CN108428999B

CN108428999B - 天线

Info

Publication number: CN108428999B
Application number: CN201810151324.3A
Authority: CN
Inventors: 利斯贝特·戈姆; 安东尼·凯斯拉斯
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2038-02-13
Also published as: CN108428999A; EP3364499B1; EP3364499A1; US10243269B2; US20180233811A1

Abstract

本发明涉及一种天线，包括：基板；在基板上的导体图案，包括第一和第二导体区域，第一导体区域一般在基板的第一端处，第二导体区域一般在基板的相对第二端处，第一方向在基板的第一端与第二端之间延伸；第一导体区域具有两个臂，两个第一导体区域臂平行于第一方向延伸并且在两个第一导体区域臂之间界定第一狭槽；第二导体区域具有两个臂，在两个臂之间界定第二狭槽，并且两个第二导体区域臂平行于第一方向延伸，两个第二导体区域臂搁置在第一狭槽内，第一狭槽的一部分在两个第二导体区域臂的外侧，第二导体区域具有平行于第一方向延伸但是与两个其它第二导体臂相反的第三臂；第一馈电端口；以及第二馈电端口；以及第三馈电端口。

Description

天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体地但并非排他地，涉及一种用于汽车对多应用(car-to-X，C2X)通信的天线。

背景技术

C2X通信被认为是促进未来安全智能移动的一项关键技术。C2X通信链路由各种组件构成，其中天线是本发明的主题。

如今的车辆配备了许多无线服务来接收无线电和电视广播，并支持移动电话和GPS导航等通信装置。将针对“智能驾驶”实施甚至更多的通信系统，例如车载环境中的无线接入(WAVE)、车载通信系统。因此，汽车天线的数量在不断增加，而小型化要求正成为降低成本的重要因素。

欧洲和美国的汽车间通信系统采用IEEE802.11p标准，该标准可以在以下范围操作：

在5.855-5.925GHz下的ITS-G5A、ITS-G5B和ITS-G5D频带，可以被称为第一高频带。

专用于WLAN的在5.470-5.725GHz下的ITS-GSC频带，可以被称为第二高频带。

日本ARIB STD-T109标准使约700MHz-800MHz下的频带专用于智能运输系统，该频带可以被称为低频带。低频带内的操作频率通常是755.5-764.5MHz，具有760MHz的中心频率和9MHz或更小的占用带宽。在一些国家，LTE通信在以低至700MHz开始的类似频率下操作。

汽车应用的天线布置可以鲨鱼鳍状结构设置在车辆的车顶上。单个谐振天线元件具有与操作频率成反比的尺寸。天线布置可以具有用于在高频带下操作的第一天线元件和用于在低频带下操作的第二天线元件。为了在鲨鱼鳍状结构的界限内装配，第二天线元件可以设置在鲨鱼鳍的较高部分中，紧邻位于鲨鱼鳍的较浅部分中的第一天线元件。此类天线布置的困难之处在于第一和第二天线元件通常彼此干扰并因此产生不均匀的辐射图。即，具有全向性受损的辐射图。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种天线，该天线包括：

基板；

在基板上的导体图案，其中该导体图案包括第一和第二导体区域，

其中第一导体区域一般在基板的第一端处，第二导体区域一般在基板的相对第二端处，其中第一方向在基板的第一端与第二端之间延伸；

其中第一导体区域具有两个臂，两个第一导体区域臂平行于第一方向延伸并且在两个第一导体区域臂之间界定第一狭槽；

其中第二导体区域具有两个臂，在两个臂之间界定第二狭槽，并且两个第二导体区域臂平行于第一方向延伸，其中两个第二导体区域臂搁置在第一狭槽内，第一狭槽的一部分在两个第二导体区域臂的外侧，其中第二导体区域具有平行于第一方向延伸但是与两个其它第二导体臂相反的第三臂；

第一馈电端口，该第一馈电端口桥接两个第二导体区域臂中的一个的一端与第一狭槽的底部；以及

第二馈电端口，该第二馈电端口桥接两个第二导体区域臂中的另一个的一端与第一狭槽的底部；

第三馈电端口，第三馈电端口用于第二导体区域。

天线有效地组合两个天线结构以获得紧凑且集成的三重馈电、双频带分集天线。在一个天线结构中组合多个天线可以减少天线的物理覆盖面，这对于一些汽车应用来说是可取的。此外，已经发现天线所产生的辐射图当在多个频带中操作时具有良好的全向性。

基板可以是平面的或平坦的。导体图案可以印刷在基板上。第一导体区域可以由连续导体提供。第二导体区域可以由连续导体提供。第一导体可以独立于第二导体或与第二导体分隔开。第一导体区域的两个臂设置在该导体区域的相应的相对外侧上。第一和第二导体区域的相对侧可以沿着第一方向在基板的第一端与第二端之间延伸。第一导体区域的两个臂可以设置在第一导体区域的相应侧。

第一导体区域一般可以在基板的第一端处，这是因为第一导体区域的大部分比第二导体区域的大部分更接近基板的第一端。第二导体区域一般可以在基板的第二端处，这是因为第二导体区域的大部分比第一导体区域的大部分更接近基板的第二端。区域的大部分可以是大于该区域的一半。

第一馈电端口可以桥接两个第二导体区域臂中的一个的端部与第一狭槽底部处的第一导体区域。第二馈电端口可以桥接两个第二导体区域臂中的另一个的端部与第一狭槽底部处的第一导体区域。

天线可以包括在基板第二端处的安装元件。该安装元件可以被配置成将基板安装在接地层上。天线可以包括附接到基板第二端的接地层。该接地层可以垂直于基板。第三馈电端口可以位于第二导体区域与接地层之间。第三馈电端口可以桥接第二导体区域与接地层。第三馈电端口可以在基板的第二端。第三馈电端口可以比第二导体区域更接近基板的第二端。第三馈电端口可以电连接到接地层。第三馈电端口可以电连接到第二导体区域。第三馈电端口可以邻近基板的第二端。

第二导体区域可以提供用于天线的虚拟接地层。第二导体区域可以提供用于天线的接地层，用于将信号馈送到第一和第二馈电端口。

在第一方向上第二导体区域可以比第一导体区域更长。

第一和第二馈电端口可以支持以4.95-6.0GHz范围内的频带操作。第一和第二导体区域可以支持以4.95-6.0GHz范围内的频带操作。天线可以针对5.9GHz的操作频率设计。天线可以被配置成以5.9GHz的频率操作。第三馈电端口可以支持以包含700MHz的频带操作。第一和第二导体区域可以支持以包含700MHz的频带操作。第三馈电端口可以支持以755-765MHz范围内的频带操作。第一和第二导体区域可以支持以755-765MHz范围内的频带操作。天线可以针对760MHz的操作频率设计。

根据本发明的另一方面，提供一种包括该天线的车辆天线。

根据本发明的另一方面，提供一种天线单元，包括该车辆天线和用于在车顶上安装的外壳。外壳可以包括竖直幅板，基板放置于该竖直幅板中。外壳可以具有小于100mm的高度。外壳可以具有小于70mm的宽度。外壳可以具有小于200mm的长度。

根据本发明的另一方面，提供一种包括该天线或该天线单元的车辆或车辆通信系统。

虽然本发明容许各种修改和替代形式，但是已经借助于例子在图式中示出其特殊性且将进行详细描述。然而，应理解，超出所描述的特定实施例的其它实施例也是可能的。也涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。

以上论述并不旨在呈现当前或将来权利要求集的范围内的每一示例实施例或每一实施方案。附图和之后的具体实施方式还举例示出了各种示例实施例。结合图式并考虑以下具体实施方式可以更全面地理解各种示例实施例。

附图说明

现将参考附图仅以示例的方式描述一个或多个实施例，附图中：

图1示出多重馈电、多频带分集天线；

图2示出有关图1中的天线的第一和第二馈电端口以[dB]为单位的模拟S-参数图；

图3示出有关图1中的天线的第一、第二和第三馈电端口以[dB]为单位的模拟S-参数图；

图4示出在对第三馈电端口供电的情况下在5.9GHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]；

图5示出在对第二馈电端口供电的情况下在5.9GHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]；

图6示出在对第一和第二馈电端口供电的情况下在5.9GHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]；

图7示出在对第一馈电端口供电的情况下在5.5GHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]；

图8示出在对第二馈电端口供电的情况下在5.5GHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]；

图9示出在对第一和第二馈电端口供电的情况下在5.5GHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]；以及

图10示出在对第三馈电端口供电的情况下在760MHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]。

具体实施方式

图1示出天线10的示意图。天线提供双频带操作，可以实现高频带(该高频带可以为5.470-5.925GHz)下汽车对多应用通信和RLAN的MIMO功能，以及低频带(相对于高频带)(该低频带可以为700-800MHz)下的ITS或LTE带宽支持。在这个例子中，以相距相对低频带大于1GHz的第一频带提供高频带。

NXP TEF5100/5200是用于汽车对多应用(C2X)应用的双无线电多频带RF收发器IC，支持四个频带：760MHz的WAVE Japan、从2.4到2.5GHz的Wi-Fi、从4.9到5.85GHz的Wi-Fi以及5.85到5.95GHz的WAVE 802.11p。在一些使用情况下，该架构支持2×2分集操作。可以提供包括天线10的通信系统，例如RF收发器、软件定义无线电处理器、安全元件和应用程序处理器。

天线10包括平面基板14。在平面基板14的单个表面上设置第一导体区域16和第二导体区域18。在基板14的仅一侧上设置导体区域16、18可以降低制造天线的成本。

平面基板14可以是印刷电路板材料，例如FR4或具有针对操作频带的足够性能的任何介电材料。由于可以使用针对印刷电路板的现有技术，所以基板14的选择可以保持较低的成本，而且制造成本也很低。

导体区域16、18可以由铜或具有针对操作频带的足够性能的其它材料组成。导体区域16、18可以非常薄，例如35μm或更薄。导体区域16、18可以由保护层覆盖以防止氧化以及减少因温度所致的退化，并因此满足汽车应用的严格要求。

天线10在接地层12上方操作，例如在车辆的车顶。天线10可以考虑包括接地层12。基板14竖直地安装在接地层12上，该接地层12水平地延伸。基板14可以使用例如夹片可移除地安装在接地层12上。替代地，基板14可以使用例如胶粘剂永久地连接到接地层12。因此接地层12垂直于基板14。

天线10及其第一和第二导体区域16、18各自在第一方向30上延伸。第一方向30可被视为天线10的纵向或轴线方向。相对于第一方向30，第一导体区域16设置为邻近天线10的第一端32，且第二导体区域18设置为邻近天线10的第二端34。第一导体区域16的接口边缘在接口区域36处面向第二导体区域18的接口边缘。在导体区域16、18的接口边缘面向彼此的接口区域36中形成交叉指型平行臂和狭槽布置。

第一导体区域16和第二导体区域18各自包括基本上长方形主体16a、18a和臂16c、18d。第一导体区域16包括两个外臂16c，从第一导体区域16的主体16a延伸到接口区域36中。外臂16c界定第一导体区域16内的单个第一狭槽16b。第一狭槽16b后移到第一导体区域16的接口边缘。狭槽定义为导体区域内部的或至少部分地以导体区域为界的非导电部分。第二导体区域18包括从第二导体区域18的主体18a延伸到接口区域36中的两个内臂18c。第二导体区域18的内臂18d延伸到由第一导体区域16界定的单个第一狭槽16b中。内臂18c在第二导体区域18内界定单个第二狭槽18b。该第二狭槽18b后移到第二导体区域18的接口边缘中。第二导体区域18的内臂18d界定于第一导体区域16的外臂16c之间。也可被称作分支或指的臂16c、18d可以具有相同长度。内臂18d中的每一个通过外部非导电部分16d、16e与相应外臂16c分隔开。界定于第二导体区域的内臂18d之间的狭槽18b提供中心非导电部分。因此在内臂和外臂16c、18d之间总共界定三个非导电部分16d、16e、18b。这三个非导电部分16d、16e、18b也可以被视为狭槽。中心非导电部分是闭合狭槽并且外部非导电部分16d、16e是开放狭槽。“开放”意指在狭槽末端不存在导电材料，而“闭合”意指在狭槽末端存在导电材料。

从第二导体区域的主体18a的伸出部18c设置在内臂16c之间，使得由非导电部分16d、16e提供的狭槽中的每一个可以具有相同长度。

第二导体区域18的内臂18d与第一导体区域16的主体16a间隔开。第一导体区域16的外臂16d与第二导体区域18的主体18a间隔开。

天线10包括第一、第二和第三馈电端口22、24、26。每个馈电端口22、24、26提供允许外部电路连接到天线10的连接点。每个馈电端口22、24、26可以包括连接部(未示出)，该连接部被配置成接收传输线并且在连接部与传输线之间形成电连接。该连接部可以包括夹持元件。

第一和第二馈电端口旨在以具有总带宽5.470-5.925GHz的第一和第二高频带操作天线。第一和第二馈电端口22、24连接于第一导体区域16的主体16a与第二导体区域18的内臂18d的端部之间。具体来说，第一馈电端口22桥接第二导体区域18的内臂18d中的一个的一端与第一狭槽16b的底部。此外，第二馈电端口24桥接第二导体区域18的内臂18d中的另一个的一端与第一狭槽16b的底部。第一和第二馈电端口22、24使天线能与分集天线一样在高频带中操作。

在更高频带下提供性能的天线结构是第一导体区域16以及第二导体区域18的主体18a邻近接口区域36的一部分。通过第一导体区域16以及第二导体区域18的主体18a邻近接口区域36的一部分提供分集或MIMO(多输入多输出)功能。进一步朝向天线10的第二端34的第二导体区域18的主体18a的其余部分提供用于更高频带(但不用于整体天线10)的虚拟竖直接地层。

第一导体区域16在第一方向30上的长度(包含主要区域和臂)表示高频带的操作频率的一半电波长，而开放狭槽16d、16e的长度是操作频带的操作频率的四分之一电波长。

第一导体区域16的宽度(垂直于第一方向30)不直接与操作波长相关，并且可以小于操作频带的波长的四分之一。第一导体区域16的宽度确实对操作带宽产生影响。更大的宽度导致更大的带宽。

中心狭槽18b在第一方向30上的长度界定其中第一和第二馈电端口22、24具有最大隔离的频率。中心狭槽18b的长度是其中存在最大隔离的频率的电波长的四分之一。这是因为在端部闭合的四分之一波长狭槽在输入端存在高输入阻抗。

连接于导体区域16、18之间的第一和第二馈电端口22、24围绕外部非导电部分16d、16e产生电流。此电流耦合到第一导体区域16中，并且更精确地分布在整个长度上，即操作频率下的一半谐振波长。

外部非导电部分16d、16e的宽度可以用于影响第一和第二馈电端口22、24的输入阻抗。这一机构允许第一和第二馈电端口22、24的匹配。

已发现，第二导体区域18的主体18a在第一方向30上的长度可以延伸而不会显著影响天线在高频带中的性能。已经利用这一特性使得能够通过相同天线10提供与高频带一样的第二操作频带。在这个例子中，在第一方向上第二导体区域18的主体18a比第一导体区域16的主体16a更长。

第三馈电端口26设置在基板14的第二端34，并且位于基板14的第二端34与接地层之间或桥接该第二端34与该接地层。第三馈电端口提供到第二导体区域18的直接电连接并且还提供到接地层12的直接电连接。在这个例子中，第三馈电端口26的区域可以比第一或第二馈电端口22、24的区域更大，使得第三馈电端口26被配置成接收低频带，该低频带是与第一和第二馈电端口22、24接收的高频带相比更低的频带。

第一和第二导体区域16、18的组合能够由馈送到第三馈电端口26的信号引起在低频带下辐射能量。第一和第二导体区域16、18的组合当在接地层上使用时提供谐振四分之一波单极天线

模拟已经证实多重馈电、多频带分集天线10的三个馈电端口22、24、26是充分相匹配且隔开的。如下文论述，天线10所提供的辐射图对于两种操作频带是相对全向的。通过以竖直布置提供第一导体区域16和第二导体区域18且在使用中第一导体区域16一般在第二天线区域18上方，能实现天线的全向性质。就此而言，可以相对于现有技术天线布置改进天线的性能，其中提供低操作频带和高操作频带的单独的天线单元设置为紧邻彼此(并排)并且水平地移位。图2到10示出图1的天线的模拟性能结果。利用Ansys电磁套件软件的三维电磁模拟器HFSS执行这些模拟。

图2示出取决于频率，有关图1中的天线的第一和第二馈电端口以分贝(dB)为单位的模拟反射系数(S-参数)。

第一反射系数特征曲线202示出第一馈电端口的输入反射系数(|S₁₁|)。第二反射系数特征曲线204示出第二馈电端口的输入反射系数(|S₂₂|)。第一和第二馈电端口在高频带中均存在良好的匹配，因为在高频带中|S₁₁|或|S₂₂|低于-10dB。第一特征曲线202上的标记m1、m2指示在5.5-6GHz范围内(在第二高频带中)匹配是在-10.29dB或更低。

隔离特征曲线206示出第一和第二馈电端口之间的隔离(|S₂₁|和|S₁₂|)。因为|S₂₁|和|S₁₂|低于-9.5dB，所以在频率范围内提供第一和第二馈电端口之间的充分隔离。隔离特征曲线206上的标记m3、m4指示在5.5-6GHz范围内(在第二高频带中)隔离是在-19.56dB或更低。

图3示出有关图1中的天线的第一、第二和第三馈电端口以分贝(dB)为单位的额外模拟反射系数(S-参数)。

重叠的第一和第二隔离特征曲线302、304分别示出第二和第三馈电端口之间的隔离(|S₃₂|和|S₂₃|)和第一和第三馈电端口之间的隔离(|S₃₁|和|S₁₃|)。在高频带[5.470-5.925GHz]和低频带[755-765MHz]中，第三馈电端口与第一和第二馈电端口两者之间存在充分隔离，这是因为在这些频带内：

|S₃₂|或|S₂₃|低于-10dB；并且

|S₃₁|或|S₁₃|低于-10dB。

第三反射系数特征曲线306示出第三馈电端口的输入反射系数(|S₃₃|)。在低频带[755-765MHz]中第三馈电端口存在良好的匹配，这是因为对于集中在低频带的约240MHz的带宽，|S₃₃|低于-9.5dB。第三反射系数特征曲线306中的多个最小值308大致与低频带的中心频率的谐波相关，因此不特别关注。

图4到6显示在第一高频带内5.9GHz下图1的所提议天线在水平面的模拟辐射图[dBi]。在图4中，对第一馈电端口供电。在图5中，对第二馈电端口供电。在图6中，对第一和第二馈电端口两者供电。

辐射的方向性取决于馈电的端口。如果驱动第一和第二馈电端口中的一个，那么分别对于图4中的标记m3和图5中的标记m4，在φ＝270°和φ＝90°处的增益均为0.7dBi。

在发射分集的情况下，第一和第二馈电端口两者馈入相同RF信号，并且如图6所示建立具有1.2dBi的平均增益的全向辐射图。

图7到9显示在第二高频带内5.5GHz下图1的所提议天线在水平面的模拟辐射图[dBi]。在图7中，仅对第一馈电端口供电。在图8中，仅对第二馈电端口供电。在图9中，对第一和第二馈电端口两者供电。

辐射的方向性取决于馈电的馈电端口。如果驱动第一和第二馈电端口中的一个，那么分别对于图7中的标记m3和图8中的标记m4，在φ＝270°和φ＝90°处的增益均为大致1.3dBi。

在发射分集的情况下，第一和第二馈电端口两者馈入如图9所示的相同RF信号。建立具有1.5dBi的平均增益的全向辐射图。

已发现，操作高频带的天线的辐射方向性能对于第二导体区域的长度相对不灵敏。以此方式，可以选择第二导体区域的长度以便优化低频带中的性能同时维持高频带中的可接受性能。

图10示出在对第三馈电端口供电的情况下在低频带内760MHz下图1的天线在水平面的模拟辐射图[dBi]。建立在760MHz下具有-1.7dBi的平均增益的全向辐射图。

所属领域的技术人员将认识到，虽然已经论述了示例指令/方法，但是在本说明书中的材料可以多种方式组合从而还产生其它例子，并且应在此详细描述提供的上下文内进行理解。

应了解，称为耦合的任何组件可直接或间接地耦合或连接。在间接耦合的状况下，可在据称将耦合的两个组件之间安置额外组件。

在本说明书中，已经依据选定的细节集合而呈现示例实施例。然而，所属领域的普通技术人员将理解，可以实践包括这些细节的不同选定集合的许多其它示例实施例。希望所附权利要求书涵盖所有可能的示例实施例。

Claims

1.一种天线，其特征在于，包括：

基板；以及

在所述基板上的导体图案，其中所述导体图案包括第一和第二导体区域，

其中所述第一导体区域在所述基板的第一端处，并且所述第二导体区域在所述基板的相对第二端处，其中第一方向在所述基板的所述第一端与所述第二端之间延伸；

其中所述第一导体区域具有两个臂，所述第一导体区域的两个臂平行于所述第一方向延伸并且在所述第一导体区域的两个臂之间界定第一狭槽；

其中所述第二导体区域具有两个臂，在所述第二导体区域的两个臂之间界定第二狭槽，并且所述第二导体区域的两个臂平行于所述第一方向延伸，其中所述第二导体区域的两个臂搁置在所述第一狭槽内，所述第一狭槽的一部分在所述第二导体区域的两个臂的外侧，其中所述第二导体区域具有平行于所述第一方向延伸但是与所述第二导体区域的两个臂相对的主体；

第一馈电端口，所述第一馈电端口桥接所述第二导体区域的两个臂中的一个的一端与所述第一狭槽的底部；

第二馈电端口，所述第二馈电端口桥接所述第二导体区域的两个臂中的另一个的一端与所述第一狭槽的所述底部；以及

第三馈电端口，所述第三馈电端口用于所述第二导体区域。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第三馈电端口邻近所述基板的所述第二端。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的天线，其特征在于，包括在所述基板的所述第二端处的安装元件，其中所述安装元件被配置成将所述基板安装在接地层上。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的天线，其特征在于，包括附接到所述基板的所述第二端的接地层。

5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述接地层垂直于所述基板。

6.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第三馈电端口位于所述第二导体区域与所述接地层之间。

7.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，在所述第一方向上所述第二导体区域比所述第一导体区域更长。

8.一种车辆天线，其特征在于，包括根据在前的任一项权利要求所述的天线。

9.一种天线单元，其特征在于，包括根据权利要求8所述的车辆天线和用于在车顶上安装的外壳，所述外壳包括竖直幅板，基板放置于所述竖直幅板中，其中所述外壳具有小于100mm的高度、小于70mm的宽度和小于200mm的长度。

10.一种车辆或车辆通信系统，其特征在于，包括根据权利要求1所述的天线或根据权利要求9所述的天线单元。