CN102427170A

CN102427170A - 天线设备

Info

Publication number: CN102427170A
Application number: CN2011102227868A
Authority: CN
Inventors: 山保威; 寺下典孝; 松永和也; 永见成志
Original assignee: Yokowo Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-08-01
Also published as: JP5599098B2; EP3477769A1; CN102427170B; EP2413425A2; EP2413425B1; US20120026050A1; DE202011110929U1; EP2413425A3; US8519898B2; JP2012034226A

Abstract

一种天线设备，包括：天线基板，其具有平板形状；顶部电容负载型单极天线的电容负载板，所述电容负载板与天线基板平行地布置；以及平面天线，其布置在天线基板与电容负载板之间。在电容负载板的宽度方向上的、电容负载板的至少一部分的尺寸小于平面天线的接收频率的约1/4波长，并且在电容负载板的宽度方向上的、电容负载板的边缘被折回，使得电容负载板具有在电容负载板的长度方向上延伸的蜿蜒形状。

Description

天线设备

背景技术

本发明涉及其中并入了用于接收FM广播的FM天线和用于接收GPS信号和/或卫星数字无线电广播的平面天线等的天线设备。

在安装在车辆上的天线设备中，分别要求用于接收FM广播、卫星数字广播和/或GPS信号的天线。然而，在其中单独地布置这些天线的情况下，外观将不美观，并因此，在这种天线设备的一个外壳中并入多个天线。此外，作为天线设备，紧凑且低姿态的天线设备是期望的。因此，考虑使用顶部电容负载型单极天线来代替杆状天线。在JP-A-2010-21856和JP-A-2009-135741中公开了使用这种顶部电容负载型单极天线的示例。在JP-A-2010-21856中公开的天线设备中，并入FM天线和用于接收GPS信号的平面天线。在JP-A-2009-135741中公开的天线设备中，并入了FM天线和用于接收卫星数字广播的平面天线。

在JP-A-2010-21856中公开的技术中，要被用作FM天线的顶部电容负载型单极天线的电容负载板被布置在从天线基板向上分开的位置处并与天线基板的平面平行。因此，可以实现具有低姿态的天线设备。然而，在其中平面天线被设置在天线基板上且在电容负载板下方的情况下，可以预测由于电容负载板的影响将降低平面天线的增益。

此外，在JP-A-2009-135741中公开的技术中，在天线基板上竖立地提供用作FM天线的单极天线。因此，可以预测被设置在天线基板上且在FM天线下方的平面天线将不太可能受到FM天线的影响。然而，由于相对于天线基板竖立地提供FM天线，所以不可能实现具有低姿态的天线设备。

作为第一步骤，本发明的发明人在从天线基板向上分开的位置处且与天线基板的平面平行地布置将用作FM天线的顶部电容负载型单极天线的电容负载板，并以与在JP-A-2010-21856中公开的技术中相同的方式，将平面天线设置在天线基板上且在电容负载板下方。然后，本发明人执行用于确定由于电容负载板的影响而降低平面天线的增益的程度的测量。图14是用于测量被设置在电容负载板下方的GPS贴片天线的增益的仿真模型的透视图。作为平面天线的GPS贴片天线12被设置在接地层10的中心处，并且顶部电容负载型单极天线的电容负载板14被设置在GPS贴片天线12之上，在50mm的高度H的位置处。此电容负载板14的长度L是100mm，并且其宽度W是30mm。图15示出在其中电容负载板14的中心在宽度和长度的方向上从GPS贴片天线12的中心移位的情况下、如图14所示的结构中的GPS贴片天线12的增益变化。GPS贴片天线12在顶点的方向上具有7dBic的增益，除非提供电容负载板14。当GPS天线12在宽度方向上的约±25mm和长度方向上的±30mm范围内、从电容负载板14的中心移位时，增益减少至3至4dBic，并且增益相对地减小。当GPS天线12在宽度方向上的约±45mm和长度方向上的±50mm范围内、从电容负载板14的中心移位时，增益减少至4至5dBic，并且增益显著地减小。可以通过使电容负载板14的中心显著地从GPS贴片天线12的中心移位来减少电容负载板14的这种影响。然而，在这种情况下。用于安装天线设备的面积增加。

在该情况下，期望的是通过在从天线基板向上分开的位置处且与天线基板的平面平行地布置将被用作FM天线的顶部电容负载型单极天线的电容负载板来使得天线设备具有低姿态，如在JP-A-2010-21856中公开的技术中那样，并且此外，被设置在天线基板上和电容负载板下方的平面天线不受电容负载板影响。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种天线设备，其中顶部电容负载型单极天线的电容负载板被布置在从采取平板形状的天线基板向上分离的位置处并与天线基板的平面平行，并且此外，被设置在天线基板上和电容负载板下方的平面天线不受电容负载板的影响。

为了实现该目的，根据本发明，提供了一种天线设备，包括：天线基板，该天线基板具有平板的形状；顶部电容负载型单极天线的电容负载板，所述电容负载板与所述天线基板平行地布置；以及平面天线，所述平面天线被布置在所述天线基板与所述电容负载板之间，其中，在电容负载板的宽度方向上的、电容负载板的至少一部分的尺寸小于平面天线的接收频率的约1/4波长，并且在电容负载板的宽度方向上的、电容负载板的边缘被向后折叠，使得电容负载板具有在电容负载板的长度方向上延伸的蜿蜒形状。

在电容负载板的宽度方向上的、电容负载板的边缘可以比在电容负载板的宽度方向上的、电容负载板的中心部分更接近于天线基板，使得电容负载板具有凸起形状，并且在电容负载板的宽度方向上从电容负载板的一个边缘到另一边缘的线的长度可以小于平面天线的接收频率的约1/4波长。

附图说明

图1A是示出本发明的第一实施例中的天线设备的结构的平面图，图1B是其前视图，并且图1C是其左侧视图。

图2是用于获得具有被设置在下方的平面天线的增益将不会被降低的结构的电容负载板的测量模型的透视图。

图3是示出图2中的测量模型中的通过改变电容负载板的宽度W和蜿蜒形状的线之间的间隔D来测量的、在10度或以上的仰角处获得的平均增益的数据的表。

图4是示出图3中的测量数据的曲线图。

图5是示出图2中的测量模型中的、通过改变电容负载板的宽度W和高度H来测量的、在10度或以上的仰角处获得的平均增益的数据的表。

图6是示出图5中的测量数据的曲线图。

图7A是用于测量作为FM天线的增益的测量模型的平面图，并且图7B是其前视图。

图8是示出在其中改变采取电容负载板的蜿蜒形状的线之间的间隔的情况下和其中以板状形状来形成电容负载板的情况下测量的、相对于频率波的变化的增益的数据的表。

图9是本发明的第二实施例中的天线设备的透视图。

图10是图9中的天线设备的分解透视图。

图11A是示出第二实施例中的电容负载板的结构的前视图，图11B是前端侧(左侧)处的端视图，并且图11C是后端侧(右侧)处的端视图。

图12是示出使用如图9所示的第二实施例中的结构、相对于XM贴片天线(随后定义)的仰角测量的平均增益的数据的曲线图。

图13是示出使用如图9所示的第二实施例中的结构、相对于GPS贴片天线的仰角而测量的平均增益的数据的曲线图。

图14是用于测量被布置在电容负载板下方的GPS贴片天线的增益的仿真模型的透视图。

图15是示出图14中的其中电容负载板的中心被在宽度和长度方向上、从贴片天线的中心移位的情况下的GPS贴片天线的增益的变化的曲线图。

具体实施方式

现在，将参考图1A至8来描述本发明的第一实施例。图1A是示出本发明的第一实施例中的天线设备的结构的平面图，图1B是其前视图，并且图1C是其左侧视图。图2是用于获得具有被设置在下方的平面天线的增益将不会被降低的结构的电容负载板的测量模型的透视图。图3是示出图2中的测量模型中的通过以蜿蜒的形状改变电容负载板的宽度W和线之间的间隔D来测量的、在10度或以上的仰角处获得的平均增益的数据的表。图4是示出图3中的测量数据的曲线图。图5是示出图2中的测量模型中的通过改变电容负载板的宽度W和高度H测量的、在10度或以上的仰角处获得的平均增益的数据的表。图6是示出图5中的测量数据的曲线图。图7A是作为FM天线的用于测量增益的测量模型的平面图，并且图7B是其前视图。图8是示出在其中改变电容负载板中采取蜿蜒形状的线之间的间隔的情况下和其中以板状形状来形成电容负载板的情况下而测量的、相对于频率波的变化的增益的数据的表。

在如图1A至1C所示的本发明的第一实施例中的天线设备中，在天线基板20上竖立地提供线圈元件22，并且其轴定向为垂直方向，并且作为采取蜿蜒形状的元件的电容负载板24的末端被电连接到线圈元件22的远端。顶部电容负载型单极天线由该线圈元件22的电感组件和电容负载板24的电容组件组成，并被用作FM天线。电容负载板24在一个平面上，并且被布置在天线基板20之上的、从天线基板20分离高度H的位置处，并且与天线基板20的平面基本上平行。通过在宽度W的方向上、在各个边缘处以包括两个角度的C形状交替地折叠、从而以线之间的间隔D、在长度L的方向上延伸，来以蜿蜒形状设定电容负载板24。在此电容负载板24下方，在天线基板20上设置了作为平面天线的用于接收GPS信号的GPS贴片天线12。GPS贴片天线12具有基板12a和在基板12a的整个顶面上提供的接地层12b。此外，在未被电容负载板24覆盖的区域中，在天线基板20上设置了用于接收移动电话信号的天线28。应注意的是，FM天线还被用作用于接收AM广播的天线。以这种方式，根据第一实施例的天线设备中并入了用于接收FM广播、AM广播、移动电话信号和GPS信号的多个天线。

然后，将描述用于防止设置在电容负载板24下方的平面天线的增益损失的电容负载板24的结构。在如图2所示的测量模型中，GPS贴片天线12被以与在图14中相同的方式设置在接地层10的中心处，并且电容负载板24被布置在GPS贴片天线12之上的、50mm的高度H的位置处。电容负载板24被以其中心与GPS贴片天线12的中心对准的方式布置，如在平面图中从上方看到的。然后，通过在将宽度W变为20、30、50、55、75和100mm并进一步将蜿蜒形状的线之间的间隔D变为1、2.5和5mm的同时，将电容负载板24的长度L设置为100mm、将蜿蜒形状的线的宽度设置为1mm来测量10度或以上的仰角处的GPS贴片天线12的平均增益。这是因为在实际使用中以10度或以上的仰角接收GPS信号。在图3中的表中示出了测量的结果。进一步地，在图4中的曲线图中示出了如图3所示的测量的结果。如图4中的曲线图所示，在其中宽度W是20、30和50mm的范围内，曲线图中的线基本上是重叠的，并且增益未显著地改变。然而，当宽度W变成55mm时，增益显著地减小。假设原因是因为50mm的宽度W对应于1575.42MHz的约1/4波长，1575.42MHz是GPS贴片天线12的接收频率。关于蜿蜒形状的线之间的间隔D，增益随着间隔变大而减小，但是减小的量是小的。因此，已发现增益没有显著地受到线间隔D的影响。

此外，在如图2所示的测量模型中，通过在将宽度W变为20、30、40、50、55和100mm并进一步将高度H变为10、20、30、40和50mm的同时，将电容负载板24的长度L设置为100mm、将蜿蜒形状的线的宽度设置为1mm并将线间隔D也设置为1mm，来测量10度或以上的仰角处的GPS贴片天线12的平均增益。在图5中的表中示出了测量的结果。进一步地，在图6中的曲线图中示出了如图5所示的测量的结果。如图6中的曲线图所示，在其中宽度W是20、30和50mm的范围内，曲线图中的线基本上是相同的，并且增益未显著地改变。然而，当宽度W变成55mm时，增益显著地减小。假设原因是因为50mm的宽度W对应于1575.42MHz的约1/4波长，1575.42MHz是GPS贴片天线12的接收频率。在其中高度H是20mm或以上、即超过GPS贴片天线12的接收频率的约1/10波长的情况下，能够认为增益是基本上恒定的。

从使用如图2所示的测量模型的测量已发现，在其中电容负载板24的宽度W小于设置在下方的平面天线的接收频率的1/4波长的情况下，随着减小增益的此类影响未在宽度方向上被施加于极化分量。此外，由于通过在宽度方向上在各个边缘处折叠，以在长度方向上延伸的蜿蜒形状来设置电容负载板24，所以使得平面天线的接收波中的在电容负载板24的长度方向上的极化分量正交于在宽度方向上基本上相互平行布置的线，并因此，极化分量不可能受到影响。另外，在宽度方向上、在边缘处被向后折叠的线的部分是相对短的，并因此不大可能受到影响。以这种方式，平面天线的增益将不会受到设置在上部位置处的电容负载板24的影响。

如上文所述，由于电容负载板24以蜿蜒形状形成，所以设置在下方的平面天线的增益将不会减小。然后，进一步测量由于电容负载板24的蜿蜒形状而施加于作为FM天线的特性的影响。在如图7A和7B所示的用于测量作为FM天线的增益的测量模型中，电容负载板24被设置在线圈元件22的远端处，以由此组成顶部电容负载型单极天线作为FM天线。在此测量模型中，通过在使蜿蜒形状的线之间的间隔D改变为1、5、20和50mm的同时，将电容负载板24的宽度W设置为40mm、宽度L设置为100mm来测量增益。以相同的方式，使用以具有40m的宽度W和100mm的长度L的单板形状而形成的电容负载板来测量增益。结果，如图8中的曲线图所示，即使蜿蜒形状的线之间的间隔D改变，各个频率处的增益也是基本上相同的。此外，将蜿蜒形状的电容负载板24与单板形状的电容负载板相比较，各个频率处的增益是基本上相同的。根据测量结果，已发现即使以蜿蜒形状来形成电容负载板24并改变线间隔D，用于接收FM广播的增益也未显著地改变，并且具有与单板形状的电容负载板相同的功能。以这种方式，认为电容负载板24在从蜿蜒形状延伸的状态下根本不起到杆式天线的作用。

将进一步描述对其应用上述发现的天线设备的更实用结构的示例作为第二实施例。图9是本发明的第二实施例中的天线设备的透视图。图10是图9中的天线设备的分解透视图。图11A是示出第二实施例中的电容负载板的结构的前视图，图11B是前端侧(左侧)处的端视图，并且图11C是后端侧(右侧)处的端视图。图12是示出使用如图9所示的第二实施例中的结构、相对于用于接收XM卫星数字无线电广播的贴片天线(在下文中称为XM贴片天线)的仰角而测量的平均增益的数据的曲线图。图13是示出使用如图9所示的第二实施例中的结构、相对于GPS贴片天线的仰角而测量的平均增益的数据的曲线图。在图9、以及11A至11C中，用相同的附图标记来表示与如图1A至1C所示的那些部件相同或等效的部件。

在如图9至11C所示的第二实施例中的天线设备中，除了GPS贴片天线12之外，还在天线基板20上和电容负载板24下方设置XM贴片天线。XM贴片天线26包括基板26a和在基板26a的整个顶面上提供的接地层26b。电容负载板24不是在一个平面上形成的，而是通过在上部中具有凸起形状且在下开口侧开得更宽的截面图中以包括两个角度的基本上C状折叠而形成的，使得在宽度方向上的电容负载板24的边缘接近于天线基板20，并且在宽度方向上的其中心部分远离天线基板20。此外，如图11C所示的、在背端侧处包括两个角度的基本上C状大于如图11B所示的、在要被连接到线圈元件22的前端侧处包括两个角度的基本上C状。电容负载板24的此形状与被设计为在高度方向上变薄的天线设备的外观一致。结果，如图11A至11C所示，电容负载板24被设定成使得长度L是99mm，在宽度方向上从一个边缘到另一边缘的线的总长度是37mm，在其中总长度最大的背端侧处，蜿蜒形状的线的宽度是1mm，并且线间隔D是2mm。在其中电容负载板24在宽度W的方向上被折叠的情况下，如在第二实施例中，可以推测在宽度、即其中电容负载板24被演变为单个平板的形状的状态下的宽度W的方向上、沿从一个边缘到另一边缘的线的长度将对设置在下方的平面天线的增益施加影响。在本文中，要被XM贴片天线26接收到的卫星数字广播的接收频率是2345MHz。在其中应用关于相对于上述GPS贴片天线12而言将不会减小增益的电容负载板24的结构的上述发现的情况下，期望的是其中电容负载板24被演变为单个平板的形状的状态下的宽度W小于30mm，其小于由XM贴片天线26接收到的卫星数字广播的接收频率的1/4波长。然而，在第二实施例中，宽度W在长度方向上的一部分中大于1/4波长，并且可以预测XM贴片天线26的增益减小。

然后，在如图9所示的第二实施例中测量XM贴片天线26的增益。测量的结果在图12中的曲线图中示出。在图12中，用虚线示出其中在上部中不存在电容负载板24的情况，同时用实线示出其中在上部中存在电容负载板24的情况。虽然增益由于电容负载板24的存在而被显著地减小，但在从20至60度的仰角的范围内获得如点划线所示的实际上要求的大于2dBic的增益。增益被显著地减小的原因是因为在长度方向上的至少一部分中的电容负载板24的宽度大于要被XM贴片天线26接收的卫星数字广播的接收频率的1/4波长。此外，还测量GPS贴片天线12的增益。在本文中，30mm的宽度W对应于GPS信号的1575.42MHz的约1/6波长。测量结果在图13中的曲线图中示出。在图13中，用虚线示出其中在上部中不存在电容负载板24的情况，同时用实线示出其中在上部中存在电容负载板24的情况。无论是否存在电容负载板24，在从20至60度的仰角的范围中获得基本上相同的增益。

应注意的是，在天线设备中，仅获得实际上可用的增益将是足够的，不一定需要从技术上看是最好的结构。因此，即使宽度W大于平面天线的接收频率的1/4波长也没关系，只要能够获得要求的实际灵敏度即可。此外，当宽度W超过1/4波长时，由于电容负载板24的宽度W的变化而引起的平面天线的增益变化不是急剧的变化，而是平缓的变化。因此，虽然在权利要求的描述中使用短语“小于1/4波长”，但将容易地理解的是，在能够获得技术上实际的灵敏度的范围内存在一定程度的容差。此外，电容负载板24的蜿蜒形状不限于通过在宽度的方向上、在边缘处以包括两个角度的C状向后折叠而形成的形状，而是可以是诸如以U状或以V状向后折叠的形状。显而易见的是，电容负载板24的长度L和高度H根据天线设备的整个外部形状的尺寸而自然地受到限制。

根据本发明的方面，在要被用作FM天线的顶部电容负载型单极天线的电容负载板中，至少在电容负载板的一部分中，在宽度方向上的尺寸被设置为小于平面天线的接收频率的约1/4波长。因此，平面天线的接收波中的、在电容负载板的宽度方向上的极化分量不太可能受到电容负载板的影响。此外，通过在宽度方向上、在边缘处向后折叠，以在长度方向上延伸的蜿蜒形状形成电容负载板。因此，使得平面天线的接收波中的、在电容负载板的长度方向上的极化分量正交于组成电容负载板的蜿蜒线之中的被布置为在电容负载板的宽度方向上基本上相互平行的线，并因此，极化分量不太可能受到电容负载板的影响。另外，在宽度方向上、在边缘处被向后折叠的线的部分是相对短的，并因此不大可能受到影响。以这种方式，平面天线的增益将不会受到布置在上部位置处的电容负载板的影响。

根据本发明的方面，通过在截面图中的上部分中以凸起形状折叠来形成电容负载板，使得在宽度方向上的电容负载板的边缘接近于天线基板，并且在宽度方向上的其中心部分远离天线基板。因此，此结构适合于采用天线设备的外观在高度方向上变薄的设计。此外，由于在宽度方向上的、从一个边缘到另一边缘的线的长度被设置为小于平面天线的接收频率的约1/4波长，所以平面天线的接收波中的、在电容负载板的宽度方向上的极化分量不太可能受到电容负载板的影响。

Claims

1.一种天线设备，包括：

天线基板，所述天线基板具有平板的形状；

顶部电容负载型单极天线的电容负载板，所述电容负载板与所述天线基板平行地布置；以及

平面天线，所述平面天线被布置在所述天线基板与所述电容负载板之间，

其中，在所述电容负载板的宽度方向上的、所述电容负载板的至少一部分的尺寸小于所述平面天线的接收频率的约1/4波长，以及

在所述电容负载板的宽度方向上的、所述电容负载板的边缘被折回，使得所述电容负载板具有在所述电容负载板的长度方向上延伸的蜿蜒形状。

2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，

在所述电容负载板的宽度方向上的、所述电容负载板的边缘比在所述电容负载板的宽度方向上的、所述电容负载板的中心部分更接近于所述天线基板，使得所述电容负载板具有凸起形状，以及

在所述电容负载板的宽度方向上的、从所述电容负载板的一个边缘到另一边缘的线的长度小于所述平面天线的接收频率的约1/4波长。