CN108432042A - 用于提供移动卫星通信的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

向机动车辆提供用于卫星通信的连接性的技术和机构。在实施例中，通信装置设置在机动车辆的外表面和机动车辆的内表面之间。设置在通信装置的壳体中的天线面板可被配置成通过通信装置的第一侧部参与卫星通信。通信装置的天线面板、壳体或一个或多个硬件接口的配置可促进用于与卫星通信的低轮廓解决方案。在另一实施例中，一个或多个硬件接口各自设置在壳体的除第一侧部之外的各个侧部上，该一个或多个硬件接口将通信装置联接到机动车辆的电源。

Description

用于提供移动卫星通信的装置、系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月23日提交的申请号为62/387,471的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及天线领域，且更特别地但非排他地，涉及一种用于在汽车中操作的天线。

背景技术

随着无线通信技术在数量、种类和能力方面不断增长，对汽车行业来说存在日益增长的需求，以提供一种对消费者智能手机和车载蜂窝技术模块的现有市场形成挑战的新型通信解决方案。通常，现有的车载无线通信技术不同地受限于低数据吞吐量、缺乏可寻址能力、大的费用开支、高的功率要求、缺乏可扩展性和/或过重或过大。

目前，附接到车辆外部的鲨鱼鳍片型(shark-fin)天线提供能够适应比音频串流多一点的有限数据吞吐量，例如用于调幅(AM)无线电、调频(FM)无线电或卫星无线电。虽然这些解决方案趋向于降低功率且便宜，但这种只有音频的服务无法与智能电话和蜂窝通信技术的长期演进(LTE)技术数据速率性能形成竞争。

存在一些基于蜂窝调制解调器的车载服务，并且它们通常对第二代至第四代蜂窝网络发挥作用。虽然现有的蜂窝网络架构极大地有助于降低成本，但服务可用性受限于拥有成熟基础设施的市场，并且在可用情况下，会复制乘客智能手机中通常存在的服务。

为了商业和政府应用，军方客户已经将多功能电子扫描阵列(MESA)和主动电子扫描阵列(AESA)解决方案集成到其悍马和其它军用车辆中来提供移动通信(communications-on-the-move，COTM)和暂停通信(communications-on-the-pause，COTP)。虽然这些技术提供具有低检测可能性、低拦截可能性的高吞吐量链路，但它们价格极高和功率要求极大。一些使用万向碟型天线来提供所需的灵活性和性能的COTM和COTP解决方案通常体积庞大而笨重，因此只能安装在较大的车辆上。

附图说明

在附图中，本发明的各个实施例以示例而非限制性的方式示出，其中：

图1A是说明根据实施例的提供卫星通信的系统的元件的侧视图。

图1B是说明根据实施例的促进卫星通信的装置的元件的分解图。

图2是说明根据实施例的用于提供卫星通信功能的方法的元素的流程图。

图3A是说明根据实施例的促进卫星通信的装置的元件的透视图。

图3B是说明根据实施例的实现卫星通信的装置的元件的功能框图。

图4A是说明根据实施例的通过卫星参与通信的系统的元件的透视图。

图4B、图4C是分别说明根据对应实施例的各个通信系统的元件的截面图。

图5A至图5C是分别示出根据对应实施例的各个通信系统的视图的简图。

图6A和图6B说明了分别根据对应实施例的各个圆柱馈送天线结构的侧视图。

图7是根据实施例的通信装置的天线面板的俯视图。

图8是示出根据实施例的促进卫星通信的天线面板的特征的侧视图。

图9是示出根据实施例的促进卫星通信的天线面板的特征的俯视图。

图10是示出根据实施例的促进卫星通信的天线面板的特征的透视图。

图11是示出根据实施例的促进卫星通信的天线面板的特征的截面图。

图12是说明根据实施例的通信系统的特征的框图。

具体实施方式

本文所述的实施例以各种方式提供有效的解决方案以实现与车载平台的卫星通信。在一些实施例中，通信装置包括实现与在轨卫星的高吞吐量通信的一个或多个天线元件。一个或多个天线元件可提供卫星通信，例如提供经由互联网进行数字数据交换，该卫星通信以诸如传输控制协议/互联网协议(TCP-IP)、用户数据报协议(UDP)等通信协议为依据。可选地或另外地，例如，这种卫星通信可以是单工、半双工或全双工。由一个或多个天线元件支持的带宽可能足以用于比音频串流的吞吐量要求具有更高的吞吐量要求的应用，例如，其中一个或多个天线元件进行操作以促进软件更新和/或高清晰度视频流等。

一些或全部这种一个或多个天线元件可提供全息天线功能和/或可与提供低轮廓(low-profile)形状因子的平面结构(本文称为“天线面板”)集成。因此，包括这种天线面板的通信装置可与通信装置所附接到的车辆的一部分(例如，车顶)相符。在一个示例性实施例中，一些或全部天线面板使用薄膜晶体管(TFT)制造工艺来制造。可选地或另外地，天线面板可提供电子可操纵的发射和/或接收功能。

本文参照被配置成在汽车(例如，轿车、卡车、公共汽车、拖拉机或其它这种工程设备)中操作的通信装置来描述各个实施例的一些特征。然而，这样的描述可扩展到应用于列车、轮船和/或各种其它机动车辆中的这种通信装置的操作。

图1A说明根据实施例的实现卫星通信的系统100的元件。系统100仅是通信装置被配置成(例如，基于从车辆供应到通信装置的电力)在机动化车辆中操作的实施例的一个示例，该通信装置实现与在轨卫星通信。

例如，系统100可包括车辆110(在所示的实施例中为汽车)，其具有设置在其中的通信装置120以促进与卫星(未示出)通信，该卫星作为系统100的一部分或以其它方式通信地联接到系统100。车辆110可包括电路130或者被联接到电路130，其被配置成促进与装置120的操作。例如，电路130可包括电源(例如，提供12V DC)以向装置120提供供应电压。可选地或另外地，电路130可传递表示从卫星接收的数据的信号、表示待发送到卫星的数据的信号、配置装置120的信号、表示装置120的操作条件的信号等。

在一个实施例中，装置120位于车辆110的车顶部112的外表面下方。然而，装置120可替代性地位于装置110的各个其它位置中的任意位置处(例如，位于车辆110的内表面和车辆110的外表面之间)。通过说明且非限制的方式，通信装置可位于前仪表板上或下方的区域142处，其进而位于车辆110的前挡风玻璃116下方。可选地或另外地，通信装置可位于后部控制面板上或下方的区域144处，其进而位于车辆110的后挡风玻璃118下方。在各个实施例中，通信装置可另外地或可选地位于车辆110的行李箱盖下方的区域146中。虽然一些实施例在这方面不受限制，但系统100可进一步包括位于车辆100中不同位置的一个或多个额外的通信装置(未示出)，其中一个或多个额外的通信装置将与通信装置120结合参与卫星通信。

装置120是包括支持卫星通信的低轮廓结构的实施例的一个示例。例如，装置120可包括壳体122和天线面板124，其包括设置在至少部分由壳体120限定的体积中的一个或多个天线元件。装置120的一个或多个硬件接口(例如，包括所示的说明性接口122)可促进装置120联接到电路130和/或与天线面板124执行的通信。壳体122可沿第一方向线跨越不超过5.0英寸的厚度(例如，其中厚度等于或小于4.0英寸)。在这种实施例中，壳体122可在与第一方向线正交的平面中跨越至少30平方英寸的横截面积(例如，其中横截面积等于或大于50平方英寸)。

图1B示出根据实施例的促进卫星通信的装置150的特征。例如，装置150可包括装置120的一些或全部特征。装置150是包括壳体的实施例的一个示例，例如壳体在至少一个平面中围绕体积，其中天线面板设置在所述体积中。壳体和天线面板和/或其它结构的配置可促进用于在车辆(例如车辆110)中卫星通信的低轮廓解决方案。例如，通信装置150可适于安装在车辆的外表面下方以提供移动卫星通信终端，其与其它卫星通信技术相比，更具移动性、更低可视性、更低功率和/或更低成本。在这种实施例中，通信装置150可提供车辆的期望审美上很少或没有可见突起或变形。

在所示的示例性实施例中，装置150包括例如由配合以围绕天线面板160的至少一部分的部分(例如，包括示出的说明性壳体部152a、152b)形成的壳体。壳体可包括塑料、金属或在膝上型电脑、平板电脑等中使用的其它材料中的任何一种，以保护和在结构上支撑电路部件。

天线面板160可包括可操作以参与卫星通信的一个或多个天线元件，例如，代表车载网络。例如，这种通信可包括在频率范围内传递信号的天线面板160，频率范围包括大于7.5千兆赫(GHz)的频率，例如，其中频率范围包括至少10GHz。通过说明且非限制的方式，天线面板160可传递Ku带信号(处于12GHz至18GHz范围内)、Ka带信号(处于26.5GHz至40GHz范围内)、Q带信号(处于33GHz至50GHz范围内)、V带信号(处于40GHz至75GHz范围内)等。可选地或另外地，与天线面板160的通信可包括发射或接收信号，该信号表示TCP-IP包和/或与互联网通信协议兼容的各种其它封包化数据中的任意一种。

天线面板160可包括电子可操纵天线阵列中的一些或全部，该天线阵列例如提供可配置全息天线功能和/或利用薄膜晶体管(TFT)制造工艺而制造。例如，天线面板160可用作全息天线，其(例如，与相控阵列天线相比)在这种操作期间实现相对低功率操作和/或输出较少热。通过说明且非限制的方式，卫星通信可通过联接在天线面板160与电路130之间的通用串行总线(USB)连接部供电，该连接部例如与由USB开发者论坛(USB IF)开发的USB2.0标准、USB 3.0标准或USB 3.1标准兼容。例如与其它天线技术中所见的厚度相比，TFT工艺可使天线结构的整体深度减小。可选地或另外地，这种天线结构可提供高吞吐量连接性解决方案(例如，以支持宽带数据速率)和/或可具有相对较低的功率需求。提供低轮廓、低功率、低热和/或高吞吐量解决方案的实施例可能特别适于在车辆的有限空间(例如，不超过5英寸厚)中操作。

虽然一些实施例在这方面不受限制，但是这种信号的通信可能导致或基于装置150与相同车辆中的另一装置之间的额外通信。例如，通信装置150可促进与集成到车辆控制台中的电路的有线通信和/或无线通信。可选地或另外地，通信装置150可支持与智能电话、平板电脑或位于车辆中的其它移动装置的无线通信。在一些实施例中，通信装置150或集成到车辆中的另一装置将充当用于与用户的移动装置进行交换的通信的集线器。

装置150可进一步包括被联接以实现天线面板160的操作的电路170。通过说明且非限制的方式，电路170可包括一个或多个印制电路板，其具有以不同方式设置在其中或其上的无源电路部件和/或有源电路部件(例如，包括一个或多个集成电路封装)。装置150的例如包括所示说明性硬件接口156的一个或多个接口可包括硬件连接器结构以促进将装置150联接到诸如在车辆110的电路130处的外部电源(未示出)。由这种电源提供的供应电压可为电路170的操作直接供电和/或可对包括在供应电路170中或与供应电路170联接的电池(未示出)进行充电。电路170可进一步包括一个或多个部件以促进装置150与车辆中的另一装置(未示出)之间的有线通信和/或无线通信。例如，一个或多个接口可包括连接器，以联接到用于将信号传递到天线面板160或从天线面板160传递信号的波导。可选地或另外地，一个或多个接口可传递基于(或将被转换成)由天线面板160接收(或将由其发射)的模拟信号的封包化数字数据。

装置150的天线面板160和/或其它结构可在被设置在车辆(诸如车辆110)中时实现装置150的操作。例如，装置150可被联接以在被固定或以其它方式定位在车辆的外表面和内衬之间时操作，该内衬例如重量轻和/或至少部分与车顶的顶部内侧或其它这种结构相符。例如包括塑料、刨花板、室内装饰品、金属等这种衬垫结构可向车辆提供与外部环境的隔离，并且可覆盖装置150的一些或全部，例如覆盖装置150未暴露到车辆内部驾驶室的那些位置。

为了说明某些实施例的一些低轮廓特征，装置150的示例性尺寸(不一定按比例)参照x、y、z坐标系来识别，例如，其中装置150沿x轴跨越宽度X1，沿y轴跨越长度Y1并且沿z轴跨越高度Z1。在这种实施例中，高度Z1可例如等于或小于5.0英寸，例如，其中Z1小于4.0英寸，并且在一些实施例中Z1小于2.0英寸。在一些实施例中，高度Z1可例如小于1.5英寸(例如，其中Z1处于1.2英寸与0.45英寸之间)。可选地或另外地，装置150的横截面积(例如，横截面积等于X1和Y1的乘积)与Z1的比率可大于Z1，例如，其中该比率比Z1大至少百分之五十(50％)，并且在一些实施例中，该比率大于Z1的两倍。例如，该比率可大于Z1的四倍，例如，其中该比率是Z1的至少六倍。

装置150的低轮廓特性可另外地或可选地通过诸如接口156的一个或多个硬件接口的位置来促进。例如，一些或全部这种硬件接口可以不同的方式位于装置150的除天线面板160与卫星通信所经由的侧部之外的各个侧部上。例如，这种一个或多个接口可以不同的方式面向与所示x-y平面基本平行(例如，在10°内)的各个方向。任何或所有硬件接口的这种布置可使壳体的顶侧更接近车辆的外部结构(例如，与车辆的外部结构齐平)。

在所示的说明性实施例中，天线面板160与(例如通过壳体部152b)在壳体的侧部形成的孔径结构154对齐，孔径结构154经由壳体的所述侧部提供天线面板160和远程卫星(未示出)之间的信号通信。壳体的该侧部的一些或全部可在所示x-y平面中延伸，例如，其中该侧部的至少一部分平行于x-y平面。在一些实施例中，壳体形成或被配置成联接到天线罩结构(未示出)，该天线罩结构对发送到或来自天线面板160的信号至少部分可穿透。这种天线罩可为天线面板160提供环境保护和/或可减轻辐射信号图像的失真。天线罩的结构，例如，包括其组成、厚度或形状，可减轻天线罩中的吸收损失和/或反射回天线面板160的信号反射。在实施例中，天线罩包括具有低介电常数和低损耗正切特性的一种或多种材料。在常规天线罩设计中使用的各种材料中的任意一种都可适用于一些实施例中。这种材料的示例包括但不限于各种热塑性塑料(例如，聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺等)、纤维增强复合材料(例如，具有环氧树脂或聚酯树脂的E玻璃纤维布)以及(单片的或层压的)低介电常数玻璃中的任何一种。然而，一些实施例不限于特定类型的天线罩形状和/或天线罩材料。

图2示出根据实施例的可包括在方法200中以提供用于卫星通信的功能的操作。例如，方法200可包括或以其它方式实现系统100的操作。在一个实施例中，方法200提供与通信装置120、150中的一个的通信功能。

在一些实施例中，方法200包括操作202以配置通信装置以用于在机动车辆中操作。例如，操作202可包括在210处将通信装置固定在车辆的外表面和车辆的内表面之间的位置中。固定可包括将通信装置置于凹部、腔、孔或至少部分地由车辆的结构所形成且邻接或以其它方式形成内部驾驶室空间的其它结构。这种腔、凹部、孔或其它结构可与车辆的驾驶室区域区分，其中驾驶室区域将容纳乘客或车辆的操作者。在一些实施例中，固定包括将用作天线罩的面板置于通信装置上方。操作202可进一步包括在220处将通信装置联接到车辆的电源。例如，电缆或其它互连部可以在电源和通信装置之间延伸，例如，其中互连部处于衬垫材料下方或者以其它方式隐藏于视野之外。

在一些实施例中，操作202进一步包括将通信装置联接到车辆的一个或多个信号线。一些或所有这种信号线可因此被配置成促进通信装置与车辆的电路之间的通信，该电路例如用作数字信号源和/或数字信号的汇集点(sink)。例如，车辆的数据源电路可向通信装置提供数字数据，该数字数据然后被处理并转换成发射到卫星的模拟信号。

在一些实施例中，操作202包括将通信装置联接到车辆的波导。波导可因此被联接以传递待由通信装置的天线面板发送的模拟信号。可选地或另外地，波导可被联接以从通信装置接收利用这种天线面板接收的模拟信号。

在一些实施例中，方法200另外地或可选地包括用以操作诸如通过操作202中的一些或全部来配置的通信装置的操作204。例如，操作204可包括在230处利用车辆的电源向通信装置提供电压。在一些实施例中，操作204进一步包括(在240处)基于供应电压利用通信装置的天线面板执行卫星通信。

再次参照图1B，装置150可例如从车辆110的电路130接收电力，该电力然后被施加到电路170以实现天线面板160的操作。通过说明且非限制的方式，电路170可包括调制解调器、天线控制器和收发器电路中的一些或全部。在这种实施例中，调制解调器可将(例如)由车辆提供的互联网协议信息转换成与卫星通信协议兼容的格式。所得到的格式化信号可通过收发器放大，并由天线面板转换成无线电波能，无线电波能然后从车辆发射。

可选地或另外地，可经由天线面板从卫星接收无线电波能，并将其向下转换成与卫星协议兼容的信号。在与作为车辆的一部分或以其它方式位于车辆中的汇聚点通信之前，这种转换后的信号可被提供给调制解调器，例如用于解调和/或转换成IP协议等。

图3A说明根据实施例的提供卫星通信的装置300。例如，装置300可具有装置120、150中的一个的一些或全部特征。在实施例中，方法200的一个或多个操作包括或以其它方式实现装置300的操作。

装置300是一个示例性实施例，其中天线面板、壳体和/或其它结构足够薄以将低轮廓装置/操作容易地容纳在车辆中。在所示的说明性实施例中，装置300包括壳体和位于壳体的各个侧部(例如，包括说明性侧部320、322、324)之间的天线面板300。为了说明各个实施例的某些低轮廓特征，装置300的示例性尺寸(不一定按比例)参照x、y、z坐标系来识别，例如，其中装置300沿x轴跨越宽度Xa，沿y轴跨越长度Ya并且沿z轴跨越高度Za。在这种实施例中，高度Za可例如小于4.0英寸，例如，其中Za小于2.0英寸，并且在一些实施例中Za小于1.0英寸。高度Za可例如小于0.8英寸。可选地或另外地，装置300的横截面积(例如，横截面积等于Xa和Ya的乘积)与Za的比率可大于Za，例如，其中该比率比Za大至少百分之五十(50％)，并且在一些实施例中，该比率大于Za的两倍。

装置300的这种低轮廓特征可至少部分地通过天线面板310的结构来促进，天线面板310(例如)可包括可重构超材料，其可操作来提供全息天线功能。与其它卫星通信技术相比，这种天线功能可相对平坦、薄和/或功率较低。

另外地或可选地，装置300的低轮廓特征可至少部分地通过装置300的一个或多个连接器结构的位置来促进，其中这种连接器结构将促进与车辆的结构(未示出)的机械和/或通信联接。例如，装置300的一个或多个硬件接口(例如，包括示出的说明性接口330)可各自联接到壳体的除第一侧部320之外的各个侧部，天线面板310通过第一侧部320与远程卫星通信。在一些实施例中，装置300的能够传递电力或信号的任何硬件接口位于除这种第一侧部之外的各个侧部上。

在一些实施例中，通信装置进一步包括一个或多个安装结构，例如包括各种支架、槽、夹片、横杆、突片、孔和/或穿线(threading)等中的任何一个，以促进将通信装置在车辆的邻接结构下方或之上固定。通过说明且非限制的方式，通信装置300的壳体可形成能够联接到这种车辆的内表面的各种支架340。支架340中的一些或全部可形成各个通孔，每个通孔用于容纳对应的销、螺钉或其它对准结构例如以帮助通信装置300在凹槽、孔或由车辆形成的其它结构中对准。

在一些实施例中，装置300的低轮廓进一步通过壳体的曲率来促进。在所示的示例性实施例中，侧部320的一部分可在所示的x-y平面中延伸(或至少平行于所示的x-y平面)，其中侧部320的另一部分向/从xy平面弯曲，从而允许装置300的质心相对更靠近车辆的悬伸表面(未示出)。可选地或另外地，壳体的下侧部(与320相对)可向/从该x-y平面弯曲，例如，其中装置300高度Zb在一个位置处小于整体高度Za。这种弯曲可使车辆的内衬结构(未示出)与所期望的审美相符。

图3B示出了根据实施例的提供卫星通信的装置350的横截面俯视图。例如，装置350可具有装置120、150、300之一的一个或多个特征。在实施例中，方法200包括或以其它方式促进装置350的操作。虽然一些实施例在这方面不受限制，但装置300可例如用作改装天窗盘架总成。

在所示的说明性实施例中，装置350包括一个或多个天线面板(例如，包括示出的说明性天线面板352、354)和(例如，电路170的)电路部件以促进这种一个或多个天线面板的操作。硬件接口360可促进将装置350联接到车辆的电路(未示出)，该电路用于提供一个或多个电压以为这种电路的操作供电。

在实施例中，装置300的印制电路板370可在其上设置以下模块中的一些或全部：升频转换器(BUC)、降频转换器(诸如低噪声块或“LNB”、降频转换器)、编码器、解码器、调制器、解调器、控制逻辑、调制解调器电路(用于有线通信和/或无线通信)、存储器资源等。例如，例如所示的说明性转换器逻辑366的BUC和/或LNB转换器可通过波导结构(未示出)联接到一个或多个天线面板中的一些或全部。在这种实施例中，转换器逻辑366可联接到调制和/或解调模块(例如，所示的说明性调制逻辑362)，其用于提供模拟通信格式和数字通信格式之间的转换的至少一部分。编码器电路和/或解码器电路可提供数据到数据格式和/或从该数据格式到数据的转换，数据格式诸如为可与TCP-IP、UDP或其它这种互联网通信协议兼容。

装置300的一个或多个操作可由诸如所示的说明性控制器364的电路来控制。这种一个或多个操作可包括但不限于在给定天线面板处提供的调谐通信频率和/或发射或接收功能的操纵。可选地或者另外地，这种一个或多个操作可包括响应于来自车辆的命令信号、传递至车辆的装置状态，检测可与其进行无线通信的移动装置的出现等来配置装置350的操作模式。

电路和天线面板352、354可以不同的方式位于壳体中，该壳体例如形成横杆372(或其它这种安装结构)以促进装置350联接在机动车辆中。通过说明且非限制的方式，装置350可容纳位于空间中，在该空间中，当天窗打开时车辆的天窗盖可以其他方式缩回。可选地，这种空间可以用于容纳装置350，并且在一些实施例中，互连部用于将装置350联接到电源。在这种实施例中，衬垫可被安装在车辆中以隐藏装置350、安装硬件和/或互连部等。

图4A以剖视图的形式示出根据实施例的提供卫星通信的系统400的特征。例如，系统400可包括系统100的一些或全部特征。在一个说明性实施例中，方法200的一些或全部包括或以其它方式提供系统400的操作。

系统400可包括车辆和位于车辆的外表面410和车辆的内表面412之间的通信装置422，其例如具有装置120、150、300、350中的一个的特征。例如，车辆的车顶结构和衬垫可分别形成表面410、412，例如，其中车辆的挡风玻璃414与车顶结构邻接。通信装置422可被定位在凹部420中或下方，凹部420至少部分地延伸超过外表面410。在这种实施例中，通信装置422的天线面板424可通过孔径结构面向凹部420。在这种实施例中，天线罩结构(未示出)可被插入到凹部420中以向天线面板424提供保护，其中天线罩结构对于天线面板424和远程卫星之间传递的信号来说至少部分可穿透。

图4B以横截面侧视图的形式示出根据另一实施例的提供卫星通信的系统430的特征。例如，系统430可包括系统100的一些或全部特征。在一个说明性实施例中，方法200的一些或全部包括或以其它方式提供系统430的操作。

系统430可包括车辆和位于车辆的外表面432和车辆的内表面434之间的通信装置440(例如，具有装置120的特征)，例如，其中车辆的车顶和衬垫分别形成表面432、434。通信装置440可被定位在凹部436中或凹部436下方，凹部436至少部分地延伸超过外表面432。在这种实施例中，通信装置440可被定位成通过与外表面432相符的弯曲平面与远程卫星通信(例如，发射和/或接收)信号。例如，这种信号可传播通过天线罩438，天线罩438至少部分地覆盖凹部436和通信装置440。在一些实施例中，互连部442将通信装置440联接到车辆的电源(未示出)，例如，其中互连部442沿车门框架、挡风玻璃柱和/或车身的其它结构延伸。互连部442可隐藏于车辆的衬垫结构后方。

图4C以横截面侧视图的形式示出根据另一实施例的提供卫星通信的系统460的特征。例如，系统460可包括系统100的一些或全部特征。在一个说明性实施例中，方法200的一些或全部包括或以其它方式提供系统460的操作。

系统460的通信装置可包括天线面板470和(例如，电路170的)电路部件474，其以不同的方式位于在车辆的外表面462和车辆的内表面464之间形成的空腔466中。例如，这种通信装置可具有装置120的一些或全部特征和/或可用作改装天窗总成。天线面板470可例如通过例如作为系统460的售后部件可移动地附接的天线罩468与远程卫星通信(例如，发射和/或接收)信号。天线面板470的操作可基于车辆通过互连部472提供给通信装置的供给电压，例如，其中互连部472隐藏于位于内表面434后方。

图5A至图5C以不同的方式示出根据对应实施例的与各个卫星进行通信的各个系统500、530、560。系统500、530、560中的一些或全部可各自包括例如系统100、400、430、460中的一个的各个特征，例如，其中这种系统的功能根据方法200来提供。如图5A至5C所示，天线面板的面积可根据应用而变化。在一些应用中，可使用更大的天线，该天线延伸跨过在车辆的外表面下方数平方英寸的空间，例如车顶的整个后部。

例如，图5A所示的系统500可包括车辆505，车辆505包括其中设置有天线罩结构522的车顶部512。如系统500的顶侧剖视图502所示，天线罩522下方的通信装置520(例如，装置120、150、300、350等中的一个)可被限制在车顶部512的表面510下方的内部区域。在图5B所示的另一实施例中，系统530包括车辆535，车辆535包括其中设置有天线罩结构552的车顶部542。如系统530的顶侧剖视图532所示，天线罩552下方的通信装置550可延伸至车顶部542的表面540的一个或多个边缘下方的区域，例如但非全部的边缘。在所示的示例性实施例中，通信装置550延伸到一半的表面540下方的区域。在图5C所示的另一实施例中，系统560包括车辆565，车辆535包括其中设置有天线罩结构582的车顶部572。如系统560的顶侧剖视图562所示，天线罩582下方的通信装置580可在车顶部572的基本上全部(例如，车顶部572下方面积的至少90％)的下方延伸。

图6A示出根据实施例的实现卫星通信的圆柱馈送天线结构的侧视图。例如，天线面板124、160、310、352、354等中的一个可包括图6A所示的天线结构。天线可使用双层馈送结构(即，馈送结构具有两层)产生向内行进波。在一个实施例中，虽然不是必需的，但天线包括圆形外部形状。

参照图6A，同轴引脚601可用于激发天线的较低层上的领域。在一个实施例中，同轴引脚601为500同轴引脚。同轴引脚601可联接(例如，螺栓连接)到作为传导接地平面602的天线结构的的底部。

图6A的天线结构可包括侧部607和608，侧部607和608成角度以使从同轴引脚601馈送的行进波通过反射从间隙导体603下方的区域(例如，在间隔部层604中)传播到间隙导体603上方的区域(例如，在介电层605中)。在一个实施例中，侧部607和608的角度为45°。在可选实施例中，侧部607和608可利用连续的半径来代替以实现反射。虽然图6A示出具有45°角的倾斜的侧部，但是可使用实现从较低层馈送到较高层馈送的信号发射的其它角度。也就是说，假设下馈送部中的有效波长大致上与上馈送部中的有效波长不同，则可使用与理想的45°角的一些偏差来帮助从较低馈送层传输至较高馈送层。例如，在另一实施例中，利用诸如图11所示的单个阶梯部来代替45°角。参照图11，示出阶梯部1100和1102在天线的一端上，天线围绕介电层1105、间隙导体1103和间隔部层1104。类似于阶梯部1100和1102的阶梯部结构也可形成在这些层的其他端。RF阵列1106(例如，功能类似于RF阵列606)可设置在介电层1105上方。

在操作中，当馈送波从同轴引脚601被馈入时，波从同轴引脚601同心地向外行进于接地平面602和间隙导体603之间的区域中。同心出射波可通过侧部607和608反射并向内行进于间隙导体603和RF阵列606之间的区域中。来自圆形外围的反射使该波保持同相(即，其为同相反射)。行进波可通过介电层605变减。此时，行进波开始与RF阵列606中的元件相互作用并激发，以获得所需的散射。为终止该行进波，天线可在天线的几何中心处包括终端609。在一个实施例中，终端609包括引脚终端(例如，50Ω引脚)。在另一实施例中，终端609包括RF吸收器，其终止未使用的能量以防止未使用的能量反射回来穿过天线的馈送结构。这些可在RF阵列606的顶部使用。

在一个实施例中，传导接地平面602和间隙导体603彼此平行。例如，接地平面602和间隙导体603之间的距离可处于0.1"至0.15"的范围内。该距离可以是λ/2，其中λ为在操作频率时行进波的波长。在一个实施例中，间隔部604可以是泡沫或类似空气的间隔部，例如包括塑料间隔部材料。介电层605的一个目的可以使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个实施例中，介电层605使行进波相对于自由空间变慢30％。在一个实施例中，适于波束形成的折射率范围为1.2至1.8，其中自由空间被定义具有等于1的折射率。例如，具有分布式结构的材料可用作介电部605，诸如可进行机加工或光刻界定的周期性子波长金属结构。RF阵列606可位于介电部605的顶部。在一个实施例中，间隙导体603与RF阵列606之间的距离为0.1"至0.15"。在另一实施例中，该距离可以是λ_eff/2，其中λ_eff是设计频率下介质的有效波长。

图6B示出根据实施例的由通信装置提供的天线结构的另一示例。例如，这种天线结构可被包括在天线面板124、160、310、352、354等中的一个中。参照图6B，接地平面610可基本平行于介电层612(例如，塑料层等)。RF吸收器619(例如，电阻器)将接地平面610联接到设置在介电层612上的RF阵列616。同轴引脚615(例如，50Ω)馈送天线。

在操作中，馈送波被馈送通过同轴引脚615，并且同心地向外行进并与RF阵列616的元件相互作用。图6A和图6B的两个天线中的圆柱馈送部改善了天线的服务角度。在一个实施例中，天线系统在所有方向上都具有距视轴75度(75°)的服务角度，来代替正负45度方位角(±45°Az)和正负25度仰角(±25°E1)的服务角度。如同由许多独立辐射器组成的任意波束形成天线一样，整体天线增益取决于构成元件的增益，其本身可能与角度有关。当使用共同辐射元件时，整体天线增益通常会随着波束进一步远离视轴而减小。在距视轴75°时，预计会出现约6dB的显著增益下降。

具有圆柱馈送部的天线的实施例解决了一个或多个问题。与利用协同分配器网络馈送的天线相比，这些大大简化了馈送结构，从而降低总的需要的天线和天线馈送容积；通过利用更简略的控制(一直扩展到简单二进制控制)来保持高波束性能，降低对制造的敏感度和控制误差；与直线馈送相比，因为圆柱定向的馈送波导致远场中空间上不同的侧瓣，所以提供更有利的侧瓣图案；并且允许极化是动态的，包括允许左旋圆、右旋圆和线性极化，而不需要极化器。

图6A的RF阵列606和/或图6B的RF阵列616可各自包括各个波散射子系统，其包括充当辐射器的一组贴片天线(即，散射器)。这组贴片天线可包括散射超材料元件阵列。在一个实施例中，天线系统中的每一个散射元件是单位胞元(unit cell)的一部分，该单位胞元包括下导体、介电衬底和嵌入互补电感应电容谐振器(“互补电LC”或“CELC”)的上导体，该互补电感应电容谐振器被蚀刻或沉积在上导体上。

在一个实施例中，液晶(LC)被注入到散射元件周围的空隙中。液晶被封装在每个单位胞元中，并使与槽相关联的下导体与同其贴片相关联的上导体分开。液晶具有介电常数，其是包含液晶的分子的取向的函数，并且分子的取向(并因此控制介电常数)可通过调整跨越液晶的偏压电压来控制。利用这种特性，液晶用作用于将能量从导波传输到CELC的接通/断开开关。当接通时，CELC如电小偶极天线一样发出电磁波。

控制LC的厚度增加波束切换速度。下导体和上导体之间的间隙(液晶厚度)减少百分之五十(50％)导致速度增加四倍。在另一实施例中，液晶的厚度导致约14毫秒(14ms)的波束切换速度。在一个实施例中，LC被掺杂以提高响应性，从而可满足7毫秒(7ms)的要求。

CELC元件响应于平行于CELC元件平面并垂直于CELC间隙补足物施加的磁场。当电压被施加至超材料散射单位胞元中的液晶时，导波的磁场分量引起CELC的磁激发，其进而产生与导波频率相同的电磁波。由单个CELC产生的电磁波的相位可通过导波向量上CELC的位置来选择。每个胞元产生相位与平行于CELC的导波相同的波。因为CELC小于波长，所以输出波在其通过CELC下方时，具有与导波的相位相同的相位。

在一个实施例中，这个天线系统的圆柱馈送几何结构允许将CELC元件定位在与波馈送中的波的向量成45度(45°)的角度处。元件的这个位置能够控制自元件产生或从其接收的自由空间波的极化。在一个实施例中，CELC以小于天线的操作频率的自由空间波长的元件间间距布置。例如，如果每个波长具有四个散射元件，则30GHz发射天线中的元件将为约2.5mm(即，30GHz的10mm自由空间波长的1/4)。

在一个实施例中，CELC利用贴片天线实施，该贴片天线包括与在两者之间共同位于槽之上的贴片。在这方面，超材料天线就像开槽(散射)波导。使用开槽波导时，输出波的相位取决于槽相对于导波的位置。

图7示出贴片天线或散射元件的俯视图，其中贴片天线或散射元件可以是根据另一实施例的通信装置的部件。例如，这种贴片天线或散射元件可被包括在天线面板124、160、310、352、354等中的一个中。参照图7，贴片天线可包括贴片701，其与液晶(LC)703共同位于槽702上方，液晶(LC)703在贴片701和槽702之间。

图8示出根据实施例的作为环形馈送天线系统的一部分的贴片天线的侧视图。天线面板124、160、310、352、354中的一个(例如)可包括图8所示的环形馈送天线系统。

参照图8，贴片天线可位于介电部802(例如，塑料插入件等)上方，介电部802例如位于图6A的间隙导体603(或诸如在图6B中的天线的情况下的接地导体)上方。光阑板803可包括具有多个槽的接地平面(导体)，诸如槽803a在介电部802顶面上和介电部802上方。槽803a下方是对应环形开口803b。槽在本文中可被称为光阑(iris)。在一个实施例中，光阑板803中的槽通过蚀刻而形成。注意的是，在一个实施例中，槽或作为其一部分的胞元的最高密度为λ/2。在一个实施例中，槽/胞元的密度为λ/3(即，每λ有3个胞元)。注意的是，可使用其它的胞元密度。

包括诸如贴片805a的多个贴片的贴片板805可位于由中间介电层分开的光阑板803上方。诸如贴片805a的贴片中的每一个可与光阑板803中的一个槽同位。在一个实施例中，光阑板803和贴片板805之间的中间介电层为液晶衬底层804。液晶用作每一个贴片与其共置槽之间的介电层。注意的是，可使用除LC之外的衬底层。在一个实施例中，贴片板805包括印制电路板(PCB)，并且每个贴片包括PCB上的金属，其中围绕贴片的金属已经被去除。在一个实施例中，贴片板805包括用于每一个贴片的过孔，该贴片在贴片板中与贴片面向其共置槽的一侧相对的一侧上。该过孔用于将一条或多条迹线连接到贴片以向贴片提供电压。在一个实施例中，矩阵驱动器用于将电压施加到贴片以对其进行控制。该电压用于调谐或解调单个元件以实现波束成形。

图9说明根据实施例的示出通信装置的接收天线元件的双接收天线。天线面板124、160、310、352、354中的一个(例如)可包括诸如图9所示的天线元件的布置。在实施例中，双接收天线为Ku接收-Ka接收天线。参照图9，示出了Ku天线元件的开槽阵列。一些Ku天线元件被示出为断开或接通。例如，孔径示出了Ku接通元件901和Ku断开元件902。在孔径布局中还示出了中心馈送部903。而且，如图所示，在一个实施例中，Ku天线元件被定位在或位于围绕中心馈送部903的圆环中，并且每个Ku天线元件包括槽，该槽具有共同位于槽上方的贴片。在一个实施例中，每个槽相对于从中心馈送部903发出并于每个槽的中心位置处撞击的圆柱馈送波被定向为+45度或-45度。

在一个实施例中，贴片可被沉积在玻璃层(例如，通常用于LC显示器(LCD)的玻璃，例如康宁鹰(Corning Eagle)玻璃)上，来替代电路贴片板。图10示出了包括包含贴片的玻璃层的圆柱馈送天线的一部分。天线面板124、160、310、352、354中的一个(例如)可包括图10的环形馈送天线。

参照图10，天线包括导电基底或接地层1001、介电层1002(例如，塑料)、包括槽的光阑板1003(例如，电路板)、液晶衬底层1004和包括贴片1010的玻璃层1005。在一个实施例中，贴片1010具有矩形形状。在一个实施例中，槽和贴片分别按行和列定位，并且贴片的定向对于每行或每列都是相同的，同时共置槽的定向对于行或列而言相对于彼此被定向为相同。

图12是根据实施例的具有发射和接收路径的通信系统的框图。例如，图12的通信系统可包括系统100的特征。例如，通信系统可包括装置120、150、300、350等中的一个。虽然示出了一个发射路径和一个接收路径，但是通信系统可仅包括接收路径和发射路径中的一个，或者可选地，可包括多于一个发射路径和/或多于一个接收路径。

参照图12，天线1201包括一个或多个天线面板，其可操作以例如同时以不同的各个频率来发射和接收卫星通信。在一个实施例中，天线1201联接到双工器1245。联接可由一个或多个馈送网络形成。在径向馈送天线的情况下，双工器1245可结合两个信号，例如，其中天线1201和双工器1245之间的连接包括可携带两个频率的单个宽带馈送网络。

双工器1245可联接到低噪声降频变换器(LNB)1227，其将执行噪声过滤功能和降频变换及放大功能，例如，包括从本领域已知的技术适应性改进的操作。在一个实施例中，LNB 1227处于室外单元(ODU)中。在另一实施例中，LNB 1227被集成到天线设备中。LNB1227可联接到调制解调器1260，其可进一步联接到计算系统1240(例如，计算机系统、调制解调器等)。

调制解调器1260可包括可联接到LNB 1227的模数转换器(ADC)1222，以将从双工器1245输出的接收信号转换成数字格式。一旦转换成数字格式，信号可由解调器1223解调并由解码器1224解码以获得关于接收波的编码数据。解码的数据然后可被发送到控制器1225，控制器1225将数据发送到计算系统1240。

调制解调器1260可另外地或可选地包括编码器1230，其对待从计算系统1240传输的数据进行编码，例如编码以将数据从与一个通信协议兼容的数据格式转换成与另一个通信协议兼容的不同数据格式。编码数据可由调制器1231进行调制，然后由数模转换器(DAC)1232转换成模拟信号。模拟信号然后可通过BUC(升频和高通放大器)1233进行过滤，并提供给双工器1233的一个端口。在一个实施例中，BUC1233处于室外单元(ODU)中。双工器1245可支持适于常规互连技术的操作，以向用于发射的天线1201提供发射信号。

控制器1250可控制天线1201，包括控制器1250发射信号以配置一个或多个天线元件的波束操纵、波束形成、频率调谐和/或其它操作特性。在一些实施例中，控制器1250包括电路，其可操作以主动搜索、跟踪和/或以其它方式自动获取卫星信号，例如包括从常规卫星通信技术适应性改进的信号检测操作的。注意的是，图12所示的全双工通信系统具有许多应用，包括但不限于因特网通信、车辆通信(包括软件更新)等。

本文描述了用于在机动车辆中提供卫星通信功能的技术和架构。在以上描述中，出于解释的目的，为了提供某些实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践某些实施例。在其它情况下，结构和装置以框图形式示出以避免模糊描述。

说明书中提及的“一个实施例”或“实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都表示相同的实施例。

本文详细描述的一些部分是根据对计算机存储器内数据位的操作的算法和符号表示来呈现的。这些算法描述和表示是计算领域技术人员用来将其工作的实质最有效地传达给本领域其它技术人员的方法。这里并且通常认为算法是导致期望结果的自给的步骤序列。这些步骤需要对物理量进行物理运算。通常地，虽然不是一定地，这些数量采取能够被存储、传送、组合、比较和以其它方式操纵的电信号或磁信号的形式。主要出于通用的原因，已经证明了，时常以位、值、元件、符号、字符、项、数字等来引用这些信号是方便的。

然而，应当记住的是，所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标记。除非特别声明，否则从本文的讨论中显而易见，应当理解的是，在整个说明书中，利用诸如“处理”或“计算”或“算出”或“确定”或“显示”等术语进行的讨论指的是计算机系统或类似电子计算装置的动作和处理，其将在计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理(电子)量的数据操纵并转换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它这种信息存储、传输或显示装置内的物理量的其它数据。

某些实施例还涉及用于执行本文的操作的设备。该设备可为所需目的而特别构造，或者其可包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这种计算机程序可被存储在非易失性计算机可读存储介质中，诸如但不限于包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(ROM)，诸如动态RAM(DRAM)的随机存取存储器(RAM)，EPROM，EEPROM，磁或光卡，或适于存储电子指令的任何类型的介质，并且联接到计算机系统总线。

这里呈现的算法和显示器并不固有地与任何特定的计算机或其它设备相关。各种通用系统可根据本文的教导内容与程序一起使用，或者其可证明对构造更专用的设备来执行所需的方法步骤是方便的。从本文的描述中可以看出各种这些系统所需的结构。另外，某些实施例没有参考任何特定的编程语言来描述。将理解的是，可使用各种编程语言来实施本文描述的这种实施例的教导。

除了本文描述的内容之外，可以在不脱离所公开的实施例及其实施方式的范围的情况下对其进行各种修改。因此，本文的说明和示例应当被解释为说明性的而非限制性的。本发明的范围应当仅通过参考所附权利要求来衡量。

Claims (20)

1.一种通信装置，其包括：

壳体，其延伸围绕体积，其中所述壳体沿第一方向线的厚度等于或小于5英寸；

天线面板，其被设置在所述体积中，所述天线面板包括一个或多个全息天线元件，所述全息天线元件被配置成经由所述通信装置的第一侧部参与信号的通信，其中所述第一方向线正交于第一平面和所述第一侧部的一部分；

一个或多个硬件接口，每个硬件接口设置在所述壳体的除所述第一侧部之外的各个侧部上，所述一个或多个硬件接口用于将所述通信装置联接到机动车辆的电源；以及

控制逻辑，其包括被联接以基于由所述电源提供的电压来操作所述天线面板的电路，包括所述控制逻辑以操纵由所述一个或多个全息天线元件产生的波束。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其中用于参与通信的所述一个或多个全息天线元件包括发射或接收频率范围内的信号的所述一个或多个全息天线元件，所述频率范围包括大于7.5千兆赫的频率。

3.根据权利要求1所述的通信装置，其进一步包括一个或多个安装结构，用以促进所述通信装置在所述机动车辆的外表面和所述机动车辆的内表面之间的连接。

4.根据权利要求1所述的通信装置，其中所述第一侧部的一部分在远离所述第一平面的方向上弯曲。

5.根据权利要求4所述的通信装置，其中所述通信装置的外侧部是弯曲的，所述通信装置的外侧部与所述第一侧部相对。

6.根据权利要求1所述的通信装置，所述一个或多个硬件接口进一步用于将所述通信装置连接到所述机动车辆的一个或多个信号线。

7.根据权利要求1所述的通信装置，所述一个或多个硬件接口进一步用于将所述通信装置联接到所述机动车辆的波导。

8.根据权利要求1所述的通信装置，其进一步包括无线调制解调器，用于与位于所述机动车辆中的移动装置无线通信。

9.根据权利要求1所述的通信装置，其进一步包括：

编码器，其用于对待从所述通信装置发射的数据进行编码；

调制器，其用于基于编码数据生成调制信号；以及

数模转换器，其用于将调制信号转换成模拟信号，所述数模转换器向所述天线面板提供模拟信号。

10.根据权利要求1所述的通信装置，其进一步包括：

模数转换器，其被联接以从所述天线面板接收调制信号，所述模数转换器将调制信号转换成数字信号；

解调器，其用于基于调制信号生成编码数据；以及

解码器，用于对编码数据进行解码。

11.一种系统，其包括：

机动车辆，其包括电源和互连部；以及

通信装置，其被设置在所述机动车辆的内表面与所述机动车辆的外表面之间，所述通信装置包括：

壳体，其延伸围绕体积，其中所述壳体沿第一方向线的厚度等于或小于5英寸；

天线面板，其被设置在所述体积中，所述天线面板包括一个或多个全息天线元件，所述全息天线元件被配置成经由所述通信装置的第一侧部参与信号的通信，其中所述第一方向线正交于第一平面和所述第一侧部的一部分；

一个或多个硬件接口，每一硬件接口被设置在壳体的除所述第一侧部之外的各个侧部上，其中所述通信装置经由所述一个或多个硬件接口和所述互连部联接到所述电源；以及

控制逻辑，其包括被联接以基于由所述电源提供的电压来操作所述天线面板的电路，包括所述控制逻辑以操纵由所述一个或多个全息天线元件产生的波束。

12.根据权利要求11所述的系统，其中用于参与通信的所述一个或多个全息天线元件包括发射或接收频率范围内的信号的所述一个或多个全息天线元件，所述频率范围包括大于7.5千兆赫的频率。

13.根据权利要求11所述的系统，所述通信装置进一步包括一个或多个安装结构，用以促进所述通信装置在所述机动车辆的外表面和所述机动车辆的内表面之间的连接。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一侧部是弯曲的。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述通信装置的外侧部是弯曲的，所述通信装置的外侧部与所述第一侧部相对。

16.根据权利要求11所述的系统，所述一个或多个硬件接口进一步用于将所述通信装置连接到所述机动车辆的一个或多个信号线。

17.根据权利要求11所述的系统，所述一个或多个硬件接口进一步用于将所述通信装置联接到所述机动车辆的波导。

18.根据权利要求11所述的系统，所述通信装置进一步包括无线调制解调器，用于与位于所述机动车辆中的移动装置无线通信。

19.根据权利要求11所述的系统，所述通信装置进一步包括：

编码器，其用于对待从所述通信装置发射的数据进行编码；

调制器，其用于基于编码数据生成调制信号；以及

数模转换器，其用于将调制信号转换成模拟信号，所述数模转换器向所述天线面板提供模拟信号。

20.根据权利要求11所述的系统，所述通信装置进一步包括：

模数转换器，其被联接以从所述天线面板接收调制信号，所述模数转换器将调制信号转换成数字信号；

解调器，其用于基于调制信号生成编码数据；以及

解码器，用于对编码数据进行解码。