CN107799894A - 多波段mimo平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多波段MIMO平板天线。本发明描述了一种多波段平板天线，其可配置为具有重型结构并且完全IP67防水。所公开的天线的合适应用包括物联网（IoT）网关和IoT路由器、高清视频流、传输和远程监控应用。此外，天线可以为频率为698至960MHz/1710至2170MHz/2490至2690MHz/3300至3600MHz的全球4G LTE波段、卫星波段、双波段2.4/5.8 GHz WiFi以及GNSS（GPS‑GLONASS‑BeiDou）提供MIMO覆盖技术。

Description

多波段MIMO平板天线

交叉引用

本申请要求于2006年9月2日提交的题目为“Multi-Band MIMO Panel Antenna”的美国临时申请第62 / 383,110号的权益，该申请通过引用并入本文。

背景技术

鉴于无线通信技术领域的不断改进，远程通信行业的趋势是转向第四代或4G通信系统，以便用于提高的数据速率的要求。由4G通信系统实现的改进的数据速率在通信链路的一端或两端上需要多个天线。这种多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）协议和调制方案通常需要将以相同频率波段操作的多个天线集成到便携式和固定式通信设备中。位于便携式电子设备（诸如膝上型计算机、移动电话和个人数字助理（PDA））中的多个天线必须一起工作以接收和发送多个数据流。与2G和3G通信协议相比，这些MIMO天线需要保持高隔离度和低模式相关性以获得最佳链路质量，并达到所需的高数据速率。

目前，4G无线应用需要高速数据上行链路（uplink）和下行链路（downlink）。高效率和高增益MIMO天线是需要解决这些挑战所需的信噪比和吞吐量所必需的。此类天线尤其也必须具有高隔离度以防止自我干扰。

许多信号波段通常需要指定和安装多个和/或不同的天线。需要的是高效地覆盖多个波段的单天线，从而使得设计人员能够为长期演进（LTE）、全球定位系统（GPS）/全球导航卫星系统（GLONASS/BeiDou（GNSS））、卫星波段以及WiFi（IEEE 802.11b无线网络）的所有频率指定一个而且仅一个天线。

发明内容

本发明公开了多波段平板天线（panel antenna）。天线可配置成为频率为698至960MHz / 1710至2170MHz / 2490至2690MHz / 3300至3600MHz的全球4G长期演进（LTE）波段、卫星波段（1-2 GHz ）、双波段2.4 / 5.8 GHz WiFi以及GNSS（GPS-GLONASS-BeiDou）提供多输入多输出（MIMO）覆盖技术，从而消除对多个天线的需求。 GPS是GlobalPositioning System的缩写。GLONASS是Globalnaya Navigazionnaya SputnikovayaSistema或 Global Navigation Satellite System的缩写。 GLONASS是GPS的俄罗斯版本。BeiDou是由中国人开发的卫星系统BeiDou Navigation Satellite System（或BDS）的缩写。

本公开的一方面涉及一种多波段MIMO平板天线。所述多波段MIMO平板天线包括：具有顶部表面和底部表面的壳体，所述壳体包围在与安装表面相对的内表面上的多波段MIMO平板天线电子设备，其中所述壳体沿着外表面具有多个孔，所述多个孔可配置为接合被分成两个电缆进入点（entry point）的多个电缆。此外，可设置一个或多个直通孔眼（pass-through grommet）。所述直通孔眼可具有在安装期间由电缆破坏的弹性体层。所述直通孔眼可配置为接合两个或更多个电缆。所述壳体表面上的所述多个孔在所述壳体的一侧上彼此相邻。所述壳体是矩形和正方形中的至少一种。在一些构型中，存在第一直通孔眼和第二直通孔眼。外表面上的粘合层有助于安装。此外，可设置多个标签以识别电缆和天线类型。所述平板天线可配置成在所述壳体内提供天线电子设备，其覆盖698至960MHz、1710至2170MHz、2490至2690MHz、3300至3600MHz、1-2GHz的卫星波段以及2.4GHz和5.8GHz的双波段频率。在一些构型中，第一孔接合第一2/4/5 GHz WiFi同轴电缆、第二孔接合GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、第三孔接合第一2G / 3G / 4G同轴电缆、第四孔接合第二2G /3G / 4G同轴电缆、第五孔接合卫星波段同轴电缆、以及第六孔接合第二2/4/5 GHz WiFi同轴电缆。

本公开的另一方面涉及多波段MIMO平板天线，其包括：具有顶部表面和底部表面的壳体，所述壳体包围在与安装表面相对的内表面上的多波段MIMO平板天线电子设备，其中所述壳体沿着外表面具有多个孔，所述多个孔可配置为接合被分成两个电缆进入点的多个电缆；从2G / 3G / 4G同轴电缆、GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、卫星​​波段同轴电缆以及2/4/5 GHz WiFi同轴电缆中选择的多个电缆，其中所述多个电缆中的每个通过所述多个孔的对应孔从所述壳体的内部通到所述壳体的外部。此外，可设置一个或多个直通孔眼。所述直通孔眼可配置为接合两个或更多个电缆。所述多个孔在所述壳体的一侧上彼此相邻。所述壳体是矩形和正方形中的至少一种。可设置第一直通孔眼和第二直通孔眼。在外表面上可设置粘合层。此外，可设置用于电缆的多个标签。所述平板天线可配置为覆盖698至960MHz、1710至2170MHz、2490至2690MHz、3300至3600MHz、1-2GHz的卫星波段以及2.4GHz和5.8GHz的双波段频率。

本公开的又一方面涉及套件。合适的套件包括：多波段MIMO平板天线，其包括具有顶部表面和底部表面的壳体，所述壳体包围在与安装表面相对的内表面上的多波段MIMO平板天线电子设备，其中所述壳体沿着外表面具有多个孔，所述多个孔可配置为接合被分成两个电缆进入点的多个电缆；以及从2G / 3G / 4G同轴电缆、GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、卫星​​波段同轴电缆以及2/4/5 GHz WiFi同轴电缆中选择的多个电缆。

通过引用并入

本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指明通过引用并入一样。参见，例如：

1999年8月10日授予Gudilev等人的题目为“用于便携式无线电设备的小天线（Smallantenna for portable radio equipment）”的美国专利5,936,587A；

2005年1月11日授予Hendler等人的题目为“用于无线通信设备中天线结构的制造方法和装置（Fabrication method and apparatus for antenna structures in wirelesscommunications devices）”的美国专利6,842,148B2；

2008年8月5日授予Rodenbeck等人的题目为“具有分布带和集成电子部件的天线（Antenna with distributed strip and integrated electronic components）”的美国专利7,408,512B1；

2008年8月12日授予Jung等人的题目为“可在多波段中操作的MIMO天线（MIMO antennaoperable in multiband）”的美国专利7,411,554B2；

2010年5月11日授予Wen等人的题目为“设置在三维基板上的多波段天线装置以及用于无线电设备的相关方法（Multi-band antenna apparatus disposed on a three-dimensional substrate, and associated methodology, for a radio device）”的美国专利7,714,795B2；

2015年2月10日授予Park等人的题目为“Mimo天线装置（Mimo antenna apparatus）”的美国专利8,952,850B2；以及

2016年8月9日授予Chieh等人的题目为“紧凑型多端口Wi-Fi双波段MIMO天线系统（Compact, Multi-port Wi-Fi dual band MIMO antenna System）”的美国专利9,413,069B2。

附图说明

在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考以下具体实施方式和附图，可以更好地理解本发明的特征和优点，该具体实施方式阐述了使用本发明的原理的说明性实施例，并且附图中：

图1A是多波段平板天线的俯视图；图 1B是天线的仰视图；图 1C是多波段平板天线的透视图；

图2是BeiDou-GPS-GLONASS频率的天线和滤波器规格表；

图3是2G / 3G / 4G LTE频率的天线规格表；

图4是2.4 GHz / 5 GHz WiFi频率的天线规格表；

图5是卫星波段1621 MHz的天线规格表；

图6是天线的机械和环境规格表；

图7A是固定至车辆内部窗的平板天线图；以及7B是固定至车辆外表面的平板天线图。

具体实施方式

本文描述的是多波段MIMO平板天线。多波段MIMO平板天线可配置为具有重型结构和完全IP67防水，以用于各种应用。适合的应用包括物联网（IoT）网关和IoT路由器、高分辨率（HD）视频流、传输以及远程监控应用。多波段MIMO平板天线被设计用于使用例如3M®双面泡沫粘合剂进行简单的牢固附接。此外，多波段MIMO平板天线可以为频率为698至960MHz/ 1710至2170MHz / 2490至2690MHz / 3300至3600MHz的全球4G LTE波段、卫星波段、双波段2.4 / 5.8 GHz WiFi以及GNSS（GPS-GLONASS-BeiDou）提供MIMO覆盖技术。除了L-波段之外，还可以使用其他波段，包括例如K-波段、S-波段和C-波段。因此，多波段MIMO平板天线消除了设备设计人员对指定多个天线的需要。

图1A-C示出根据本公开的多波段MIMO平板天线100的实施例的几个不同视图。多个天线元件被定位在外壳101的内部，使得天线元件位于外壳101的顶部表面110的内侧并且远离外壳101的底部表面148的内部。通过将外壳内的天线元件定位成最靠近远离安装表面的表面，天线RF性能将得到优化。该设备被设计成安装在非导电表面（例如，玻璃，塑料或复合材料）上。然而，在一些实施方式中，该设备安装在导电表面（例如，金属）上。将设备安装在导电表面上会显著降低天线RF性能。构造设备以在外壳内部的天线元件与安装表面之间创建尽可能多的空间，这使性能下降得以最小化。可以在平板天线100的外表面上设置粘合层（未示出），以便平板天线被安装成使得天线内的电子设备朝向天空定位。通常，当平板天线安装在内表面上时粘合层定位在顶部表面110上，并且当平板天线安装在外表面上时粘合层定位在底部表面148上。

图1A是具有外壳101或壳体的多波段MIMO平板天线100的前视图，其具有低轮廓和均匀厚度的主要矩形形状。如所示，外壳101具有顶部表面110，并且具有从上方观察时顺时针编号的第一侧102、第二侧104、第三侧106和第四侧108。外壳101的合适尺寸为约140-150mm的长度L1、130-140mm的宽度W1以及约15-25mm的厚度（例如，第二侧104的高度）。如所示，第一弧112形成第四侧108与第一侧102之间的角部；第二弧114形成第一侧102与第二侧104之间的角部；第三弧116形成第二侧104与第三侧106之间的角部；第四弧118形成第三侧106与第四侧108之间的角部。所得外壳101的周边是具有圆形角部的矩形。此外，顶部表面110可以朝向侧表面（102-108）弯曲。如本领域技术人员将理解的，定位在外壳101内的电子设备和电子设备的取向可以变化。

沿着第三侧106是从上方观察时从左到右依次编号的第一电缆直通孔眼120和第二电缆直通孔眼122，其每个提供用于三个天线电缆从外壳101的外部至内部的直通。第一电缆直通孔眼120和第二电缆直通孔眼122的两个单独的同轴电缆进入点在电缆直通孔眼所定位的壳体宽度上平衡同轴电缆的拉力。如本领域技术人员将理解的，电缆直通孔眼被示出为沿着第三侧定位。然而，电缆直通孔眼可以定位在壳体的任何表面上而不脱离本公开的范围。

第一电缆124、第二电缆126和第三电缆128从上方观察时从左至右都直接通过电缆直通孔眼120。第四电缆130、第五电缆132和第六电缆134从上方观察时从左至右都直接通过电缆直通孔眼122。如本领域技术人员将理解的，可以改变穿过特定孔眼的电缆而不脱离本公开的范围。同轴电缆的数量、类型和位置可变化很大。三个电缆的顺序是用于特定天线构型的高效构造的最佳机械取向的示例。可以使用其他电缆取向而不脱离本公开的范围。使用内联橡胶塞垫片在同轴电缆与外壳101的内部之间产生水密封（并因此保护壳体内的电子设备免受潮湿）。使用内联橡胶塞垫片还可允许各种天线元件和同轴电缆选项使用单个外壳部件数量。这允许支持各种产品构型的最小工具。橡胶垫片孔（或孔口）可以在一端处用例如弹性体层或膜密封。可以使用其它密封材料，包括例如硅树脂或橡胶。密封橡胶垫片孔允许通过简单地将选定的同轴电缆推过弹性体膜，来使单个橡胶垫圈部件数量用于各种选择。弹性体膜可以被同轴电缆本身或工具刺穿，并且可以在同轴电缆的外部周围自密封。

电缆（124-134）从包括RG174和KSR200-P的群组中选择。每个电缆（124-134）具有从包括连接器类型RG174和连接器类型KSR200-P的群组中选择的连接端（136-146）。

每个电缆（124-134）还包括标签（170-180），其提供从电缆的类型、连接器的类型和/或天线的类型中选择的识别信息。可以设置额外的标签182，其为空和/或包括条形码。可以使用用于识别电缆类型和/或天线的其它机构而不脱离本公开的范围，包括例如电缆和/或连接器的颜色编码。

表 1

示例性电缆、连接器以及天线

电缆	电缆类型	连接器类型	天线
				第一电缆 124	KSR200-P	KSR200-P SMA(M) ST	2G/3G/4G MMO2
第二电缆 126	RG174	RG174 SMA(M)	GPS-GLONASS-BEIDU
				第三电缆 128	KSR200-P	KSR200-P RP-SMA(M) ST	2.4/5 GH MMO2
第四电缆 130	KSR200-P	KSR200-P RP-SMA(M) ST	2.4/5 GH MMO1
				第五电缆 132	KSR200-P	KSR200-P SMA(M) ST	L波段
第六电缆 134	KSR200-P	KSR200-P SMA(M) ST	2G/3G/4G MMO1

为了附接到外部电子设备，第一电缆具有约1米的典型长度C1（针对每个电缆）。标签可以定位在离电缆的连接器端约C2的距离处，其中C2为65-75mm。为连接到外部电子设备，每个电缆均设置有典型的端部子微型版本A（SubMiniature version A，SMA）连接器。

在图1B示出外壳101的仰视图。如所示，外壳101具有底部表面148，并且具有从下方观察时逆时针方向编号的第一侧102、第二侧104、第三侧106和第四侧108。如所示，第一弧112位于第一侧102与第四侧108之间；第四弧118位于第四侧108与第三侧106之间；第三弧116位于第三侧106与第二侧104之间；第二弧114位于第二侧104与第一侧102之间。所得外壳101的周边是具有圆形角部的矩形。沿着第四侧106是从下方观察时从右到左依次编号的第一电缆直通孔眼120和第二电缆直通孔眼122，其每个提供用于三个天线电缆从外壳101的外部至内部的直通。

第一电缆124、第二电缆126和第三电缆128从下方观察时从右至左都直接通过电缆直通孔眼120。第四电缆130、第五电缆132和第六电缆134从下方观察时从右至左都直接通过电缆直通孔眼122。

图1C中示出外壳101的透视图。图中明显的是顶部表面110、第一侧102、第二侧104、第三侧106、第四侧108、第一弧112、第二弧114、第三弧116、第四电弧118、第一电缆直通孔眼120以及第二电缆直通孔眼122，如在图1A-B中所描述的。第一电缆直通孔眼120具有多个孔，以有助于将电缆从内部天线连接到外部电子设备。示出了从左至右编号的第一孔150、第二孔152和第三孔154。第二电缆直通孔眼122具有多个孔，以有助于将电缆从内部天线连接到外部电子设备。示出了从左至右编号的第四孔156、第五孔158和第六孔160。

图2是BeiDou-GPS-GLONASS频率的天线滤波器规格表。其包括无源天线（passiveantenna）、低噪声放大器和滤波器电气特性的规格，以及从天线经过低噪声放大器和滤波器的完整规格。图3是2G / 3G / 4G LTE频率的天线规格表。其包括针对各种电缆长度的每个LTE天线的效率、平均增益（average gain）和峰值增益（peak gain）数据以及其他数据。图4是2.4 GHz / 5 GHz WiFi频率的天线规格表。其包括针对各种电缆长度的每个WiFi天线的效率、平均增益和峰值增益数据以及其他数据。图 5是卫星波段1621 MHz的天线规格表。其包括轴比（axial ratio）、极化（polarization）、平均增益、峰值增益和效率数。图6是根据本公开的天线的机械和环境规格表。其包括尺寸、重量、操作和存储温度。如本领域技术人员将理解的，卫星波段可以包括L波段、K-波段、S-波段、C-波段以及实现卫星通信的任何其它波段。

本公开的部件可以以套件形式提供。例如，包括具有顶部表面和底部表面的壳体的多波段MIMO平板天线，该壳体包围具有多个孔的多波段MIMO平板天线电子设备，该多个孔可配置为接合多个电缆，其中第一孔可配置为接合2G / 3G / 4G同轴电缆、第二孔可配置为接合GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、第三孔可配置为接合卫星波段同轴电缆、并且两个或更多个孔可配置为接合2/4/5 GHz WiFi同轴电缆；以及从被包装用于商业销售给最终用户的2G / 3G / 4G同轴电缆、GPS-GLONASS – BeiDou、L-波段同轴电缆以及2/4/5 GHzWiFi同轴电缆选择的多个电缆。标签可以预先安装在电缆上或设置在包装中。

图7A是固定到车辆710的内部窗的平板天线100的图。窗是非导电表面，并且平板天线被安装成使得平板天线内的天线元件靠近窗712。图 7B是平板天线100在诸如车厢盖722的导电表面上固定至车辆720的外表面的图。在平板天线100固定至外表面的情况下，平板天线内的天线元件被定位成远离导电表面。

虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施例仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员将会想到许多变型、变化和替换。应当理解，本文所述的本发明的实施例的各种替代方案可用于实施本发明。旨在的是，所附权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求及其等同物的范围内的方法和结构。

Claims (20)

1.一种多波段MIMO平板天线，其包括：

具有顶部表面和底部表面的壳体，所述壳体包围在与安装表面相对的内表面上的多波段MIMO平板天线电子设备，其中所述壳体沿着外表面具有多个孔，所述多个孔能够配置为接合被分成两个电缆进入点的多个电缆。

2.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其还包括直通孔眼。

3.根据权利要求2所述的多波段MIMO平板天线，其中，所述直通孔眼能够配置为接合两个或更多个电缆。

4.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其中，所述壳体表面上的所述多个孔在所述壳体的一侧上彼此相邻。

5.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其中，所述壳体是矩形和正方形中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其还包括第一直通孔眼和第二直通孔眼。

7.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其还包括在外表面上的粘合层。

8.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其还包括多个标签。

9.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其被配置为覆盖698至960MHz、1710至2170MHz、2490至2690MHz、3300至3600MHz、1-2GHz的卫星波段以及2.4GHz和5.8GHz的双波段频率。

10.根据权利要求1所述的多波段MIMO平板天线，其中，第一孔接合第一2/4/5 GHzWiFi同轴电缆、第二孔接合GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、第三孔接合第一2G / 3G / 4G同轴电缆、第四孔接合第二2G / 3G / 4G同轴电缆、第五孔接合卫星波段同轴电缆、以及第六孔接合第二2/4/5 GHz WiFi同轴电缆。

11.一种多波段MIMO平板天线，其包括：

具有顶部表面和底部表面的壳体，所述壳体包围在与安装表面相对的内表面上的多波段MIMO平板天线电子设备，其中所述壳体沿着外表面具有多个孔，所述多个孔能够配置为接合被分成两个电缆进入点的多个电缆；

从2G / 3G / 4G同轴电缆、GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、卫星​​波段同轴电缆以及2/4/5 GHz WiFi同轴电缆中选择的多个电缆，

其中所述多个电缆中的每个通过所述多个孔的对应孔从所述壳体的内部通到所述壳体的外部。

12.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其还包括直通孔眼。

13.根据权利要求12所述的多波段MIMO平板天线，其中，所述直通孔眼能够配置为接合两个或更多个电缆。

14.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其中，所述多个孔在所述壳体的一侧上彼此相邻。

15.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其中，所述壳体是矩形和正方形中的至少一种。

16.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其还包括第一直通孔眼和第二直通孔眼。

17.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其还包括在外表面上的粘合层。

18.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其还包括多个标签。

19.根据权利要求11所述的多波段MIMO平板天线，其被配置为覆盖698至960MHz、1710至2170MHz、2490至2690MHz、3300至3600MHz、1-2GHz的卫星波段以及2.4GHz和5.8GHz的双波段频率。

20.一种套件，其包括：

多波段MIMO平板天线，其包括具有顶部表面和底部表面的壳体，所述壳体包围在与安装表面相对的内表面上的多波段MIMO平板天线电子设备，其中所述壳体沿着外表面具有多个孔，所述多个孔能够配置为接合被分成两个电缆进入点的多个电缆；以及

从2G / 3G / 4G同轴电缆、GPS-GLONASS-BeiDou同轴电缆、卫星波段同轴电缆以及2/4/5 GHz WiFi同轴电缆中选择的多个电缆。