CN107546496A - 一种用于车辆通信的多取向天线 - Google Patents

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CN107546496A CN201710468821.1A CN201710468821A CN107546496A CN 107546496 A CN107546496 A CN 107546496A CN 201710468821 A CN201710468821 A CN 201710468821A CN 107546496 A CN107546496 A CN 107546496A
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Abstract

公开了用于车辆通信的多取向天线的系统和装置。示例性多取向天线包括壳体和嵌入壳体中的第一和第二组活门。示例性多取向天线还包括设置在所述壳体内的波导管，该波导管限定第一和第二组缝隙天线。第一组缝隙天线中的缝隙天线被定向为利于水平通信。第二组缝隙天线中的缝隙天线被定向为利于垂直通信。此外，示例性多取向天线还包括用于旋转壳体的旋转马达。

Description

一种用于车辆通信的多取向天线
技术领域
本公开大体涉及车辆通信系统，并且更具体地，涉及一种用于车辆通信的多取向天线。
背景技术
在美国，专用短距离通信(the Dedicated Short Range Communication，DSRC)网络正在部署为智能交通系统的一部分。DSRC便于车辆与其他车辆通信以配合驾驶操纵，并提供有关潜在道路危险的警告。此外，DSRC有助于与基于基础设施的节点(如收费站和交通信号灯)进行通信。部署DSRC协议的目的是减少死亡、伤害、财产毁坏、交通时间浪费、燃料消耗、废气排放等等。
发明内容
所附权利要求限定了本申请。本公开总结了实施例的各方面，并且不应当用于限制权利要求。根据本文所描述的技术方案可想到其他实施方式，这对于查看以下附图和详细描述的本领域普通技术人员将是显而易见的，并且这些实施方式的意图包括在本申请的范围内。
用于车辆通信的多取向天线的示例实施例被公开。示例性多取向天线包括壳体和嵌入壳体中的第一和第二组活门。示例性多取向天线还包括设置在壳体内的波导管，波导管限定第一和第二组缝隙天线(slot antenna)。第一组缝隙天线中的缝隙天线被定向为利于水平通信。第二组缝隙天线中的缝隙天线被定向为利于垂直通信。此外，示例性多取向天线包括用于旋转壳体的旋转马达。
示例性车辆通信系统包括天线和天线控制器。天线包括多个活门，活门当被打开时利于通过多个缝隙天线中相应的缝隙天线进行通信。示例性天线控制器在第一时段期间打开多个活门并且连续地旋转天线。另外，示例性天线控制器在第二时段期间选择性地打开多个活门中的一个或多个，并将打开的活门朝向定向请求所指定的方向。
附图说明
为了更好地理解本发明，可以参考以下附图中所示的实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，并且可以省略相关的元件，或者在某些情况下可能会夸大其中的比例，以便强调并清楚地说明本文所描述的新颖特征。此外，系统组件可以如本领域已知的方式进行各种布置。此外，在附图中，在几个视图中相同的附图标记表示相应的部分。
图1示出了根据本公开教导的具有多取向天线的车辆；
图2是图1的多取向天线的俯视剖面图；
图3A和3B示出图1和图2中的多取向天线的可调节活门；
图4A和4B示出了具有图1和图2的多取向天线的车辆；
图5是控制图1和图2的多取向天线的示例性方法的流程图。
具体实施方式
尽管可以以各种形式实施本发明，但是在附图中示出并且将在下文中描述一些示例性和非限制性实施例，应当理解，本公开被认为是本发明的示例，并无意将本发明限制于所示的具体实施例。
无线通信技术便于连接的车辆与其他连接的车辆交换信息。这有时被称为车对车(vehicle-to-vehicle，“V2V”)通信。连接的车辆还可以与连接到基础设施(例如交通信号灯、灯柱、隧道、桥梁等)的无线节点交换信息。这有时被称为车对基础设施(vehicle-to-infrastructure，“V2I”)通信。连接的车辆还可以与行人携带的移动设备(例如，电话、智能手表、平板电脑等)交换信息。这有时被称为车对人(vehicle-to-pedestrian，“V2P”)通信。V2V，V2I和V2P共同被称为“V2X”。无线通信技术包括促进车辆交换信息的任何合适的技术。在一些示例中，自组织(ad hoc)无线局域网用于交换信息。无线通信技术的另一个例子是专用短距离通信(“DSRC”)。DSRC是一种在5.9GHz频段内操作的无线通信协议或系统，主要用于运输。使用DSRC的连接的车辆彼此建立连接，和/或不时地传输安全消息，安全消息包括车辆位置、车辆速度和前进方向和/或影响车辆性能的警报。惯用地，车辆广播消息，使得范围内的任何其他车辆可以接收消息。另外，车辆以规则的间隔广播特定消息(例如，安全消息等)。因此，特别是在反射射频(radio frequency，RF)信号的建筑物附近的区域中，区域中的RF噪声可能很大。
如下所述，车辆包括引导RF信号到预期的目标车辆、和/或基于基础设施的节点的多取向天线。多取向天线包括充当缝隙天线的孔。另外，缝隙天线由打开和关闭的活门覆盖。多取向天线可旋转安装于车辆上。以这种方式，DSRC模块通过多取向天线能够控制DSRC模块要广播和接收消息的取向。例如，当一组车辆通过DSRC协调其行动时(有时称为“车队”)，在第一定义时段，可以旋转多取向天线并且可以打开特定活门，使得RF信号被广播和从其他车辆(例如，位于该车辆前方和后方)而非其他方向接收。在此示例中，在第二定义时段，多取向天线可以旋转以接收来自其他方向的RF信号(例如，从不在车队中的车辆接收安全消息等)。DSRC模块可以基于电子控制单元(electronic control units，ECU)(例如，自适应巡航控制单元等)和/或在信息娱乐系统上执行的应用(例如，导航程序等)来旋转和配置活门。
图1示出了根据本公开教导的具有多取向天线102的车辆100。车辆100可以是常规车辆、混合动力车辆、电动车辆、或燃料电池车辆等。车辆100可以是非自主的、半自主的或自主的。车辆100包括与移动性相关的部件，例如具有发动机或电动马达、变速器、悬架、驱动轴、和/或车轮等的动力传动系统。在所示示例中，车辆100包括DSRC模块104和多取向天线102。
DSRC模块104包括广播消息并且建立车辆100、其他车辆、基于基础设施的模块(未示出)、和基于移动设备的模块(未示出)之间的直接连接的无线电装置和软件。有关DSRC网络和网络如何与车辆硬件和软件进行通信的更多信息，可见于美国运输部2011年6月的核心“系统要求规范”(System Requirements Specification，SyRS)报告(可以从http://www.its.dot.gov/meetings/pdf/CoreSystem_SE_SyRS_RevA％20(2011-06-13).pdf获取)，其全部内容、以及SyRS报告第11至14页上引用的所有文件通过引用并入本文。DSRC系统可以安装在车辆和路边的基础设施。结合基础设施信息的DSRC系统被称为“路边”系统。DSRC可以与其他技术相结合，例如全球定位系统(Global Position System，GPS)、视觉光通信(Visual Light Communications，VLC)、蜂窝通信、和短距离雷达等，以便于车辆通信其位置、速度、前进方向、与其他物体的相对位置，以及与其他车辆或外部计算机系统交换信息。DSRC系统可以集成其他系统，如手机。
目前，DSRC网络根据DSRC缩写或名称进行识别。然而，有时使用其他名称，通常与连接的车辆程序或其类似相关。这些系统中的大多数是纯粹的DSRC或电机及电子学工程师联合会(Association of Electrical and Electronic Engineers，IEEE)IEEE 802.11无线标准的变体。然而，除了纯粹的DSRC系统之外，它还用于覆盖小汽车和路边基础设施系统之间的专用无线通信系统，其集成了GPS并且基于无线局域网用的IEEE802.11协议(例如，802.11p等)。
DSRC模块104包括处理器或控制器106和存储器108。处理器或控制器106可以是任何合适的处理设备或成组的处理设备，例如但不限于：微处理器、基于微控制器的平台、合适的集成电路、一个或多个现场可编程门阵列(field programmable gate arrays，“FPGA”)、和/或一个或多个专用集成电路(application-specific integrated circuits，“ASIC”)。存储器108可以是易失性存储器(例如，随机存取存储器(Random access memory，RAM)，其可以包括非易失性RAM、磁性RAM、铁电RAM、和任何其它合适的形式)、非易失性存储器(例如，盘存储器，闪存，可擦写可编程只读存储器(Erasable programmable read-onlymemory，EPROM)、电可擦写可编程只读存储器(Electrically erasable programmableread-only memory，EEPROM)、基于忆阻器的非易失性固态存储器等)、不可更改的存储器(例如，EPROM)、只读存储器和/或大容量存储设备(例如硬盘驱动器)、和/或固态驱动器。在一些示例中，存储器108包括多种存储器，特别是易失性存储器和非易失性存储器。
存储器108是可以嵌入一组或多组指令(例如用于操作本公开的方法的软件)的计算机可读介质。指令可以实现本文所述的一种或多种方法或逻辑。在特定实施例中，在执行指令期间，指令可以完全或至少部分地驻留在存储器108、计算机可读介质的任意一个或多个内，和/或在处理器106内。
术语“非暂态计算机可读介质”和“计算机可读介质”应理解为包括单个介质或多个介质，例如集中式或分布式数据库，和/或存储一组或多组指令的相关联的缓存和服务器。术语“非暂态计算机可读介质”和“计算机可读介质”还包括能够存储、编码、或携带由处理器执行的指令组或使系统执行本文公开的任意一种或多种方法或操作的任何有形介质。如本文所使用的，术语“计算机可读介质”被明确地定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并排除传播信号。
在所示示例中，DSRC模块104包括天线控制器110。天线控制器110控制多取向天线102和多取向天线102的活门的旋转。天线控制器110通过车辆数据总线(例如，控制器局域网(controller area network，CAN)总线)可通信地连接到车辆100中的电子控制单元(ECU)以及执行应用(例如导航程序等)的信息娱乐系统。在一些示例中，天线控制器110基于从ECU和/或信息娱乐系统上执行的应用接收的指令来控制多取向天线102。例如，自适应巡航控制模块可以指示天线控制器110配置多取向天线102以在特定的时隙与车队中的其他车辆通信。作为另一示例，在信息娱乐系统上执行的导航应用可以指示天线控制器110配置多取向天线102以与将在车辆100上方的收费站DSRC节点通信。
正如下述图2中更详细讨论的，多取向天线102包括限定用作缝隙天线的孔114a和114b的导电壳体112。孔114a和114b用于发送和接收RF信号。当天线正在发送时，RF信号垂直于孔114a和114b的取向。当天线正在接收时，天线增益模式在孔114a和114b取向的垂直方向上。沿壳体112的圆周限定第一组孔114a。第一组孔114a极化和引导RF信号以促进水平方向上的通信。第一组孔114a被控制为与例如其它车辆通信。沿壳体112的顶部和/或圆顶限定第二组孔114b。第二组孔114b极化和引导RF信号以促进垂直方向上的通信。第二组孔114b被控制为与例如车辆100上方的基于基础设施的DSRC节点通信。对于与孔114a和114b的极化匹配的极化RF信号，发射和接收增益更高。作为结果，提高了通信抗干扰能力。在某些条件下，可以使用不同的极化。例如，当两车辆100在城市峡谷中通信时，车辆之间的直接传输路径是充分的，并且来自垂直壁的反射可能产生接收问题。在这种例子中，水平极化的RF信号从垂直表面(例如，形成城市峡谷的建筑物)反射较少，所以反射干扰降低。作为另一示例，如果在两通信车辆100之间的大型车辆(例如，半挂车)模糊了直接路径，则垂直极化的RF信号可以用于通信。在这种例子中，垂直极化可以通过提高垂直壁的反射来提高信号强度。
图2是图1的多取向天线102的俯视剖面图。在所示示例中，多取向天线102包括壳体112、活门202、波导管204、和旋转马达206。壳体112由阻挡RF信号的导电材料(例如铜、铝、镍、铁基材料等)构成。在所示示例中，壳体112为具有圆形剖面的圆顶形状。可替换地，在一些示例中，壳体112为圆柱形状。壳体112可以被非导电材料(例如，尼龙，聚乙烯等)覆盖，以保护多取向天线102不受环境因素(例如，天气，灰尘等)的影响。非导电材料阻挡对活门202的物理接触，但允许RF信号通过而不衰减。
活门202嵌入壳体112的壁中。活门202打开以限定孔(例如，图1的孔114a和114b)。活门202由活门202关闭时阻挡RF信号的导电材料组成。图1的天线控制器110可通信地连接到活门202，以便于天线控制器110打开和关闭活门202。天线控制器110独立地控制活门。以这种方式，天线控制器110控制多取向天线102正在广播的方向。
波导管204具有例如中空导电管的构造，其将RF信号从信号输入端208引导到波导管204中的缝隙210。波导管204的宽度尺寸(WW)(例如，具有矩形、椭圆形或正方形剖面的波导管204)或直径(例如，具有圆形剖面的波导管204)是由信号输入端208发射的信号的截止频率的一半。例如，由于DSRC在5.9GHz频段中工作，波导管204的宽度尺寸可以是4.04厘米(1.59英寸)(例如，由电子工业联盟(Electronic Industries Alliance，EIA)定义的F波段波导(WR-159))。波导管的信号输入端208可通信地连接到DSRC模块104。为了广播消息，DSRC模块104通过信号输入端208发射RF信号。为了接收消息，DSRC模块104处理信号输入端208检测到的信号。波导管204的缝隙210与活门202对准。当对应的活门202打开时，从信号输入端208发射的RF信号被发射出缝隙210。当对应的活门202关闭时，活门202阻挡信号输入端208发射的RF信号。波导管204的缝隙210具有等于由信号输入端208发射的RF信号的波长的一半(λ/2)的宽度(WS)。例如，由于DSRC在5.9GHz频段中工作，缝隙210的宽度可以是2.54厘米(1英寸)。波导管204固定到壳体112，使得波导管204和壳体112一同旋转。
旋转马达206旋转多取向天线102。旋转马达206可通信地连接到天线控制器110。此外，旋转马达206便于天线控制器110控制活门202面对的方向。以这种方式耦合到活门202的天线控制器110，控制多取向天线102广播消息的取向。DSRC模块104连接到全球定位系统(GPS)接收机，和例如提供车辆100的位置、方位、和时间的惯性导航系统(inertialnavigation system，INS)。天线控制器110使用时间、位置、和方位与其他车辆同步天线位置。
图3A和3B示出图1和图2中的多取向天线102的可调节活门202。图3A示出了具有遮挡隔板(iris diaphragm)302的活门202。当天线控制器110指示时，遮挡隔板302打开以限定露出波导管204上的相应缝隙210的开口。遮挡隔板302打开到具有相应缝隙210的宽度(WS)。图3B示出了具有垂直门304和水平门306的活门202。当天线控制器110指示时，门304和306打开以露出相应的缝隙210。门304和306打开到具有相应缝隙210的宽度(WS)。
图4A、4B示出了具有图1和图2所示的多取向天线102的车辆400。图4A示出了车队中的车辆400。车辆400的天线控制器110通过旋转马达206旋转定向多取向天线102，使得一个活门202面向对应的车辆400的前方，并且另一个活门面向对应的车辆400的后方。另外，天线控制器110打开对应的活门202。在一些示例中，从诸如自适应巡航控制的ECU接收对准多取向天线102的指令。以这种方式，车辆400交换消息以协调行动，而不使不在车队内的其他车辆402导致信号噪声。图4B示出了与车辆400上方的基于基础设施的节点404通信的车辆400。天线控制器110打开壳体112顶部的活门202，以便于多取向天线102与基于基础设施的节点404交换消息。例如，基于基础设施的节点404可以连接到收费站。在一些示例中，天线控制器110被信息娱乐系统上执行的应用指示打开壳体112顶部的活门202。例如，导航程序可以响应于在车辆400的当前路线前方检测到收费站，而指示天线控制器110。
图5是控制图1和图2的多取向天线102的示例性方法的流程图。最初，在框502，天线控制器110确定是否已经接收到指令(有时称为“定向请求”)。可以从ECU和/或在信息娱乐系统上执行的应用接收触发。例如，当车辆100在车队中行驶时，自适应巡航控制单元可以在车队中的车辆要协调行动的指定时段中发送指令到天线控制器110。如果已经接收到指令，则该方法继续到框504。否则如果尚未接收到指令，则该方法继续到框510。
在框504，天线控制器110根据在框502处接收到的指令来定向多取向天线102的孔114a和114b。在一些示例中，天线控制器110打开多取向天线102通信的方向对应的活门202。在框506，DSRC模块104通过多取向天线102发送和/或接收消息。在框508，天线控制器110确定在框502处接收到的指令是否完成。例如，由指令指定的时段可能已经过去，或车辆可能不再位于指令指定的基于基础设施的DSRC节点附近。如果指令完成，则该方法继续到框510。如果指令未完成，则该方法返回到框506。在框510，天线控制器110旋转多取向天线102以扫描消息(例如由其他车辆广播的安全消息)和/或广播消息(例如，安全消息等)。
图5的流程图是可以由包括一个或多个程序的机器可读指令来实施的方法，该程序当由处理器(例如图3的处理器310)执行时使DSRC模块104实施图1的天线控制器110。此外，虽然参考图5所示的流程图描述了示例程序，但是也可以替代性地使用许多其它实施示例性天线控制器110的方法。例如，可以改变框的执行顺序，和/或可以改变、消除、或组合一些描述的框。
在本申请中，反义连词的使用旨在包括连词。使用的定冠词或不定冠词不意味着表示基数。特别地，对“该”对象或“一”或“一个”对象的引用旨在也表示可能的多个该种对象中的一个。此外，连词“或”可以用于传达同时存在的特征而不是互斥替代。换言之，连词“或”应该被理解为包括“和/或”。词语“包括”的含义是包含性的，并且与“包含”的范围相同。
上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实施方式的可能示例，并且仅为了清楚地理解本发明的原理而阐述。可以在基本不脱离本文所描述的技术的精神和原理的情况下对上述实施例进行许多变化和修改。所有修改意图被包括在本公开的范围内并由所附权利要求保护。

Claims (18)

1.一种用于车辆的多取向天线，包括：
壳体；
嵌入所述壳体中的第一和第二组活门；
设置在所述壳体内的波导管，所述波导管限定第一和第二组缝隙天线，所述第一组缝隙天线被定为利于水平通信，并且所述第二组缝隙天线被定为利于垂直通信；和
用于旋转所述壳体的旋转马达。
2.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述第一组活门对准所述第一组缝隙天线，并且所述第二组活门对准所述第二组缝隙天线。
3.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述第一和第二组活门包括用于在所述活门关闭时隔离射频信号的导电材料。
4.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述壳体包括用于隔离射频信号的导电材料。
5.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述第一和第二组活门中的所述活门响应于接收来自天线控制器的信号而打开和关闭。
6.根据权利要求5所述的多取向天线，其中所述第一和第二组活门中的每个所述活门的打开和关闭由所述天线控制器独立控制。
7.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述旋转马达响应于接收来自天线控制器的信号而旋转所述壳体。
8.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述壳体是圆顶形的。
9.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述第一和第二组活门中的所述活门包括响应于接收来自天线控制器的信号而打开的遮挡隔板。
10.根据权利要求1所述的多取向天线，其中所述第一和第二组活门中的所述活门包括响应于接收来自天线控制器的信号而打开的第一和第二组门。
11.一种车辆通信系统，包括：
天线，所述天线包括多个活门，当打开时，所述天线利于通过多个缝隙天线中相应的缝隙天线进行通信；和
天线控制器，所述天线控制器用于：
在第一时段期间，打开多个所述活门并且连续地旋转所述天线；和
在第二时段期间，选择性地打开所述多个活门中的一个或多个，并且将所述打开的活门朝向定向请求所指定的方向。
12.根据权利要求11所述的车辆通信系统，其中所述天线包括设置在壳体内的波导管，所述波导管限定所述多个缝隙天线。
13.根据权利要求12所述的车辆通信系统，其中所述壳体为圆顶形，并且包括用于隔离射频信号的导电材料。
14.根据权利要求11所述的车辆通信系统，其中所述多个缝隙天线中的第一组被定向为利于水平通信，并且其中所述多个缝隙天线中的第二组被定向为利于垂直通信。
15.根据权利要求11所述的车辆通信系统，其中所述多个活门包括用于在所述活门关闭时隔离射频信号的导电材料。
16.根据权利要求11所述的车辆通信系统，其中所述天线包括响应于接收来自所述天线控制器的信号而旋转所述天线的旋转马达。
17.根据权利要求11所述的车辆通信系统，其中所述多个活门包括响应于接收来自所述天线控制器的信号而打开的遮挡隔板。
18.根据权利要求11所述的车辆通信系统，其中所述多个活门包括响应于接收来自所述天线控制器的信号而打开的第一和第二组门。
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