CN107394357B - 用于双波段和波束控制的行波lte天线 - Google Patents

用于双波段和波束控制的行波lte天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于双波段和波束控制的行波LTE天线。一种薄膜柔性漏波CPW天线，其能够安装到车辆上的介电基底，例如车辆玻璃，其中天线具有用于MIMO LTE蜂窝系统的应用，并且其中天线的导电部分能够采用透明导体。天线包括接地平面和天线辐射元件，该接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在两者之间限定间隙，该天线辐射元件在间隙中在接地线之间延伸。天线辐射元件包括以预定间隔横穿所述天线辐射元件的多个漏波调谐短柱，这些漏波调谐短柱操作为将天线的辐射样式改变为更为平行于地面。

Description

用于双波段和波束控制的行波LTE天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月6日提交的名称为“用于双波段和波束控制的行波LTE天线（Traveling Wave LTE Antenna for Dual Band and Beam Control）”的美国临时专利申请序列号62/332,692的优先权日的权益。
技术领域
本发明总体上涉及一种配置在介电基底上的薄膜柔性天线，更具体地，涉及一种薄膜柔性漏波共面波导（CPW）天线，其可以包括透明导体，从而允许天线附着到车辆玻璃的可见部分。
背景技术
现代的车辆利用各种和许多类型的天线来接收并传输用于不同通信系统的信号，例如陆地无线电（AM/FM）、蜂窝电话、卫星无线电、专用短程通信（DSRC）、GPS等。使用于这些系统的天线经常被安装到车辆顶棚从而提供最大接收能力。此外，经常将许多的这些天线整合到被安装到车辆顶棚的共用结构和外壳中，例如“鲨鱼鳍”顶棚安装的天线模块。随着车辆上的天线数量增加，以高效的方式容纳全部天线并提供最大接收能力所需结构的尺寸也增大，这会妨碍车辆的设计和造型。因此，汽车工程师和设计师正在寻找车辆上的不会妨碍车辆设计和结构的用于放置天线的其它合适区域。
这些区域的中的一个区域是车辆玻璃（例如车辆挡风玻璃），这具有各种益处，因为玻璃通常形成用于天线的良好介电基底。例如，在本领域中已知将AM和FM天线印制在车辆玻璃上，其中将所印制天线作为单一件制作在玻璃之内。然而，这些已知系统通常受限于它们只能被放置于车辆挡风玻璃或者其它玻璃表面的不必要透过玻璃观看的那些区域中。
蜂窝系统目前正扩张到需要多个天线来提供多入多出（MIMO）操作的4G长期演进（LTE）中，该操作相比诸如2G和3G的先前的蜂窝通信技术提供了更大的数据吞吐量和带宽。LTE 4G蜂窝技术在发射器和接收器处采用MIMO天线，这些MIMO天线使得发射器和接收器之间的信号路径的数量增大，从而包括对发射器和接收器之间的各个对象的多路径反射，这允许更大的数据吞吐量。只要接收器能够断开正在MIMO天线处的每一路径上接收的数据（在此处这些信号是不相关的），那么那些路径就能够由接收器使用来破译在相同频率处和相同时间处传送的数据。因此，更多数据能够被压缩为相同频率，从而提供更高带宽。
汽车制造商正想要在车辆中提供4G蜂窝技术，这存在大量设计挑战，特别是如果将MIMO天线结合为安装到车辆顶棚的共用天线结构的一部分时更是如此。例如，通过将包括至少两个天线的MIMO天线容放在安装到车辆顶棚的传统信息通讯天线模块中，该模块的整个天线体积将需要增大，因为MIMO天线需要额外的实占区（real estate），这要求在天线处的所接收信号具有低相关性。换句话说，因为由MIMO天线接收的信号需要显著不相关，天线之间的距离根据正采用的频带而需要是某一最小距离。如果天线元件位于同一通用位置处，在各种设计中实现天线端口之间的这种去相关经常是数倍困难的，因为在端口处接收的信号将会极为相似。这一问题能够通过将天线移动得更为分开来克服，例如将天线设置在车辆玻璃上。
对于附着到车辆挡风玻璃或后窗的那些天线，窗的弯曲部使得天线的辐射样式（radiation pattern，或为“辐射方向图”）取向为更为向上，而不是平行于地面。因为辐射样式以此方式取向为向上，天线的发射和接收方向通常并不特别地取向为向着期望的接收器或发射器，因此会产生信号损失。
发明内容
本发明公开并描述了一种薄膜柔性漏波CPW天线，其能够安装到车辆上的介电基底，例如车辆玻璃，其中天线具有用于MIMO LTE蜂窝系统的应用，并且其中天线的导电部分能够采用透明导体。天线包括接地平面和天线辐射元件，该接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在两者之间限定间隙，该天线辐射元件在间隙中在接地线之间延伸。天线辐射元件包括以预定间隔横穿所述天线辐射元件的多个漏波调谐短柱（tuning stub），这些漏波调谐短柱操作为将天线的辐射样式改变为更为平行于地面。
本发明还公开了如下技术方案：
方案1、一种天线结构，包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；以及
漏波共面波导（CPW）天线，其与所述粘合剂层相对地形成到所述基底，所述天线包括接地平面和天线辐射元件，所述接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在所述第一接地线和第二接地线之间限定间隙，所述天线辐射元件在所述间隙中在所述接地线之间延伸，所述天线辐射元件包括多个漏波汇流条，所述多个漏波汇流条以预定间隔横穿所述天线辐射元件，并且操作为导致从所述多个漏波汇流条取向的辐射，从而改变所述天线的辐射样式。
方案2、根据方案1所述的天线结构，其中，所述接地平面包括基部部分，所述第一接地线和第二接地线从所述基部部分延伸，并且所述基部部分包括与所述间隙连通的槽，所述天线辐射元件包括定位在所述槽之内的馈电线部分。
方案3、根据方案2所述的天线结构，进一步包括共面波导馈电结构，所述共面波导馈电结构包括所述基部部分和所述馈电线部分。
方案4、根据方案3所述的天线结构，进一步包括同轴连接器，所述同轴连接器连接到所述共面波导馈电结构。
方案5、根据方案1所述的天线结构，其中，所述介电结构是车辆上的车窗，并且其中，所述天线的所述辐射样式改变为与地面水平。
方案6、根据方案5所述的天线结构，其中，所述车窗是车辆挡风玻璃。
方案7、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线包括透明导体。
方案8、根据方案1所述的天线结构，其中，所述薄膜基底选自由聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基底所组成的组群。
方案9、根据方案1所述的天线结构，其中，所述天线结构提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（LTE）蜂窝系统的信号。
方案10、根据方案9所述的天线结构，其中，所述天线在0.7 - 1.2GHz的频带中操作。
方案11、根据方案9所述的天线结构，其中，所述天线在1.8 - 2.4GHz的频带中操作。
方案12、一种天线结构，包括：
车窗；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述车窗；以及
漏波共面波导（CPW）天线，其与所述粘合剂层相对地形成到所述车窗，所述天线包括接地平面和天线辐射元件，所述接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在所述第一接地线和第二接地线之间限定间隙，所述天线辐射元件在所述间隙中在所述接地线之间延伸，所述天线辐射元件包括多个漏波汇流条，所述多个漏波汇流条以预定间隔横穿所述天线辐射元件，并且操作为导致从所述多个漏波汇流条取向的辐射，从而将所述天线的辐射样式改变为与地面水平，其中，所述天线结构提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（LTE）蜂窝系统的信号。
方案13、根据方案12所述的天线结构，其中，所述接地平面包括基部部分，所述第一接地线和第二接地线从所述基部部分延伸，并且所述基部部分包括与所述间隙连通的槽，所述天线辐射元件包括定位在所述槽之内的馈电线部分。
方案14、根据方案13所述的天线结构，进一步包括共面波导馈电结构，所述共面波导馈电结构包括所述基部部分和所述馈电线部分。
方案15、根据方案14所述的天线结构，进一步包括同轴连接器，所述同轴连接器连接到所述共面波导馈电结构。
方案16、根据方案12所述的天线结构，其中，所述车窗是车辆挡风玻璃。
方案17、根据方案12所述的天线结构，其中，所述天线包括透明导体。
方案18、一种天线结构，其在0.7 - 1.2GHz或1.8 - 2.4GHz的范围的频带中操作，所述天线结构包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；
漏波共面波导（CPW）天线，其与所述粘合剂层相对地形成到所述基底，所述天线包括接地平面和天线辐射元件，所述接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在所述第一接地线和第二接地线之间限定间隙，所述天线辐射元件在所述间隙中在所述接地线之间延伸，所述接地平面包括基部部分，所述第一接地线和第二接地线从所述基部部分延伸，并且所述基部部分包括与所述间隙连通的槽，所述天线辐射元件包括多个漏波汇流条以及定位在所述槽之内的馈电线部分，所述多个漏波汇流条以预定间隔横穿所述天线辐射元件，并且操作为导致从所述多个漏波汇流条取向的辐射，从而改变所述天线的辐射样式；以及
共面波导馈电结构，其包括所述基部部分和所述馈电线部分。
方案19、根据方案18所述的天线结构，其中，所述介电结构是车辆上的车窗，并且其中，所述天线的所述辐射样式改变为与地面水平。
方案20、根据方案18所述的天线结构，其中，所述天线结构提供用于多入多出（MIMO）的长期演进（LTE）蜂窝系统的信号。
通过以下的描述和所附权利要求并结合附图，本发明的另外的特征将变得显而易见。
附图说明
图1是车辆的部分切除的前视图，显示了具有形成于其上的薄膜天线结构的车辆挡风玻璃；
图2是车窗的轮廓图，车窗包括在其上形成的薄膜柔性天线；
图3是显示于图1中的天线结构的俯视图；
图4是用于图3所示天线结构的包括同轴电缆馈电线的天线馈电结构的俯视图；以及
图5是天线结构的俯视图，其相似于图3所示的天线结构，但配置用于不同的频带。
具体实施方式
本发明致力于适合于附着到弯曲介电结构的薄膜柔性漏波CPW天线结构，对于本发明的各实施例的以下讨论在本质上只是示例性的，且并非意图以任何方式限制本发明或者其应用或使用。例如，本文中的讨论谈到了该天线适用于附着到汽车玻璃。然而，如本领域技术人员将会理解的，天线将具有用于其它介电结构而非汽车结构以及并非透明或半透明表面的应用。
如上所述，通常期望将天线提供在车辆上，该天线是透明的并且能够以沿循方式集成到弯曲的挡风玻璃或其它车辆玻璃。本发明提出了一种天线结构，其特别应用于MIMOLTE蜂窝系统，其在安装或集成在车辆玻璃上时例如在0.46 - 3.8 GHz频带中操作。该天线结构的形状和样式能够被设计为透明导体和共面结构，其中天线和接地导体两者被印制在同一层上。该天线结构可以被设计成在具有各种物理厚度和介电性能的汽车玻璃上进行操作，其中该天线结构当被安装在玻璃或其它介电体上时按照预期进行操作，因为在设计过程中在天线几何样式的开发中考虑到了玻璃或其它介电体。
图1是包括车体12、顶棚14和挡风玻璃16的车辆10的部分切除的前视图。如将要在下文中详细讨论的，在薄膜基底18上形成的行波型漏波CPW天线结构40附着到挡风玻璃16，其中天线结构40可以是用于MIMO LTE应用的车辆玻璃上的两个天线中的一个。
图2是包括挡风玻璃22的天线结构20的轮廓图，该挡风玻璃22具有外玻璃层24、内玻璃层26和在内外玻璃层之间的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）层28。结构20包括天线30，例如天线结构40，该天线30形成于柔性薄膜基底32上，例如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、双轴向取向的聚对苯二甲酸乙二酯（BoPET）、柔性玻璃基底、聚酯薄膜（mylar）、Kapton等，并且由粘合剂层34附着到层26的表面。粘合剂层34可以是有效地使基底32固定到玻璃层26的任何合适的粘合剂或转移胶带，此外，如果天线30位于玻璃层26的可视区，那么粘合剂或转移胶带可以是透明的或接近透明的，从而对外观和穿过其中的光透射具有极小的影响。可以利用低RF损耗钝化层36（例如聚对二甲苯）来保护天线30。天线连接器38被图示为连接到天线30并且可以是任何合适的RF或微波连接器，例如直接软辫线（pig-tail）或同轴电缆连接。尽管天线30被图示为联接到内玻璃层26的内表面，但导体30可以附着到外玻璃层24的外表面或者与PVB层28或PVB层28的表面相邻的层24或26的表面。
天线30可以由任何合适的低损耗导体所构成，例如铜、金、银、银陶瓷、金属网栅/网格等。如果天线30位于需要驾驶员或其它车辆乘员透过玻璃观看的在车辆玻璃上的位置处，那么天线导体可以是任何合适的透明导体，例如氧化铟锡（ITO）、银纳米线、氧化锌（ZnO）等。当天线30由透明导体制成时，其性能能够通过沿天线30边缘增加导电框架来增强，这在本领域中是公知的。
汽车玻璃的厚度可大致在2.8 mm-5 mm上变化，并且具有在4.5-7.0范围内的相对介电常数εr。天线30包括单层导体和用于激发天线辐射器的共面波导（CPW）馈电结构。该CPW馈电结构可以构造成以对于CPW馈电线或者软辫线或同轴电缆合适的方式安装连接器38。当与CPW线的连接器38或软辫线连接已完成时，可以用钝化层36对天线30加以保护。在一个实施例中，当将天线30安装在玻璃上时，可以将转移胶带的背衬层去除。通过将天线导体设置在车辆挡风玻璃22的内表面上，可以减小由于环境条件和天气条件所导致的天线30的劣化。
图3是图1中所示CPW天线结构40的俯视图，其中天线结构40包括具有基部部段44和两个相对接地线48和50的长型接地平面42，基部部段44包括在其中形成的槽46，接地线48和50在其之间限定间隙52，其中间隙52在与基部部段44相对的端部62处开放。天线辐射元件54穿过并沿着间隙52延伸到端部62，并且包括定位在槽46之内的馈电线部分56，该馈电线部分56是CPW馈电结构58的一部分，如图所示。一系列横置汇流条（crossing bus bar）60（在此为十个）以预定间隔沿着辐射元件54提供在间隙52之内，如图所示。由辐射元件54接收的信号产生信号波，该信号波沿着辐射元件54由强到弱传播，并且在横置汇流条60中生成环电流，其使得能量辐射掉，由此提供漏波效应，这导致确定量的辐射从天线结构40取向。随着波沿着辐射元件54由强到弱传播并遭遇横置汇流条60，在具体汇流条60处的特定相位和波幅的波改变辐射样式的取向性（directivity）。在一个实施例中，相邻的汇流条60之间的距离远小于所关注频带的中心的自由空间波长。通过对于所关注的特别频带优化横置汇流条60的长度和横置汇流条60之间的间距，天线结构40的取向性能够被改变，从而即使天线结构40安装到诸如挡风玻璃16的弯曲的车辆玻璃，天线辐射样式也能够选择性地优化为平行于地面，由此允许用于从蜂窝塔或其它位置接收LTE信号的更好的接收。
任何适合的馈电结构都能够用来为天线元件54馈电，该天线元件54提供正确的阻抗匹配。图4是显示了一个适合实例的CPW天线馈电结构58的部分切除的俯视图。在该实施例中，同轴电缆70提供用于馈电结构58的进入信号线，并且包括电联接到馈电线部分56的内导体72以及电联接到基部部段44的外接地导体74，其中导体72和74由绝缘体76分离。
在该实施例中，天线结构40配置为可在700-1200 MHz的更低的LTE频带中操作。如所讨论的，将需要提供与天线结构40不相关的另一天线结构，其可在1800-2400 MHz的更高的LTE频带中操作。
图5是行波型漏波CPW天线结构80的俯视图，该天线结构80配置为在1800-2400MHz的更高的LTE频带中操作，并且能够附着到车辆挡风玻璃16以便与天线结构40结合操作。天线结构80包括具有基部部段84和两个相对接地线88和90的长型接地平面82，基部部段84包括在其中形成的槽86，接地线88和90在其之间限定间隙92，其中间隙92在端部102处开放。天线辐射元件94穿过并沿着间隙92延伸到端部102，并且包括定位在槽86之内的馈电线部分96，该馈电线部分96是CPW馈电结构98的一部分，如图所示。一系列横置汇流条100（在此为十个）以预定间隔沿着辐射元件94提供在间隙92之内，如图所示。
在另一实施例中，天线结构40和80能够组合为单个天线阵列，该天线阵列在整个LTE频带上操作，其中滤波器/双工器（未显示）能够采用以在特别时间点处选择性地提供特定频带的信号。
前面的讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。通过这样的讨论及附图和权利要求，本领域技术人员将容易认识到，在不背离如所附权利要求中所限定的本发明精神和范围的条件下，可以在本文中作出各种变更、修改和变型。

Claims (20)

1.一种天线结构，包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；以及
漏波共面波导天线，其与所述粘合剂层相对地形成到所述基底，所述天线包括接地平面和天线辐射元件，所述接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在所述第一接地线和第二接地线之间限定间隙，所述天线辐射元件在所述间隙中在所述接地线之间延伸，所述天线辐射元件包括多个漏波汇流条，所述多个漏波汇流条相互平行，并且以预定间隔横穿所述天线辐射元件，并且操作为导致从所述多个漏波汇流条取向的辐射，从而改变所述天线的辐射样式，其中，相邻的所述漏波汇流条之间的距离远小于所关注频带的中心的自由空间波长。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述接地平面包括基部部分，所述第一接地线和第二接地线从所述基部部分延伸，并且所述基部部分包括与所述间隙连通的槽，所述天线辐射元件包括定位在所述槽之内的馈电线部分。
3.根据权利要求2所述的天线结构，进一步包括共面波导馈电结构，所述共面波导馈电结构包括所述基部部分和所述馈电线部分。
4.根据权利要求3所述的天线结构，进一步包括同轴连接器，所述同轴连接器连接到所述共面波导馈电结构。
5.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述介电结构是车辆上的车窗，并且其中，所述天线的所述辐射样式改变为与地面水平。
6.根据权利要求5所述的天线结构，其中，所述车窗是车辆挡风玻璃。
7.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述天线包括透明导体。
8.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述薄膜基底选自由聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基底所组成的组群。
9.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述天线结构提供用于多入多出的长期演进蜂窝系统的信号。
10.根据权利要求9所述的天线结构，其中，所述天线在0.7 - 1.2GHz的频带中操作。
11.根据权利要求9所述的天线结构，其中，所述天线在1.8 - 2.4GHz的频带中操作。
12.一种天线结构，包括：
车窗；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述车窗；以及
漏波共面波导天线，其与所述粘合剂层相对地形成到所述车窗，所述天线包括接地平面和天线辐射元件，所述接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在所述第一接地线和第二接地线之间限定间隙，所述天线辐射元件在所述间隙中在所述接地线之间延伸，所述天线辐射元件包括多个漏波汇流条，所述多个漏波汇流条相互平行，并且以预定间隔横穿所述天线辐射元件，并且操作为导致从所述多个漏波汇流条取向的辐射，从而将所述天线的辐射样式改变为与地面水平，其中，所述天线结构提供用于多入多出的长期演进蜂窝系统的信号，其中，相邻的所述漏波汇流条之间的距离远小于所关注频带的中心的自由空间波长。
13.根据权利要求12所述的天线结构，其中，所述接地平面包括基部部分，所述第一接地线和第二接地线从所述基部部分延伸，并且所述基部部分包括与所述间隙连通的槽，所述天线辐射元件包括定位在所述槽之内的馈电线部分。
14.根据权利要求13所述的天线结构，进一步包括共面波导馈电结构，所述共面波导馈电结构包括所述基部部分和所述馈电线部分。
15.根据权利要求14所述的天线结构，进一步包括同轴连接器，所述同轴连接器连接到所述共面波导馈电结构。
16.根据权利要求12所述的天线结构，其中，所述车窗是车辆挡风玻璃。
17.根据权利要求12所述的天线结构，其中，所述天线包括透明导体。
18.一种天线结构，其在0.7 - 1.2GHz或1.8 - 2.4GHz的范围的频带中操作，所述天线结构包括：
介电结构；
薄膜基底，其通过粘合剂层附着到所述介电结构；
漏波共面波导天线，其与所述粘合剂层相对地形成到所述基底，所述天线包括接地平面和天线辐射元件，所述接地平面具有相对的第一接地线和第二接地线，在所述第一接地线和第二接地线之间限定间隙，所述天线辐射元件在所述间隙中在所述接地线之间延伸，所述接地平面包括基部部分，所述第一接地线和第二接地线从所述基部部分延伸，并且所述基部部分包括与所述间隙连通的槽，所述天线辐射元件包括多个漏波汇流条以及定位在所述槽之内的馈电线部分，所述多个漏波汇流条相互平行，并且以预定间隔横穿所述天线辐射元件，并且操作为导致从所述多个漏波汇流条取向的辐射，从而改变所述天线的辐射样式；以及
共面波导馈电结构，其包括所述基部部分和所述馈电线部分，
其中，相邻的所述漏波汇流条之间的距离远小于所述频带的中心的自由空间波长。
19.根据权利要求18所述的天线结构，其中，所述介电结构是车辆上的车窗，并且其中，所述天线的所述辐射样式改变为与地面水平。
20.根据权利要求18所述的天线结构，其中，所述天线结构提供用于多入多出的长期演进蜂窝系统的信号。
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