现有技术中在高速公路联网收费中采用多义路径系统。

实际应用中，多义路径识别系统基于433MHz的RFID技术，适用于路网复杂的多路径路段，为高速公路收费系统提供准确可靠的车辆路径信息，从而进行准确通行费用计算。为满足与ETC系统相关设备的兼容性，多义路径识别系统通常在传统型电子标签中增加433MHz路径识别功能模块，使其兼具433MHz路径识别功能和国标OBU设备功能。但是，新增加的433MHz路径识别功能模块不 但会使电子标签的内部空间更加复杂，还会对5.8GHz天线造成干扰，使各个天线的辐射性能受到影响。另外，由于电子标签周围的金属元器件、车前窗玻璃也会对5.8GHz天线造成干扰，使其方向图、轴比、增益等性能带来恶化。

技术实现要素：

本发明的其中一个目的在于提供一种复合天线和车载电子标签，以解决现有技术中5.8GHz天线容易受到周围金属元器件、车前窗玻璃影响引起的性能恶化，以及新增加的433MHz路径识别功能模块对5.8GHz天线造成的干扰。

为实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种复合天线，包括：第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，其中：

所述第一金属层用于作为该复合天线的地平面；

所述第一介质层覆盖在所述第一金属层的正上方；

所述第二金属层覆盖在所述第一介质层的正上方，用于作为5.8GHz天线辐射片；

所述第二介质层设置在所述第二金属层的正上方；

所述第三金属层设置在所述第二介质层的上面和/或下面，用于作为433MHz天线辐射片以及复用为对5.8GHz天线辐射片所辐射电磁波的方向图进行重构的牵引片。

可选地，所述第二金属层与所述第三金属层相互平行，且位于所述第一介质层的同一侧。

可选地，所述第二金属层与所述第三金属层的垂直相对距离为2～20mm之间。

可选地，所述第二金属层与所述第三金属层的垂直相对距离为8.9mm。

可选地，所述第三金属层为长方形、E形、缝隙式和蛇形中一种 或者多种构成的天线辐射片。

可选地，所述第三金属层为蛇形辐射片，且该蛇形辐射片的有效工作频率为429.8MHz～436MHz。

可选地，所述第三金属层包括印刷在所述第二介质层两侧的多条螺旋导线，在每一条螺旋导线的端点处设置有内壁覆有导电材料的导通孔，全部螺旋导线由导通孔连接成一印制板螺旋天线。

可选地，所述第二介质层为单层介质或多层介质。

第二方面，本发明实施例还提供了一种车载电子标签，包括预处理电路，用于对发送信号进行编码与调制以及对接收信号进行检波、整流、滤波与解码，还包括权利要求上方所述的复合天线。

可选地，上述车载电子标签还包括外壳；所述复合天线中第二介质层固定在所述外壳上。

本发明实施例通过将第三金属层作为433MHz天线辐射片单独设置在第二介质层的侧面上，与第二金属层在空间上分离，从而降低了第一介质层上金属元器件以及5.8GHz天线辐射片对433MHz电磁波信号的干扰；并且，该433MHz天线辐射片设置在5.8GHz天线辐射片的正上方，且复用为5.8GHz天线辐射片的牵引片，对天线波束辐射方向进行重构，抵消了车前窗玻璃及周围复杂环境对5.8GHz天线辐射片的辐射性能的影响，改善其3dB波瓣方向图及轴比。本发明不仅减少了复杂电磁环境和车前窗玻璃对5.8GHz天线方向图和增益的影响，还简化了增加功能后车载电子标签的结构，从而保障了车载电子标签的工作效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种复合天线的立体图；

图2是图1所示复合天线A-A’方向上的侧视图；

图3是微带天线覆盖单层介质示意图；

图4是微带天线覆盖多层介质示意图；

图5是本发明实施例提供的一种复合天线第三金属层的俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种复合天线中433MHz天线辐射片的回波损耗特性S11曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的一种复合天线中5.8GHz天线辐射片的方向图对比图；

图8是本发明实施例提供的一种复合天线中第三金属层的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种复合天线，如图1～图2所示，包括：第一金属层101、第一介质层201、第二金属层301、第二介质层501和第三金属层401，其中：

第一金属层101用于作为该复合天线的地平面；

第一介质层201覆盖在第一金属层101的正上方；

第二金属层301覆盖在第一介质层201的正上方，用于作为5.8GHz天线辐射片；

第二介质层501设置在第二金属层301的正上方；

第三金属层401设置在第二介质层501的上面和/或下面，用于作为433MHz天线辐射片以及复用为对5.8GHz天线辐射片所辐射电磁波的方向图进行重构的牵引片。

需要说明的是，本发明中的牵引片，是指该433MHz天线辐射片感应5.8GHz天线辐射片所发出的信号，并进行二次辐射，对5.8GHz天线辐射片所辐射的电磁波的方向图及功率分布进行重构，以牵引该5.8GHz天线辐射片的方向图指向5.8GHz天线的正前方。

本发明实施例通过将第三金属层作为433MHz天线辐射片单独设置在第二介质层的上面和/或下面，与第二金属层在空间上分离，从而降低了第一介质层上金属元器件以及5.8GHz天线辐射片对433MHz电磁波信号的干扰；并且，该433MHz天线辐射片设置在5.8GHz天线辐射片的正上方，且复用为5.8GHz天线辐射片的牵引片，对天线波束辐射方向进行重构，从而抵消了车前窗玻璃及周围复杂环境对5.8GHz天线辐射片的辐射性能的影响，改善该5.8GHz天线辐射片3dB波瓣方向图及轴比。本发明不仅减少433MHz天线辐射片与5.8GHz天线辐射片之间的相互影响，还简化了提高了复合天线的工作效率。

实际应用中，第一金属层101、第一介质层201和第二金属层301设置在第一块PCB电路板上，第二介质层501与第三金属层401设置在第二块PCB电路板上。第一PCB电路板与第二PCB电路板之间可以相互接触也可以实现空间分离，本领域技术人员可以根据具体使用场景进行合理设置，本发明不作限定。

实际应用中，第二金属层301设置有5.8GHz天线辐射片。该5.8GHz天线辐射片还包括馈线302，用于馈入5.8GHz信号。并且该5.8GHz天线辐射片为右上角方形切角的微带天线形式，以实现右旋圆极化。

实际应用中，第三金属层401设置有433MHz天线辐射片。该433MHz天线辐射片设置在车载电子标签内部结构中第二介质层501上，与第二金属层301实现空间分离，从而实现与其他金属元器件以及5.8GHz天线辐射片对该433MHz天线辐射片辐射的电磁波信号的干扰。

为降低433MHz天线辐射片与5.8GHz天线辐射片之间相互影响，本发明采用介质覆盖理论设计433MHz天线辐射片。实际应用中，车前窗玻璃会影响5.8GHz天线辐射片的辐射电磁波信号的谐振频率、方 向图、辐射效率和增益。图3是微带天线覆盖单层介质示意图。需要说明的是，上述微带天线是指本发明上方中的5.8GHz天线辐射片。。参见图3，在微带天线的地平面702的上方设置有介质基片703。在该介质基片703中设置有宽边长度为a的微带天线701。其中，介质基片703的介电常数为ε_r1，厚度为h₁；704为微带天线的覆盖介质，介电常数为ε_r1，厚度为h₁。基于该图3所示的微带天线覆盖模型，该微带天线701的谐振频率变化为：

式中，A≈9.26，p≈0.89，f₁为无覆盖层时微带天线的谐振频率和自由空间波长，f₂为无限厚覆盖层时微带天线的谐振频率，f₁和f₂由空腔模型得出。

覆盖介质的微带天线的理论增益：

增益带宽为：

天线的辐射场为：

式(4)～(5)中：

式(6)～(7)中：

U_h＝jγ₁cot(γ₁h₁)·A_h-γ₂B_h， (8)

式中，k₀和η分别为自由空间波数和波阻抗，和为微带贴片表面电流分布基函数的谱域表达式。

图4是微带天线覆盖多层介质示意图。参见图4，在微带天线的地平面802上方设置有介质基片803。在该介质基片803中设置有微带天线801。在该微带天线801的上方设置有第一层覆盖介质804、第二层覆盖介质805，……，以及最后一层覆盖介质806。图4所示微带天线的使用场景更接近于本发明提供的复合天线的使用场景其对天线性能的影响也是基于上述单层介质覆盖的理论进行衍伸，在此不再赘述。

为降低433MHz天线辐射片与5.8GHz天线辐射片的相互影响，根据上述介质覆盖理论以及式(1)～(17)以及图3与图4，计算5.8GHz天线辐射片在多层介质覆盖情况下的方向图特性。根据计算及优化结果，即本发明中将第二金属层301与第三金属层401的垂直相对距离设置在2～20mm之间。较优地，本发明一实施例中，第二金属层301与第三金属层401的垂直相对距离设置为8.9mm，也就是说433MHz天线辐射片与5.8GHz天线辐射片的垂直相对距离设置有8.9mm。

实际应用中，该433MHz天线辐射片可设置为长方形、E形、缝隙式(包括常用的十字形和栅格形)和蛇形中一种或者多种构成的天线辐射片。本领域技术人员可以根据具体使用场景，设置不同形状的433MHz天线辐射片，本发明不作限定。较优地，如图5所示，本发明一实施例中，该433MHz天线辐射片设置为蛇形辐射片。其中，该蛇形辐射片包括馈线402，该馈线402用于馈入433MHz信号。该蛇形辐射片的长度L为16.8mm，宽度W1为11.4mm。并且，构成该蛇形辐射片的片状导线的宽度W2为0.5mm，并且在长度L的方向上相邻两条片状导线的间隔W3为0.8mm。

图6是本发明实施例提供的一种复合天线中433MHz天线辐射片的回波损耗特性S11曲线图。参见图6，回波损耗特性S11曲线中看出433MHz天线辐射片的有效工作频率为429.8～436MHz，此时S11<-10dB；在工作频率433.8MHz处的S11约为-15dB。由此可知，本发明实施例提供的433MHz天线辐射片符合多义路径识别模块对天线的性能指标要求。

在车载电子标签的实际应用中，车前窗玻璃对车载电子标签上5.8GHz天线辐射片的辐射特性影响很大，其方向图经过车前窗玻璃发生严重畸变，主瓣方向发生偏移，副瓣、背瓣增大，3dB波瓣宽度变窄，同时天线的轴比特性也被恶化，丧失了圆极化的轴比特性，接近于线极化。参见图7，曲线1为普通车载电子标签上5.8GHz天线辐射片 A经过车前窗玻璃的方向图曲线；可以看出，曲线1中普通车载电子标签上5.8GHz天线辐射片A的方向图出现了很大的畸变，主瓣A1方向发生偏移、副瓣、背瓣A2增大，且方向图中出现很多的“坑陷A3”。

而本发明提供的433MHz天线辐射片，同时还可以作为5.8GHz天线辐射片的牵引片。当5.8GHz天线辐射片工作时，复用为牵引片的433MHz天线辐射片与5.8GHz天线辐射片可以实现良好的互耦效应。433MHz天线辐射片通过耦合5.8GHz天线辐射片所辐射的电磁波，在其自身产生感应电流并发生二次辐射，对5.8GHz天线辐射片所辐射的电磁波的方向图及功率分布进行重构。参见图7，曲线2为本发明实施例提供的5.8GHz天线辐射片B经过车前窗玻璃的方向图曲线。与曲线1相比，曲线2中主瓣方向B1无偏移，背瓣B2小了很多，且方向图比较平滑，增益也比曲线1的天线增益大。由此说明，本发明通过将433MHz天线辐射片复用为5.8GHz天线辐射片的牵引片，可以很好的改善现有车载电子标签中5.8GHz天线辐射片的辐射性能。

本发明实施例提供的433MHz天线辐射片不局限于单片形式，还可以设置有多片相耦合形式。如图8所示，本发明另一实施例中第三金属层401设置为印制板螺旋天线。本发明中将第三金属层401包括印刷在第二介质层501两侧的多条螺旋导线4011，在每一条螺旋导线4011的端点处设置有内壁覆有导电材料的导通孔4012，全部螺旋导线4011由导通孔4012连接成一螺旋天线403。

本发明实施例中，该螺旋天线403的宽度W4为9.5mm，并且每条螺旋导线4011的宽度W5为0.6mm；螺旋天线同一侧相邻两个导通孔4012之间距离为1.7mm。本发明实施例提供的螺旋天线尺寸小、增益高，并且制作简单，具有良好的全向性特点。

需要说明的是，导通孔4012中内壁覆有的导电材料可以为金属元素。其中，金属元素可以为金、银、铜、铝铂等。较优地，本发明实施例中该导电材料采用为铜材料。本领域技术人员也可以根据具体使 用场景选择合适的导电材料，本发明不作限定。

另一方面，本发明实施例还提供了一种车载电子标签，本发明提供的车载电子标签基于上文所述的复合天线实现。可选地，上述车载电子标签还包括外壳601；复合天线中第二介质层501固定在该外壳601上。由于该车载电子标签采用上述复合天线制成，因而可以解决同样的技术问题，并取得相同的技术效果，在此不再一一赘述。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。