CN107453047B - 具有分段表面处理的双频带柔性天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有分段表面处理的双频带柔性天线。一种天线结构，其包括形成在介电基体上的双频带WiFi CPW天线和在基体上形成并至少部分围绕天线的频率选择阻抗表面。天线包括限定间隙的接地平面和包括接近接地平面定位的辐射部分和延伸到间隙内的馈电线的天线辐射元件。频率选择阻抗表面可以是围绕辐射元件的辐射部分配置的环，其中频率选择阻抗环接收由天线生成的沿介电基体传播的表面波。

Description

具有分段表面处理的双频带柔性天线

要求优先权申请的权益

本申请要求2016年5月6日提交的名称为“Dualband Flexible WIFI Antennawith Segmented Surface Treatment（具有分段表面处理的双频带柔性WIFI 天线）”的美国临时专利申请62/332,705的权益。该美国临时专利申请62/332,705通过引用并入本文。

技术领域

此公开的系统大体涉及一种天线结构，其包括天线和围绕天线被印制在柔性基体上的频率选择阻抗表面，并且更具体地涉及一种双频带共面（CPW）天线结构，其被安装到车辆玻璃并且包括减小表面波效应的围绕天线的频率选择阻抗表面。

背景技术

现代车辆使用大量各种类型的天线来为不同的通信系统接收和发射信号，所述系统例如是地面无线电（AM/FM）、蜂窝电话、卫星无线电、专用短程通信（DSRC）、WiFi、GPS等等。进一步地，蜂窝电话被扩展成需要两个天线来提供多输入多输出（MIMO）操作的4G长期演进（LTE）。被用于这些系统的天线通常被安装到车辆的车顶以便提供最大接收能力。进一步地，许多这样的天线通常被集成到安装于车辆车顶的共同的结构和外壳中，例如"鲨鱼鳍"车顶安装的天线模块。随着在车辆上的天线的数量增加，以有效方式容纳所有天线并提供最大接收能力所需的结构尺寸也增大，这与车辆的设计和样式相冲突。因此，汽车工程师和设计师寻求车辆上的不会与车辆设计和结构冲突的其他适当区域来放置天线。

这些区域之一是车辆玻璃，例如车辆挡风玻璃，这是有益的，因为玻璃为天线形成良好的介电基体。例如，本领域公知的是将AM和FM天线印制在车辆玻璃上，其中印制天线与玻璃作为单件被制造。不过，这些公知天线的局限通常在于，它们仅可以被放置在车辆挡风玻璃或者其他玻璃表面内不必通过该玻璃观景的区域内。

当天线被放置在介电基体上时针对发射和接收两个目的由天线生成的能量至少部分耦合到基体内，其中能够生成表面波。例如，汽车挡风玻璃和其他玻璃的厚度通常在3-5毫米的范围内，其在5.8 GHz WiFi频带上是电厚的。当天线被齐平地安装到电厚基体时，出现能够导致不希望的散射和天线效率和增益的减小的表面波。那些表面波沿着基体从天线向外扩展直到它们到达基体的边缘，在该处它们以不希望的方式辐射或者耗散或联接到导电结构内，例如车辆玻璃联接到金属车辆主体之处。因此，要被天线辐射的许多能量被损失掉，从而降低了天线的效率和性能。

表面波发生于电厚基体相比于信号波长支持表面波的情况下。表面波能够由印制天线或被齐平地安装到基体的天线产生。这对于宽频带天线能够特别成问题，在宽频带天线中基体在天线的操作带宽中的某些频率下是电厚的并且在另一些频率下是电薄的。表面波也能够由来自远程源（即没有直接安装在关注的结构上的源）的入射能量产生。表面波的存在能够导致不希望的散射、天线增益的减小，并且能够损坏或者干涉同一结构上的其他敏感电子器件的操作。

全息正弦调制阻抗表面已经被用于控制表面波。边界表面波模式以正弦方式扰动以便产生慢的泄漏和定向辐射。迄今为止，这些表面还没有被用作对独立的天线的集成或改进式处理。通常，全息正弦调制阻抗表面是必须基于其激励源被定制以便实现特定的辐射角度的天线，并且由于该原因而被设计成控制横向磁性（TM）模式和所需的接地基体。已经证实不需要接地基体并且控制横向电（TE）模式的全息天线版式，不过它们需要基体的厚度变化来实现辐射。

发明内容

本发明公开和描述了一种天线结构，其包括被形成在介电基体上的双频带WiFiCPW天线和在基体上形成并至少部分围绕天线的频率选择阻抗表面。天线包括限定间隙的接地平面和包括接近接地平面定位的辐射部分和延伸到间隙内的馈电线的天线辐射元件。频率选择阻抗表面可以是围绕辐射元件的辐射部分配置的环，其中频率选择阻抗环接收由天线生成的沿介电基体传播的表面波。

本发明可以包括以下方案：

1. 一种天线结构，包括：

介电基体；

形成在所述基体的表面上的共面波导（CPW）天线，所述天线包括限定间隙的接地平面，所述天线进一步包括天线辐射元件 ，所述天线辐射元件包括接近所述接地平面定位的辐射部分和延伸到所述间隙内的馈电线；以及

频率选择阻抗环，其形成在所述基体的表面上并且围绕所述辐射元件的辐射部分配置，所述频率选择阻抗环接收由所述天线生成的沿所述介电基体传播的表面波。

2. 根据方案1所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗环是半圆形环。

3. 根据方案2所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗环是包括由间隙分开的多个环节段的分段环。

4. 根据方案1所述的天线结构，其中所述天线和表面波抑制结构嵌入在所述介电基体内。

5. 根据方案3所述的天线结构，其中所述间隙具有由相邻环节段形成的相对的直的边缘。

6. 根据方案3所述的天线结构，其中所述间隙具有由相邻环节段的端部边缘形成的扩口形状。

7. 根据方案1所述的天线结构，其中所述辐射部分具有五角形状。

8. 根据方案1所述的天线结构，其中所述天线是双频带天线并且所述辐射元件包括用于阻止第一频带和第二频带之间的频率的槽。

9. 根据方案1所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗环使用具有与所述介电基体的介电常数不同的介电常数的介电材料形成。

10. 根据方案1所述的天线结构，进一步包括被电联接到所述接地平面和所述天线辐射元件的CPW馈电结构。

11. 根据方案1所述的天线结构，其中所述介电基体是车辆车窗。

12. 根据方案11所述的天线结构，其中所述车辆车窗是车辆挡风玻璃。

13. 根据方案1所述的天线结构，其中所述天线包括透明导体。

14. 根据方案1所述的天线结构，其中所述天线和阻抗环被形成在薄膜基体上，所述薄膜基体选自包括聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基体的组。

15. 一种天线结构，包括：

介电基体；

形成在所述介电基体的表面上的天线；以及

形成在所述介电基体的表面上的频率选择阻抗环，其中所述频率选择阻抗环使用导电的非周期性结构形成。

16. 根据方案15所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗环是半圆形环。

17. 根据方案15所述的天线结构，其中所述导电的非周期性结构是圆形的。

18. 根据方案15所述的天线结构，其中所述导电的非周期性结构是导电通孔。

19. 一种天线结构，包括：

介电基体；

在第一频带上优化的天线，其中所述天线形成在所述基体的表面上，其中所述天线使用被结合到所述介电基体的导电材料形成；以及

使用结合到所述介电基体上的导电材料围绕所述天线的辐射部分形成的频率选择阻抗结构，其中所述频率选择阻抗结构操作成阻止在所述第一频带内的电磁波。

20. 根据方案19所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗结构被操作成接收由所述天线生成的沿所述介电基体传播的表面波。

21. 根据方案19所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗结构是包括由间隙分开的多个环节段的分段环。

结合附图，根据下面的描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得显而易见。

附图说明

图1是车辆的前视图，其示出了车辆挡风玻璃；

图2是车辆的后视图，其示出了车辆后车窗；

图3是包括在其上形成的薄膜型柔性天线的车辆车窗的轮廓图；

图4是双频带WiFi CPW天线结构的俯视图，该结构包括被分成节段的半圆形频率选择阻抗表面;

图5是被附粘到玻璃基体的图4所示的天线结构的等轴视图；

图6是图4中所示的天线结构的剖切馈电结构；以及

图7是包括半圆形频率选择阻抗环的双频带WiFi天线结构的俯视图。

具体实施方式

涉及包括安装在介电基体上的天线和围绕天线的频率选择阻抗表面的天线结构的本发明实施例的下述讨论实质上仅是示例性的并且不以任何方式试图限制本发明或其应用或使用。例如，本文中的讨论是关于可应用成被安装到车辆玻璃上的天线结构。不过，如本领域技术人员将意识到的，天线结构将具有用于除了汽车结构之外的其他介电结构（例如塑料）的应用。

图1是车辆10的前视图，其包括车辆车身12、车顶14和挡风玻璃16，并且图2是示出后车窗18的车辆10的后视图。如下文具体讨论的，本发明提出提供一种在挡风玻璃16、后车窗18或者车辆10上的任意其他车窗或介电结构上的宽频带的天线，其中天线是柔性的以符合具体介电结构的形状，并且其中天线能够被安装在介电结构上的任意合适的位置处，包括挡风玻璃16上的车辆驾驶员需要透过其观看的位置。在一种实施例中，天线是通过适当粘结剂被直接安装在介电结构的表面上的宽频带单极贴花天线。天线结构能够被设计成在各种物理厚度和介电性质的汽车玻璃上操作，其中因为在设计过程中在天线几何图案研发时考虑到玻璃或其他介电体，所以当被安装在玻璃或其他介电物上时天线结构如预期操作。

天线可以是单馈的单层共面天线，其以5.9 GHz操作，辐射线性极化，并且通过将表面波能量转换成漏波辐射来消除表面波的负面效应。天线可以具有共面型几何构型，其中辐射体和接地平面导体二者均被图案化到柔性薄膜（例如铜/kapton膜）基体上，其最终被安装在载体基体上用于最后安装。车窗玻璃被看作是具有4毫米厚度和~5.6的相对介电常数的微波基体，其中4mm的挡风玻璃厚度相比于在DSRC频率的5.9 GHz的操作频率处的信号波长是电厚的。天线辐射体被共面波导（CPW）馈电并且能够被连接到同轴线缆。CPW馈电结构具有优点，例如低辐射损耗、少的耗散且容易与RF/微波电路集成，从而使得能够实现微型混合或单片微波集成电路（MMIC）。

图3是天线结构20的轮廓图，其包括挡风玻璃22，该挡风玻璃22具有外玻璃层24、内玻璃层26和其间的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）层28。结构20包括天线30，该天线30被形成在柔性薄膜基体32上并且被粘结剂层34粘附到层26的表面，其中所述基体32例如是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯（BoPET）、柔性玻璃基体、聚酯薄膜、Kapton等等。粘结剂层34可以是任意合适的粘结剂或者转移胶带，其有效地允许基体32被固定到玻璃层26，并且进一步地，如果天线30位于玻璃层26的可见区域内，则粘结剂或者转移胶带可以是透明的或者接近透明的以便对外观及穿过其的光传输具有最小影响。天线30能够被低RF损失钝化层36（例如聚对二甲苯）保护。天线连接头38被示为被连接到天线30并且能够是任意合适的RF或者微波连接头，例如直接绞编花式或同轴线缆连接。虽然天线30被示为联接到内玻璃层26的内侧表面，不过导体30能够被粘附到外玻璃层24的外表面或者层24或26邻近PVB层28的表面或者PVB层28的表面。

天线30可以通过任意合适的低损耗导体形成，例如由铜、金、银、银陶瓷、金属网/丝网等等形成。如果天线30是在车辆玻璃上需要驾驶员或者其他车辆乘客能够透过该玻璃观看的位置处，则天线导体可以是任意合适的透明导体，例如氧化铟锡（ITO）、银纳米线、氧化锌（ZnO）等等。当天线30由透明导体制成时，将通过沿天线30的边缘添加导电框来增强天线30的性能，如本领域公知的。

汽车玻璃的厚度可以近似在2.8毫米-5毫米上变化并且具有在4.5-7.0范围内的相对介电常数ε_r。天线30包括单层导体和共面波导（CPW）馈电结构来激励天线辐射体。CPW馈电结构可以被构造成以适于CPW馈电线或者绞编花式或同轴线缆的方式安装连接头38。当实现至CPW线的连接头38或绞编花式连接时，天线30能够受到钝化层36的保护。在一种实施例中，当天线30被安装在玻璃上时，转移胶带的背衬层能够被移除。通过在车辆挡风玻璃22的内侧表面上提供天线导体，能够减少由于环境和天气条件导致的天线30的退化。

如上文讨论的，本发明公开了一种天线结构，其可操作成当被安装或集成在车辆玻璃上时接收和发射具有适当极化的WiFi频带内的信号。天线结构能够被成形且图案化到透明导体和共面结构内，其中天线和接地导体二者均被印制在同一层上。天线可以使用由透明导电氧化物和银纳米线制成的低成本薄膜，其中高导电性金属框架围绕天线元件。

图4是天线结构40的俯视图，其具有操作为在2.4 GHz和5.8 GHz WiFi频带下的双频带WiFi天线的应用。图5是天线结构40的等轴视图42，其被成形为薄膜50并且被粘结剂层48固定到弯曲的车辆玻璃46的表面44。天线结构40包括其内具有切口槽60的接地平面56和是CPW馈电结构62的一部分的延长部分58。天线结构40进一步包括天线辐射元件66，其具有也是馈电结构62的一部分的馈电线68和与其联接的五角形状的辐射部分70，所述馈电线68延伸到槽60内并且与接地平面56电隔离。辐射部分70具有在2.4 GHz和5.8 GHz WiFi频带内操作的形状和大小，其中U形槽72被形成在辐射部分70内以便提供在两个单独的WiFi频带之间的带阻。

天线结构40也包括由半圆形分段环80限定的成形频率选择阻抗表面74，该分段环80包括一系列环节段76从而限定其间的间隙78，其中频率选择阻抗表面74如所示部分地围绕辐射部分70并且操作成散射和扰乱传播到玻璃46的表面波。环80可以是分段的以便满足在较高的5.8 GHz WiFi频带下节段弧长是≥0.25λ且在较低的2.4 GHz WiFi频带时节段弧长远小于0.25λ的条件。弧长的条件要确保环表面处理在电学上足够大以便与较高WiFi频带下的表面波相互作用并且在电学上也足够小以便对于较低WiFi频带是RF透明的。进一步地，虽然在整个间隙78上间距相同的情况下间隙78具有平行边缘，不过在替代设计中，间隙78可以是扩口的以在其内提供信号的所需的相互作用。

如上所述，天线结构40具有用于2.4 GHz和5.8 GHz WiFi频带的具体应用。对于这些频带，在这种实施例中，天线结构40具有下列尺寸。分段环80的半径是29毫米，间隙78的宽度是1毫米，槽72的宽度是1毫米，辐射部分70的宽度是19.4毫米，辐射部分70的正方形部的高度是13.4毫米，接地平面56的长度是32.2毫米，从间隙60的中心至接地平面58的外侧边缘的距离是19.4毫米，并且间隙60的宽度是2.7毫米。

任意合适的馈电结构可以被用于给天线辐射部分70馈电。图6是示出一种适当示例的CPW天线馈电结构62的俯视剖切图。在这种实施例中，同轴线缆90提供被联接到馈电结构62的信号线，并且包括与信号线68电联接的内导体92和与接地部分58电联接的外接地导体94，其中导体92和94被绝缘体96分开。

分段环80包括在天线结构40中的七个相等大小的节段76。在另一些设计中，针对不同频带，环节段76的数量和大小可以是不同的。同样，环80的形状可以改变，例如是椭圆的。

图7是类似于天线结构40的天线结构100的俯视图，其中相同元件由相同附图标记标示。在这种设计中，分段环80被非分段环102代替，该非分段环80是单个导电半圆形金属层以便提供减少的表面波影响。

频率选择表面的另一示例性实施例可以包括使用非周期且随机的材料点或图案来中断表面波。点图案可以由具有与介电基体的介电常数不同的介电常数的介电材料制造。介电体的这种不连续性能够导致显著足以破坏沿介电基体的不希望的表面波或信号传播的反射系数。替代性地，点可以是导电的以便反射和/或包含所需频率上的信号。在最大所需频率下点可以以小于0.5λ且优选地小于0.25λ的间隔间隔开。点图案可以以类似于电路板上的印刷迹线类似的方式被施加。替代地，点可以使用处于适当间距的通孔或贯穿通孔而生成。点可以替代性由任意几何构型的几何形状构成以便获得频率选择结果。几何形状可以包括但不限于三角形、正方形、长方形、多边形等等。

频率选择表面的另一示例性实施例可以包括使用在介电基体内的介电材料中的不规则性或变化，以便产生显著足以用作频率选择表面执行的阻抗失配。例如，基体的厚度的变化；基体的成分的变化，使用紫外光来改变挡风玻璃的中间层使用的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）或者乙烯醋酸乙烯酯（EVA）的介电性质。

在另一示例性实施例中，在可以存在被施加到介电基体的导电层的情况下，导电层的一些部分可以被移除以便降低在所需频率下导电层的导电性。例如，一些供应商可以使用导电材料涂覆整个介电基体，且之后使用消去过程来除去导电材料的一些区域。在这种情况下，将并入孔来产生不完美的接地平面-以及阻抗变化-这将破坏表面波的形成。例如，点可以被移除，产生分段环或产生未分段环，以便实现频率选择结果。

除了这里的实施方式（使用粘附到玻璃的包含天线和表面波抑制元件的基体）之外，天线和表面波可以嵌入玻璃结构内。存在各种方法将导电元件添加到玻璃；包括添加银-陶瓷涂料，其通常被用作汽车后玻璃上以用于加热/除冰；将导电涂层添加到挡风玻璃的玻璃的层之一和/或将导电元素结合到PVB中，或者类似地结合到玻璃的层中。

前文讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从这样的讨论且从附图和权利要求将容易地认识到，能够在不背离如后面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下在其中做出各种修改、改进和变型。

Claims (11)

1.一种天线结构，包括：

具有内表面和外表面的介电基体；

形成在所述基体的外表面上的共面波导（CPW）天线，所述天线包括限定间隙的接地平面，所述天线进一步包括天线辐射元件 ，所述天线辐射元件包括接近所述接地平面定位的辐射部分和延伸到所述间隙内的馈电线；以及

频率选择阻抗环，其形成在所述基体的外表面上并且围绕所述辐射元件的辐射部分配置，使得频率选择阻抗环和天线形成共面结构，所述频率选择阻抗环接收由所述天线生成的沿所述介电基体传播的表面波；其中所述频率选择阻抗环是半圆形环。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗环是包括由间隙分开的多个环节段的分段环。

3.根据权利要求2所述的天线结构，其中所述间隙具有由相邻环节段的端部边缘形成的扩口形状。

4.根据权利要求1所述的天线结构，其中所述辐射部分具有五角形状。

5.根据权利要求1所述的天线结构，其中所述天线是双频带天线并且所述辐射元件包括用于阻止第一频带和第二频带之间的频率的槽。

6.根据权利要求1所述的天线结构，其中所述频率选择阻抗环使用具有与所述介电基体的介电常数不同的介电常数的介电材料形成。

7.根据权利要求1所述的天线结构，进一步包括被电联接到所述接地平面和所述天线辐射元件的CPW馈电结构。

8.根据权利要求1所述的天线结构，其中所述介电基体是车辆车窗。

9.根据权利要求8所述的天线结构，其中所述车辆车窗是车辆挡风玻璃。

10.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。

11.根据权利要求1所述的天线结构，其中所述天线和阻抗环被形成在薄膜基体上，所述薄膜基体选自包括聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基体的组。

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