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CN107453038A - 用于附接至玻璃的宽带透明椭圆形天线附饰件 - Google Patents

用于附接至玻璃的宽带透明椭圆形天线附饰件 Download PDF

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CN107453038A CN201710317629.2A CN201710317629A CN107453038A CN 107453038 A CN107453038 A CN 107453038A CN 201710317629 A CN201710317629 A CN 201710317629A CN 107453038 A CN107453038 A CN 107453038A
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Abstract

本发明涉及用于附接至玻璃的宽带透明椭圆形天线附饰件。一种薄膜柔性共面波导天线结构，其适于安装在车辆玻璃上，并且特别应用于MIMO LTE应用，例如应用在0.46‑3.8GHz频带中。该天线结构包括形成在基底上的平面天线，该平面天线包括接地平面和天线辐射元件，该接地平面具有限定在该接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，该天线辐射元件从周边部分延伸到槽内。

Description

用于附接至玻璃的宽带透明椭圆形天线附饰件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月6日提交的名称为“用作附接至玻璃的附饰件的宽带透明椭圆形天线（Wideband Transparent Elliptical Antenna for Applique for Attachment toGlass）”的美国临时专利申请序列号62/332,649的优先权日的权益。
技术领域
本发明总体上涉及一种配置在介电基底上的薄膜柔性宽带天线，更具体地，涉及一种薄膜柔性宽带共面波导（CPW）天线，其包括定位在椭圆形槽之内的特别配置的天线辐射元件，该天线辐射元件提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（long term evolution，LTE）4G蜂窝应用，其中天线能够包括透明导体，从而允许天线附着到车辆玻璃。
背景技术
现代的车辆利用各种和许多类型的天线来接收并传输用于不同通信系统的信号，例如陆地无线电（AM/FM）、蜂窝电话、卫星无线电、专用短程通信（DSRC）、GPS等。使用于这些系统的天线经常被安装到车辆顶棚从而提供最大接收能力。此外，经常将许多的这些天线整合到被安装到车辆顶棚的共用结构和外壳中，例如“鲨鱼鳍”顶棚安装的天线模块。随着车辆上的天线数量增加，以高效的方式容纳全部天线并提供最大接收能力所需结构的尺寸也增大，这会妨碍车辆的设计和造型。因此，汽车工程师和设计师正在寻找车辆上的不会妨碍车辆设计和结构的用于放置天线的其它合适区域。
这些区域的中的一个区域是车辆玻璃（例如车辆挡风玻璃），这具有各种益处，因为玻璃通常形成用于天线的良好介电基底。例如，在本领域中已知将AM和FM天线印制在车辆玻璃上，其中将所印制天线作为单一件制作在玻璃之内。然而，这些已知系统通常受限于它们只能被放置于车辆挡风玻璃或者其它玻璃表面的不必要透过玻璃观看的那些区域中。
蜂窝系统目前正扩张到需要多个天线来提供多入多出（MIMO）操作的4G长期演进（LTE）中，该操作相比诸如2G和3G的先前的蜂窝通信技术提供了更大的数据吞吐量和带宽。LTE 4G蜂窝技术在发射器和接收器处采用MIMO天线，这些MIMO天线使得发射器和接收器之间的信号路径的数量增大，从而包括对发射器和接收器之间的各个对象的多路径反射，这允许更大的数据吞吐量。只要接收器能够断开正在MIMO天线处的每一路径上接收的数据（在此处这些信号是不相关的），那么那些路径就能够由接收器使用来破译在相同频率处和相同时间处传送的数据。因此，更多数据能够被压缩为相同频率，从而提供更高带宽。
汽车制造商正想要在车辆中提供4G蜂窝技术，这存在大量设计挑战，特别是如果将MIMO天线结合为安装到车辆顶棚的共用天线结构的一部分时更是如此。例如，通过将包括至少两个天线的MIMO天线容放在安装到车辆顶棚的传统信息通讯天线模块中，该模块的整个天线体积将需要增大，因为MIMO天线需要额外的实占区（real estate），这要求在天线处的所接收信号具有低相关性。换句话说，因为由MIMO天线接收的信号需要显著不相关，天线之间的距离根据正采用的频带而需要是某一最小距离。如果天线元件位于同一通用位置处，在各种设计中实现天线端口之间的这种去相关经常是数倍困难的，因为在端口处接收的信号将会极为相似。这一问题能够通过将天线移动得更为分开来克服。
发明内容
本发明公开并描述了一种薄膜柔性共面波导（CPW）天线结构，其适于安装在车辆玻璃上，并且特别应用于MIMO LTE应用，例如应用在0.46 - 3.8 GHz频带中。该天线结构包括形成在基底上的平面天线，该平面天线包括接地平面和天线辐射元件，该接地平面具有限定在该接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，该天线辐射元件从周边部分延伸到槽内。
本发明还公开了如下技术方案：
方案1、一种天线结构，包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；以及
平面天线，其与所述粘合剂层相对地形成在所述基底上，所述平面天线包括接地平面，所述接地平面具有限定在所述接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，所述天线进一步包括从所述周边部分延伸到所述槽内的天线辐射元件。
方案2、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是六边形天线辐射元件。
方案3、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是U形天线辐射元件。
方案4、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是圆形天线辐射元件。
方案5、根据方案1所述的天线结构，进一步包括馈电结构，所述馈电结构电联接到所述周边部分和所述天线元件。
方案6、根据方案5所述的天线结构，其中，所述馈电结构是共面波导馈电结构。
方案7、根据方案6所述的天线结构，进一步包括同轴连接器，所述同轴连接器连接到所述共面波导馈电结构。
方案8、根据方案1所述的天线结构，其中，所述周边部分为正方形。
方案9、根据方案1所述的天线结构，其中，所述介电结构是车窗。
方案10、根据方案9所述的天线结构，其中，所述车窗是车辆挡风玻璃。
方案11、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线包括透明导体。
方案12、根据方案1所述的天线结构，其中，所述薄膜基底选自由聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基底所组成的组群。
方案13、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（LTE）蜂窝系统的信号，从而在0.46 - 3.8GHz的频带中操作。
方案14、一种天线结构，包括：
车窗；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述车窗；以及
平面天线，其与所述粘合剂层相对地形成在所述基底上，所述平面天线包括接地平面，所述接地平面具有限定在所述接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，所述天线进一步包括从所述周边部分延伸到所述槽内的天线辐射元件，其中，所述天线提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（LTE）蜂窝系统的信号，从而在0.46 - 3.8GHz的频带中操作。
方案15、根据方案14所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是六边形天线辐射元件。
方案16、根据方案14所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是U形天线辐射元件。
方案17、根据方案14所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是圆形天线辐射元件。
方案18、根据方案14所述的天线结构，其中，所述车窗是车辆挡风玻璃。
方案19、根据方案14所述的天线结构，其中，所述天线包括透明导体。
方案20、一种天线结构，包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；
平面天线，其与所述粘合剂层相对地形成在所述基底上，所述平面天线包括接地平面，所述接地平面具有限定在所述接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，所述天线进一步包括从所述周边部分延伸到所述槽内的六边形天线辐射元件；以及
共面波导馈电结构，其电联接到所述周边部分和所述天线元件。
通过以下的描述和所附权利要求并结合附图，本发明的另外的特征将变得显而易见。
附图说明
图1是车辆的前视图，显示了车辆挡风玻璃；
图2是车辆的后视图，显示了车辆后窗；
图3是车窗的轮廓图，车窗包括在其上形成的薄的柔性CPW天线结构；
图4是薄膜CPW天线的俯视图，该天线包括椭圆形槽和定位于其中的六边形天线辐射元件；
图5是显示于图4中的天线结构的等轴测视图，该天线结构被安装到弯曲的车辆玻璃；
图6是用于图4所示天线辐射元件的CPW天线馈电结构的示图；
图7是薄膜CPW天线的俯视图，该天线包括椭圆形槽以及其中的U形天线辐射元件；以及
图8是薄膜CPW天线的俯视图，该天线包括椭圆形槽以及其中的圆形天线辐射元件。
具体实施方式
本发明致力于适用于MIMO LTE蜂窝系统并且适合于附着到弯曲介电结构的包括椭圆形槽的薄膜柔性CPW天线结构，对于本发明的各实施例的以下讨论在本质上只是示例性的，且并非意图以任何方式限制本发明或者其应用或使用。例如，本文中的讨论谈到了该天线结构适用于附着到汽车玻璃。然而，如本领域技术人员将会理解的，天线结构将具有用于其它介电结构而非汽车结构以及并非透明或半透明表面的应用。
图1是包括车体12、顶棚14和挡风玻璃16的车辆10的前视图，图2是显示后窗18的车辆10的后视图。
如上所述，通常期望将天线提供在车辆上，该天线是透明的并且能够以沿循方式集成到弯曲的挡风玻璃或车辆玻璃。本发明提出了一种天线结构，其特别应用于MIMO LTE蜂窝系统，其在安装或集成在车辆玻璃上时例如在0.46 - 3.8 GHz频带中操作。该天线结构的形状和样式能够被设计为透明导体和共面结构，其中天线和接地导体两者被印制在同一层上。该天线结构可以被设计成在具有各种物理厚度和介电性能的汽车玻璃上进行操作，其中该天线结构当被安装在玻璃或其它介电体上时按照预期进行操作，因为在设计过程中在天线几何样式的开发中考虑到了玻璃或其它介电体。
图3是包括玻璃基底22（例如，车辆挡风玻璃）的天线结构20的轮廓图，该玻璃基底22具有外玻璃层24、内玻璃层26和在内外玻璃层之间的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）层28。结构20还包括印制的CPW天线30，该天线30形成于柔性薄膜基底32上，例如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、双轴向取向的聚对苯二甲酸乙二酯（BoPET）、柔性玻璃基底、聚酯薄膜（mylar）、Kapton等，并且由粘合剂层34附着到层26的表面。粘合剂层34可以是有效地使基底32固定到玻璃层26的任何合适的粘合剂或转移胶带，此外，如果天线30位于玻璃层26的可视区，那么粘合剂或转移胶带可以是透明的或接近透明的，从而对外观和穿过其中的光透射具有极小的影响。可以利用低RF损耗钝化层36（例如聚对二甲苯）来保护天线30。天线连接器38被图示为连接到天线30并且可以是任何合适的RF或微波连接器，例如直接软辫线（pig-tail）或同轴电缆连接。尽管天线30被图示为联接到内玻璃层26的内表面，但天线30可以附着到外玻璃层24的外表面或者与PVB层28或PVB层28的表面相邻的层24或26的表面。
天线30可以由任何合适的低损耗导体所形成，例如铜、金、银、银陶瓷、金属网栅/网格等。如果天线30位于需要驾驶员或其它车辆乘员透过玻璃观看的在车辆玻璃上的位置处，那么导体可以是任何合适的透明导体，例如氧化铟锡（ITO）、银纳米线、氧化锌（ZnO）等。当天线30由透明导体制成时，其性能能够通过沿天线30边缘增加导电框架来增强，这在本领域中是公知的。
汽车玻璃的厚度可在2.8 mm-5 mm之间变化，并且具有在4.5-7.0范围内的相对介电常数εr。天线30包括单层导体和用于激发天线辐射器的共面波导（CPW）馈电结构。该CPW馈电结构可以构造成以对于CPW馈电线或者软辫线或同轴电缆合适的方式安装连接器38。当与CPW线的连接器38或软辫线连接完成时，可以用钝化层36对天线30加以保护。在一个实施例中，当将天线30安装在玻璃层26上时，可以将转移胶带的背衬层去除。通过将天线导体设置在车辆挡风玻璃22的内表面上，可以减小由于环境条件和天气条件所导致的天线30的劣化。
图4是薄膜宽带CPW天线结构40的俯视图，该天线结构40能够用作天线30并且具有在LTE频带中操作的应用，其中天线结构40是本文所讨论的能够固定到车辆玻璃的那种类型。例如，图5是由粘合剂层48固定到弯曲车辆玻璃46的表面44的天线结构40的等轴测示图42。应注意，天线结构40将是MIMO LTE操作必须的至少两个天线中的一个。天线结构40包括在其中限定切除的椭圆形槽52的外周边导电接地平面50，其中接地平面50例如在薄膜聚酯薄膜基底（未显示）上形成样式。六边形天线辐射元件60延伸到椭圆形槽52内，并且包括信号线62。接地平面50包括通向椭圆形槽52的槽64，其中信号线62延伸到槽64内，并且与接地平面50组合以形成天线元件馈电结构66。信号由接地平面50接收从而在其中生成电流，该接地平面50联接到用于所关注频带的天线辐射元件60。
任何适合的馈电结构都能够用来为天线元件60馈电。图6是显示了一个适合实例的CPW天线馈电结构66的部分切除的俯视图。在该实施例中，同轴电缆70提供用于馈电结构66的进入信号线，并且包括电联接到信号线62的内导体72以及电联接到接地平面50的外接地导体74，其中导体72和74由绝缘体76分离。
图7是薄膜宽带CPW天线结构80的俯视图，该天线结构80也具有在LTE频带中操作的应用，并且是本文所讨论的能够固定到车辆玻璃的那种类型。天线结构80包括在其中限定切除的椭圆形槽84的外周边导电接地平面82，其中接地平面82例如在薄膜聚酯薄膜基底（未显示）上形成样式。U形椭圆形天线辐射元件86延伸到椭圆形槽84内，并且包括信号线88。接地平面82包括通向椭圆形槽84的槽90，其中信号线88延伸到槽90内，并且与接地平面82组合以形成天线元件馈电结构92。
图8是薄膜宽带CPW天线结构100的俯视图，该天线结构100也具有在LTE频带中操作的应用，并且是本文所讨论的能够固定到车辆玻璃的那种类型。天线结构100包括在其中限定切除的椭圆形槽104的外周边导电接地平面102，其中接地平面102例如在薄膜聚酯薄膜基底（未显示）上形成样式。圆形天线辐射元件106延伸到椭圆形槽104内，并且包括信号线108。接地平面102包括通向椭圆形槽104的槽110，其中信号线108延伸到槽110内，并且与接地平面102组合以形成天线元件馈电结构112。
天线辐射元件60、86和106中的每一个都设计为是宽带的且在LTE 700 MHz -2400 MHz的LTE频带中操作。显然，用于天线结构40、80和100中的每一个的椭圆形槽52、84和104具有不同的尺寸和形状。对于通过模拟或其它技术确定的宽带使用，槽52、84和104的配置将分别特定用于辐射元件60、86和106的形状。如上所述，用于LTE服务的MIMO系统通常需要两个天线元件，这两个天线元件彼此隔开，从而使天线元件的信号端口不相关。在上述实施例中，外接地平面50、82和102在天线结构之间提供信号隔绝。天线结构40、80和100中的两个或更多个可以在不同位置设置在窗玻璃上，并且接收同样频率的信号以提供MIMO信号接收，其中天线结构40、80和100能够混合和匹配用于不同应用。
前面的讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。通过这样的讨论及附图和权利要求，本领域技术人员将容易认识到，在不背离如所附权利要求中所限定的本发明精神和范围的条件下，可以在本文中作出各种变更、修改和变型。

Claims (10)

1.一种天线结构，包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；以及
平面天线，其与所述粘合剂层相对地形成在所述基底上，所述平面天线包括接地平面，所述接地平面具有限定在所述接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，所述天线进一步包括从所述周边部分延伸到所述槽内的天线辐射元件。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是六边形天线辐射元件。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是U形天线辐射元件。
4.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述天线辐射元件是圆形天线辐射元件。
5.根据权利要求1所述的天线结构，进一步包括馈电结构，所述馈电结构电联接到所述周边部分和所述天线元件。
6.根据权利要求5所述的天线结构，其中，所述馈电结构是共面波导馈电结构。
7.根据权利要求6所述的天线结构，进一步包括同轴连接器，所述同轴连接器连接到所述共面波导馈电结构。
8.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述周边部分为正方形。
9.一种天线结构，包括：
车窗；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述车窗；以及
平面天线，其与所述粘合剂层相对地形成在所述基底上，所述平面天线包括接地平面，所述接地平面具有限定在所述接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，所述天线进一步包括从所述周边部分延伸到所述槽内的天线辐射元件，其中，所述天线提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（LTE）蜂窝系统的信号，从而在0.46 - 3.8GHz的频带中操作。
10.一种天线结构，包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；
平面天线，其与所述粘合剂层相对地形成在所述基底上，所述平面天线包括接地平面，所述接地平面具有限定在所述接地平面的外周边部分之内的椭圆形切除槽部段，所述天线进一步包括从所述周边部分延伸到所述槽内的六边形天线辐射元件；以及
共面波导馈电结构，其电联接到所述周边部分和所述天线元件。
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