CN112825384A - 具有天线模块的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有天线模块(2、3)的机动车，其中，所述天线模块包括堆叠的贴片天线(10)和用于天线面(2、3)中的每个天线面的相应的天线电子装置(11、12)，所述贴片天线具有两个彼此并行布置的并且通过电介质(15)彼此分离的天线面(13、14)，其中，所述天线面(13、14)分别如此形成天线，使得所形成的天线具有彼此不同的极化。

Description

具有天线模块的机动车
技术领域
本发明涉及一种具有天线模块的机动车，所述天线模块包括堆叠的贴片天线，所述贴片天线具有两个彼此并行/平行设置的并且通过电介质彼此分离的天线面，其中，所述天线面分别这样形成天线，使得所形成的天线具有彼此不同的极化。
背景技术
机动车之间的或者机动车与基础设施之间的通信越来越重要并且例如是自主或联网驾驶的基本前提。在此，目前尤其是对于智能交通系统而言DSRC(Dedicated ShortRange Communication(专用短程通信))和C-V2X(Cellular Vehicle-to-Everything(蜂窝车联网))是重要的。第一系统基本上基于IEEE802.11p标准，并且因此是在5.9GHz频谱中运行的W-LAN系统。已经特别地针对汽车应用的需求进行了定制。另一方面，C-V2X使用蜂窝网络方法。该系统的实现在技术上要求更高，但是可以实现更高的作用范围和能量效率，同时具有更低的等待时间。
对于C-V2X应用，主要讨论天线结构，其中两个发射天线用于发射信号，四个接收天线用于接收信号。尽管运行在相同的频率范围内，但不会相互干扰的相对大量的天线的布置是相对苛刻的要求，而不会不利地影响机动车的空气动力学和/或设计。因此，也存在通过仅在发射侧和接收侧使用两个天线的方式来降低系统复杂性的考虑。然而，为了最佳通信质量和符合标准，开发不需要限制天线数量的解决方案是有利的。
由文献DE 10 2007 055 323 A1提出一种鳍状的多频带天线模块，该多频带天线模块包括构造为贴片天线组的接收天线模块。这是为了接收GPS服务和SDARS服务。为了支持贴片天线组的贴片天线的解耦，对于这些贴片天线使用不同的圆的极化。
从文献DE 10 2010 015 823 A1中提出另一种具有贴片天线的天线模块。其中，使用用于贴片天线的馈电引脚(Einspeisestift)的馈电引脚延伸部，通过馈电引脚延伸部形成用于发射或接收电磁波的另一天线结构。GPS贴片天线和SDARS贴片天线可以组合成贴片天线组，并且由两个分离的馈电引脚馈电。
文献US 2008/0068270 A1也涉及一种贴片天线组。天线装置除了贴片天线组以外还可以包括用于各个贴片的单独的放大器或者包括一个公共的放大器。
从文献DE 10 2015 005 468 A1中已知的是，在天线面上布置多个具有不同极化的贴片天线。为了实现天线的充分解耦，天线彼此以稍小于待发射或待接收的电磁辐射的0.6个波长的间距布置。这种方案的缺点是，形成相对大面积的天线元件，所述天线元件不能容易地集成在可在机动车中提供的结构空间中。因此，在机动车上会需要不常见的大的天线组件，所述天线组件会对机动车的设计或空气动力学产生不利影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种用于在机动车中安置多个在相同频带中运行的天线的可能性，相比之下，该可能性尤其在利用现有结构空间的可能性方面得到改善。
根据本发明，该目的通过开头所述类型的机动车来解决，其中，天线模块包括用于天线面中的每个天线面的相应的天线电子装置，其中，一方面机动车包括控制装置，该控制装置设置用于，在全双工运行模式下同时控制天线电子装置中的一个来发射发射信号并且通过天线电子装置中的另一个接收接收信号，和/或另一方面，天线电子装置中的至少一个在第一运行模式下操控所配属的天线面来发射发射信号并且在第二运行模式下由这个天线面接收接收信号。
已知，堆叠的天线贴片的相互影响可以通过为形成的两个天线使用不同的极化而减小到这样的程度，使得天线或天线面即使在例如2.5mm的非常小的间距的情况下也能够实现天线的信号之间的足够的信号分离。因此，相对于布置在一个平面中的天线面，可以显著地减小天线模块的底面，而不需要显著地提高结构高度。尽管将天线电子装置集成到天线模块中，因此可以实现非常紧凑地构建的天线模块，其例如可以集成到内部后视镜的镜座中的为此设置的结构空间中，并且因此可以以与设计相容的方式并且在不负面影响空气动力学的情况下被收纳。
使用两个单独的天线例如实现了天线模块的全双工运行，即同时发射和接收信号，和/或可以实现使用多个天线来发射或接收信号的MIMO(Multiple Input MultipleOutput(多输入多输出))方案。
如后面还要详细解释的那样，尤其是可以在机动车中布置所阐述的天线模块中的两个，例如一个在镜座中而一个作为车顶天线模块。这使得在半双工运行中、即在交替发射和接收时例如可以使用两个天线用于发射和四个天线用于接收，并且因此如开头所述可以无损耗地实现C-V2X通信。
两个天线尤其可以分别被线性极化，其中这两个天线的极化彼此垂直。这例如可以在矩形的天线面的情况下通过如下方式实现，即，相应地选择馈电点，在该馈电点上信号耦入到天线面上或从该天线面耦出。例如，在天线面的第一天线面中馈电点可以在第一方向上位于中心并且在第二方向上与中心错开，并且在第二天线面中在第一方向上与中心错开并且在第二方向上位于中心。然而，作为对馈电点的偏移的补充或替代，也可以使用用于规定极化的其他方式，例如使用矩形的天线面，仅其中一条边能够实现谐振的辐射。此外，在现有技术中还已知了其他的用于预设贴片天线的天线面的极化的方法。利用这些天线例如也可以实现，两个天线面具有彼此不同的圆极化。
天线模块可以集成在机动车的内后视镜的镜座中。这尤其能够实现布置在挡风玻璃的上部区域中，由此机动车的车身仅仅较少地衰减信号的发射和接收。天线模块的根据本发明的设计方案——尽管在镜座中可用的结构空间仅非常受限——也对于同时在相同频率范围中运行的天线实现非常小的串扰。
可另选地，天线模块可以是布置在车顶上的车顶天线模块。不仅出于空气动力学的原因而且出于设计原因，使用尽可能小的车顶天线模块都可能是有利的。这可以在按照本发明的机动车中实现，这是因为所述的天线模块可以特别紧凑地构造。
天线模块的底面可以位于边长小于70mm的正方形内，和/或天线模块可以具有小于20mm的结构高度。天线模块的相应紧凑的构造能够实现上述在镜座中的布置或紧凑构造的车顶天线模块的设计。天线模块尤其可以具有矩形的或正方形的底面，其中，底面的边长小于70mm。然而，底面也可以是例如圆形、椭圆形等。底面尤其可以位于具有小于65mm或62mm或61.58mm的边长的正方形内。这可以实现可提供的结构空间的改善的利用。高度尤其可以小于16mm。
在模拟和试验的范围内得出，对于5.9GHz的重要的频率范围可以实现，贴片天线的底面具有大约10.2mm的边长。作为无接口的贴片天线的结构高度是8mm。天线电子装置可以容易地安置在类似的结构体积中，从而通过所描述的方法可以容易地实现小于9mm的高度和小于20mm的边长。下限由贴片天线的上述尺寸限制。
天线面中的至少一个天线面的天线电子装置可以包括用于补偿在该天线电子装置和车辆侧的控制装置之间的线路损耗的设备。该设备尤其包括用于测量通过信号放大器提供的输出功率或者输出电压的子设备。该设备可以控制或调节信号放大器，尤其是信号放大器的放大系数，以便调整目标功率或目标电压幅度。相应的补偿器原则上在现有技术中已知，并且因此不应详细地来阐述。由于天线的根据本发明的通过两个并行的天线面的构造需要特别少的结构空间，从而在紧凑构造的天线模块中也可无问题地使用相应的补偿器。
天线电子装置能够分别包括至少一个信号放大器。天线电子装置中的至少一个、尤其是天线电子装置中的恰好一个尤其是可以包括用于放大要发射的信号的发射放大器和用于放大接收的信号的接收放大器。只要信号放大器设置用于放大发射信号，就可以给该信号放大器特别是配设上述用于补偿线路损耗的设备，该设备控制或调节信号放大器的放大率或输出电压幅度或输出功率。
机动车优选包括控制装置，该控制装置被设置用于在全双工运行模式中同时操控天线电子装置中的一个以用于发射发射信号并且通过天线电子装置中的另一个接收接收信号。控制装置尤其可以与天线模块分开地被构造，但是也可以集成到天线模块中或另一天线模块中，尤其是集成到具有堆叠的贴片天线的另一天线模块中。控制装置尤其可以设置用于通过不同的天线模块的多个天线电子装置发射发射信号和/或接收接收信号。例如，控制装置可以控制车顶天线模块和后视镜镜座中的天线模块。
控制装置可以设置用于在接收运行模式中通过两个天线电子装置接收接收信号。在此，尤其可以接收在相同频率范围内的接收接收信号。原则上，可以独立地接收信号，然而，通过两个天线电子装置接收接收信号也可以用于实施天线分集或其他MIMO方法。如果使用两个相应的天线模块，则因此可以例如实现四个接收通道。如果如后面还要阐述的那样，每个天线模块的天线中的至少一个天线也可用于发射发射信号，则可以实现半双工运行，其中可以通过四个接收信道进行接收并且通过两个或多个发射信道进行发射。因此，例如可以实现开头所述的C-V2X运行，而不受天线数量限制。
天线电子装置中的至少一个可以在第一运行模式中操控所分配的天线面以用于发射发射信号并且在第二运行模式中由这个天线面接收接收信号。这在发射和接收方面可以实现时域复用运行。特别地，可以实现半双工运行。
天线模块，尤其是天线电子装置中的至少一个，可以包括分频器，以便通过相同的通信通道、例如同轴电缆接收要发射的信号和控制装置的控制信号。控制信号例如可以用于在相应的天线面的第一运行模式和第二运行模式之间、即在发射运行和接收运行之间切换。此外，例如可以传输上述用于补偿线路损耗的设备的控制参数，所述控制参数例如规定了目标发射功率或目标电压幅度，发射放大器的输出信号被调节到所述目标发射功率或目标电压幅度。
可以在天线面之一附近布置另外的电介质，该另外的电介质将该天线面与导电的参考面分开。参考面尤其可以位于参考电位上，例如接地电位上。通过使用另外的电介质，在要使用的发射频率或接收频率相同的情况下可以减小在该另外的电介质附近的天线面的面积。
电介质和另外的电介质可以具有彼此不同的相对介电常数和/或天线面的边长可以在至少一个方向上彼此不同。尤其是，天线面和电介质这样相互调谐，使得两个天线面可以在相同的频率范围内接收或发射谐振的发射信号。
附图说明
本发明的其它优点和细节由以下实施例和附图得出。在此示意性地示出：
图1示出了根据本发明的机动车的一个实施例，
图2示出了图1中所示的天线模块的结构，
图3示出了可用于图2中所示的天线模块的堆叠的贴片天线的示例性构造，
图4示出了图3中所示的堆叠的贴片天线的S参数，以及
图5和图6示出了图3中所示的堆叠的贴片天线的天线的方向特性。
具体实施方式
图1示出了机动车1，其包括两个天线模块2、3和相配设的控制装置7。如后面还要详细解释的那样，天线模块2、3中的每一个天线模块包括堆叠的贴片天线，该堆叠的贴片天线包括两个彼此并行布置的并且通过电介质彼此分开的天线面和用于天线面中的每一个的相应的天线电子装置。天线面分别这样形成天线，使得所形成的天线具有彼此不同的极化。由此能够实现，尽管天线在相同的频率范围中运行，但是即使天线相对彼此靠近地布置，这些天线也仅具有非常小的串扰。这使得天线模块2、3能够非常紧凑地构造，从而天线模块2可以毫无问题地集成到内部后视镜5的镜座4内部的预给定的结构空间中，该结构空间例如具有并行于机动车1的挡风玻璃6的面，该面具有61.58mm的边长和垂直于挡风玻璃的16mm的高度。作为车顶天线模块设置在车顶28上的天线模块3同样可以相对小地构造，由此可以避免对机动车1的设计或空气动力学特性产生不利影响。
在所示的示例中，控制装置7通过两个信号线路8、9，例如同轴电缆与相应的天线模块2、3通信。由此可以直接为天线模块2、3提供用于发射的高频信号，或者将由这些天线模块接收的高频信号传输给控制装置7。替代地，例如也可以直接在天线模块之一中执行信号处理，在控制装置7和天线模块2、3之间设置数字信号传输等。
图2以天线模块2为例示意性示出了天线模块2、3的部件。堆叠的贴片天线10的天线面13、14经由相应的天线电子装置11、12与信号线路8、9耦合。在图3中示意性地示出了用于堆叠的贴片天线10的一种可能的结构。两个并行的天线面13、14通过电介质15彼此分离并且因此彼此绝缘。在天线面14的背离天线面13的一侧上，通过另一电介质30分开地布置参考面16，该参考面处于参考电位、例如地电位上。
在馈电点17、18处，相应的天线面13、14通过相应的接口19、20与相应的天线电子装置11、12耦合。如果发射信号通过接口19、20馈入，那么所述发射信号通过相应的天线面13、14辐射。相反，通过各自的天线面13、14接收的接收信号可以通过馈电点17、18从接口19、20截取。
如已经阐述的那样，通过天线面13、14形成的天线应当具有不同的极化。为此的一种简单的实现可能性在图3中示意性示出。为了实现天线的不同极化，使用方形的天线面13、14，这些天线面在其馈电点17、18的位置方面有区别。在天线面13中，馈电点17在垂直于图平面的方向上居中地布置在天线面13上并且在横向方向上相对于天线面13的中心偏移。在图3中，天线面14的馈电点18在横向方向上居中地位于天线面14上，但在垂直于图平面的方向上相对于天线面14的中心偏移。由此产生通过天线面13、14形成的天线的彼此垂直的极化。
在图2中仅示意性示出的天线电子装置12相对简单地构造，因为在该示例中通过天线面14仅仅进行接收信号的接收而不进行发射。因此，天线电子装置12主要包括信号放大器21。
配属于天线面13的天线电子装置11构造得略微复杂，这是因为该天线电子装置不仅用于发射发射信号而且用于接收接收信号。因此，天线电子装置一方面包括接收侧的信号放大器22并且另一方面包括发射侧的信号放大器23。可以由控制装置7通过相应经由信号线路8发射的控制命令，在使用这些放大器之间并且因此在发射运行模式和接收运行模式之间进行切换。为了能够通过相同的信号线路8共同地传输控制命令和发射信号，信号线路8与天线模块2的其他部件通过分频器27、例如双工器耦合。例如，低频的信号部分可以用于传输控制命令，而高频的信号部分可以传输发射信号或接收信号。
在控制装置7和天线模块2之间的信号线路8或在这些部件之间的耦合能够引起线路损耗。这可以在接收侧通过信号放大器21、22对接收信号进行足够大的放大来补偿。在发射侧，相应的损耗虽然同样可以通过信号放大器23来补偿，但是在此要注意的是，不超过预先给定的目标发射功率。例如，发射功率可能由于法律原因而受到限制，和/或由于节能的原因而受到限制。因此，天线模块2包括用于补偿在天线电子装置11和控制装置7之间的线路损耗的设备24作为天线电子装置11的一部分。这在示例中被示为调节回路，其中功率测量设备25测量由信号放大器23提供的发射功率，并且该发射功率与目标功率的偏差由调节装置26补偿，例如PID调节器。目标值可以由控制装置作为控制命令经由信号线路8预先给定或者固定地预先给定。
因此，通过控制装置7对天线模块2、3的相应操控，能够实现在高达四个接收通道上的接收和在两个通道上的发射。因此，由于可用通道的数量足够，则可以没有限制地使用已经解释过的C-V2X应用。
对于图3所示的相对简单构造的堆叠的贴片天线10，已经进行了模拟，以验证贴片天线10适用于给定的目的。在此，使用具有相对介电常数ε为8的和厚度28为2.5mm的电介质作为电介质15。作为另外的电介质30，使用具有相对介电常数ε为6和厚度为4.0mm的电介质。对于参考面16相对于其他导电部件的间距36假定为1.6mm。如此选择天线面13、14的尺寸，使得在考虑了在参考面16的方向上附近的各个电介质15、30的情况下，该尺寸被选择成略微小于待发射或待接收的辐射的波长的一半。因此对于延展较大的天线面14得到大约10.2mm的边长。包括间距36的整个堆叠的高度合计为8.1mm。因此，提供了一种结构非常小型的堆叠的贴片天线10，由此即使在所描述的将天线电子装置11、12集成到天线模块2或3中时，也得到结构非常紧凑的天线模块2、3，所述天线模块例如能够无问题地集成到镜座4中。
图4示出了用于由天线面13、14形成的天线的S参数。曲线31在此说明了针对天线面13的S参数，并且曲线32说明了针对天线面14的S参数。Y轴以dB为单位示出天线的反向散射，而X轴示出相应反向散射所应用的频率。曲线31、32的最小值因此表示发生最小的反射进而发生最大的功率辐射的频率。如在图4中清楚可见的那样，两个天线面13、14良好地适于在5.9GHz的相关频率的范围中辐射功率。
曲线33示出了在通过天线面13、14形成的天线之间的串扰的S参数。在此，如图4所示，由于天线的所使用的不同的极化，在宽的频率范围上实现了低串扰并且因此实现了良好的信号分离。因此，即使在同时使用天线的情况下，借助图3中示出的堆叠的贴片天线10的非常简单的结构就已经实现良好的发射和接收性能。通过修改所示的堆叠的贴片天线10，在所描述的主题的进一步的改进方案的范围内可以进一步改善特性。
图5示出了通过天线面13构成的天线的辐射特性，图6也示出了通过天线面14构成的天线的辐射特性。在此，曲线34、35分别与角度相关地示出以dB为单位的辐射的功率。如在图5和6中可明确看出的，所形成的两个天线具有显著的方向特性，其中，主波瓣的辐射方向彼此偏转大约20°至30°。因此，在堆叠的贴片天线10中也实现了良好的方向特性。方向特性可以根据需要通过修改在图3中示出的布置来进一步优化。用于贴片天线的优化过程典型地通过重复地修改和模拟所使用的天线结构来执行。相应的方案原则上是已知的并且不再详细阐述。
通过所描述的天线模块或天线模块的设计方案，在狭窄的结构空间上提供多个天线，这些天线可共同地在相同的频率范围中例如拥有接收侧的MIMO应用或用于全双工运行，由此节省用于额外单独的辐射器的结构空间，由此又可以降低机动车的重量和成本。通过使用两个相应的天线模块，例如可以实现对C-2VX应用的3GPP倡议(3rd GenerationPartnership Project(第三代合作伙伴计划))的要求。

Claims (8)

1.一种具有天线模块(2、3)的机动车，所述天线模块包括堆叠的贴片天线(10)，所述贴片天线具有两个彼此并行布置的并且通过电介质(15)彼此分离的天线面(13、14)，其中，所述天线面(13、14)分别如此形成天线，使得所形成的天线具有彼此不同的极化，
其特征在于，
所述天线模块(2、3)包括用于所述天线面(13、14)中的每个天线面的相应的天线电子装置(11、12)，其中，一方面，所述机动车(1)包括控制装置(7)，所述控制装置设置用于，在全双工运行模式中同时操控所述天线电子装置(11、12)中的一个天线电子装置以用于发射发射信号并且通过所述天线电子装置(11、12)中的另一个天线电子装置接收接收信号，和/或另一方面，所述天线电子装置(11、12)中的至少一个天线电子装置在第一运行模式中操控所配属的天线面(13、14)以用于发射发射信号，并且在第二运行模式中由这个天线面接收接收信号。
2.根据权利要求1所述的机动车，其特征在于，所述天线模块(2)集成到机动车(1)的内后视镜(5)的镜座(4)中，或者所述天线模块(3)是布置在车顶(28)上的车顶天线模块。
3.根据权利要求1或2所述的机动车，其特征在于，所述天线模块(2、3)具有的底面位于边长小于70mm的正方形内部，和/或所述天线模块具有小于20mm的结构高度。
4.根据前述权利要求之一的机动车，其特征在于，所述天线面(13、14)中的至少一个的天线电子装置(11)包括用于补偿在所述天线电子装置(11)和所述车辆侧的控制装置(7)之间的线路损耗的设备(24)。
5.根据前述权利要求之一的机动车，其特征在于，所述天线电子装置(11、12)分别包括至少一个信号放大器(21-23)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机动车辆，其特征在于，所述控制装置(7)被设置用于在接收运行模式中通过两个天线电子装置(11、12)接收接收信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机动车辆，其特征在于，在所述天线面(13、14)之一附近布置有另外的电介质(30)，所述另外的电介质将所述天线面(14)与导电的参考面(16)分开。
8.根据权利要求7所述的汽车，其特征在于，电介质(15)和另外的电介质(30)具有彼此不同的相对介电常数和/或所述天线面(13、14)的边长在至少一个方向上彼此不同。
CN202011316398.1A 2019-11-21 2020-11-20 具有天线模块的机动车 Active CN112825384B (zh)

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