CN102017295A - 用于多种射频信号的多功能天线模块 - Google Patents

Abstract

一种用于接收多种射频信号的天线模块，包括在其上方设置有第二贴片天线(3)的第一贴片天线(2)。第一贴片天线(2)包括第一电介质基底(4)，其具有顶表面(5)以及底表面(8)，在顶表面(5)上放置有由第一电导层(7)制成的第一天线结构(6)，而在底表面(8)上具有电导材料的第二层(9)。第二贴片天线(3)包括第二电介质基底(10)，其具有顶表面(11)以及底表面(14)，在顶表面(11)上放置有由第三电导层(13)制成的第二天线结构(12)，而在底表面(14)上具有电导材料的第四层(15)。第一天线结构(6)和第二天线结构(12)中的一者具有大体圆形或椭圆形表面，而另一者具有大体多边形表面。

Description

用于多种射频信号的多功能天线模块

技术领域

本发明应用于用于车辆或可移动运输装置的天线领域，并且涉及一种用于接收多种射频信号的天线模块。

特别地，本发明公开了一种天线模块，其包括二个或更多的微带天线，所述微带天线也被称为贴片天线，它特别适合于接收和/或传输卫星波段的射频信号。

背景技术

特别是在车辆中，存在着这样众所周知的需要，即：使用适于接收和/或传输处于不同频率波段的射频信号的多个天线。

特别地，这些天线可适于接收和/或传输AM、FM、DAB、TV、GPS、GSM、UMTS波段信号及其它。这些天线通常被布置为彼此靠近以最小化空间需求并且允许它们被封装在单个壳体中。

一类特别的射频信号是用于卫星应用的射频信号。这些信号具有高于1GHz的频率并且用以接收它们的最合适的天线通常是贴片天线。

这些天线通常包括电介质基底，其具有顶表面以及底表面，在顶表面上放置有由电导层制成的天线结构，而在底表面上具有另一层电导材料。

这些天线还具有天线连接器，也被称为“馈点”，该天线连接器延伸穿过天线。

贴片天线能够处理的信号频率基本上由形成天线结构且通常由金属制成的电导层的形状和尺寸以及由电介质基底的尺寸和类型确定。

然而，这种类型的天线适合于用于属于相当窄的频率波段的信号。

基于它们的操作，贴片天线可被分为两大类。

第一类包括电导层具有大体多边形特别是方形或矩形的平面形状的贴片天线。在这种类型天线中，模式即共振频率是基频的整数倍。而且，基频直接相关于形成天线结构的表面的多边体的较大尺寸。

特别地，其天线结构具有多边形表面的贴片天线可作为共振腔以及开放传输线来研究。在两种情况下，天线能够处理的信号的基频可通过以下公知方程来确定：

$\left(1\right)L=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$

因此，能够由天线处理的信号的基波长是多边体的较大尺寸的长度的两倍，其中具有相关于基底的电介质常数的校正系数。进一步地，如上所述的这种类型的天线也能够接收所有的整数谐波，即其频率为基频的整数倍的所有的信号。

在第二类天线中，电导层具有大体圆形或椭圆形的平面形状。在这种情况下，共振模式即共振频率是基频的非整数倍。

亦即，这种类型的贴片天线可只作为共振腔来研究。这种天线能够处理的信号的基频可通过以下公知方程来确定：

$\left(2\right)d=\frac{{X^{\′}}_o\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

其中d是圆的直径或者椭圆的长轴，而X’o是用于天线结构的零阶贝塞尔函数。

因此，天线的基波长以取决于贴片天线整体的系数而相关于天线结构表面的直径或长轴。进一步地，已经解释这些天线适于截止即不处理所有的整数谐波即其频率为基频的整数倍的所有的信号，而是处理非整数谐波即其频率为基频的非整数倍的信号。

关于车辆应用，出于各个不同的用途，已知多个天线被安装于车辆的各个位置。如果使用贴片天线，则它们通常按并排关系以不同的元件插入在天线模块中，这需要更大的空间。进一步地，需要适当的互相解耦以确保各单个天线元件的完美操作。

出于减小尺寸的目的，具有堆叠的贴片天线的天线模块的多个实施方式已在本领域中提供。其示例在US 5,121,127以及US 4,089,003中公开，这些专利描述其天线结构具有圆形表面的堆叠的贴片天线，并且，也在EP 521384中公开，该专利描述其天线结构具有多边形表面的堆叠的贴片天线。

因此，在本领域中已知的是，通过堆叠贴片天线来形成天线模块，所述贴片天线的天线结构具有相同平面形状的表面，以接收不同的信号或拓宽可接收射频信号的波段。

然而，这些天线模块并不适合于同时适用于需要处理基频的整数谐波的应用以及需要这种谐波被截止的应用。

另一个示例性的现有技术的天线模块公开在专利申请EP 1619752中。该专利申请描述两个堆叠的贴片天线，其天线结构即为λ/2型。该文献特别提及上贴片天线(包括电介质基底)的总尺寸小于下贴片天线的总尺寸，这允许下贴片天线确保更好的RF(射频)信号接收，因为该下贴片天线至少部分地暴露。

然而，如果两种应用涉及相似的频率，则存在最小尺寸差，结果接收得到改进的优点被消除。

进一步地，这种天线模块还具有不适合于同时覆盖需要处理基频的整数谐波的应用以及需要这种谐波被截止的应用的缺陷。

发明内容

本发明的总体目的在于通过提供一种有用的且节省成本的天线模块来克服上述缺陷。

以上预期的总体目的中的特别目的在于提供一种天线模块，其能够同时适合需要处理基频的整数谐波的应用以及必须将这种谐波截止的应用。

本发明的进一步的目的在于提供一种天线模块，其允许利用最小化尺寸的上贴片天线来处理相同数目的信号频率，使得下贴片天线能够尽可能地暴露，以便改进射频信号的接收和/或传输。

本发明的另一个目的在于构思一种特别小和紧凑的天线模块。

如下文更好地解释的这些和其它目的通过如限定在独立权利要求中的一种适于紧固到车辆的天线模块来实现。

特别地，本发明的模块包括至少一个第一贴片天线，在所述第一贴片天线上方设置有至少一个第二贴片天线，其中，所述至少一个第一贴片天线包括第一电介质基底，所述第一电介质基底具有顶表面和底表面，在所述顶表面上放置有由第一电导层制成的第一天线结构，而在所述底表面上具有电导材料的第二层，所述至少一个第二贴片天线包括第二电介质基底，所述第二电介质基底具有顶表面和底表面，在所述顶表面上放置有由第三电导层制成的第二天线结构，而在所述底表面上具有电导材料的第四层，其特征在于，所述第一天线结构和所述第二天线结构中的至少一者具有大体圆形或椭圆形表面，而所述第一天线结构和所述第二天线结构中的另一者具有大体多边形表面。

其天线结构具有圆形或椭圆形表面的至少一个贴片天线与其天线结构具有多边形表面的至少一个贴片天线的组合能够适合也需要接收基频的整数谐波的应用以及适合必须将这种谐波截止的应用。

还应当理解，多个贴片天线的堆叠布置能够减小尺寸并且能够适合多种应用。

在优选的实施方式中，第二天线结构具有大体圆形或椭圆形表面，而第一天线结构具有大体多边形表面。

通过这种布置，可以使用减小尺寸的上贴片天线来处理相同数目的信号频率，使得下贴片天线能够尽可能地暴露。这是因为，考虑到待被处理的相同数目的信号频率，具有圆形天线结构的贴片天线与具有多边形天线结构的等同的贴片天线相比能够减小16％的尺寸。因此，具有圆形表面的天线结构的设置允许使用比现有技术的实施方式中尺寸更小的上贴片天线，这些现有技术的实施方式仅使用具有多边形天线结构的贴片天线。进一步地，具有多边形表面的天线结构的设置允许使用比现有技术的实施方式中尺寸更大的下贴片天线，这些现有技术的实施方式仅使用圆形天线结构的贴片天线。

简言之，这种构造的实施能够使下贴片天线和上贴片天线的表面尺寸之间的差异最大化，从而优化下贴片天线的操作。

附图说明

本发明进一步的特性和优点将通过阅读本发明的天线模块的优选且非排它的若干实施方式的详细描述而变得更加清楚，这些实施方式借助于附图、作为非限制性示例而被描述，在所述附图中：

图1是本发明的天线模块的立体图；

图2和3是图1的天线模块的分解图。

具体实施方式

参照图1，示出了本发明的适于被紧固到车辆或相似的运输装置的天线模块1。

特别地，模块1包括第一贴片天线2，其上方设置有第二贴片天线3。该实施方式应当将仅仅作为示例并且不作为对不同实施方式的限制，在不同实施方式中设有多于两个的堆叠的贴片天线。

更详细地，也参照图2和3，第一贴片天线2被示出为包括第一电介质基底4，其具有顶表面5和底表面8，在顶表面5上放置有由第一电导层7制成的第一天线结构6，在底表面8上具有电导材料的第二层9。

同样地，第二贴片天线3包括第二电介质基底10，其具有顶表面11和底表面14，在顶表面11上放置有由第三电导层13制成的第二天线结构12，在底表面14上具有电导材料的第四层15。

再一次，在此示出和描述的实施方式将不应当作为对不同实施方式的限制，在不同实施方式中，例如，对于每个贴片天线设有多于一个的天线结构。

在本发明的一个实施方式中，第一贴片天线2包括至少一个第一天线连接器16，其穿过第一基底4从第一天线结构6延伸。同样地，第二贴片天线3包括至少一个第二天线连接器17，其穿过第二基底10和第一贴片天线2两者从第二天线结构12延伸。

在也不将限制不同实施方式的本发明的另一方面中，第一天线连接器16和第二天线连接器17彼此分开。进一步地，第一天线连接器16和第一天线结构6之间的连接区域被第一贴片天线3覆盖。

根据本发明，第一天线结构6和第二天线结构12中的至少一个具有大体圆形或椭圆形表面，并且另一个具有大体多边形表面。

这种布置能够同时适合也需要接收基频的整数谐波的应用以及必须截止这种谐波的应用。

在此公开的天线模块1特别适合于用在使用卫星RF(射频)信号的应用中。出于这种目的，具有大体多边形表面的天线结构是λ/2型。

特别地，多边形表面优选地但不限于为方形或矩形形状。在这些情况下，一条边即长边的长度是贴片天线将要处理的波长的一半。

为了进一步改进第一贴片天线2的操作，属于第二贴片天线3的第二基底10的上表面11和下表面14中的每一个的表面延伸便利地小于属于第一贴片天线2的第一天线结构6的表面延伸。

这个方面的优化通过设置具有大体圆形或椭圆形平面形状的表面的第二天线结构12和具有大体多边形平面形状的表面的第一天线结构6来获得。这是因为，考虑到待被处理的相同数目的信号频率，大体圆形的平面形状与具有多边形天线结构的等同贴片天线相比能够减小16％的尺寸。

关于第一天线结构6，其表面区域等于或小于第一基底4的上表面5的表面区域。同样地，第二天线结构12的表面区域等于或小于第二基底10的上表面11的表面区域。

在本发明的另一方面中，电导材料的第二层9和第四层15是叠合的。事实上，这方面仅仅涉及到模块的实际实施并且不会影响堆叠的贴片天线2、3的操作。这是因为，通常通过金属化而获得的两个电导层7、13被彼此分开时，它们能够被同化为单个电导元件，这考虑到了由天线2、3处理的信号频率。

因此，在第二基底10的下表面15或第一基底的上表面5中的任一个上进行单个金属化或者进行两个不同的金属化的决定仅仅取决于将被实施的生产工艺。

便利地，根据上述方程(2)，具有大体圆形或椭圆形平面形状的所述第二天线结构12的圆的直径或椭圆的长轴基于由天线处理的信号的基频来确定：

$d=\frac{{X^{\′}}_o\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

其中X’o是用于天线结构的零阶贝塞尔函数。

由上可知这种天线模块实现了期望的目的并且能够特别地同时适用于需要处理基频的整数谐波的应用以及需要这种谐波被截止的应用。

进一步指出的是，本发明的天线模块允许以尺寸得到减小和优化的上贴片天线来处理相同数目的信号频率，使得下贴片天线能够尽可能地暴露，从而改进其射频信号的接收和/或传输。

而且，本发明的模块紧凑并且可被易于插入在一个小的保护壳体中。

本发明的天线模块容许在所附权利要求中公开的本发明概念内进行多种变型和改型。其所有的细节可被其它技术等同部件替代，并且取决于不同的需要可改变材料，这不会偏离本发明的范围。

尽管已特别参照附图对天线模块进行了描述，但是在本公开和权利要求书中所提及的附图标记仅仅出于更好理解本发明而使用，而不应当旨在以任何方式限制所要求保护的范围。

Claims (12)

1.一种用于处理多种射频信号的多功能天线模块，包括至少一个第一贴片天线(2)，在所述第一贴片天线上方设置有至少一个第二贴片天线(3)，其中，

-所述至少一个第一贴片天线(2)包括第一电介质基底(4)，所述第一电介质基底具有顶表面(5)和底表面(8)，在所述顶表面上放置有由第一电导层(7)制成的至少一个第一天线结构(6)，而在所述底表面上具有电导材料的第二层(9)；

-所述至少一个第二贴片天线(3)包括第二电介质基底(10)，所述第二电介质基底具有顶表面(11)和底表面(14)，在所述顶表面上放置有由第三电导层(13)制成的至少一个第二天线结构(12)，而在所述底表面上具有电导材料的第四层(15)；

其特征在于，所述第一天线结构(6)和所述第二天线结构(12)中的至少一个具有基本上圆形或椭圆形表面，而所述第一天线结构(6)和所述第二天线结构(12)中的另一个具有基本上多边形表面。

2.如权利要求1所述的天线模块，其特征在于，所述第二天线结构(12)具有基本上圆形或椭圆形表面，而所述第一天线结构(6)具有基本上多边形表面。

3.如权利要求1或2所述的天线模块，其特征在于，所述第二基底(10)的所述上表面(11)和所述下表面(14)中的每一个的表面区域小于所述第一天线结构(6)的表面区域。

4.如任一项前述权利要求所述的天线模块，其特征在于，所述第一天线结构(6)的表面区域至多等于所述第一基底(4)的上表面(5)的表面区域，而所述第二天线结构(12)的表面区域至多等于所述第二基底(10)的上表面(11)的表面区域。

5.如任一项前述权利要求所述的天线模块，其特征在于，所述第一贴片天线(2)包括至少一个第一天线连接器(16)，所述第一天线连接器从所述第一天线结构(6)延伸通过所述第一基底(4)。

6.如权利要求5所述的天线模块，其特征在于，所述第二贴片天线(3)包括至少一个第二天线连接器(17)，所述第二天线连接器从所述第二天线结构(12)延伸通过所述第二基底(10)和所述第一贴片天线(2)。

7.如权利要求6所述的天线模块，其特征在于，所述第一天线连接器(16)和所述第二天线连接器(17)彼此分开。

8.如权利要求5至7中任一项所述的天线模块，其特征在于，在所述第一天线连接器(16)与所述第一天线结构(6)之间的连接区域由所述第二贴片天线(3)覆盖。

9.如任一项前述权利要求所述的天线模块，其特征在于，所述电导材料的第二层(9)和所述电导材料的第四层(15)是一致的。

10.如任一项前述权利要求所述的天线模块，其特征在于，根据以下方程、基于待由天线处理的信号的基频来确定具有基本上圆形或椭圆形平面形状的所述第二天线结构(12)的圆的直径或椭圆的长轴：

$d=\frac{{X^{\′}}_o\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

其中X’o是用于天线结构的零阶贝塞尔函数。

11.如任一项前述权利要求所述的天线模块，其特征在于，所述多边形表面具有基本上方形形状。

12.如任一项前述权利要求所述的天线模块，其特征在于，所述多边形表面具有基本上矩形形状。

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