CN103138048A - 多波段天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多波段天线，包括：面基板，所述面基板在使用中用于垂直安装，并具有底部边缘和顶部边缘。导体图案印制在基板的一侧上并具有三个狭缝。第一狭缝是面向下的U或J型，第二狭缝是面向上的U或J型。第三狭缝沿垂直方向延伸并在顶部开口。第一天线馈线与第二狭缝水平轨迹耦合，第二天线馈线与第三狭缝耦合。三个狭缝一起在三个波段中提供多波段性能。

Description

多波段天线
技术领域
本发明涉及一种适用于车辆应用的多波段天线。
背景技术
具体地，本发明涉及鲨鱼鳍型天线。图1示出了一种鲨鱼鳍型天线单元的示例，该天线位于车辆车顶的背部。嵌入在鲨鱼鳍中天线的尺寸受限，并且应该被设计为与外壳相适配。天线单元还需要具有用于天气保护、耐冲击和温度上升的严格需求。
天线单元的标准尺寸是：50到55毫米的最大高度(60毫米的外部外壳高度)、120毫米的长度(140毫米的外部外壳长度)、40毫米的宽度(50毫米的外部外壳宽度)。
由于存在对频率和天线尺寸的依赖，约50毫米的最大可用高度对于可达到的频率有一些影响。单个谐振天线元件有与工作波长成正比并与工作频率成反比的尺寸。因此，较低工作频率需要较大天线结构。四分之一谐波单极天线
Figure BDA00002500342200011
是用于车辆顶部上方或者接地面上方的典型天线。
GSM900标准使用当今欧洲通信标准的最低频带。四分之一波单极天线需要77mm的长度用于该频带，这太长以至不能用于鲨鱼鳍单元。但是，尺寸减小将减小部分(fractional)带宽和辐射电阻。这导致增加了回波损失，因此不能实现天线与无线电设备的最佳匹配。
发明内容
根据本发明，提供了一种在权利要求1中所述的多波段天线。
本发明提供了一种多波段天线，包括：
面(planar)基板，所述面基板在使用中用于垂直安装，并具有底部边缘和顶部边缘；
印制在所述基板的一侧的导体图案，所述导体图案在使用中一端接地到水平导电面，所述导体图案包括连续导体区，所述连续导体区具有被限定到所述导体区的狭缝，狭缝的一端向所述导体区的一个边缘开口，所述狭缝包括：
第一狭缝，具有位于顶部边缘附近的水平轨迹和从一端向下延伸的至少一个向下垂直轨迹；
第二狭缝，具有位于底部边缘附近的水平轨迹(H2)和从一端向下延伸的至少一个向上垂直轨迹，其中在向下垂直轨迹和向上垂直轨迹之间具有间隙；以及
第三狭缝，沿垂直方向延伸并在所述顶部开口，与向上和向下垂直轨迹相邻，在第一和第二狭缝的一侧形成第三狭缝，；
第一天线馈线，连接到第二狭缝的水平轨迹；以及
第二天线馈线，连接到第三狭缝。
该设计具有能够调谐到不同频率的三个天线狭缝和两个天线馈线。第三天线狭缝能够调谐到高频，从而形成三波段天线。
第一天线馈线能够用于最低频带和中间频带，第二天线馈线能够用于最高频带。作为实施例，最低频带可以在825-960MHz范围内，中间频带可以在1.7-4.2GHz范围内，以及最高频带可以在4.95-6.0GHz范围内。
第三狭缝调谐到最高范围内的一个频率，并具有在2.0mm到3.0mm范围的宽度和在5.0mm到12.0mm范围的深度。优选地，第三狭缝限定了位于两个反谐振(anti-resonance)之间的天线，其中第二反谐振频率比第一反谐振频率低三倍。
该天线包括了一种车辆天线。在此情况下，所述天线具有用于安装在车辆车顶的外壳，该外壳包括面基板所述的垂直网，其中外壳具有小于80mm的高度、小于70mm的宽度和小于200mm的长度。
本发明还提供了一种车辆通信系统，包括本发明的天线和在外壳内的GPS模块和/或外壳内的另一个高频天线。
附图说明
参考附图，现在将详细地描述本发明的实施例，其中：
图1示出了要安装到车辆车顶的天线的已知外壳；
图2示出了本发明多波段天线的示例；
图3示出了安装在紧凑型鲨鱼鳍中的图2的天线，该鲨鱼鳍包括其他组件；
图4示出了馈电端口F2处天线的仿真回波损失(return lost)；
图5示出了馈电端口F2处的仿真输入电阻；
图6示出了馈电端口F2处的仿真输入电抗；
图7示出了馈电端口F2处天线结构的仿真输入阻抗；
图8示出了当激励馈电端口F2时，在5.9GHz处水平面的仿真方向性；
图9示出了天线尺寸的一个可能示例；
图10示出了在馈电端口F1处测量的图9的制造模型上的测量回波损失；
图11示出了在馈电端口F2处测量的图9的制造模型上的测量回波损失；
图13示出了频率900MHz处的辐射图案；
图14示出了频率2.5GHz处的辐射图案；以及
图15示出了频率5.9GHz处的辐射图案。
具体实施方式
本发明提供了一种多波段天线，包括：面基板，面基板在使用中用于垂直安装，并具有底部边缘和顶部边缘。导体图案被印制在基板的一侧并具有三个狭缝。第一狭缝是面向下的U或J型，第二狭缝是面向上的U或J型。第三狭缝沿垂直方向延伸并在顶部开口。第一天线馈线与第二狭缝水平轨迹耦合，第二天线馈线与第三狭缝耦合。三个狭缝一起在三个波段中提供多波段性能。
图2示出了建议的多波段天线A。该天线包括与接地面G连接的垂直面导电表面。导电表面附着到面基板SUB，因此面基板SUB垂直定向。该基板可以是一种印刷电路板材料(如FR4)或对于操作频段具有足够性能的任意电介质材料。由于可以使用针对印刷电路板的已有技术，基板的选择可以保持较低成本，制作可以保持非常低的成本。
导电表面可以是铜或对于操作频段具有足够性能的其他材料。导电表面可以非常薄，例如35μm。通过保护层可以覆盖导电表面来防止氧化并减少由于温度导致的退化，由此来满足严格的车辆需要。
天线A是一种单侧结构并仅在基板的一侧具有导电平面，使得在制造方面的成本较低。导电表面通过两个夹持器(holder)20在底部垂直于接地面G与接地面G连接，夹持器20以其垂直定向固定到基板。按照这种方式，可以认为导电表面是接地面的延伸。天线顶部侧的倾斜形状适于与鲨鱼鳍的形状适配。导电表面包括多个开口狭缝S1、S2和S3。“开口”意味着狭缝的一端完全延伸到导电区的边缘，而另一端闭合。开口狭缝允许天线作为一种四分之一谐波单极天线来有效操作。
开口狭缝S1和S2具有水平部分和垂直部分V1、V2、V12、H1、H2。开口狭缝S3仅具有垂直部分V3。开口狭缝S2靠近接地面而开口狭缝S1更靠近顶部侧。开口狭缝S2产生一种馈电天线的手段，包括垂直定向的馈电端口F1(即，在该点垂直于并穿过狭缝宽度)，近似位于开口狭缝S2的水平部分H2的中心。然而，通过天线的四分之一波长限定可以使用的最低工作频率。通过实现开口狭缝S1可以获得更低的工作频率。
狭缝S3可以看作是具有水平定向的自身馈电端口F2的独立结构(即在该点垂直并穿过狭缝宽度)，并在最高期望频率处操作。
因此，导电表面包括了垂直片导体，其中第一U或J型狭缝S1靠近面向下的导体的顶部，第二U或J型狭缝S2靠近面向上的导体的底部。每个狭缝的一个伸出部分彼此碰到，从而限定共享狭缝部分(部分V12)，而每个狭缝的其他伸出部分是间隔部分(V1和V2)。在所示的示例中，利用相同长度的水平部分H1和H2，两个狭缝S1和S2一起限定了矩形狭缝，仅沿垂直边之一打断该矩形狭缝(V1和V2之间的间隙)。第一馈电端口F1连接在第二狭缝S2的较低水平轨迹H2两端。
第三狭缝S3处于导体表面的不同区域，即，由组合狭缝S1和S2限定的矩形狭缝包围的区域以外。例如，该狭缝能够S3在具有垂直狭缝V3的垂直方向延伸，因此在第三狭缝S3周围限定了U型导体轨迹。第二馈电端口F2连接了第三狭缝S3。
每个馈电端口沿着各自狭缝是半途的(part way)。每个馈电端口位于基板上可以安装插座的位置处，通过插座进行外部电连接。在使用中，将同轴电缆(未示出)连接到馈电端口以便向相应天线发送信号以及从相应天线接收信号。每个馈电端口具有两个端子。馈电端口的信号端子处于在狭缝一侧的导电区。在使用期间，同轴电缆的内部导体可以通过馈电端口的信号端子直接耦合到该导电区。每个馈电端口的接地端子位于狭缝相对侧的导电区。在使用中，同轴电缆的导电屏蔽通过馈电端口230的接地端子能够耦合到相对侧导电区。这些导电区与接地面G相耦合。
因此，馈电端口被配置成信号端子和接地端子与彼此面对的相应狭缝的任一侧彼此相邻。
在该示例中，馈电端口F1位于沿第二狭缝S2的水平部分H2的近似半程处。馈电端口F1沿部分H2的精确位置对天线的频率响应有影响，在设计期间能够定位该精确位置以便精确调谐天线的性能。
过天线的高度限定了在天线接收/从天线发射的最低工作频率。第一狭缝S1的内容物使得与其他情况相比能够实现更低的工作频率。
两个狭缝S1、S2意味着当考虑馈电端口F1时产生两个要频带：较低频带和中间频带。当考虑馈电端口F2时，产生较高频带。
较低频带例如适用于一种通信标准，如GSM900。中间频带例如适用于多个已有的通信标准，如GSM1800、UMTS-FDD以及PCS，用于无线LAN 802.11b/g和将来的标准。
较高频带针对在5.9GHz处使用802.11p的车到车(C2C)和车到基础设施(C2I)通信，甚至可以支持从5GHz开始的802.11a。
开口狭缝S1和S2的长度适于对齐最低和中间频带的较低波段边缘。例如，减小开口狭缝S1的垂直部分V1的长度增大了较低和较高频带的低波段边缘，但不是以相同的量。减小开口狭缝S1的垂直部分V3的长度主要增加了较高频带的低波段边缘。
减小开口狭缝S2的垂直部分V2的尺寸能够改进较高频带的宽带响应。其他尺寸也影响频带的波段边缘。
开口狭缝S1的水平部分H1的宽度同时影响较低和中间频带的波段边缘。开口狭缝S2的水平部分H2的宽度影响中间频带的宽带响应。向右延长倾斜表面并因此增加水平部分H12的长度导致较低频率的波段边缘的更低频率。
按照对于上述说明的理解，可以根据所需的规格来对齐频带。
根据以上讨论，显然开口狭缝必要地限定波段边缘。这是令人非常感兴趣的特性，因为这意味着与其他类型的天线相比较，天线对于靠近目标或其他天线导致的失谐的抵抗力更大。因为在较小体积中将多个天线紧密封装在一起，这是一个重要的性能。
关于在上文通过第三狭缝S3限定的结构，狭缝的长度、狭缝V3的宽度、条带(strip)到狭缝V3左侧的宽度以及从水平馈电端口到狭缝V3底部的距离限定了天线特征。从馈电端口到狭缝底部的距离主要地限定了工作频率，即出现馈电端口F2导致波段边缘的频率更高。
条带的宽度限定了带宽，即如果条带的宽度增加到狭缝右侧，则响应是更小宽带。减少V3的狭缝宽度也导致更小的带宽响应。减小从馈电端口到狭缝底部的距离也导致更小的带宽响应。
在本申请人共同悬而未决的申请EP11250243.0中，已经建议双狭缝设计S1和S2。
本发明具体涉及具有分离馈电端口F2的第三狭缝S3的设计，其专用于802.11a和802.11p。为了论证该结构的优点，下文将讨论基于激励该馈电端口的仿真。
图3示出了安装在紧凑型鲨鱼鳍中的天线，该鲨鱼鳍包括其他组件，例如在多波段结构之前的商业成品(COTS)GPS模块30或/和在多波段天线之后用于分集目的的第二(802.11P)天线结构32。
在这种鲨鱼鳍中多波段天线的非常紧凑和高度集中应用明显造成了一些重要的设计挑战。
因此在以下所示的仿真结果中，考虑多波段天线的实际应用(在多波段天线之前具有GPS单元以及在多波段天线之后具有附加天线结构)。因此，这些结构明显影响天线参数并且仿真总体应用是必要的。
图2的天线的特性和特征是：
-支持多个通信标准，例如2G/3G(GSM850、GSM900、GSM1800、UMTS-FDD、PCS)、WiFi(802.11b/g)、802.11a(4.9-5.8GHz)和802.11p(5.9GHz)通信(Car2Car和Car2Infrastructure)。
-具有(到无线电设备的)双馈线连接，因为对于802.11p(5.9GHz)通信无需双工器，这是一个较大的优点。
-在典型鲨鱼鳍模块中，802.11p操作无需在GPS天线之前附加天线。
-该结构包括三个考口狭缝以限定三个不同频带。
-新的第三狭缝S3，仅具有垂直部分。
-新的第三狭缝S3，具有水平馈电端口F2。
-新的第三狭缝S3，传送单向(前向)辐射图案。
-通过第三狭缝创建的新的向上频带，由于在串联谐振中工作，在两个反谐振之间提供了较大频带。
四分之一波狭缝天线通常在反谐振处进行工作。这是因为这种狭缝结构等同于电感和电容的并联电路。由于输入阻抗的实部相对较大的变化，该工作模式通常不是宽带。在本发明的天线设计中，为了实现天线宽带，在感兴趣的频带以下能够推出该第一反谐振频率。由于在第一和第二反谐振之间输入电阻的实部较慢的变化，这是可行的(如图5所示)。
按照该方法，从馈电端口F2到狭缝S3的底部的距离主要地限定了工作频率，即，出现馈电端口F2使得波段边缘的频率更高。与馈线位置仅确定输入阻抗的其他狭缝天线相比较，这是根本不同的概念。第二反谐振由于容性耦合通常频率低一点。为了以足够辐射电阻在两个反谐振之间使用串联谐振频率，第二反谐振频率应该比第一反谐振频率低三倍。根据实施例，利用在围绕狭缝S3的垂直铜结构之间足够的容性耦合，能够降低第二反谐振。
-能够将狭缝S3看作具有自身馈电端口F2的独立结构，同时是还在其他频率带工作的整个天线的一部分。这意味着在新频带和其他频带的工作之间存在最小影响(充分隔离)。因为在狭缝S1和S2开口端的相对面的导电部分添加了狭缝S3，尤其改进了在新频带和其他频带之间的最小影响。
图4示出了如图3所示安装的馈电端口F2处建议的天线结构的仿真回波损失[dB]。由引导3维电磁仿真器(例如来自Ansoft Corporation或者CST Darmstadt Germany)的企业来执行仿真。
图4中可见非常宽的较高频带，即800MHz以及仿真天线辐射效率在5.9GHz处非常高，例如95％。
图5和6各自地描绘了如图3所示安装的建议天线结构的馈电端口F2的仿真输入电阻[Ω]和输入电抗[Ω]。在这些图中，第一反谐振在近似5.3GHz处，串联谐振在近似5.9GHz处，这是工作频带的中心。
该机制利用一个馈电端口支持贯穿宽频率范围的工作，如802.11a波段和802.11p波段的主要部分。在图5中，可以观察到该技术产生相对恒定阻性的输入阻抗，即从5.9GHz直到6.4GHz的50Ω。
图7示出了如图3所示安装的馈电端口F2处建议天线结构的仿真输入阻抗(归一化的50Ω)。在图7史密斯图中，观察到存在两个反谐振。第一反谐振在近似5.3GHz处而第二反谐振在近似14GHz处。在两个反谐振之间近似5.9GHz处存在串联谐振，限定了工作频带的中心。两个反谐振在设计上是固有的，处于能够利用相同宽带结构同时覆盖802.11a波段和802.11p波段的主要部分的位置。具有第一反谐振天线的任意天线有三倍于第一反谐振天线的第二反谐振天线。由于容性耦合第二谐振天线通常频率稍低。为了使用具有足够辐射电阻的两个反谐振之间串联谐振频率，第二反谐振频率应该低于第一反谐振频率3倍。
本发明的实施例包含的思想在于：通过在围绕狭缝S3的垂直铜结构之间提供足够的容性耦合来降低第二反谐振。利用特定厚度的侧边条带和狭缝S3的宽度能够实现这一思想。
例如，通过具有宽度的量级与狭缝S3的宽度相同的轨迹，将狭缝S3与狭缝S2的垂直部分V2相分离。例如，S3和V2之间的轨迹可以在狭缝S3宽度的0.5到10倍之间。狭缝S3和S2可以有相同或不同的宽度。例如狭缝S2可以更窄。
图8示出了当激励如图3所示安装的建议天线结构的馈电端口F2时在5.9GHz处测量的水平面中仿真方向性[dBi]。主瓣幅度较高，即11.88dBi以及关于鲨鱼鳍单元是前向(0°)。
图9示出了建议天线的尺寸[mm]的一个可能示例。在该示例中，使用的基板材料是厚度1.6mm的低成本FR4印刷电路板材料，电介质常数4.4以及电介质损失正切值0.02。从图9观察到天线的总体高度在50mm以下，即45mm。形成倾斜顶部边来适配保护盖。
该示例对于狭缝S3具有狭缝宽度2.5mm和狭缝深度8.5mm，从狭缝底部到馈电端口F2的中心是2.5mm。更一般地，第三狭缝具有2.0mm到3.0mm范围的宽度和5.0mm到12.0mm范围的深度。
在所示示例中，狭缝S3和S2之间的轨迹与狭缝S3具有相同宽度，以提供上述容性耦合。
图10示出了如图3所示安装的图9的制造模型中在馈电端口F1处测量的回波损失[dB]。在1m2的接地面上测量天线。将天线放置在ABS材料的保护盖中。
在图10中，点M1、M2、M3针对频率825MHz、960MHz和1.7GHz。M1和M2示出了GSM800和GSM900频带，M3示出了GSM1800/GSM1900/UMTS的更低频率。
图11示出了如图3所示安装的图9的制造模型中在馈电端口F2处测量的回波损失[dB]。
在图11中，点M1、M2、M3针对频率4.958GHz，5.9GHz和6.014GHz。M1-M2是WiFi波段，M2-M3是IEEE802.11p波段。
图12示出了如图3所示安装的图9的制造模型在馈电端口F1和F2之间测量隔离[dB]。正如观察到的，集成结构之间的隔离在蜂窝和802.11b/g频率处大于20dB，在802.11a和p频率处大于15dB。
在图12中，点M1、M2、M3针对频率800MHz，900MHz和1.7GHz，这些是隔离频率。
针对9.5dB(VSWR 2)的回波损失限制，测量了以下频带：
较低波段：825-960MHz
中间波段：1.7-4.2GHz
较高波段：4.95-6.0GHz
建议的缩小尺寸高度集成多波段天线能够用于数个标准，如：
GSM 900：          880-960MHz
GSM 1800：         1710-1880MHz
UMTS：             1930-2170MHz
GSM850：           824-894MHz
PCS：              1850-1990MHz
WLAN 802.11b/g：   2.407-2.489GHz
WLAN 802.11a：     4.915-5.825GHz
WLAN 802.11p：     5.855-5.925GHz
该天线模型仅是示例，而不限于所示尺寸，能够直接重新设计天线用于其他频带。
图13示出了在900MHz频率处记录的RF消声室中测量的辐射图案。在馈电端口F1处激励天线结构，喇叭型天线接收2.5m设置(set-up)距离处在360°径向网格中沿顺时针方向的发射功率。可以观察到，尽管针对径向网格约75％的增益图仍然大于0dBi，该天线不是完全全向。主瓣增益级是足够的，即3.2dBi，处于沿顺时针方向相对于前向转动67°角的位置。
图14示出了在2.5GHz频率处记录的RF消声室中测量的辐射图案。在馈电端口F1激励天线结构，喇叭型天线接收2.5m设置距离处在360°径向网格的发射功率。可以观察到尽管除了垂直于鲨鱼鳍单元轴方向以外增益图仍然保持大于0dBi，该天线不是完全全向。主瓣增益幅度较高，即5.7dBi并且前向。
图15示出了在5.9GHz频率处记录的RF消声室中测量的辐射图案。在馈电端口F2处激励天线结构，喇叭型天线接收2.5m设置距离处在360°径向网格的发射功率。可以观察到该天线是明显地定向的，即前向。主瓣增益幅度较高，即6.7dBi并且前向。
该天线与如图3所示在多波段天线之后的附加分离天线相结合，主要沿前向辐射，其后向辐射能够提供分集模式的802.11p的全范围解决方案。
在实现所要求保护的发明时，通过对附图、本公开和附加权利要求书的研习，本领域技术人员能够理解公开的实施例的各种变体并使之生效。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，不确定的术语“一”或“一个”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用了某一手段的这一事实没有指出不能使这些手段的结合产生优势。权利要求书中的任何附图标记不应该被解释为限制保护范围。

Claims (10)

1.一种多波段天线，包括：
面基板，所述面基板在使用中用于垂直安装，并具有底部边缘和顶部边缘；
印制在所述基板的一侧的导体图案，所述导体图案在使用中一端接地到水平导电面，所述导体图案包括连续导体区，所述连续导体区具有被限定到所述连续导体区的狭缝，狭缝的一端向所述导体区的边缘开口，所述狭缝包括：
第一狭缝(S1)，具有位于顶部边缘附近的水平轨迹(H1)和从一端向下延伸的至少一个向下垂直轨迹(V1)；
第二狭缝(S2)，具有位于底部边缘附近的水平轨迹(H2)和从一端向下延伸的至少一个向上垂直轨迹(V2)，其中在向下垂直轨迹和向上垂直轨迹之间具有间隙；以及
第三狭缝(S3)，沿垂直方向延伸并在顶部开口，第三狭缝被形成到第一和第二狭缝(S1，S2)的一侧，与向上和向下垂直轨迹(V1，V2)相邻；
第一天线馈线(F1)，连接到第二狭缝(S2)的水平轨迹(H2)；以及
第二天线馈线(F2)，连接到第三狭缝(S3)。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，第一天线馈线(F1)用于较低频带和中间频带，第二天线馈线(F2)用于较高频带。
3.根据权利要求1所述的天线，其中，较低频带在825-960MHz范围内，中间频带在1.7-4.2GHz范围内，以及较高频带在4.95-6.0GHz范围内。
4.根据上述权利要求之一所述的天线，其中，第三狭缝具有2.0mm到3.0mm范围的宽度以及5.0mm到12.0mm范围的深度。
5.根据上述权利要求之一所述的天线，其中，第三狭缝(S3)限定了在位于两个反谐振之间的频率处操作的天线，其中第二反谐振频率比第一反谐振频率低于3倍。
6.根据上述权利要求之一所述的天线，其中，第二狭缝(S2)的至少一个向上垂直轨迹(V2)与第三狭缝(S2)平行，并与第三狭缝(S2)间隔第三狭缝宽度的0.5到10倍范围的距离。
7.根据上述权利要求之一所述的天线，包括车辆天线。
8.根据权利要求7所述的天线，还包括用于安装在车辆车顶的外壳，所述外壳包括垂直网，所述面基板位于所述垂直网中，外壳具有小于80mm的高度，小于70mm的宽度和小于200mm的长度。
9.一种车辆通信系统，包括权利要求8所述的天线，其中所述车辆通信系统还包括了位于所述外壳内的GPS模块(30)。
10.根据权利要求9所述的车辆通信系统，包括在外壳内的另一高频天线(32)。
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