-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
-
Diese Anwendung beansprucht die Priorität der provisorischen Patentanmeldung mit der Seriennummer Nr.
62/295,845 mit dem Titel „Eingebetteter koplanarer Breitbandglas-Wellenleiterkoppler“, eingereicht am 16. Februar 2016.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen elektromagnetischen Koppler zum Koppeln von Antennensignalen gemäß Anspruch 1.
-
Erörterung des Stands der Technik
-
Moderne Fahrzeuge verwenden verschiedene und viele Arten von Antennen, um Signale für verschiedene Kommunikationssysteme zu empfangen und zu übertragen, wie z. B. terrestrisches Radio (AM/FM), Mobiltelefon, Satellitenradio, Dedicated Short Range Communications (DSRC), globale Kommunikations-Satellitensysteme (GNSS) usw. Außerdem wird das Mobiltelefon zur 4G Long Term Evolution (LTE) erweitert, das zwei Antennen erfordert, um einen Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Betrieb bereitzustellen. Die Antennen, die für diese Systeme verwendet werden, sind oft auf dem Dach des Fahrzeugs montiert, um eine maximale Empfangskapazität bereitzustellen. Weiter sind viele dieser Antennen oft in eine gemeinsame Struktur und ein gemeinsames Gehäuse integriert, die auf dem Dach des Fahrzeugs montiert sind, wie z. B. ein auf dem Dach montiertes „Haifischflossen“-Antennenmodul. Da die Anzahl der Antennen auf einem Fahrzeug zunimmt, erhöht sich auch die Größe der Strukturen, die erforderlich sind, um alle Antennen auf eine effiziente Weise aufzunehmen und eine maximale Aufnahmekapazität bereitzustellen, wodurch das Design und das Styling des Fahrzeugs beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund suchen Fahrzeugingenieure und -designer nach geeigneten Bereichen auf dem Fahrzeug, um Antennen anzubringen, die das Design und die Struktur des Fahrzeugs nicht beeinträchtigen. Die
US 5 278 572 A offenbart eine Antennenkopplungsschaltung mit kapazitiver Kopplung.
-
Einer dieser Bereiche ist das Fahrzeugglas wie z. B. die Windschutzscheibe des Fahrzeugs, das Vorteile bietet, da Glas ein gutes dielektrisches Substrat für eine Antenne darstellt. Zum Beispiel ist im Stand der Technik bekannt, AM- und FM-Antennen auf das Glas eines Fahrzeugs zu drucken, wobei die gedruckten Antennen zusammen mit dem Glas als ein einziges Teil hergestellt werden. Jedoch sind diese bekannten Systeme im Allgemeinen dadurch beschränkt, dass sie in der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs oder einer anderen Glasfläche nur in Bereichen angebracht werden kann, in denen die Sicht durch das Glas nicht erforderlich ist.
-
Aufgrund der Korrosion, der Abnutzung und anderer Faktoren ist es wünschenswert, eine Antenne zwischen den zwei Glasschichten in einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs zu positionieren, wodurch eine elektrische Vorrichtung erforderlich ist, um zu ermöglichen, dass Signale, die von der Antenne übertragen werden, an die Vorrichtung gekoppelt und Signale, die von der Antenne empfangen werden, aus den Glasschichten an eine Empfangsschaltung und bei dem relevanten Frequenzband gekoppelt werden können.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung offenbart und beschreibt einen elektromagnetischen Koppler, der Antennensignale für eine Breitbandantenne koppelt, die zwischen Glasschichten der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs positioniert sind. Der Koppler umfasst einen ersten koplanaren Wellenleiter (CPW), der auf einer Seite einer Glasschicht gebildet ist, und einen zweiten CPW, der auf der anderen Seite der Glasschicht gebildet ist, wobei der erste und der zweite CPW Spiegel- oder Beinahe-Spiegel- und um 180° gedrehte Bilder voneinander sind. Sowohl der erste als auch der zweite CPW umfassen eine leitende Ebene, in der entfernte Abschnitte der Ebene einen breiten CPW-Abschnitt und einen engen CPW-Abschnitt definieren, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei die verbleibenden Abschnitte der leitenden Ebene geerdete Ebenen sind, und wobei die elektromagnetischen Signale durch die Glasschicht zwischen den breiten CPW-Abschnitten gekoppelt sind.
-
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich,
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine vordere Ansicht eines Fahrzeugs, das eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs zeigt;
- 2 ist eine hintere Ansicht eines Fahrzeugs, das eine Heckscheibe eines Fahrzeugs zeigt;
- 3 ist ein Blockdiagramm eines Antennensystems;
- 4 ist eine vordere Ansicht der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, das einen elektromagnetischen Niederband-Koppler zeigt;
- 5 ist eine isometrische Ansicht des elektromagnetischen Kopplers, gezeigt in 4;
- 6 ist eine vordere Ansicht der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, das einen elektromagnetischen Hochband-Koppler zeigt; und
- 7 ist eine isometrische Ansicht des elektromagnetischen Kopplers, gezeigt in 6.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die folgende Erörterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die sich auf einen elektromagnetischen Koppler beziehen, um Antennensignale an eine und von einer Antenne zwischen Glasscheiben eines Fahrzeugglases zu koppeln ist lediglich exemplarischer Art und in keiner Weise dazu beabsichtigt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Zum Beispiel spricht die Erörterung hier davon, dass die Antenne anwendbar ist, um auf Fahrzeugglas gehaftet zu werden. Jedoch kann, wie für Fachleute zu erkennen ist, die Antenne auf andere dielektrische Strukturen außer Fahrzeugstrukturen angewendet werden.
-
Wie unten in Einzelheiten erörtert wird, schlägt die vorliegende Erfindung einen elektromagnetischen Koppler vor, der Antennensignale von oder zu einer Antenne koppelt, die zwischen zwei Glasscheiben z. B. der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs gebildet sind. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel koppelt ein erster Koppler Signale im oberen Ende des LTE-Frequenzbands, d. h. 1,7 - 2,6 GHz, und ein zweiter Koppler koppelt Signale im unteren Ende des LTE-Frequenzbands, d. h. 0,7 - 1,0 GHz, einem GPS-Frequenzband, d. h. 1575 GHz, und einem GNSS-Frequenzband, d. h. 1,6 GHz. In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Koppler Kopplungsabschnitte, die auf dem Umfang der Windschutzscheibe positioniert sind, wobei die Breite jedes Kopplungsabschnitts minimiert ist, um den sichtbaren Bereich des Kopplers zu reduzieren. Um die Sichtbarkeit des Kopplers weiter zu reduzieren, können die Leiter im Koppler aus einem transparenten leitenden Material hergestellt sein. In weiteren Ausführungsbeispielen, die hier möglicherweise nicht spezifisch gezeigt werden, wird der Entwurf der Abmessungen und/oder der eingebetteten induktiven und kapazitativen Elemente des Kopplers modifiziert, um die elektromagnetische Kopplung in anderen Frequenzbändern zu optimieren.
-
Außerdem gilt, da der Fokus für den offenbarten Koppler auf mehrschichtigen Glasstrukturen liegt, die vorliegende Erfindung auch für nicht transparente Substrate wie z. B. mehrschichtige Kunststoffflächen, bei denen die Leiter der Antennenstruktur, darin eingeschlossen die Zufuhrstruktur aufgrund der mehrschichtigen Einheit möglicherweise nicht leicht zugänglich sind. Zum Beispiel können in einigen Kunststoffeinheiten innere Flächen vorhanden sein, die nicht leicht zugänglich sind. Die Kopplungsstrukturen, die hier erörtert werden, können verwendet werden, um eine elektromagnetische Kopplung zwischen den mehrschichtigen Strukturen bereitzustellen.
-
1 ist eine vordere Ansicht eines Fahrzeugs 10, darin eingeschlossen einen Fahrzeugkörper 12, ein Dach 14 und eine Windschutzscheibe 16, und 2 ist eine hintere Ansicht des Fahrzeugs 10, das eine Heckscheibe 18 zeigt.
-
3 ist eine Veranschaulichung eines Antennensystems 20, darin eingeschlossen die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs 22, wobei die Windschutzscheibe 22 eine äußere Glasschicht, eine innere Glasschicht und eine PVB-Schicht dazwischen der Art umfasst, die den Fachleuten gut bekannt ist. Das Antennensystem 20 umfasst auch eine erste Antenne 24 und eine zweite Antenne 26, die Teil einer 4G MIMO-Zellantenneneinheit sein kann, wobei die Antenne 24 im oberen Ende des LTE-Frequenzbands, d. h. 1,7 - 2,6 GHz, und die Antenne 26 im unteren Ende des LTE-Frequenzbands, d. h. 0,7 - 1,0 GHz, arbeiten kann. Die Antennen 24 und 26 sind auf einer inneren Fläche eines der inneren oder äußeren Glasschichten bereitgestellt, oder auf einer der Flächen der PVB-Schicht, so dass sie in der Windschutzscheibe 22 eingekapselt sind, wo eine direkte Zufuhrlinie zu den Antennen 26 und 26 nicht möglich ist.
-
Wie unten in Einzelheiten erörtert wird, schlägt die vorliegende Erfindung die Bereitstellung einer elektromagnetischen Kopplung durch die innere oder äußere Glasschicht unter Verwendung eines Kopplers vor, der einen Abschnitt aufweist, der auf einer äußeren Fläche der inneren oder äußeren Glasschicht und vorzugsweise der äußeren Fläche der inneren Glasschicht bereitgestellt ist. Im System 20 ist ein elektromagnetischer Koppler 28 für die Antenne 24 bereitgestellt, und ein elektromagnetischer Koppler 30 ist für die Antenne 26 für diesen Zweck bereitgestellt. Ein Sender-Empfänger 34, bereitgestellt irgendwo auf dem Fahrzeug 10, stellt durch einen Diplexer 32 auf eine Weise, die von den Fachleuten gut verstanden wird, Signale an die Antennen 24 und 26 bereit oder empfängt sie davon.
-
4 ist eine vordere Ansicht und 5 ist eine isometrische Ansicht eines Abschnitts einer Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, darin eingeschlossen eine äußere Glasscheibe 42, eine innere Glasscheibe 44 und eine PVB-Schicht 46, die dazwischen eingeschoben ist. In diesem nicht begrenzenden Ausführungsbeispiel wird die Antenne (nicht gezeigt in 4 und 5), wie z. B. die Antenne 26, auf einer inneren Fläche der inneren Scheibe 44 bereitgestellt, so dass sie sich zwischen der Scheibe 44 und der PVB-Schicht 46 befindet. Jedoch erfolgt dies auf Art eines nicht begrenzenden Beispiels, in dem die Antenne auf jeder der inneren Flächen zwischen den Scheiben 44 und 42 konfiguriert sein kann, darin eingeschlossen die innere Fläche der Scheibe 44, eine Seite der PVB-Schicht 46, die andere Seite der PVB-Schicht 46, und die innere Fläche der Scheibe 42. Da die Antenne an einer Position konfiguriert ist, an der eine Zufuhrleitung nicht direkt damit verbunden werden kann, verwendet die vorliegende Erfindung eine elektromagnetische Kopplung der Antennensignale durch die Glasscheibe 44.
-
Um die elektromagnetische Kopplung bereitzustellen, umfasst die Windschutzscheibe 40 einen elektromagnetischen Koppler 50 mit einem ersten koplanaren Wellenleiter (CPW) 52, der auf der inneren Fläche der inneren Glasscheibe 44 gebildet ist, und einen zweiten CPW 70, der auf der äußeren Fläche der inneren Glasscheibe 44 gebildet ist, wobei die CPW 52 und 70 Spiegel- oder Beinahe-Spiegel- und um 180° gedrehte Bilder voneinander sind, wie gezeigt. Der CPW 52 umfasst eine leitende Ebene 54, einen engen CPW-Abschnitt 56, definiert durch die Zwischenräume 58 und 60, wobei Metall aus der Ebene 54 entfernt wurde, und einen breiten CPW-Abschnitt 62, definiert durch einen Zwischenraum 64, wobei Metall aus der Ebene 54 entfernt wurde. Diese Bereiche der leitenden Ebene 54 außerhalb der Abschnitte 56 und 62 sind geerdete Abschnitte der CPW 52. Der CPW 70 umfasst eine leitende Ebene 74, einen engen CPW-Abschnitt 76, definiert durch die Zwischenräume 78 und 80, wobei Metall aus der Ebene 74 entfernt wurde, und einen breiten CPW-Abschnitt 82, definiert durch einen Zwischenraum 84, wobei Metall aus der Ebene 74 entfernt wurde. Diese Bereiche der leitenden Ebene 74 außerhalb der Abschnitte 76 und 82 sind geerdete Abschnitte CPW 70. Die elektromagnetische Kopplung zwischen dem CPW 52 und dem CPW 70 erfolgt durch die Glasscheibe 44 zwischen den breiten CPW-Abschnitten 62 und 82.
-
Die breiten CPW-Abschnitte 62 und 82 gehen in die engen CPW-Abschnitte 56 bzw. 76 durch einen Übergangsbereich über, wobei die Breite der engen CPW-Abschnitte 56 und 76 gleich wie die Breite der Zwischenräume 64 bzw. 84 ist, um eine geeignete Impedanzanpassung bereitzustellen. Die genaue(n) Abmessungen und Positionierung der überlappenden breiten CPW-Abschnitte 62 und 82 und die entsprechenden Übergänge sind optimiert, um den Einführungsverlust über der Betriebsbandbreite zu minimieren, während gleichzeitig die Länge des Kopplers 50 minimiert wird. Die engen CPW-Abschnitte 56 und 76 meandern durch die leitenden Ebenen 54 und 74 und drehen sich schließlich 90° mit Bezug auf ihre ursprüngliche Ausrichtung, wie gezeigt. Die Breite der breiten CPW-Abschnitte 62 und 82 ist größer als ihre Länge, und die gesamte Breite der engen CPW-Abschnitte 56 und 76 kann aufgrund der größeren Feldbeschränkung sehr viel geringer als die Breite der breiten Abschnitte 62 und 82 gemacht werden, und somit ermöglicht die Drehung um 90°, dass die Gesamtbreite des Kopplers 50 reduziert ist. Die Breite der geerdeten Abschnitte sowohl für die engen CPW-Abschnitte 56 und 76 als auch für die breiten CPW-Abschnitte 62 und 82 ist eingestellt, um ungefähr die Breite dieser Abschnitte zu sein.
-
Der enge CPW-Abschnitt 76 kann direkt mit einem 50 Ω Koaxialkabel (nicht gezeigt) verbunden sein, das dann mit dem Diplexer 32 verbunden wird. Der enge CPW-Abschnitt 56 kann mit einer CPW-beschickten Antenne innerhalb der Windschutzscheibe 40 verbunden sein. Es wird angemerkt, dass, um den sichtbaren Bereich der Windschutzscheibe 44 zu erhöhen, der CPW 52, der CPW 70 und/oder die Antenne aus einem transparenten Leiter hergestellt sein können. Geeignete transparente Leiter umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Indiumzinnoxid (ITO), Silbernanodraht, Zinkoxid (ZnO) usw. Es wird weiter angemerkt, dass, um den sichtbaren Bereich der Windschutzscheibe 44 zu erhöhen, die Antennen und alle oder einige der Abschnitte der CPWs 52 und 70 Metallgitter sein können.
-
Es wird beabsichtigt, dass der Koppler 50 in einem Ausführungsbeispiel im Frequenzbereich von 0,5 - 1,6 GHz arbeitet. Um diesen Betriebsfrequenzbereich bereitzustellen, werden die Abmessungen a - 1, gezeigt in
4, in Tabelle 1 unten identifiziert. TABELLE 1
| a | 0,5 mm |
| b | 2,72 mm |
| c | 15,944 mm |
| d | 24,58 mm |
| e | 48,229 mm |
| f | 8,72 mm |
| g | 2 mm |
| h | 3,048 mm |
| I | 24 mm |
| j | 37,72 mm |
| k | 11,72 mm |
| l | 97,186 mm |
-
6 ist eine vordere Ansicht und 7 ist eine isometrische Ansicht eines Abschnitts einer Windschutzscheibe 100 eines Fahrzeugs, darin eingeschlossen eine äußere Glasscheibe 102, eine innere Glasscheibe 104 und eine PVB-Schicht 106, die dazwischen eingeschoben ist. In diesem nicht begrenzenden Ausführungsbeispiel ist die Antenne (nicht gezeigt in 6 und 7) wie z. B. die Antenne 24, auf einer inneren Fläche der inneren Scheibe 104 bereitgestellt, so dass sie sich zwischen der Scheibe 104 und der PVB-Schicht 106 befindet. Jedoch erfolgt dies mit Hilfe eines nicht begrenzenden Beispiels, in dem die Antenne auf jeder der inneren Flächen zwischen den Scheiben 104 und 102 konfiguriert sein kann, darin eingeschlossen die inneren Flächen der Scheibe 104, eine Seite der PVB-Schicht 106, die andere Seite der PVB-Schicht 106, und die innere Fläche der Scheibe 102. Da die Antenne an einer Position konfiguriert ist, an der eine Zufuhrleitung nicht direkt damit verbunden werden kann, verwendet die vorliegende Erfindung eine elektromagnetische Kopplung der Antennensignale durch die Glasscheibe 104.
-
Um eine elektromagnetische Kopplung bereitzustellen, umfasst die Windschutzscheibe 100 einen elektromagnetischen Koppler 110, mit einem ersten CPW 112, der auf der inneren Fläche der inneren Glasscheibe 104 gebildet ist, und einen zweiten CPW 130, der auf der äußeren Fläche der inneren Glasscheibe 104 gebildet ist, wobei die CPWs 112 und 130 Spiegel- oder Beinahe-Spiegel- und um 180° gedrehte Bilder voneinander sind, wie gezeigt. Der CPW 112 umfasst eine leitende Ebene 114, einen engen CPW-Abschnitt 116, definiert durch die Zwischenräume 118 und 120, wobei Metall aus der Ebene 114 entfernt wurde, und einen breiten CPW-Abschnitt 122, definiert durch einen Zwischenraum 124, wobei Metall aus der Ebene 114 entfernt wurde. Diese Bereiche der leitenden Ebene 114 außerhalb der Abschnitte 116 und 122 sind geerdete Abschnitte CPW 112. Der CPW 130 umfasst eine leitende Ebene 132, einen engen CPW-Abschnitt 134, definiert durch die Zwischenräume 136 und 138, wobei Metall aus der Ebene 132 entfernt wurde, und einen breiten CPW-Abschnitt 140, definiert durch einen Zwischenraum 142, wobei Metall aus der Ebene 132 entfernt wurde. Diese Bereiche der leitenden Ebene 132 außerhalb der Abschnitte 134 und 140 sind geerdete Abschnitte der CPW 130. Die elektromagnetische Kopplung zwischen der CPW 112 und der CPW 130 erfolgt durch die Glasscheibe 104 zwischen den breiten CPW-Abschnitten 122 und 140.
-
Die breiten CPW-Abschnitte 122 und 140 gehen in die engen CPW-Abschnitte 116 bzw. 134 durch einen Übergangsbereich über, wobei die Breite der engen CPW-Abschnitte 116 und 134 gleich wie die Breite der Zwischenräume 124 bzw. 142 ist, um eine geeignete Impedanzanpassung bereitzustellen. Ein interdigitaler Kondensator 126 ist in den breiten CPW-Abschnitt 122 geätzt, und ein interdigitaler Kondensator 144 ist in den breiten CPW-Abschnitt 140 ungefähr 1 mm vor dem Übergangsbereich geätzt, wodurch zwei Wanderwellenresonatoren gebildet werden, die kapazitiv durch die überlappenden breiten CPW-Abschnitte 122 und 140 aneinandergekoppelt sind und dadurch die Übertragungsbandbreite des Kopplers 110 über den gewünschten Frequenzbereich verbessern.
-
Der enge CPW-Abschnitt 134 kann direkt mit einem 50 Ω Koaxialkabel (nicht gezeigt) verbunden sein, das dann mit dem Diplexer 32 verbunden wird. Der enge CPW-Abschnitt 116 kann mit einer CPW-beschickten Antenne innerhalb der Windschutzscheibe 100 verbunden sein. Es wird angemerkt, dass um den sichtbaren Bereich der Windschutzscheibe 100 zu erhöhen, der CPW 112, der CPW 130 und/oder die Antenne aus einem transparenten Leiter hergestellt sein können. Geeignete transparente Leiter umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Indiumzinnoxid (ITO), Silbernanodraht, Zinkoxid (ZnO) usw. Es wird weiter angemerkt, dass, um den sichtbaren Bereich der Windschutzscheibe 100 zu erhöhen, die Antennen und alle oder einige der Abschnitte der CPWs 112 und 130 Metallgitter sein können.
-
Es wird beabsichtigt, dass der Koppler 110 in einem Ausführungsbeispiel im Frequenzbereich von 1,7 - 2,6 GHz arbeitet. Um diesen Betriebsfrequenzbereich bereitzustellen, werden die Abmessungen a - 1, gezeigt in
6, in Tabelle 2 unten identifiziert. TABELLE 2
| a | 0,5 mm |
| b | 2,72 mm |
| c | 1, 676 mm |
| d | 2 mm |
| e | 2 mm |
| f | 0,5 mm |
| g | 1,5 mm |
| h | 25 mm |
| I | 1, 676 mm |
| j | 17,1 mm |
| k | 10 mm |
| l | 47 mm |
-
Die oben angegebene Erörterung offenbart und beschreibt lediglich exemplarisch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Erörterung und aus den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen, dass hier verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.
