CN104183906A

CN104183906A - 车载天线

Info

Publication number: CN104183906A
Application number: CN201410216112.0A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·凯斯拉斯; 莱斯伯·高迈
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: US9570810B2; US20140347231A1; EP2806497A9; CN104183906B; EP2806497A1; EP2806497B1

Abstract

本发明提供了一种具有两个馈电端口和两个导体区域的天线。在所述两个区域彼此相对的位置处，存在一组相互交叉的臂和狭缝。这些限定了具有从两个馈电点延伸的两个开口狭缝(每侧一个)和中心闭合狭缝的形状。

Description

车载天线

技术领域

本发明涉及车载天线。本发明尤其关注汽车对汽车(C2C)和汽车对基础设施(C2I)的通信。

背景技术

相信汽车对汽车和汽车对基础设施的通信是将来有助于安全智能移动的关键技术。汽车对汽车或汽车对基础设施的通信链接由多种组件构成，其中所述多种组件中的天线是本发明的主题。

目前的车辆配备有多种无线服务以便接收无线电和电视广播，并用于如同导航的手机和GPS一样进行通信。甚至将更多的通信***实现为“智能驱动”，例如，专用短程通信(“DSRC”)。因此，增加了汽车天线的数量，最小化需要成为降低成本的重要因素。

通常，汽车中所熟知的分集***利用彼此远离的两个或更多个不同天线单元以便增加它们之间的隔离。

可以在由S.J.Boyes、H.T.Chattha和Y.Huang所著的IEEE出版物：Comparison of Diversity Gain Performance of Single ElementDual-Feed PIFAs with Assorted MIMO Antennas中发现分集天线。

欧洲和美国的汽车对汽车通信***使用IEEE802.11P标准，在5GHz频带内操作。

ITS-G5A和ITS-G5B： 5.855-5.925GHz

ITS-G5C： 5.470-5.725GHz(WLAN)

本发明涉及一种天线，在优选示例中，可以将所述天线设置在鲨鱼鳍形(shark fin)设置中。

图1示出了标准鲨鱼鳍形天线单元的示例，该鲨鱼鳍形天线单元位于车辆顶棚的背面。嵌入在鲨鱼鳍中天线的尺寸受到限制，并且应将天线设计为安装在壳体内。天线单元还针对天气防护、抗震强度和温度增加具有严格要求。

天线单元的标准尺寸是：最大高度为50到55mm(外部壳体高度60mm)、长度为120mm(外部壳体长度140mm)、宽度为40mm(外部壳体宽度50mm)。

由于存在对于频率和天线尺寸的依赖性，约50mm的可实现最大高度对可达到的频率具有一定影响。单个谐振天线单元的尺寸与操作波长成正比，与操作频率成反比。因此，低操作频率需要大型天线结构。谐振四分之一波长单极天线是用于车辆顶棚或接地面(ground plane)的典型天线。

内部尺寸影响能够集成的天线的数目。在天线之间具有足够长的距离的情况下，集成相同频带的多个天线单元并非总是可行的。

发明内容

由权利要求书来限定本发明。

根据本发明，提供了一种天线，包括：

面状衬底；

导体图案(conductor pattern)，印刷在所述衬底的一侧，其中导体图案包括分离的第一和第二连续导体区域，

其中第一导体区域通常位于所述衬底的一端，第二导体区域通常位于所述衬底的另一端，其中第一方向在所述两端之间延伸；

其中第一导体区域具有两个臂，每个外侧上一个，两个第一导体区域臂平行于第一方向延伸，在所述两个第一导体区域臂之间限定了第一狭缝，

其中第二导体区域具有两个臂，在所述两个臂之间限定了第二狭缝，两个第二导体区域臂平行于第一方向延伸，其中所述两个第二导体区域臂位于第一狭缝内，第一狭缝的一部分在两个第二导体区域臂的外侧；

第一天线馈源(feed)，将两个第二导体区域臂之一的一端与第一狭缝的基部桥接；以及

第二天线馈源，将两个第二导体区域臂中另一个的一端与第一狭缝的基部桥接。

这种设置将两个天线馈源结合为单个结构。导体区域彼此相对，在它们相交的位置处，一个平行臂进入在另一个平行臂中限定的狭缝，从而限定了臂和狭缝的交错设置。按照这种方式，朝向外侧边缘限定了两个开口的狭缝，并在中间位置处限定了一个闭合狭缝。

闭合狭缝提供了馈源之间的隔离。

本发明提供了一种适用于智能交通***(ITS)的天线，能够成功地进行汽车对汽车和汽车对基础设施的通信。在单个天线单元中提供分集式或MIMO(多输入多输出)功能，例如，该单个天线单元可以连同例如COTS GPS模块和/或手机天线的其它组件安装在售后(aftermarket)鲨鱼鳍中。

天线提供了一个物理位置中将两个物理分离天线替换为单个天线。天线可以位于有限空间的其它位置处，例如，在侧面反光镜中。

天线尤其令人关注的是针对汽车对汽车通信、ITS-G5A和ITS-G5B(5.855-5.925GHz)以及ITS-G5C(5.470-5.725GHz)的分集或MIMO功能。

可以将天线安装在例如反光镜或鲨鱼鳍的紧凑区域内，其中紧凑、高集成的分集天线由单个天线结构(两个导体区域)组成，所述单个天线结构具有足够匹配并相互隔离的两个馈电端口。可以将天线实现为接地面或不实现为接地面，例如提供10dB的分集增益。

优选地，天线具有底部边缘和顶部边缘，底部边缘和顶部边缘包括所述衬底的一端和另一端。于是可以将天线的一端接地到水平导电面。

馈源可以针对4.95-6.0GHz范围的频带，例如，可以针对5.9GHz的操作频率设计馈源。

优选地，针对5.9GHz的操作频率，每个臂具有4mm到7mm的长度。这意味着形成了对应长度的狭缝，这种对应程度表示操作频率处的四分之一电波长。

第一导体区域可以在衬底的一端处包括矩形部分，其中两个第一导体区域臂从所述矩形部分的一个边缘延伸。第一导体区域在第一方向上的矩形部分和第一导体区域臂的整个长度是14到18mm。所述长度对应于操作频率处的一半电波长。

优选地，衬底是基本上矩形，宽度小于15mm，长度小于30mm。

附图说明

参考附图详细描述了本发明的示例，附图中：

图1示出了公知的鲨鱼鳍天线单元；

图2示出了本发明的分集天线的示例；

图3示出了图2的天线的两个馈电端口的模拟反射系数[dB]；

图4示出了在对馈电端口F1加电的情况下，6GHz处图2的天线在水平面内的模拟辐射图案[dBi]；

图5示出了在对馈电端口F2加电的情况下，6GHz处图2的天线在水平面内的模拟辐射图案[dBi]；

图6示出了在对馈电端口F1和F2加电的情况下，6GHz处图2的天线在水平面内的模拟辐射图案[dBi]；

图7示出了在无接地面的情况下工作的图2的天线；

图8示出了图2的示例天线的尺寸[单位mm]；

图9示出了图2的分集天线的模拟包络相关系数；

图10示出了图2的分集天线的模拟分集增益[dB]；以及

图11示出了在根据图2的实际模型上，在馈电端口F1和F2处测量到的反射系数[dB]以及馈电端口F1和F2之间的隔离[dB]。

具体实施方式

图2示出了分集天线10。天线由导电表面构成，一个示例中将其与接地面12相连接。导电表面可以是平面。天线单元可以操作在接地面(例如，车辆的顶棚)，或可以在无接地面的情况下进行操作。

将导电表面附着到面状衬底14。衬底可以是印刷电路板材料，例如，FR4或针对操作频带具有良好性能的任何介电材料。

由于可以使用印刷电路板的现有技术，对衬底的选择可以保持为低成本，并制造可以保持为非常低的成本。

导电表面可以是铜或对操作频带具有良好性能的其它材料。导电表面可以非常薄，例如35μm。导电表面可以由保护层覆盖以便防止氧化并减少由于温度而引起的退化，以便实现严格的汽车要求。

天线10在衬底的一侧上具有导电表面，在制造中使其低成本。

通过固定天线单元的支撑物在底部将导电表面与接地面12相连接。这样，可以将导电表面认为是接地面的延伸。

导电表面包含两个子表面16和18。这些子表面中的每个包括主矩形体(main rectangular body)16a、18a和狭缝设置16b、18b。将狭缝限定为导电表面内的非导电区域。

第一子表面16具有设置为背向一面的单个狭缝16b。第二子表面18具有延伸到单个狭缝16b的突起(projection)18c。该突起18c具有设置为背向端面的单个狭缝18b。因此，两个子表面16、18之间的接口包括第一子表面16的两个外翼(limb)16c。这些翼之间是第二子表面18的两个内翼18d。所述内翼18d之间是中心狭缝。这样由第一子表面16的两个外臂和第二子表面18的两个内臂形成了相互交叉的平行臂(或指状物)设置。所述臂可以具有相同长度。

两个馈电端口F1和F2连接在两个子表面之间，在第一子表面的单个狭缝16b的内边缘和第二子表面18的两个内臂18d的端部之间。

考虑到馈电点F1和F2的位置，第一子表面16包括开口狭缝S1和开口狭缝S2。这些本质上是狭缝16b的相对侧部分。考虑到馈电点F1和F2的位置，第二子表面SS2包含闭合狭缝S3。

“开口”意味着在狭缝的端部没有导电材料，“闭合”意味着在狭缝的端部具有导电材料。

第一子表面16的长度(包括主区域和臂)表示操作频率的一半电波长，而开口狭缝S1和S2的长度是操作频率的四分之一电波长。

第一子表面16的宽度不直接与波长有关，可以小于四分之一波长。第一子表面16的宽度影响天线的可操作带宽，宽度越大导致带宽越大。

第二子表面18中的闭合狭缝18b(S3)的长度限定了具有最大隔离的两个馈电端口F1和F2处的频率。闭合狭缝S3的长度是得到最大隔离处频率的四分之一电波长。这是由于在端部闭合的四分之一波长狭缝在输入处呈现高输入阻抗。

连接在两个子表面16、18之间的馈电端口F1和F2在狭缝S1和S2周围产生电流。该电流耦合到第一子表面16，更具体地，沿长度扩散，所述长度是操作频率处谐振波长的一半。

可以将狭缝S1和S2的宽度用于影响馈电端口的输入阻抗。这种机制允许两个馈电端口匹配。

图3示出了图2天线的两个馈电端口的模拟反射系数和隔离(单位dB)。

曲线30示出了馈电端口F1的输入反射系数(|S11|)。曲线32示出了馈电端口F2的输入反射系数(|S22|)。曲线34示出了两个端口之间的隔离(由同一曲线表示|S21|和|S21|二者)。

在5.470-5.925GHz的频率范围内，同时存在对馈电端口F1和F2的良好匹配和充分隔离。

|S11|和|S22|在-9.5db以下，|S21|或|S21|在-10db以下。

图4到6示出了6GHz处图2天线在水平面内的模拟辐射图案(单位，dBi)。

图4中对馈电端口F1加电，图5中对馈电端口F2加电，图6中对两个馈电端口加电。

辐射的方向性依赖于向哪个端口馈电。为了发射分集，用同一RF信号馈电两个端口，并建立全向辐射图案。

图7示出了在没有接地面情况下的天线结构。当分析该示例时，得到相同电学参数。

这种情况下，闭合狭缝较长，这是由于在接地情况下，通过由接地面进行加载，电学上放大了该狭缝。

图8示出了图2天线的示例模型的尺寸(单位mm)，所述天线适用于在5.470-5.925GHz的频带内进行操作。建立并证实了所述示例。

重要参数是：

第一子部分主区域16的长度是16mm，表示5.9GHz的电学半波长(考虑到由于电介质引起的电磁波速率降低)。

狭缝S1和狭缝S2的总长度(包括垂直主长度和水平弯管)大约为8mm，表示电学四分之一波长。

闭合狭缝长度S2是6mm，表示考虑到接地面效应的电学四分之一波长。

可以看出，总体外形是22mm乘以10mm。

图9示出了图2的分集天线的模拟包络相关系数。

对分集式和MIMO应用的多天线***而言，由所涉及的天线在无线通信链接的同一节点处接收到的信号之间的相关是整个***性能非常重要的参数。

整体性能取决于传播行为和天线参数。通常，呈现包络相关系数以便估计多天线***的分集能力。优选地，应根据3D辐射图案来计算该参数，但是这种方法实际上耗时费力，如果计算时采用的图案切片(pattern cut)不足，则可能发生错误。

假定天线在均匀多路环境下进行操作，备选方法包含根据其散射参数定义来计算该参数。通过下式确定两个天线的包络相关：

ρ_{12} = \frac{{| S_{11}^{*} S_{12} + S_{12}^{*} S_{22} |}^{2}}{(1 - {| S_{11} |}^{2} - {| S_{21} |}^{2}) (1 - {| S_{22} |}^{2} - {| S_{12} |}^{2})}

当包络相关系数小于0.5时，可以产生充分的分集增益。

从图9可以看出，在操作频带内计算得到非常低的包络相关系数。

通常分集的效率表现为分集增益的形式。可以将分集增益定义为相对于来自***中一个单个天线的SNR(优选是最好的一个)，对来自分集天线***的组合信号的时间平均信噪比(SNR)的改善。这种定义的条件限制在于SNR大于参考电平的概率。概率值是可选地，但通常设置为50％或99％的可靠性。

图中示出了所提出的图2分集天线的模拟分集增益为10dB。该结果示出这种天线非常适用于分集式或MIMO操作。

图11示出了在根据图2的实际模型上，在馈电端口F1和F2处测量到的反射系数[dB]。

曲线110：在频带5.4-6GHz内，|S11|<-14.6

曲线112：在频带5.4-6GHz内，|S22|<-10.5

曲线114，116：在频带5.4GHz处，|S21|和|S12|<-6db；在频带6GHz处，|S21|和|S12|<-19db

可以看出能够获得足够的性能。由于构造容限，|S11|和|S22|之间存在性能差异。使用其他调谐可以进一步改善。

天线的返回损耗(S11)满足在感兴趣频率处的最低规格9.5dB(VSWR2)，集成结构之间的隔离(S21)在感兴趣频率处大于10dB。

为了在接收期间使用分集，独立地在两个馈源处接收信号，并在处理期间将所述信号相结合。例如，处理可以是作为广播***中主流的所有者(proprietary)算法或相位分集。

在汽车对汽车通信中其它用途也是可以的。在接收模式下，不同信道可以通过每个馈源同时接收，例如，安全信道和广播信道。

在发送模式下，两个天线可以由同一发送器输出信号进行驱动以便修改覆盖范围并增加辐射功率。另一使用情况是在使用发射分集以便产生多路信号时，例如，MIMO应用。两个信号的频率相同，但两个信号之间存在时间差。这样，可以增加所接收的信号强度。在另一使用情况下，可以同时发送两个不同信号，以便增加数据吞吐量。

根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实施对于所公开实施例的其他变化。权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中描述一些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任意附图标记不应该解释为限制范围。

Claims

1.一种天线，包括：

面状衬底(14)；

导体图案，印刷在所述衬底的一侧，其中导体图案包括分离的第一(16)和第二(18)连续导体区域，

其中第一导体区域(16)通常位于所述衬底的一端，第二导体区域(18)通常位于所述衬底的另一端，其中第一方向在两端之间延伸；

其中第一导体区域(16)具有两个臂(16c)，每个外侧上一个，两个第一导体区域臂(16c)平行于第一方向延伸，在两个第一导体区域臂(16c)之间限定第一狭缝(16b)，

其中第二导体区域(18)具有两个臂(18d)，在所述两个臂(18d)之间限定第二狭缝(18b)，两个第二导体区域臂(18d)平行于第一方向延伸，所述两个第二导体区域臂(18d)位于第一狭缝(16b)内，其中第一狭缝的一部分在两个第二导体区域臂(18d)的外侧；

第一天线馈源(F1)，将两个第二导体区域臂(18d)之一的一端与第一狭缝(16b)的基部桥接；以及

第二天线馈源(F2)，将两个第二导体区域臂(18d)中另一个的一端与第一狭缝(16b)的基部桥接。

2.根据权利要求1所述的天线，其中在使用中垂直安装所述天线，所述天线具有底部边缘和顶部边缘，所述底部边缘和顶部边缘包括所述衬底的一端和另一端。

3.根据权利要求2所述的天线，其中在使用中所述天线的一端接地到水平导电面。

4.根据任一前述权利要求所述的天线，其中所述天线操作在4.95-6.0GHz范围的频带内。

5.根据权利要求4所述的天线，其中所述天线设计用于5.9GHz的操作频率。

6.根据任一前述权利要求所述的天线，其中每个臂具有4mm到7mm范围的长度。

7.根据任一前述权利要求所述的天线，其中第一导体区域在衬底的一端包括矩形部分，两个第一导体区域臂(16c)从所述矩形部分的一个边缘延伸。

8.根据权利要求8所述的天线，其中第一导体区域在第一方向上的矩形部分和第一导体区域臂的整个长度是14到18mm。

9.根据任一前述权利要求所述的天线，其中第二导体区域在衬底的另一端包括矩形部分，其中两个第二导体区域臂(18d)从所述矩形部分的一个边缘延伸。

10.根据任一前述权利要求所述的天线，其中所述衬底具有通常矩形形状，宽度小于15mm，长度小于30mm。

11.根据任一前述权利要求所述的天线，包括车载天线。

12.根据权利要求11所述的天线，还包括用于安装在车辆顶棚的外壳，所述外壳包括放置面状衬底的垂直网，其中外壳的高度小于80mm，宽度小于70mm，长度小于200mm。

13.一种车辆通信***，包括如权利要求11或12所述的天线。