CN102017294B - 复合天线装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种复合天线装置，该复合天线装置在保持贴片天线的接收性能的同时可减小尺寸。该复合天线装置设置有棒状天线(30)和贴片天线(40)，棒状天线(30)用于接收AM/FM无线电广播，贴片天线(40)用于接收从卫星发送的频率高于AM/FM无线电广播的卫星广播的电磁波。这些贴片天线(40)侧向邻近地设置在距离棒状天线(30)小于卫星广播的电磁波波长的位置处，并且用于为这些贴片天线(40)供电的供电点(P2)设置在从这些贴片天线(40)的前边界(41B)移动取决于天线之间的距离(L)的长度的位置处。

Description

复合天线装置

技术领域

本发明涉及一种能够接收不同频带的无线电波的复合天线装置，尤其涉及一种设有棒状天线和贴片天线的复合天线装置。

背景技术

通常，在诸如汽车的车辆中，用于接收AM/FM无线电广播的棒状天线是已知的。而且，近来已经提出一种复合天线装置(例如参见专利文件1)，该复合天线装置设有贴片天线和上述类型的棒状天线，其中贴片天线用于接收频率高于AM/FM无线电广播的频率的无线电波，诸如来自GPS(全球定位系统)卫星的GPS信号和从卫星(例如SDARS(卫星数字音频无线服务)卫星)传送的卫星广播，在该复合天线装置中，棒状天线和贴片天线被制成一个单元。

专利文献

专利文件1：JP-A-2007-13273

发明内容

技术问题

由于该类型的复合天线装置安装在诸如汽车的车辆的顶部，因此需要改进该天线装置的接收灵敏度并减小其尺寸。

但是，如果要实现该天线装置的尺寸减小，由于棒状天线靠近贴片天线设置，该棒状天线会起到金属障碍物的作用并且可能降低贴片天线的接收性能(增益)。因此，在现有技术的装置中，使得贴片天线和棒状天线之间的距离至少大于由贴片天线接收的无线电波的一个波长(λ)的长度，以便减小棒状天线的物理影响，这样又存在复合天线装置的尺寸增大的问题。

因此，提出本发明以解决上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种复合天线装置，在保持贴片天线的接收性能的同时该复合天线装置的尺寸被减小。

为了解决上述问题，本发明包括用于接收第一频带的无线电波的棒状天线和用于接收高于第一频带的第二频带的无线电波的贴片天线，其中贴片天线在距离棒状天线小于第二频带的无线电波的波长的位置并排地设置，并且用于为贴片天线供电的供电点被设置在从贴片天线的一个端部移动与棒状天线和贴片天线之间的距离相应的长度的位置处。

根据该结构，由于贴片天线在距离棒状天线小于第二频带的无线电波的波长的位置并排地设置，贴片天线和棒状天线可以彼此靠近地设置，并且复合天线装置的尺寸可以被减小。而且，由于为贴片天线供电的供电点被设置在从贴片天线的一个端部移动与棒状天线和贴片天线之间的距离相应的长度的位置处，即使棒状天线施加了物理影响，在供电点处的阻抗也可以与参考值(例如50Ω)容易地匹配。因此，即使贴片天线设置在距离棒状天线小于第二频带的无线电波的波长的位置，该棒状天线的物理影响也可被减小，因此可以保持贴片天线的接收性能。

而且，在该结构中，假设两个天线之间的距离为L，贴片天线的比介电率为εr，供电点移动的长度Y可以被配置成满足下述公式：

$Y\≅L/\mathrm{\ϵ}{r}^{1/2}$

而且，设置支承贴片天线的支承构件，使得安装复合天线装置的基板和贴片天线之间的距离为使贴片天线中产生的感应电压的值变得基本上最大的距离。

而且，安装复合天线装置的基板和棒状天线的供电部分之间的距离可以被配置为设定成使得棒状天线的供电部分不会延伸进入预定仰角范围内，该预定仰角范围满足贴片天线的天线指向性性能。

而且，第一频带可以配置为包括AM/FM无线电广播的无线电波的频带。而且，第二频带可以配置为包括从卫星传送的卫星广播的无线电波的频带。

本发明的有益效果

根据本发明，在保持贴片天线的接收性能的同时能够减小复合天线装置的尺寸。

附图说明

图1为该实施方式的天线单元的侧剖视图。

图2为天线单元在前端部分处的剖视图。

图3为天线单元在后端部分处的剖视图。

图4为示出了贴片天线和棒状天线之间的设置关系的视图。

图5A为示出了贴片天线和顶板之间的距离与贴片天线中感应的感应电压的值之间的关系的曲线图，并且图5B为示出了贴片天线和顶板之间的距离与感应电压的辐射图样之间的关系的示意图。

图6为示出了贴片天线的天线元件中的电压分布的曲线图。

图7为示出了贴片天线的供电点移动的状态的俯视图。

附图标记列表

10    基板

20    压铸基底(支承构件)

21    凸起部分

22    支承壁部分

30    棒状天线

31    升压电路板

34    连接板

36    天线元件

36A   基端部分

37    供电部分

40    贴片天线

41    天线元件板

41A   中心

42    LNA电路板

43    凸缘部分

48    输出电缆

50    壳体

50A   后端部分

55    罩体

90    顶板

100   天线单元(复合天线装置)

L     距离

εr   比介电率

H1    距离

H2    距离

P2    供电点

具体实施方式

图1为该实施方式的天线单元100的侧剖视图。天线单元100主要安装在诸如汽车的车辆的顶板上，如图1所示，天线单元100包括：设置在车辆的顶板90(基板)上的基板10，设置在基板10上并且用于支承各种组成部件的压铸基底(支承构件)20，用于接收作为第一频带的AM/FM无线电广播的无线电波的棒状天线30，用于接收作为第二频带的从SDARS卫星传送的频带比AM/FM无线电广播的频带更高的卫星无线电广播的贴片天线40，以及覆盖压铸基底20、棒状天线30和贴片天线40的壳体50。

基板10由弹性树脂材料形成并设置有从其外周边缘向上凸出的环形的壁部分11。而且，圆形开口12形成在基板10的大致中央位置。

压铸基底20由铸造材料(诸如锌、铝、镁等)形成，并且在其背面侧上形成有通过基板10中的开口12突出到外部的柱状凸起部分21。该凸起部分21被插入设置在车辆的顶板90中的孔部分中，并且用作到该顶板90的安装部分，还用作与压铸基底20相连的棒状天线30和贴片天线40的接地线。

如图1和2所示，在压铸基底20的前端(一个端部)20A侧，形成有从其底面向上突出的矩形支承壁部分22，并且贴片天线40固定到支承壁部分22上。该贴片天线40包括天线元件板41和安装在该天线元件板41的背面侧上的LNA电路板42。在天线元件板41周围形成有凸缘部分43，该凸缘部分43和压铸基底20的支承壁部分22通过螺钉44紧固。在该结构中，LNA电路板42被容纳在由支承壁部分22围绕的空间中。

天线元件板41从SDARS卫星接收卫星无线电广播，并通过将金属形成的天线元件附接在由诸如陶瓷制品的电介质体形成的板上而形成。而且，天线元件板41的天线元件的元件长度被设定为相应于1/2波长(1/2λ)的长度。LNA电路板42放大在天线元件板41处接收的信号。LNA电路板42和天线元件板41通过为天线元件板41供电的供电点连接。该实施方式的卫星无线电广播为数字无线电广播，其接收频率在大致2.3GHz带中且从SDARS卫星传送的无线电波，该无线电波目前在美国正在实际使用中。在该实施方式中，由于所接收的无线电波的频率为大致2.3GHz带，所接收的波长(共振波长)λ为大致130.4mm。

另一方面，如图3所示，在压铸基底20的后端(另一个端部)20B侧，形成一对支承部分：左侧支承部分23和右侧支承部分24，且棒状天线30的升压电路板31固定到支承部分23和24。升压电路板31放大在棒状天线30处接收的信号。在该升压电路板31中形成螺钉孔31A和锁定孔31B，形成在一个支承部分23的远端处的锁定件23A插入锁定孔31B中，螺钉33插入螺钉孔31A中，并且螺钉33拧入形成在另一个支承部分24中的螺钉接收部分24A中。

而且，连接板34弯曲成大致L形，该连接板34的一端通过螺钉35固定到升压电路板31，而连接板34的另一端连接到形成在棒状天线30的天线元件36的基端部分36A上的供电部分37。

而且，输出电缆48分别连接到LNA电路板42和升压电路板31，并且输出电缆48连接到安装在车辆上的无线电接收器(未显示)。

壳体50由弹性树脂材料形成，并且如图1所示该壳体50与基板10协作覆盖设置在压铸底座20上的多个组成部件，诸如天线元件板41、LNA电路板42、天线元件36、连接板34等，并且壳体50内部的水密封性通过在基板10和壳体50之间的接合部分中设置防水包装(未显示)来保证。而且，壳体50的后端部分50A形成为向上扩张，棒状天线30的天线元件36的基端部分36A容纳在该后端部分50A中。而且，与该基端部分36A连续的天线元件36安装在壳体50的后端部分50A上。在该实施方式中，棒状天线30的天线元件36被设置为使得其远端部分在远离贴片天线40的方向上倾斜。

而且，在该实施方式中，罩体55设置在壳体50和压铸基底20之间，并且该罩体55通过螺钉56固定到压铸基底20。据此，由于壳体50能够以与罩体55分开的结构安装，可通过着色等施加色调，并且可在壳体50的表面添加各种设计。为此，包括罩体55的天线主体的结构可被制成为通用的而不需改变。

在该实施方式的天线单元100中，贴片天线40的天线元件板41和棒状天线30的天线元件36可并排设置在压铸基底20上。由于该类型的天线单元100被设置在诸如汽车的车辆的顶板90上，需要改进天线单元100的接收灵敏度并减小其尺寸。

但是，如果要实现天线单元100的尺寸减小，由于棒状天线30的天线元件36靠近贴片天线40的天线元件板41设置，天线元件36起金属障碍物的作用，并且可能降低贴片天线40的接收性能(增益)。

另一方面，如果贴片天线40的天线元件板41远远地(例如比贴片天线40接收的无线电波的一个波长(λ)的长度大)离开棒状天线30的天线元件36地设置，尽管可以抑制贴片天线40的接收性能的降低，但是无法实现天线单元100的尺寸减小。

在该结构中，在保持贴片天线40的接收性能的同时实现天线单元100的尺寸减小的设置结构具有特性。因此将描述贴片天线40和棒状天线30的设置结构。

首先将描述贴片天线40和顶板90之间的距离。

总体而言，在贴片天线40中，已知辐射图样通过在贴片天线40的天线元件板41中感应的感应电压的电压辐射形成，此时申请人通过实验等发现，贴片天线40的指向性取决于天线元件板41和位于该天线元件板41直接下方作为金属基板的顶板90之间的距离H1(见图4)。

具体而言，如果天线元件板41和顶板90之间的距离H1太短(图5B：H1＝H1a)，如图5A所示，由于感应电压低，该感应电压到顶板90的反射(bounce)小，并且如图5B所示，辐射图样X1具有窄的指向性。因此，天线的指向性变窄，天线性能受到损害。

另一方面，如果距离H1变长(图5B：H1＝H1b)，感应电压降低，如图5B所示，感应电压变为天线元件板41和顶板90之间的辐射图样X2。在该情形中，感应电压和由顶板90反射的地波(或卫星电波)彼此抵消，无法获得低角度的指向性，在低仰角的天线性能受到损害。

在该实施方式中，如图5A和5B所示，压铸基底20的支承壁部分22形成为预定的高度以设置天线元件板41，使得天线元件板41和顶板90之间的距离H1为天线元件板41中产生的感应电压变为最大值时的距离H1c(在该实施方式中，距离H1c优选地设定为9.5-10.0mm，更优选地为9.7mm)。结果，如图5B所示，可以形成适当的辐射图样X3，并且天线的指向性宽，可以改进天线性能。而且，如上所述，支承壁部分22被形成为从压铸基底20的底面突出的矩形形状，并且天线元件板41固定到该支承壁部分22的上端。因此，阻止在天线元件板41中产生的感应电压到达天线元件板41之下，并且可实现上述适当的辐射图样。

随后将描述棒状天线30的供电部分37和顶板90之间的距离。如图4所示，在用于从卫星接收信号的贴片天线40中，要求在大于预定仰角α(在该实施方式中为20度)的角度，即，在20-160度的范围内满足稳定的天线指向性性能。在该情形中，由于棒状天线30的基端部分36A和供电部分37由金属体形成，如果基端部分36A和供电部分37延伸入上述范围中，会导致对贴片天线40的指向性的损害。

因此，在该实施方式中，棒状天线30的供电部分37和顶板90之间的距离H2被设定为预定距离(在该实施方式中为大致21-23mm)，使得如果贴片天线40被设置在距离棒状天线30小于从SDARS卫星传送的信号的波长λ的位置处时，棒状天线30的供电部分37和连接到供电部分37的基端部分36A不延伸到上述范围中，这将在后文描述。

随后将描述贴片天线40和棒状天线30之间的距离。如上所述，贴片天线40和棒状天线30之间的距离L与贴片天线40的接收性能以及天线单元100的尺寸密切相关。

因此，如果距离L能够被设定得尽可能短并且同时接收性能的降低能够受到抑制，则能够在保持贴片天线40的接收性能的同时实现天线单元100的尺寸减小。

在该实施方式中，在贴片天线40的预定仰角范围(20-160度)内阻止成为金属障碍物的棒状天线30的基端部分36A或者供电部分37的延伸，从而可以实现贴片天线40的天线元件板41的中心41A与供电部分37之间的距离L的减小。具体而言，距离L设定为65-68mm。

如上所述，通过将贴片天线40的天线元件板41和顶板90之间的距离H1、棒状天线30的供电部分37和顶板90之间的距离H2、以及贴片天线40的天线元件板41的中心41A和供电部分37之间的距离L之间的比例设定为1∶2∶6，可以在保持贴片天线40的接收性能的同时实现天线单元100的尺寸减小的布局。

图6为示出了贴片天线40的天线元件中的电压分布的曲线图。在该图中，参考特征λ1表示在贴片天线40周围没有金属障碍物的状态下天线元件板41的电压分布，参考特征λ2表示在贴片天线40周围设置有金属障碍物的状态下天线元件板41的电压分布。如图6所示，如果在贴片天线40周围设置金属障碍物，即，如果天线元件板41的中心41A和棒状天线30的供电部分37之间的距离L被设定为小于所接收的波长λ(大约130.4mm)的距离(65-68mm)，则贴片天线40的天线元件中的电压分布λ2受到该供电部分37的影响。

在该实施方式中，通过根据天线元件板41的中心41A和棒状天线30的供电部分37之间的距离L将天线元件板41的供电点的位置从P1移动到P2，可以将供电部分37的物理影响最小化。

具体而言，天线元件板41的中心41A和棒状天线30的供电部分37之间的距离L、以及供电点P2的移动量Y之间的关系可使用天线元件板41的电介质体的比介电率εr和频率f表述如下：

$L/3.0\×{10}^8/f\≅Y/3.0\×{10}^8/f/\mathrm{\ϵ}{r}^{1/2}---\left(1\right)$

整理该公式，可以得到：

$Y\≅L/\mathrm{\ϵ}{r}^{1/2}---\left(2\right)$

在该实施方式中，如图7所示，供电点P2被设置在从天线元件板41的远离棒状天线30侧的一端，即，从天线元件板41的前端41B仅仅移动从上述公式(2)获得的移动量Y的位置处。根据该结构，通过根据天线元件板41的中心41A和棒状天线30的供电部分37之间的距离L改变供电点P2，在该供电点P2处的阻抗可容易地匹配参考值(例如50Ω)。因此，即使天线元件板41的中心41A和棒状天线30的供电部分37之间的距离L被设置在使得距离(65-68mm)小于所接收的波长λ(大约130.4mm)的位置，也可以减小棒状天线30的供电部分37的物理影响，而且能够保持贴片天线40的天线元件板41的接收性能。

而且，根据该实施方式，通过将贴片天线40的天线元件板41和顶板90之间的距离H1、棒状天线30的供电部分37和顶板90之间的距离H2、以及贴片天线40的天线元件板41的中心41A和供电部分37之间的距离L之间的比例设定为1∶2∶6，在新的天线单元100的研发中可以容易地设计天线单元100的布局，这有助于缩短研发周期和降低研发成本。

此外，由于可从公式(2)获得供电点P2的移动量Y，可以容易地设定阻抗匹配参考值(50Ω)的供电点的位置。因此，即使天线单元100中天线元件板41的中心41A和棒状天线30的供电部分37之间的距离L变化，也可以容易地根据距离L设定供电点P2的位置，因此实现天线单元100的研发周期的缩短。

而且，根据该实施方式，由于支承天线元件板41的压铸基底20被设置成使得在车辆的顶板90和贴片天线40的天线元件板41之间的距离H1为在天线元件板41中产生的感应电压的值变得基本上最大时的距离，可以形成适当的辐射图样并且因此可以使天线的指向性很宽，因此改进天线性能。此外，由于压铸基底20设置有从压铸基底20的底面以矩形突出的支承壁部分22，并且天线元件板41固定到该支承壁部分22的上端，阻止天线元件板41中产生的感应电压到达天线元件板41之下，并且可实现如上所述的适当的辐射图样。

而且，根据该实施方式，由于车辆的顶板90和供电部分37之间的距离H2被设定成使得棒状天线30的供电部分37不延伸进入满足贴片天线40的天线指向性性能的预定仰角范围(20-160度)，供电部分37不损害贴片天线40的天线元件板41的接收性能，因此保持了天线元件板41的接收性能。

已经解释了本发明的一种实施方式，但是本发明并不限于此。例如，在该实施方式中，棒状天线30为接收AM/FM无线电广播的天线，贴片天线40为接收卫星无线电广播的天线，但是不限于此，棒状天线30可以是接收TV广播的天线。而且，贴片天线40可以是接收GPS信号的天线或者发送/接收ETC数据的天线。

而且，在该实施方式中，已经解释了天线单元100被附接到车辆的顶板90的情形，但是无须解释，该天线单元可以被附接到适当的位置，只要其是车身板即可。

Claims (5)

1.一种复合天线装置，包括：

棒状天线，所述棒状天线用于接收第一频带的无线电波；以及

贴片天线，所述贴片天线用于接收高于所述第一频带的第二频带的无线电波，其中，所述贴片天线并排地设置在到所述棒状天线的距离小于所述第二频带的无线电波的波长的位置处；以及

供电点，所述供电点为所述贴片天线供电并且设置在从所述贴片天线的一端移动与所述棒状天线和所述贴片天线之间的距离相应的长度的位置处，其中，假设所述棒状天线和所述贴片天线之间的距离为L，所述贴片天线的比介电率为εr，所述供电点移动的长度Y满足：

$Y\≅L/{\mathrm{\ϵr}}^{1/2}.$

2.如权利要求1所述的复合天线装置，其中，设置支承所述贴片天线的支承构件，使得安装所述复合天线装置的基板与所述贴片天线之间的距离为使所述贴片天线中产生的感应电压的值变得基本上最大的距离。

3.如权利要求1所述的复合天线装置，其中，安装所述复合天线装置的基板与所述棒状天线的供电部分之间的距离被设定为使得所述棒状天线的所述供电部分不会延伸进入满足所述贴片天线的天线指向性性能的预定仰角范围内。

4.如权利要求1所述的复合天线装置，其中，所述第一频带包括AM/FM无线电广播的无线电波的频带。

5.如权利要求1所述的复合天线装置，其中，所述第二频带包括从卫星传送的卫星广播的无线电波的频带。

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