DE102019105455A1

DE102019105455A1 - Breitbandige asymmetrische schlitzantenne

Info

Publication number: DE102019105455A1
Application number: DE102019105455.9A
Authority: DE
Inventors: Hyok Jae Song; James H. Schaffner; Timothy J. Talty
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2019-09-12
Also published as: CN110247174A; US10608341B2; US20190280389A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf Antennen, die in oder auf Glasstrukturen eingebettet sind. Insbesondere lehrt die Anmeldung eine breitbandige koplanare Antenne, die eine Schlitzform in der Grundebene einsetzt, die konfiguriert ist, um einen breitbandigen Frequenzgang zu erreichen, worin die beiden Symmetrieachsen im Antennendesign fragmentiert sind, um die Resonanzen von HF-Strömen über breitere Frequenzbänder zu maximieren.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf Breitband-konforme Antennen. Insbesondere lehrt die Anmeldung eine Breitband-konforme Antenne, die eine unterschiedliche Schlitzform und -größe in der Grundplatte einsetzt, um einen breitbandigen Frequenzgang zu erreichen, worin die beiden Symmetrieachsen im Antennendesign fragmentiert sind, um die Resonanzen von HF-Strömen über breitere Frequenzbänder zu maximieren.
Hintergrund-Informationen
Koplanare, mit Wellenleitern gespeiste Schlitzantennen bestehen typischerweise aus einer Grundplatte und einem Einspeiseelement auf der gleichen Seite eines dielektrischen Substrats. Das Einspeiseelement ist so positioniert, dass es den Schlitz anregt und Energie in orthogonaler Richtung zur Ebene des Schlitzes abgibt. Schlitzantennen schwingen jedoch mit einer Frequenz, die den Abmessungen des Schlitzes entspricht, und weisen bei anderen Frequenzen einen begrenzten Wirkungsgrad auf, weshalb sie eine sehr enge Bandbreite aufweisen. Ein verbreitetes Verfahren zur Verbesserung der Bandbreite einer Antenne ist die Verwendung eines Schlitzes mit allmählich wechselnden Abmessungen. Eine weitere Verbesserung der Bandbreite wurde durch Einführung eines Satzes von Abstimmstichleitungen im Schlitz erreicht. Es wäre wünschenswert, die der Antenne zur Verfügung stehende Bandbreite zu erweitern, ohne die Blendengröße zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung stellen eine Reihe von Vorteilen bereit. So können beispielsweise Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung eine größere Frequenzbandbreite für koplanare Antennen und deren Fahrzeuganwendungen ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine koplanare Antenne ein Substrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine Schlitzantennenstruktur, die auf der zweiten Seite des Substrats ausgebildet ist, wobei die Schlitzantennenstruktur in einer ersten Richtung asymmetrisch ist und wobei die Schlitzantennenstruktur durch eine koplanare Hohlleitereinspeisung gespeist wird, die mit einer ersten Abstimmstichleitung innerhalb der Schlitzantennenstruktur und einer zweiten Abstimmstichleitung innerhalb der Schlitzantennenstruktur gekoppelt ist, und worin die erste Abstimmstichleitung und die zweite Abstimmstichleitung in der ersten Richtung asymmetrisch sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeugkommunikationssystem, das ein planares dielektrisches Substrat mit einer ersten Seite im Inneren eines Fahrzeugs und einer zweiten Seite im Inneren eines Fahrzeugs, einen Sender-Empfänger, eine Schlitzantennenstruktur, die auf der zweiten Seite des planaren dielektrischen Substrats ausgebildet ist, umfasst, worin die Schlitzantennenstruktur in einer ersten Richtung asymmetrisch ist, wobei die Schlitzantennenstruktur eine erste Abstimmstichleitung aufweist, die innerhalb der Schlitzantennenstruktur ausgebildet ist, und eine zweite Abstimmstichleitung, die innerhalb der Schlitzantennenstruktur ausgebildet ist, und worin die erste Abstimmstichleitung und die zweite Abstimmstichleitung in der ersten Richtung asymmetrisch sind, und eine koplanare Hohlleitereinspeisung, die mit dem Sender-Empfänger und der ersten Abstimmstichleitung und der zweiten Abstimmstichleitung gekoppelt ist, worin die erste Abstimmstichleitung länger als die zweite Abstimmstichleitung ist.
Die vorstehenden Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Die zuvor genannten sowie weitere Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung und die Art und Weise, diese zu erzielen, werden augenscheinlicher, und die Erfindung wird besser verstanden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, worin gilt:

1 veranschaulicht eine exemplarische Anwendung der fahrzeugintegrierten Antenne mit verbesserter Bandbreite in einer Automobilumgebung gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein exemplarisches Antennendesign gemäß einer Ausführungsform.
3a ist eine exemplarische Impedanzanpassung der exemplarischen Antenne gemäß einer Ausführungsform.
3b ist ein exemplarisches Abstrahlmuster der exemplarischen Antenne gemäß einer Ausführungsform.

Die hierin dargestellten Beispiele zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und solche Beispiele sollen in keiner Weise als einschränkend für den Umfang der Erfindung ausgelegt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und soll die Offenbarung oder die Anwendung und Verwendungen derselben in keiner Weise einschränken. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien. So sind beispielsweise die Schaltungen, Übertragungsleitungen und Antennen der vorliegenden Erfindung für den Einsatz in einem Fahrzeug besonders geeignet. Jedoch kann die Erfindung, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, auch andere Anwendungsmöglichkeiten besitzen.
1 veranschaulicht eine exemplarische Anwendung der fahrzeugintegrierten Antenne mit verbesserter Bandbreite in einer Automobilumgebung 100. Die exemplarische Anwendung zeigt ein Fahrzeug 110 mit einer Windschutzscheibe, einem exemplarischen Abstrahlverhalten 120 einer konformen Antenne 130, die an einer geneigten Windschutzscheibe montiert ist. Die Antenne 130 ist über eine Übertragungsleitung 135 gekoppelt, die eine koplanare Hohlleitereinspeisung zu einem Kommunikationssystem 140 beinhaltet.
Nun mit Bezug auf 2 ist ein exemplarisches Antennendesign 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. In dieser exemplarischen Ausführungsform wird eine Breitband-konforme Antenne eingelernt, die kontinuierlich das gesamte 4G LTE-Frequenzband von 450 MHz und mindestens bis zu 2600 MHz bei einer äquivalenten Bandbreite von mehr als 140 % abdecken kann. Die Antenne ist eine koplanare Wellenleiter (CPW) gespeiste Schlitzantenne, bei der sich der Schlitz in der Grundplattenschicht 240 befindet. Die derzeit offenbarte Antenne nutzt eine Asymmetrie in zwei Achsen im Antennendesign, um die Resonanzen der HF-Ströme über breitere Frequenzbänder zu maximieren und das gesamte 4G LTE-Spektrum von 450 MHz bis 2600 MHz abzudecken. In dieser exemplarischen Ausführungsform weist der Schlitzabschnitt der Antenne eine Gesamtabmessung von ca. 550 mm x 122 mm auf.
Eine CPW-Leitung 230 wird verwendet, um die gewünschte Bandbreite zu erreichen, worin zusammen mit den asymmetrischen Schlitzen 220 und der CPW-Leitung 230 die gewünschte erhöhte Bandbreite ermöglicht wird. In einer exemplarischen Ausführungsform wird die Antenne auf einem 1,9 mm dicken Rogers TMM-4-Substrat (relative Dielektrizitätskonstante = 4,7) hergestellt, das die dielektrische HF-Eigenschaft nahe einer Fahrzeugwindschutzscheibe aufweist. Die mit dem TMM-4-Substrat hergestellte Antenne weist die asymmetrischen Schlitze 220 und die asymmetrischen Abstimmstichleitungen 210 auf und nutzt damit die Asymmetrie in der Antennengeometrie vollständig aus, um HF-Ströme über ein möglichst breites Band zu unterstützen. Es ist anzumerken, dass die vorgeschlagene Antenne leicht für verschiedene Substratmaterialien modifiziert werden kann, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs. Die Antenne kann unter Verwendung von nicht scharfen Kanten hergestellt werden, um die realisierte Bandbreite zu erhöhen und abrupte Verstärkungsverluste über einen Frequenzbereich zu reduzieren.
Nun mit Blick auf 3a ist die Rückflussdämpfung 310 der exemplarischen Antenne dargestellt. Dies zeigt einen exzellenten Breitbandfrequenzgang mit guter Impedanzanpassung über die gesamten 4G LTE-Bänder. Mit Blick auf 3b ist ein simuliertes Abstrahlmuster 320 für die exemplarische Antenne dargestellt. Das simulierte Abstrahlmuster ändert sich über die breiten Frequenzen, die unterschiedlichen zu erwartenden elektrischen Blendengrößen entsprechen. Die maximale Verstärkung des exemplarischen Musters zeigt etwa 4~6 dBi.
Die exemplarische CPW-gespeiste einschichtige Breitbandschlitzantenne kann die volle Asymmetrie in der Öffnung auf zwei Achsen, die volle Asymmetrie in den Abstimmstichleitungen 210 auf zwei Achsen und abgerundete oder nicht scharfe Kanten in den Schlitzen 220 und Abstimmstichleitungen 210 verwenden.

Claims

Koplanare Antenne, umfassend: - ein Substrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; - eine Schlitzantennenstruktur, die auf der zweiten Seite des Substrats ausgebildet ist, worin die Schlitzantennenstruktur in einer ersten Richtung asymmetrisch ist und worin die Schlitzantennenstruktur durch eine koplanare Hohlleitereinspeisung gespeist wird, die mit einer ersten Abstimmstichleitung innerhalb der Schlitzantennenstruktur und einer zweiten Abstimmstichleitung innerhalb der Schlitzantennenstruktur gekoppelt ist, und worin die erste Abstimmstichleitung und die zweite Abstimmstichleitung in der ersten Richtung asymmetrisch sind.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin das Substrat eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs ist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die Schlitzantennenstruktur in einer zweiten Richtung asymmetrisch ist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die Schlitzantennenstruktur durch das Fehlen von leitfähigem Material innerhalb einer Ebene des leitfähigen Materials gebildet ist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die Schlitzantennenstruktur bogenförmig ist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die erste Abstimmstichleitung eine erste Länge in der ersten Richtung und die zweite Abstimmstichleitung eine zweite Länge in der ersten Richtung aufweist und worin die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die Schlitzantennenstruktur einen verengten Bereich benachbart zu einem Kopplungspunkt der koplanaren Hohlleitereinspeisung und der ersten Abstimmstichleitung aufweist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Sender-Empfänger, worin die koplanare Hohlleitereinspeisung mit dem Sender-Empfänger gekoppelt ist.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die Schlitzantennenstruktur ungefähr 122 mm x 500 mm beträgt.
Koplanare Antenne nach Anspruch 1, worin die Antenne so positioniert ist, dass zumindest eine Oberflächenwelle mit dem dielektrischen Material gekoppelt ist, und worin sich die Oberflächenwelle in einem Weg parallel zur ersten Richtung ausbreitet.