CN103460503A

CN103460503A - 车辆天线

Info

Publication number: CN103460503A
Application number: CN2012800157914A
Authority: CN
Inventors: C·弗伦奇; D·H·格里菲思; 付伟明
Original assignee: Imagination Technologies Ltd
Current assignee: Pure International Limited
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: WO2012136952A1; GB201205922D0; EP2695234B1; GB201105949D0; US20140055308A1; EP2695234A1; US9035834B2; CN103460503B; GB2489802A

Abstract

本发明提供了一种用于安装在车辆的窗户上的RF天线***，包括外部和内部窗户可安装部分。第一和第二部分包括RF耦合部分（4）和电源耦合部分（6），RF耦合部分（4）用于电感地耦合从天线（20）接收到的RF信号，电源耦合部分（6）用于向用于放大接收到的RF信号的外部放大部分52提供外部电力。该***还包括至金属垫片（18）的电连接（16），金属垫片（18）被磁性固定至车辆的车顶并电连接至车辆的车顶，从而该车顶通过金属垫片至车辆车顶的电容耦合来为天线提供接地板。

Description

车辆天线

技术领域

本发明涉及一种适合于装配至诸如汽车的机动车辆的无线天线，尤其涉及一种能够使用位于车辆内的数字音频广播（DAB）接收器接收DAB传输的天线。

背景技术

数字音频广播（DAB）如今在英国和其它各欧洲国家被完善地建立，并且正在世界各地的其它国家中更好地建立。人们期望的是，在几年之后，在DAB建立起来的国家中将关闭FM的传播。

许多机动车辆装配有FM/AM无线电接收器并且具有只能够接收用于这些频率的信号的天线，例如，FM频率信号在87.5MHz至108MHz频带之间。DAB通过两种频带传播，频带3是174MHz至240MHz，并且频带L是1452MHz至1490MHz。由于不同的频带，如果在车辆内的无线接收器从FM/AM被升级为DAB接收器，则该车辆需要不同的天线来接收信号。用于后市的装配至车辆的几种不同天线已经被提出，但是所有都具有缺陷。

挡风玻璃膜天线是印刷在贴在车辆的挡风玻璃内侧的塑料膜上的天线，并且可以是有源天线或无源天线。虽然这些从审美上进行了周全的考虑，但是遭受主要因为其安装在车辆的挡风玻璃内侧而引起的性能问题。由于安装位置，其遭受来自车顶和车辆的其余结构的遮蔽，这将导致标称性能的降低并且仍依赖于车辆对于发射器的方向而进一步的降低。此外，一些挡风玻璃具有反射UV或强光的涂料，并且这些涂料本身可能影响装配至挡风玻璃内侧的天线的接收。

磁座天线（Magmountantenna）通常被安装在车辆的车顶。其具有单极结构，并且其天线座是磁体并因此磁吸至车顶。天线位于在车顶轮廓线上方的位置使其具有良好的性能。然而，天线需要同轴电缆来连接至车辆内部的无线电接收器，并且这将需要通过窗封条或在车辆的车身中打洞的一些布线。

外部玻璃座天线安装在车辆的外部，并且因此位于车顶轮廓线的上方，这使其有了良好的全方向性能。然而，如果要提供良好的性能，结构中的单极天线需要接地层，尤其是覆盖了宽频带的频带3接收。由于当耦合经过玻璃的信号时招致了信号的损耗，因而会发生进一步的性能的降低。由于在该损耗前没有信号的放大，这影响了接收器的敏感度，并且接收到的信号的信噪比（SNR）将会受损（compromise）。

发明内容

一种车辆天线被描述，该车辆天线可以被改进，具有适合使用非侵入装置接收RF信号（例如DAB）的宽带宽，并且将由车辆车顶和其它结构导致的天线遮蔽最小化；其通过电容耦合至车辆车顶向天线提供足够大的接地板，并且通过接收到的信号的外部放大器将经过窗户的耦合损耗最小化。

根据本发明的实施方式被提供。

在实施方式中，来自天线的RF信号通过安装在窗户上的电感耦合网络而被电耦合。实施方式还包括耦合以为天线信号的外部放大器供电。

现在实施方式将参照附图以实施例的方式被详细描述，其中：

附图说明

图1示出了天线***的电气图；

图2示出了安装在车辆窗户上的天线***的机械和电气布局；

图3示出了有和没有电容耦合的接地板的天线的S11频率响应的性能曲线图；以及

图4示出了根据本发明的实施方式的天线比较于其它天线布局的信噪比响应。

具体实施方式

于此存在多个下文描述的示例所致力解决的条件。

首先，可以期望的是，安装在车辆上的单极天线应具有接地层来使其实现全带宽、效率以及所需的全方向性能。理想地，接地层的面积应比在每个方向上接收到的信号频率的波长大1/4。例如，对于DAB接收，这大致等同于1.2m²的面积。标准的车辆的车顶大于这个面积，因此作为用于DAB频率接收的接地层工作良好。已经有了可用的经由玻璃天线***，但是现有的***不通过电容地耦合至车顶以使用车顶来作为接地层。

其次，可以期望的是，将天线放置于车辆的外部并且放置在车顶轮廓线上方而不必在车辆的车身钻孔或不必获得对车辆的配线的通路。

第三，可以期望使用粘合剂配件以具有穿过窗户的RF耦合，并且向连接至在窗户外侧上的天线的低噪音放大器（LNA）提供DC电力。LNA的使用保证了RF信号耦合损耗不影响接收到的信号的SNR。优选地使用穿过窗户的电感电源耦合来提供电力。

图1的框图示出了天线的电气布置。车辆的内侧和外侧之间的信号传递是经由两个电感耦合（4）和（6）来通过诸如汽车挡风玻璃（2）的车辆玻璃的。耦合（4）用于从外部天线和LNA部分接收信号，耦合（6）用于向位于单极天线（10）的低噪声放大器（8）提供DC电力。电感耦合（6）包括在车辆侧的接收极低频（VLF）信号的铁氧体初级线圈，该初级线圈转而在铁氧体次级线圈内生成在电感耦合外侧的VLF信号。该AC信号时在向低压差（LDO）调整单元（14）提供信号的整流单元（12）中被整流的DC，其中该LDO调整单元（14）滤去未整流的DC并且向低噪声放大器（8）提供电压整流过的DC信号。VHF滤波被提供并且屏蔽通过VLF耦合和振荡器部分被提供以降低干扰和噪声。

来自单极天线（10）的信号形成了至低噪声放大器的输入。低噪声放大器在（15）处接地。RF部分的接地包括LAN（8）、匹配网络（20）和天线（10）。该接地通过使用由橡胶包覆的柔性片铜带（16）连接至天线装配的磁体和金属元件或垫片（18）而被电容地耦合至车辆的车顶。在这种实施方式中，金属垫片由于车顶和磁体之间的磁吸力而附着至车顶。然而，在可替换实施方式中，该金属垫片也可以不使用磁体而附着固定在车顶。在一种实施方式中，该金属垫片包括0.3mm厚的表面积是15mm x15mm的铁片。

金属垫片至少通过车辆车顶上提供的涂料薄层而与车顶绝缘，并且可选地通过敷至所述垫片的胶带的薄层。如进一步在下文中所描述的，该绝缘薄层导致在两个平行金属板（也就是金属垫片和车顶）之间产生电容。

由天线（10）接收的（例如）DAB信号通过低噪声放大器（8）被放大并且通过匹配网络（从LNA输出（8）提供阻抗转换）被提供至电感耦合（4）的外部。被提供的信号是VHF波并且这将会在电感耦合（4）的车辆侧感应对应的VHF波。电感耦合（4）优选地从在玻璃的外部和内部的两个彼此相对放置的印刷电路板（PCB）线圈被形成。这些线圈相互感应并且与匹配网络（24）和（20）形成匹配于50Ω并且被调整以传递VHF频带3信号的双口网络（two port network）。低噪声放大器保证了提供至电感耦合的信号在经过耦合网络而引起的任何明显的损耗前具有增幅，因此向接收器提供了高信噪比。

从电感耦合（4）接收到的提供至匹配网络（24）和车辆侧电路的其他部分的信号被连接至接地线（22），该接地线（22）在RF和DAB接收器处被连接至车辆地线（未示出）。

内部L频带单极天线（29）向匹配网络（28）提供由L频带低噪声放大器（30）放大的信号，来自电感耦合（4）的频带L信号和频带3信号在RF组合器（31）中被组合。来自RF组合器的信号被提供至同轴电缆（32），同样在RF和DAB接收器处被连接至车辆地线（22）。

输入电压+Vcc（34）为车辆侧电路供电并且通过RF扼流器（36）从同轴电缆（32）被接收。其还为向电感耦合（6）提供震荡的振荡器（38）和放大器线圈驱动（40）供电以在电感耦合的外侧产生电力。

在图2中，天线***的物理实施例的3d原理图被示出。其中，将天线耦合至车辆车顶（44）转而作为天线衡网（或接地板）的金属垫片（18）被示出。在这种实施方式中，金属垫片（18）通过直接位于车顶上方的磁体而被吸至车顶，从而该金属垫片被夹在磁体和车辆车顶之间。金属垫片（18）和磁体可以由胶布薄层而被附着“尾部”装配中。在一个实施方式中，为了形成“尾部”装配，金属垫片（18）通过8cm长、1cm宽带的覆盖了橡胶的0.25mm厚的铜片被连接至外部耦合单元（48）。橡胶外层主要是为了美观的原因。磁体和金属垫片被吸至车顶，但是如上文中讨论的，由于涂料薄层（以及可选择的胶带）在其中间形成了绝缘。

在耦合单元（48）中RF耦合部分（56）被提供至邻近的电源耦合部分（50），该电源耦合部分（50）包括外侧电感、整流单元（12）和调整单元（14）。该电源耦合向包括频带3低噪声放大器（8）的RF增益部分提供DC电源（52）。同样，物理地附加至单元的该部分是频带3单极天线（10）。其以可以由用户改变的角度而被安装在耦合单元上，从而当该单元平躺靠于挡风玻璃时该天线向上伸出至车辆车顶之上来改善全方向性能。

通过RF增益部分（54）从天线接收到的信号被提供至RF耦合部分（56），该RF耦合部分（56）包括电感耦合（4）的外侧。该电感耦合向内部RF耦合部分（58）（包含电感耦合（4）的车辆侧）提供RF耦合。来自（4）的频带3信号流向RF部分，其中电感耦合（4）的阻抗匹配于RF组合器（31）的阻抗。由L频带天线（29）接收并且由L频带LNA（30）放大的频带L信号与在RF组合器（31）处的频带3信号叠加。接下来同轴电缆（32）向DAB接收器提供DAB或RF信号。该同轴电缆还提供用于对内部屏幕安装部分的电源耦合部分供电的DC电源（34）。

至车辆车顶的电容耦合的详细解释

通过由使用彼此相邻放置的两个导电板实现的电容耦合来连接至车辆车顶。一个板包括车辆车顶并且另一个可以是电连接至天线***地线的金属板（金属垫片18）。

因为可以通过电容获得在两个导电板之间的在所需频带的低阻抗，处于RF频率的电感耦合是足够的，并且因此不需要导电电触点或低DC电阻触点。可以通过Xc=1/2πfc来计算电容耦合的阻抗。其中Xc是阻抗，f是频率。低阻抗的示例可以是小于0.2Ω并且在208MHz频率时得到0.2Ω所需的电容可以是4nF。因此，例如，对于频带3中的DAB信号需要被接收的***，理想的电容值应该比4nF大。

形成在相邻的金属表面之间的电容与最小板（在本情况中是金属垫片）的表面积成比例并且与两个表面之间的距离成反比。车辆车顶和金属垫片之间的电容（C）可以通过C=ErEo A/d来计算。其中Er是绝缘材料（例如胶带、涂料）的相对介电常数，Eo是自由空间的电容率（Permittivity），A是导电板的表面积，d是导电板和车辆车顶之间的距离。电容的操作实施例可以是：

d（小）在～0.5mm

胶带、涂料的相对电容率的Er，～3

自由空间的电容率的Eo8.8542-12

A=225mm²(15x15mm)

Xc=3x8.8542-12x225mm²/0.5=11.95nF

通过使用具有定义了最小表面积的金属垫片实现电容耦合。金属垫片可以通过磁体连接或粘合剂连接而被固定在车顶，但是其它类型的非入侵型连接是可行的。

天线的效率与其接收（或传输）RF信号的能力直接相关，在接收器中，这与在接收器（或LNA）输入处将接收到的无线信号转换为电能的能力相关。S11参数被用于表明天线的能量转换性能。理想的全方向天线可以在信号以正确角度入射天线时最好地接收信号，其中该正确角度是地面（groundbased）广播与垂直单极（或振动簧片（whip））天线的正入射角（normalincidence angle）。当用于车辆天线时，λ/4单极天线由于已知的良好的全方向性能而被选择用于设计。天线元件应该被垂直地放置在车顶轮廓线的上方，这将改善天线的全方向性能，因为天线不会被车辆遮蔽，从而改善了对于从地面发射器传输的信号的接收。

单极天线是不平衡的偶极天线并且需要接地板（或天线衡网）来作为天线的另一半。具有良好接地板的优选λ/4单极应该给出大概偶极天线一半的性能，接近37.5Ω，这是容易匹配于50Ω接收器的阻抗并因此可以使用简单的低损耗匹配网络。图3的图表示出了单极天线的S11频率响应，并且在标记1和2之间，覆盖了全频带3DAB信号范围（174MHz至240MHz）的天线的标准化（至50Ω）的阻抗可以被看到。曲线A示出了针对具有（电容耦合至）汽车车顶接地板的响应，曲线B示出了没有电容耦合至汽车车顶接地板的天线。可以看到的是，曲线A显示了具有改善的反射系数的天线，并且因此在接收覆盖了感兴趣频带的信号上比B曲线有效很多。

为了将天线的性能最大化，接地板的面积应该大于在感兴趣频带中的每侧上的波长的1/4。例如，在VHF DAB频带（被称为频带3）中，中心频率是～208MHz，对于208MHz波长是1.4m，并且因此1/4波长是35cm。标准的车辆车顶在每个方向上都大于1/4波长，并且因此作为用于VHF DAB频带的接地板运行良好。从图3中示出的使用接地板（例如汽车车顶）的λ/4单极的回波损耗（阻抗匹配）的S11绘图中可以看到，对于具有从174MHz至240MHz的宽频带的DAB接收，带宽是极其重要的。接地板的尺寸改善包括阻抗、带宽以及效率天线的方面，并且任何低于讨论的最小值的接地板的减少会降低天线的整体性能。

由于所需的电缆的长度可以具有相对高地电感并且不会有低阻抗连接，使用至作为接地板的车顶的电容比连接至汽车电池的负极终端更有效。

操作测试已经被引进来对本发明实施方式的具有耦合至车顶来提供接地板的天线和没有耦合至车顶但与其极其接近的天线进行比较，并且还与具有配备至挡风玻璃内侧的玻璃天线上的膜的天线进行比较。该测试的结果在图4中被示出。其垂直轴示意了信噪比，其中100或更低的级别代表了没能够正确地接收DAB信号和复制音频以及级别255是最大级别。每个增值50代表了5DB的信号级别的差值（其中6DB是接收到的能量的一半）。水平轴是随着车辆行走路线的所经历时间。

图4中的3条曲线是：

a）具有电容耦合至车顶的穿过玻璃天线。

b）不具有耦合至车顶但具有极其接近于车顶的位置的穿过玻璃天线。

c）配备至挡风玻璃内侧的玻璃天线上的膜

可以看到的是，不具有电容耦合至车顶的通过玻璃天线的性能差并且在某一情况下降至100DB，这代表了没能够正确地接收DAB信号。因此很有可能这种性能是不可接受的。

至车顶的电容耦合在信噪比上给出了明显的改善，其中在该特定路线上没有降至200以下。玻璃天线上的膜示意了宽范围的信噪比变低至接近100。因此清楚的是，至车顶的电容耦合明显地改善了对于DAB的接收的性能。

Claims

1.一种安装在车辆窗户上的RF天线***，该天线***包括用于安装在窗户外部的外部窗户可安装部分，其中该外部可安装部分包括：

天线；以及

金属元件，该金属元件电连接至所述外部可安装部分并且被放置为附着至车辆的车顶以及电容地耦合于所述车辆的车顶，从而提供用于所述天线的接地板。

2.根据权利要求1所述的RF天线***，其中使用磁体将所述金属元件放置为附着至所述车辆的车顶。

3.根据权利要求1或2所述的RF天线***，其中所述金属元件包括片状金属垫片。

4.根据权利要求2和3所述的RF天线***，其中所述磁体被安装在所述片状金属垫片上方并且被放置为将所述垫片保持在所述车顶。

5.根据权利要求3或4所述的RF天线***，所述RF天线***包括提供于所述垫片上的绝缘材料层，以使所述垫片在附着至所述车顶时与所述车顶绝缘。

6.根据权利要求5所述的RF天线***，其中所述绝缘材料包括胶带。

7.根据上述任一权利要求所述的RF天线***，其中所述金属元件通过柔性片状金属板被电连接至所述外部可安装部分。

8.根据上述任一权利要求所述的RF天线***，所述RF天线***包括用于在窗户的内部安装的内部可安装部分。

9.根据权利要求8所述的RF天线***，其中所述内部可安装部分能够安装在所述外部可安装部分的对面。

10.根据上述任一权利要求所述的RF天线***，其中所述外部和内部可安装部分包括RF耦合部分，该RF耦合部分用于将从所述车辆的外部上的天线接收到的RF耦合信号电感地耦合至所述内部部分

11.根据权利要求10所述的RF天线***，所述RF天线***包括电源耦合部分，该电源耦合部分用于从所述内部部分向所述外部部分提供电力，以为在所述外部部分中的用于放大接收到的RF信号的放大部分供电。

12.根据权利要求11所述的RF天线***，其中所述电源耦合部分包括所述内部和外部部分中每个部分中的铁氧体磁芯。

13.根据权利要求10、11或12所述的RF天线***，其中所述RF耦合部分包括所述内部和外部部分中每个部分中的印刷电路板线圈。

14.根据上述任一权利要求所述的RF天线***，所述RF天线***用于与DAB接收器一同使用。

15.一种实质上如在此参照附图所描述的RF天线***。