CN114258613A - 具有嵌入的毫米波天线的车顶天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的车顶天线(10)，该车顶天线包括基体(11)、覆盖装置(12)和电路板(PCB层级)(13)，其中，基体(11)是金属的，其中，至少一个毫米波天线(14)布置在金属的基体(11)和电路板(13)之间。

Description

具有嵌入的毫米波天线的车顶天线
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的车顶天线，该车顶天线包括基体、覆盖装置和电路板(PCB层级)。
背景技术
在未来，新的5G标准应该能够实现更快的数据传输，例如在移动通信网中。目前使用直至5GHz的频率。但是，随着频率的升高，波长的工作范围会缩小。然而更高的频率范围具有下述优点，即，提供了快速数据传输所需的更大的带宽。数据传输速率为10或20Gbit的5GHz网络例如仅能在100MHz的频带时实现。然而，这样的频率范围需要密集的天线杆网络。
利用毫米波技术(Millimeterwellen-Technologie)可以实现直至400MHz的带宽并且下行链路-传输速率>2Gbps。在5G移动通信标准中的毫米波技术最适合用于例如在市中心实现良好的覆盖。对于电磁波来说，自由空间衰减与1/f2成比例，即在毫米波频率范围(28GHz/39GHz)中信号明显更强地衰减。
例如，在30GHz时的信号与在3GHz时的信号相比被更强地衰减了20dB(100倍)。在发射器和接收器之间的信号衰减降低了接收器输入端处的接收电平并且相应地降低了数据传输速率。
在现有技术中已知天线模块。
因此，由文献DE 10 2009 038 150 B4已知具有多个天线元件的可扩展的多频带-天线模块，多个天线元件布置在金属的或非导电的模腔之内。
由文献DE 10 330 087 B3已知一种用于车辆的多功能天线，其包括至少四个天线，其中，第一天线被设置为用于接收卫星信号，另一个天线被设置为用于接收陆地信号，另一个天线被设置为用于移动通信范围，并且另一个天线被设置为用于查明地理位置。
由文献DE 10 2006 025 176 B4已知一种用于车辆的天线模块，该天线模块包括在车辆外部空间处布置在第一支承板上的具有多个天线的天线装置。
由文献DE 10 2009 051 605 A1已知一种用于车辆的高度集成的多频带鳍状天线。
由文献DE 10 2016 006 975 B3已知一种用于机动车的天线布置，其包括在机动车的外板中的缝隙天线。天线布置包括具有罩或壳体、由金属制成的底部和在壳体中或其间的控制电路或电路板的车顶天线模块。在此，底部在支柱区域A中接触车顶。除了壳体中的天线之外，还描述了在车顶的外板中的缝隙天线，该缝隙天线由控制电路来操控并且照亮乘客内舱、如周围环境。
由文献EP 1 863 119 A1已知一种用于车辆的天线模块，其具有上部、下部以及天线。天线模块在车顶上具有形式为鳍的外部壳体，其具有由金属制成的基板和固定在其上的外部电路板以及位于其上的天线。此外，天线模块具有内部壳体，其具有电路板和布置在其下内方的内部天线。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高频的天线装置，其被设计为用于，补偿自由空间衰减，并且同时具有较小的结构空间需求。
本发明提供了用于车辆的车顶天线，该车顶天线包括基体、覆盖装置和电路板。通常，基体被设置为用于电路板的支座。覆盖装置通常被设计为天线罩，其覆盖电路板。覆盖装置封闭车顶天线并且保护其免受外部影响。覆盖装置通常被设置为用于，利用基体或者利用车辆的顶面封闭。
根据本发明，基体是金属的，其中，至少一个毫米波天线(毫米波频谱天线)布置在金属的基体和电路板之间。在此，术语“毫米波天线”代表毫米波频谱天线。此外，这种类型的天线适用于在低于6Ghz的频率范围内的5G-使用。将毫米波天线放置在车顶天线中在此提供了很大的优点，即，毫米波天线具有围绕汽车(蓝牙、LTE、电话、辅助采暖装置)以及在天空中(卫星服务)的不受干扰的视野。通过将毫米波天线布置在金属的基体和电路板之间，此外在电路板与用于放置毫米波天线的覆盖装置之间不需要结构空间。通过将毫米波天线放置在基体与电路板之间，毫米波天线不直接布置在有损耗的电路板-PCB-衬底上，由此未损害毫米波天线的效率。
在一种改进方案中，至少一个毫米波天线以集成的方式构造在金属的基体中。可选地，基体具有在基体上构造在中心的基面，其中，至少一个毫米波天线以集成的方式构造在基体的基面中。基面通常构造为基体的凸起。在此，基面可以成型为椭圆形、圆形或多角形。通过将毫米波天线一体地布置在金属的基体中，不需要用于放置毫米波天线的附加的物理结构空间。因此通过将毫米波天线放置在基体中可以节省重量和成本。另一个优点在于，通过放置毫米波天线可以实现毫米波天线与电路板的非常好的电去耦。
在一种设计方案中，金属的基体构造为锌压铸体。基体由锌制成的设计方案提供了下述优点，即，锌是非磁性的。可选地，金属的基体由另一种特别是非磁性的能导电的材料、特别是金属构成。
在一种改进方案中，至少两个毫米波天线布置在基体中。为了借助于毫米波天线使用5G标准，至少两个、特别是至少三个毫米波天线以集成的方式布置在车顶天线中、特别是在基体中。在此，毫米波天线通常沿行驶方向布置在车顶天线的基体中。替代地，毫米波天线横向于行驶方向布置在车顶天线的基体中。在另一种替代的设计方案中，第一毫米波天线沿行驶方向布置，第二毫米波天线横向于行驶方向或横向于第一毫米波天线布置。
在另一种改进方案中，所述至少两个毫米波天线以彼此分离的方式布置在基体中。通常，至少一个毫米波天线布置在基体的一侧上，而另一个毫米波天线布置在基体的对置侧上。毫米波天线通常具有不同的设计方案，特别是毫米波天线通常被设计为用于不同的频率范围。在车顶天线的基体中的第一毫米波天线和第二毫米波天线之间的距离通常在25mm至30mm之间，特别是在28mm至29mm之间。
在一种设计方案中，毫米波天线构造为缝隙天线/槽孔天线。缝隙天线的应用提供了下述优点，即，缝隙天线特别是被设置为用于高频。此外，缝隙天线被设置为用于，将高频的交流电和电磁波相互转换，从而缝隙天线用于发射和接收。通过将至少一个毫米波天线集成到基体中，车顶天线的制造费用仅限于锌压铸体加工与一个或多个缝隙天线的耦合。
在根据本发明的改进方案中，第一缝隙天线被设计为用于28Ghz的频率，第二缝隙天线被设计为用于39Ghz的频率。这通常相应于高于USA的6GHz的高频带。在使用高于6GHz的高频时，例如不同的频带可用于5G移动通信标准。可选地，缝隙天线被设置为用于4GHz至50GHz、特别是6GHz至40Ghz的频率，其中，通过调整波导管尺寸(高度和宽度)可以调节截止频率。可选地，两个天线可在相同的频率范围内运行。这提供了下述优点，即，可以获得更好的全向特性。例如，两个天线可选地被设置为用于28GHz的频率范围。
在一种替代的设计方案中，第一缝隙天线被设计为用于34GHz的频率，第二缝隙天线被设计为用于38GHz的频率。这通常相应于欧洲的频带。在另一种替代的设计方案中，第一缝隙天线被设计为用于25GHz的频率，第二缝隙天线被设计为用于28GHz的频率。在另一种替代的设计方案中，第一缝隙天线被设计为用于31GHz的频率，第二天线被设计为用于33GHz的频率。
在另一种改进方案中，缝隙天线构造为具有至少一个缝隙的波导管，其中，波导管能分别与毫米波天线的毫米波信号(Millimeterwellen-Signal)耦合，其中，缝隙天线的缝隙中的至少一个缝隙能通过毫米波信号来激励以进行辐射。通常，低频的波导管被设计为大于较高频率的波导管。
在一种设计方案中，波导管被设置为用于，能与同轴电缆或微波传输带耦合。通过波导管与毫米波天线之一的毫米波信号耦合，缝隙被激励以进行辐射。
在一种改进方案中，缝隙天线的至少两个缝隙能组合成缝隙阵列。通过将至少两个缝隙组合成缝隙阵列，车顶天线是可扩展的。因此，通过使用缝隙阵列能实现可扩展的天线方案。将多个单独的缝隙辐射器联接成缝隙阵列提高了天线增益(天线的方向性和效率)。
附图说明
根据实施方式在附图中示意性示出并且参照附图详细描述本发明，其中，相同的部件用相同的附图标记来标注。其中：
图1示出具有根据本发明的基体的设计方案的根据本发明的车顶天线的实施方式的侧视图，
图2a示出在图1中示出的基体的俯视图，
图2b示出在图1和图2a中示出的基体的透视俯视图，
图3a示出28Ghz毫米波天线的适配和方向特性的曲线图表，
图3b示出39Ghz毫米波天线的适配和方向特性的曲线图表，
图4a示出28Ghz毫米波天线的适配和方向特性的仿真，
图4b示出39Ghz毫米波天线的适配和方向特性的仿真，
图5示出缝隙天线与同轴电缆的耦合，
图6示出具有两个缝隙阵列的根据本发明的基体的实施方式的俯视图，
图7示出缝隙阵列的方向特性的仿真。
具体实施方式
图1示出具有根据本发明的基体11的根据本发明的车顶天线10的实施方式的侧视图。车顶天线10布置在未示出的车辆的顶面20上。车顶天线10由基体11、平放在基体上的电路板13和覆盖装置12构成。覆盖装置12在此被设置为用于，接纳并且相对于顶面20封闭电路板13和基体11。电路板13构造在基体11和覆盖装置12之间。
图2a示出图1中示出的基体11的俯视图。基体11构造为锌压铸体。在图2a中，基体11具有基面19，其中，两个毫米波天线14(毫米波频谱天线)以集成的方式布置在基体11的基面19中。两个毫米波天线14a和14b彼此分离地布置，其中，毫米波天线14集成到基体11中。毫米波天线14a、14b构造为缝隙天线15a、15b并且在本实施方式中分别具有缝隙17。缝隙17被构造为用于辐射。毫米波天线14a、14b沿行驶方向延伸。替代地，毫米波天线14a、14b还可以横向于行驶方向布置。
在本实施方式中，第一毫米波天线14a被设计为用于28GHz的频率范围，而第二毫米波天线14b被设计为用于39GHz的频率范围。第一毫米波天线14a和第二毫米波天线14b构造为缝隙天线15a、15b，其中，缝隙天线15a、15b分别构造为波导管16。
图2b示出在图1和图2a中示出的基体11的透视俯视图。两个构造为缝隙天线15a、15b的毫米波天线14a、14b被突出。缝隙天线15a构造为波导管16，其中，波导管16在本实施方式中构造为矩形的。用于28GHz的频率范围的第一缝隙天线15a的波导管16在外部的高度为5mm并且在内部的高度为4mm。因此，第一缝隙天线15a的波导管16在高度上相应地具有0.5mm的壁厚度。第一缝隙天线15a的波导管16在外部的宽度为8mm并且在内部的宽度为7mm。因此，第一缝隙天线15a的波导管16在宽度上相应地具有0.5mm的壁厚度。
用于频率范围39GHz的第二缝隙天线15b的波导管16的外部高度为3.30mm并且内部高度为2.30mm。因此，第二缝隙天线15b的波导管16在高度上相应地具有0.5mm的壁厚度。第二缝隙天线15b的波导管16在外部的宽度为5.20mm并且在内部的宽度为4.20mm。因此，第二缝隙天线15b的波导管16在宽度上相应地具有0.5mm的壁厚度。各个波导管16的尺寸可以改变，同样如各个壁厚度可以改变。
图3a示出28Ghz毫米波天线的适配和方向特性的曲线图表。示出，在频率为28Ghz时存在-14db的幅度。
图3b示出39Ghz毫米波天线的适配和方向特性的曲线图表。示出，在频率为39Ghz时存在-90db的幅度。
图4a示出28Ghz毫米波天线的适配和方向特性的仿真。示出具有基面19的基体11，以及通过缝隙天线的未示出的缝隙发射出的毫米波信号的射出的三维仿真。该仿真示出以dBi表示的毫米波信号的不同强度，该强度根据点云以图形的方式示出。与相应的点云相关的dBi值在图例中给出。
图4b示出39Ghz毫米波天线的适配和方向特性的仿真。示出具有基面19的基体11，以及通过缝隙天线的未示出的缝隙发射出的毫米波信号的射出的三维仿真。该仿真示出以dBi表示的毫米波信号的不同强度，该强度根据点云以图形的方式示出。与相应的点云相关的dBi值在图例中给出。
图5示出构造为波导管16的缝隙阵列21与同轴电缆18的耦合。在此，波导管16相应于前述的在图2a和图2b中示出的波导管16的实施方式构造。
缝隙阵列21在本实施方式中具有至少四个彼此错开地构造在波导管16中的缝隙17。示出，同轴电缆18通过矩形地构造的波导管16的下侧与缝隙阵列21连接或耦合。通过波导管16与毫米波信号(Millimeterwellen-Signal)耦合，缝隙17被激励以进行辐射。
图6示出具有两个缝隙阵列21的根据本发明的基体11的实施方式的俯视图。在本实施方式中，两个缝隙阵列21彼此分离地布置或以集成的方式构造在基体中、特别是基体11的基面19中。在此，缝隙阵列21分别具有50mm的长度以及至少五个缝隙17，其彼此错开地布置成两行。缝隙阵列21以彼此间隔开至少28.50mm的方式构造在基面19中。缝隙阵列21的布置的这种实施方式不仅适用于频率为28GHz的缝隙天线，而且适用于频率为39Ghz的缝隙天线。
图7示出缝隙阵列21的方向特性的两个仿真。在图7中，在每个所述仿真中分别示出具有基面19的基体11。通过缝隙发射的毫米波信号分别从缝隙阵列21开始延伸。仿真以dBi显示出毫米波信号的不同强度，其根据点云以图形的方式示出。与点云相关的dBi值在相应的图例中给出。
附图标记列表：
10 车顶天线
11 基体
12 覆盖装置
13 电路板
14 毫米波天线
14a、14b 第一和第二毫米波天线
15a、15b 第一和第二缝隙天线
16 波导管
17 缝隙
18 同轴电缆
19 基体的基面
20 顶面
21 缝隙阵列

Claims (10)

1.一种用于车辆的车顶天线(10)，该车顶天线包括基体(11)、覆盖装置(12)和电路板(13)，
其特征在于，
所述基体(11)是金属的，其中，至少一个毫米波天线(14)(毫米波频谱天线)布置在金属的基体(11)和电路板(13)之间。
2.根据权利要求1所述的车顶天线(10)，其特征在于，所述至少一个毫米波天线(14)以集成的方式构造在金属的基体(11)中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的车顶天线(10)，其特征在于，金属的基体(11)构造为锌压铸体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的车顶天线(10)，其特征在于，至少两个毫米波天线(14a、14b)以集成的方式布置在基体(11)中。
5.根据权利要求4所述的车顶天线(10)，其特征在于，所述至少两个毫米波天线(14a、14b)以彼此分离的方式布置在基体(11)中。
6.根据权利要求4或5所述的车顶天线(10)，其特征在于，毫米波天线(14a、14b)构造为缝隙天线(15a、15b)。
7.根据权利要求6所述的车顶天线(10)，其特征在于，第一缝隙天线(15a)被设计为用于28Ghz的频率，第二缝隙天线(15b)被设计为用于39Ghz的频率。
8.根据权利要求6或7所述的车顶天线(10)，其特征在于，缝隙天线(15a、15b)构造为具有至少一个缝隙(17)的波导管(16)，其中，波导管(16)能分别与毫米波天线(14)的毫米波信号(Millimeterwellen-Signal)耦合，其中，缝隙天线(15a、15b)的缝隙(17)中的至少一个缝隙能通过毫米波信号来激励以进行辐射。
9.根据权利要求8所述的车顶天线(10)，其特征在于，波导管(16)被设置为用于，能与同轴电缆(18)或微波传输带耦合。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的车顶天线(10)，其特征在于，至少两个缝隙(17)或缝隙天线(15a、15b)能组合成缝隙阵列。
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