CN109672018B - 宽频带天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽频带天线系统。宽频带和多频带天线(1)具有减小的尺寸、优选地用作车辆用远程天线。所述天线系统包括天线，所述天线包括：平面接地平面(2)；平面辐射元件(3)，所述辐射元件(3)具有由中央段(3a)以及从所述中央段(3a)延伸的第一横向段和第二横向段(3b，3c)形成的配置。馈电连接线(4)连接在所述中央段(3a)和所述接地平面(2)的边缘之间，并且接地连接线(5)连接在所述中央段(3a)和所述接地平面(2)的所述边缘之间。

Description

宽频带天线系统

技术领域

本发明总体涉及优选地用作车辆用远程天线的宽频带和多频带天线。

本发明的目的是提供一种可以装配在受限空间(例如在车辆内部)内的具有减小尺寸的宽频带和多频带天线。

本发明的另一目的是提供一种可以通过自身(即，没有附加附接手段)简单地附接至车辆且没有与车辆接地连接的车辆用远程天线，从而降低制造成本。

背景技术

由于一些电子设备的尺寸较大，难以在缩小的空间内容纳大型天线系统。出于该原因，机动车辆的许多通信设备需要外部天线来提高内部天线的性能。在这种情况下，外部天线的尺寸尽可能小是至关重要的，以便它可以装配在车辆内的缩小空间内。

外部天线相对于内部天线的另一个优点是其在电子噪声方面的性能。随着电子噪声源(时钟、微处理器等)越来越近，内部天线会获得整个系统的最差灵敏度。因此，在外部天线的情况下，这种情况得到改善，因为它们可以从这些噪声源中移出。

例如，LTE天线特别同时需要主天线和分集天线二者。然而，这两种LTE天线(主天线和分集天线)特别是在低频带(700MHz-1GHz)下不能容纳在鲨鱼鳍天线的狭窄内部，其中信号干扰很高，并且在天线之间获得的不相关的水平将很差。当移动系统上需要多于一个天线作为LTE时，天线之间必须尽可能不相关。

另一方面，平面倒F天线(PIFA)通常用于无线通信，例如，蜂窝电话、无线个人数字助理(PDA)、无线局域网(LAN)-蓝牙等。PIFA天线大致包括平面辐射元件和与辐射元件平行的接地平面，其中该接地平面大于天线的结构。导电的第一线在位于辐射元件一侧的边缘处的第一触点处耦合到辐射元件，并且第一线也耦合到接地平面。

导电的第二线沿着与第一线相同的一侧耦合到辐射元件，但是处于与第一线不同的边缘上的接触位置。第一线和第二线适于在PIFA的工作频率下耦合至期望的阻抗，例如50欧姆。在PIFA中，第一线和第二线垂直于它们所耦合的辐射元件的边缘，从而形成倒F形(因此是平面倒F天线的描述性名称)。

先前已知的平面倒F天线通过要求减小针对给定无线应用的PIFA的体积而牺牲了带宽。而且，它们的性能与连接天线的接地平面的物理尺寸密切相关。通常，为了在蜂窝频带(作为LTE的示例)的最低频率下的适当功能，需要大于100mm的接地平面。

因此，需要在不必增加其体积的情况下改善PIFA的带宽，并且不需要使用更大的接地平面用于天线安装。

此外，在这种减小的尺寸中集成多频带、高效率、低VSWR天线是一项挑战。

发明内容

本发明的天线包括两个倒F天线以便在辐射和带宽方面增加天线效率，使得由于两个F天线之间的协作，接地平面的尺寸减小。所述天线可以实施为2D平面天线，或者实施为3D体积天线。

本发明的一个方面涉及一种包括天线装置的宽频带和多频带天线系统，所述天线装置包括：基本上平面的接地平面；和基本上平面的辐射元件。在2D平面天线中，所述辐射元件和所述接地平面是共面的；而在3D实施例中，所述辐射元件布置在所述接地平面上方且基本上平行于所述接地平面。

所述辐射元件具有中央段以及从所述中央段延伸的第一横向段和第二横向段。馈电连接线连接在所述中央段和所述接地平面的一侧之间，并且接地连接线连接在所述中央段和所述接地平面的连接所述馈电连接线的同一侧之间。

所述辐射元件具有U形配置，该U形配置由中央段以及从所述中央段延伸的第一横向段和第二横向段形成。馈电连接线连接在所述中央段和所述接地平面之间，并且接地连接线连接在所述中央段和所述接地平面之间。

优选地，所述辐射元件和所述接地平面配置为双PIFA天线。

优选地，所述辐射元件的各段基本上是直的，并且所述第一横向段和第二横向段基本上平行于彼此且基本上正交于所述中央段。所述接地平面具有带有两个短边和两个长边的大致矩形的配置，并且所述中央段位于所述短边之一的上方，并且所述横向段分别位于所述长边的上方。

本发明的天线系统优选地适于至少在一个长期演进(LTE)频带内操作，并且用作机动车辆用的远程天线。

本发明的一些优点如下：

-高效率；

-宽带行为；

-多频带行为；

-与现有解决方案比较减小了尺寸；

-所有部件在一个部分(天线+支架)中，无需附加结构来安装；

-兼容内置的导航天线。

附图说明

下面参考附图描述本发明的优选实施方式，其中：

图1示出了2D平面天线拓扑的示意图，其中图1中的A是现有技术倒F天线，而B是根据本发明的天线。

图2示出了图1的2D平面天线的演变的示意图，其被转换为3D体积天线，其中图2中的A示出了演变的第一步骤，而B示出了最终的3D天线。

图3中的A和B分别示出了根据本发明的天线的示意图的立体图和俯视平面图。

图4示出了根据本发明的天线系统的示例性实施例的两个立体图。

图5以立体图示出了根据本发明的天线的几个示意图。

图6示出了对应于测得的VSWR(电压驻波比)的图表。

图7示出了根据本发明的天线系统的分解图。

具体实施方式

天线可以实现为2D平面天线，或实现为3D体积天线。在如图1中的B所示的平面实施例的情况下，天线配置可以定义为“

天线”。

图1中的B所示的

天线包括辐射元件3，辐射元件3具有从长度L3的中央段3a延伸的第一横向段3b和第二横向段3c。第一横向段3b的长度L1和第二横向段3c的长度L2相似(+/-15％)，并且它们针对每个特定应用根据垂直于辐射元件3的接地平面2的第一侧边Y来选择。

在该实施方式中，辐射元件3和接地平面2是共面的。另外，第一段、第二段和中央段3a，3b，3c是直的并且是对齐的，并且放置在接地平面2的一侧处。

如图1中的B所示，这样获得最佳实施例，即L1+H长度的比率约为50％-70％，优选为55％-65％，更优选为60％，大于接地平面轴线尺寸“Y”，并且其中H是辐射元件3与接地平面2的一侧之间的距离，如图1中的B所示。

例如，在实现具有700MHz(λ～428mm)的最低工作频率的蜂窝频带并且实现具有“Y”尺寸～0.12λ(50mm)的接地平面的情况下，需要L1(63mm)+H(20mm)。在这种情况下，Y/(L1+H)得到50/(63+20)＝0.60，即增加分支长度相对于接地平面主轴线Y尺寸为约60％。

距离H具有最小值以避免对接地平面的更高耦合效应，这将减小天线阻抗和带宽。通常，最小H值约为0.05λ，在具有700MHz的最低工作频率的蜂窝频带的情况下，“H”的最小值将为约20mm。

馈电连接线4连接在中央段3a和接地平面2的一侧之间，并且接地连接线5连接在中央段3a和接地平面2的连接馈电连接线4的同一侧之间。因此，辐射元件3以及馈电连接线和接地连接线4，5一起配置

形。

“

天线”的连接线4，5之间的间隙G也具有天线辐射特性的影响，因为两个倒“F”天线没有被正确激励。通常，获得新“

天线”的益处的值的范围在0.035λ到0.05λ的范围内，因此在具有700MHz的最低工作频率的蜂窝频带的情况下，该范围应该是15mm到20mm。

如图2所示，通过弯曲第一横向段3b和第二横向段3c以形成“U”形，获得3D紧凑解决方案作为图1的演变。该U形的宽度W(大致对应于中央段3a的长度L3)类似于接地平面2的第二侧边X的长度，所述第二侧边X垂直于第一侧边Y。

最终，辐射元件3首先分别围绕折叠轴线x1折叠90°，最后连接线4，5分别围绕折叠轴线x2折叠90°，如图2所示，以形成作为“U”形天线的3D实施例(图2的B)。

利用3D实施例可以将天线的体积保持在接地平面的周边内，即，在表面尺寸X，Y内保持与图1的B的平面结构解决方案类似的天线性能。

图3示出了本发明的天线1的示例，其包括平面接地平面2和布置在接地平面2上方并且基本平行于接地平面2的平面辐射元件3。辐射元件3具有U形配置，具有中央段3a以及从中央段3a延伸的第一横向段和第二横向段3b，3c。

辐射元件3的各段3a，3b，3c是直的并且包含矩形部分。第一横向段3b和第二横向段3c平行于彼此并且正交于中央段3a。在优选实施方式中，如图3的B所示，第一横向段3b和第二横向段3c位于接地平面2的两个平行侧边的正上方。

接地平面2具有大致矩形的配置(具有两对平行侧边)，并且其中中央段3a位于侧边之一的上方，横向段3b，3c分别位于另外两个垂直侧边的上方。

如图3所示，横向段中的一个可能比另一个长，在这种情况下，横向段3b比横向段3c长。

此外，在图3的实施方式中，横向段3b比接地平面2长。横向段3c比接地平面2短，并且其自由端朝向接地平面的中心弯曲，构成“L”形。

在其他优选实施方式中，可以通过使用接地平面2上的槽来避免连接线4，5之间的间隙G。该槽在等于间隙G的点之间产生电通路，其优点是还降低了天线的最低工作频率。

例如，在图4、图5的D的替代实施方式中，接地平面2具有至少一个槽8作为调谐天线槽8a，用于将天线调谐到所需的工作频率。接地平面2可以具有其他带有机械功能的槽8b作为固定手段的一部分。此外，接地平面2具有弯曲部分2a，以用作用于安装天线的支架。在该实施方式中，没有连接线4，5连接在辐射元件3和接地平面2之间。可以说在图4、图5的D的实施方式中，连接线4，5之间的间隙G为零，并且在辐射元件3和接地平面2之间存在连接11。

另外，天线2与附接至接地平面2的印刷电路板6互补，其中印刷电路板6具有用于天线系统的匹配网络以及用于天线输出的同轴线缆7。

调谐天线槽8a是具有两个边缘9的直沟道，使得天线系统的馈线(具有两个端子，未示出，即馈电端子和接地端子)分别与所述边缘9连接。槽8配置的位置和形状为接地平面中的电流循环的两条路径。

图5的A示出了一个实施方式，其中第一横向段3b和第二横向段3c之间的距离d约为

是最低工作频率。

图5的B示出了一个实施方式，其中辐射元件3和接地平面2之间的高度H高于

是最低工作频率。

图5的C示出了一个实施方式，其中馈电连接线4和接地连接线5是直的且平行于彼此，并且其中两条连接线4，5之间的间隙G在

的范围内，

是最低工作频率(其中对于700Mhz，

)。

图5的D示出了一个实施方式，其中两条连接线4，5之间的间隙G等于0，并且接地平面2具有总周长约为

的槽8；图6还示出了对应于测得的VSWR(电压驻波比)的图表，示出了该槽8的影响，使GND在最低频率下谐振，而不是获得两条连接线4，5分开的设计，

是最低工作频率。

天线系统适于至少在一个长期演进(LTE)频带内操作。最低工作频率为700Mhz。

最后，图7示出了完整的天线系统，其包括先前描述的天线1，另外包括卫星导航天线(GNSS)10以及用于保护和隔离天线的壳体12。为了被两个横向段3b，3c屏蔽，GNSS天线10布置在这两个横向段之间。

因此，天线系统的特征在于以下特征和特性的组合：

-

天线；

-其中连接线之间没有距离的带槽接地平面；

-PCB中的天线匹配；

-PCB中的用于高频的印刷天线；

-允许内置导航卫星天线的兼容结构；

-非常高的带宽：(700-960MHz，1600-2800MHz)；

-在95％的带宽上VSWR<2.5；

-辐射效率超过30％，高频时高达60％；

-紧凑形状：3D 60×60×15mm³；

-集成卫星导航天线(GNSS)的兼容结构。

Claims (11)

1.一种包括天线的天线系统，所述天线包括：

平面接地平面；

平面辐射元件，所述辐射元件具有中央段、第一横向段和第二横向段，所述第一横向段和所述第二横向段均从所述中央段延伸，其中，所述辐射元件具有U形配置，并且进一步其中，所述第一横向段和所述第二横向段中的一个比另一个长+/-15％；

馈电连接线，所述馈电连接线连接在所述中央段和所述接地平面的侧边之间；以及

接地连接线，所述接地连接线连接在所述中央段和所述接地平面的连接有所述馈电连接线的同一侧之间，其中所述馈电连接线和所述接地连接线是直的且平行于彼此，并且其中，所述馈电连接线和所述接地连接线之间的间隙为0，并且进一步其中，所述接地平面限定至少一个槽，所述槽具有至少一个沟道，并且其中，所述槽具有两个边缘，并且所述天线系统进一步包括馈线，所述馈线具有馈电端子和接地端子，所述馈电端子和接地端子分别与所述边缘连接。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射元件和所述接地平面是共面的。

3.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射元件布置在所述接地平面上方且基本平行于所述接地平面。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射元件的各个段基本上是直的，并且其中，所述第一横向段和所述第二横向段基本上平行于彼此且基本上正交于所述中央段。

5.根据权利要求3所述的天线系统，其中，所述接地平面具有带有两对平行侧边的大致矩形的配置，并且其中，所述中央段位于所述侧边之一的上方，并且所述第一横向段和所述第二横向段分别位于另外两个垂直侧边的上方。

6.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一横向段和所述第二横向段之间的距离约为0.1λ，λ是在最低工作频率下的波长。

7.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射元件和所述接地平面之间的高度高于0.05λ，λ是在最低工作频率下的波长。

8.根据权利要求7所述的天线系统，其中，所述最低工作频率为700Mhz。

9.根据权利要求1所述的天线系统，所述天线系统进一步包括附接至所述接地平面的印刷电路板。

10.根据权利要求1所述的天线系统，所述天线系统进一步包括卫星导航天线即GNSS，所述GNSS固定到所述接地平面并且布置在所述第一横向段和所述第二横向段之间。

11.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射元件和所述接地平面的一个侧边之间的距离高于0.05λ，λ是在最低工作频率下的波长。

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