ITRE990101A1 - PLANAR ANTENNA FOR MOTOR VEHICLES. - Google Patents
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Description
Descrizione di una invenzione industriale avente per titolo:. Description of an industrial invention entitled :.
Antenna planare per autoveicoli. Planar automotive antenna.
La presente invenzione industriale si riferisce ad una antenna planare in microstrip (patch), adibita per impianti automobilistici sia per la telefonia cellulare sia per applicazioni differenti. La sua disposizione preferenziale è sui vetri degli autoveicoli, in particolare sul lunotto posteriore. Nella telefonia cellulare Tantenna può essere utilizzata dall’ attuale campo di frequenze di 800/900 MHz (GSM, ETACS, AMPS, PCD) fino alle frequenze più elevate di 2,5 GHz (DCS, UMTS, PCN, PDC 1,5). Sempre per autoveicoli, l’antenna è adottabile anche per applicazioni diverse dalla telefonia, quali ad esempio: ricezione in banda L, DAB, GPS e simili, e, a frequenze superiori, fino a 6 GHz, anche per sistemi a trasponder del tipo Telepass, e simili. The present industrial invention refers to a planar microstrip antenna (patch), used for automotive systems both for cellular telephony and for different applications. Its preferred arrangement is on the windows of motor vehicles, in particular on the rear window. In cellular telephony, Tantenna can be used from the current frequency range of 800/900 MHz (GSM, ETACS, AMPS, PCD) up to the higher frequencies of 2.5 GHz (DCS, UMTS, PCN, PDC 1.5). Also for vehicles, the antenna can also be used for applications other than telephony, such as: reception in L band, DAB, GPS and the like, and, at higher frequencies, up to 6 GHz, also for Telepass type transponder systems. , and similar.
Sono già noti da tempo sistemi di radiotelefonia per autoveicoli che utilizzano frequenze nella banda UHF; attualmente si stanno diffondendo sistemi a frequenze più elevate, atti ad ottenere un sempre maggiore numero di canali di trasmissione. Radio-telephony systems for motor vehicles using frequencies in the UHF band have already been known for some time; currently systems with higher frequencies are spreading, capable of obtaining an ever greater number of transmission channels.
Le attuali antenne adottate in tali impianti sono del tipo a stilo; esse sono installate sui tetti metallici dei veicoli e forniscono prestazioni accettabili, con radiazione pressoché omnidirezionale e polarizzazione verticale. Il tetto metallico agisce come piano di massa e fornisce una buona schermatura dell’abitacolo dalle radiazioni elettromagnetiche emesse dall’antenna. Ciò non di meno dette antenne, pur avendo dimostrato di possedere caratteristiche radiative soddisfacenti, presentano alcuni inconvenienti. Per la loro installazione è infatti necessaria la foratura passante delle carrozzerie, con conseguenti possibili problemi di tenuta agli agenti atmosferici, e la loro collocazione esterna, oltre a modificare esteticamente la linea dei veicoli, costituisce una condizione precaria di esposizione, che le rende soggette a danneggiamenti, manomissioni e/o azioni vandaliche. The current antennas adopted in these systems are of the stylus type; they are installed on the metal roofs of vehicles and provide acceptable performance, with almost omnidirectional radiation and vertical polarization. The metal roof acts as a ground plane and provides good shielding of the passenger compartment from electromagnetic radiation emitted by the antenna. Nevertheless, said antennas, although they have proved to have satisfactory radiative characteristics, have some drawbacks. For their installation it is in fact necessary to drill through the bodywork, with consequent possible problems of sealing against atmospheric agents, and their external location, in addition to aesthetically modifying the line of the vehicles, constitutes a precarious condition of exposure, which makes them subject to damage, tampering and / or vandalism.
Per evitare dette forature, più di recente sono state adottate delle antenne così dette “ad accoppiamento capacitivo”, le quali sono costituite da un elemento applicato all’ interno del parabrezza o del lunotto dei veicoli, e connesso con gli apparati ricetrasmittenti per mezzo di un cavo coassiale che trasferisce l’energia elettromagnetica attraverso il vetro, ad una controparte applicata all’esterno del vetro stesso. Sulla medesima parte esterna è applicata una struttura a stilo responsabile della radiazione elettromagnetica. Anche queste antenne, però, pur favorendo le applicazioni senza foratura delle carrozzerie, comprendono sempre una parte esterna sporgente soggetta a danneggiamenti, manomissioni e/o azioni vandaliche. Più di recente sono state realizzate antenne da montare direttamente sul parabrezza o sul lunotto posteriore, all’ interno dell’abitacolo. Esse sono costituite da conduttori piatti di varie forme assimilabili a monopoli o dipoli che però, a causa della loro forma allungata, sono prevalentemente installate in posizione orizzontale, . con conseguente distorsione della polarizzazione del campo elettromagnetico e forte degradazione del diagramma di radiazione, a causa dell’accoppiamento elettromagnetico con le strutture metalliche del veicolo. La loro emissione, inoltre, avviene indifferentemente sia verso l’ esterno che verso l’ interno dell’abitacolo, investendo i passeggeri con elevati livelli di campo elettromagnetico. To avoid such punctures, more recently so-called "capacitive coupling" antennas have been adopted, which consist of an element applied to the inside of the windscreen or rear window of vehicles, and connected to the transceiver devices by means of a coaxial cable that transfers electromagnetic energy through the glass, to a counterpart applied to the outside of the glass itself. A stylus structure responsible for electromagnetic radiation is applied to the same external part. Even these antennas, however, while favoring applications without drilling bodywork, always include a protruding external part subject to damage, tampering and / or vandalism. More recently, antennas have been created to be mounted directly on the windshield or rear window, inside the passenger compartment. They consist of flat conductors of various shapes similar to monopoles or dipoles which, however, due to their elongated shape, are mainly installed in a horizontal position. resulting in distortion of the polarization of the electromagnetic field and strong degradation of the radiation pattern, due to the electromagnetic coupling with the metal structures of the vehicle. Furthermore, their emission occurs indifferently both towards the outside and towards the inside of the passenger compartment, hitting passengers with high levels of electromagnetic field.
Antenne planari adatte alle frequenze dei sistemi radiotelefonici, in grado di ovviare agli svantaggi sopra elencati, possono essere derivate dalla teoria delle antenne così dette a “patch” che consistono sostanzialmente in due superfici conduttive, generalmente con dimensioni l’una maggiore dell’altra, allineate parallelamente ad una distanza inferiore alla lunghezza d’onda; tra i due conduttori può essere interposto un materiale dielettrico o, più semplicemente, i conduttori sono mantenuti in posizione da distanziatori isolanti, sfruttando l’aria come dielettrico. A questa classe di antenne appartiene anche quella denominata “QWSCM” (Quarter Wave Short Circuited Microstrip Antenna), nella quale la lunghezza risonante del conduttore superiore è ridotta da λ/2 a λ/4, cortocircuitando un bordo radiante. Questo tipo di antenna, è stato oggetto di alcune proposte realizzative in campo automobilistico le quali, però, si sono dimostrate soluzioni sostanzialmente specifiche, applicabili ad esempio, solo ai veicoli con tetti non metallici, oppure configurate in modo particolare da non consentire l’applicazione su tutti i modelli di autoveicoli, od anche configurate con caratteristiche specifiche e limitate, come ad esempio: larghezza di banda < 4% con VSWR= 2 (Voltage Standing Wave Ratio) e diagramma di radiazione prevalentemente isotropico, in contrasto con le esigenze degli attuali sistemi di comunicazione cellulare, che utilizzano una banda di frequenza almeno del 10% e contro la necessità sempre più contingente di proteggere i passeggeri dall’esposizione ai campi elettromagnetici emessi dalle antenne. Planar antennas suitable for the frequencies of radiotelephone systems, capable of obviating the disadvantages listed above, can be derived from the theory of so-called "patch" antennas which substantially consist of two conductive surfaces, generally with dimensions one greater than the other, aligned parallel to a distance less than the wavelength; a dielectric material can be interposed between the two conductors or, more simply, the conductors are held in position by insulating spacers, using air as a dielectric. This class of antennas also includes the one called “QWSCM” (Quarter Wave Short Circuited Microstrip Antenna), in which the resonant length of the upper conductor is reduced from λ / 2 to λ / 4, short-circuiting a radiating edge. This type of antenna has been the subject of some construction proposals in the automotive field which, however, have proved to be substantially specific solutions, applicable for example only to vehicles with non-metallic roofs, or configured in a particular way so as not to allow the application. on all vehicle models, or even configured with specific and limited characteristics, such as: bandwidth <4% with VSWR = 2 (Voltage Standing Wave Ratio) and predominantly isotropic radiation pattern, in contrast with the needs of current cellular communication systems, which use a frequency band of at least 10% and against the increasingly contingent need to protect passengers from exposure to electromagnetic fields emitted by antennas.
Scopo della presente invenzione è quello di eliminare i suddetti inconvenienti. L’invenzione, quale essa è caratterizzata dalle rivendicazioni, risolve il problema per mezzo di una antenna planare per autoveicoli mediante la quale si ottengono i seguenti risultati: L’antenna, nel suo insieme, è a basso profilo con dimensioni contenute, è di semplice costruzione e di basso costo, ed è facilmente installabile all’intemo degli abitacoli dei veicoli. The object of the present invention is to eliminate the aforementioned drawbacks. The invention, as it is characterized by the claims, solves the problem by means of a planar antenna for motor vehicles by means of which the following results are obtained: The antenna, as a whole, is low profile with small dimensions, it is simple construction and low cost, and can be easily installed inside the vehicle cabins.
I vantaggi conseguiti mediante la presente invenzione consistono essenzialmente nel fatto che l’antenna presenta una larghezza di banda uguale o superiore al 10%, è in grado di irradiare uniformemente in tutto il piano orizzontale con polarizzazione prevalentemente verticale del campo elettrico, in quanto può essere assimilata ad una “slot” radiante orizzontale (corrente magnetica) e permette un adeguato contenimento della radiazione emessa all’intemo dell’abitacolo, evitando il superamento dei limiti di campo elettromagnetico indicati dalle normative in vigore. Essa può essere installata, previo un semplice accordo (tuning) su qualsiasi tipo di veicolo. The advantages achieved by the present invention essentially consist in the fact that the antenna has a bandwidth equal to or greater than 10%, it is able to radiate uniformly throughout the horizontal plane with mainly vertical polarization of the electric field, as it can be assimilated to a horizontal radiant “slot” (magnetic current) and allows adequate containment of the radiation emitted inside the passenger compartment, avoiding the exceeding of the electromagnetic field limits indicated by the regulations in force. It can be installed, after a simple agreement (tuning) on any type of vehicle.
L’invenzione viene descritta più in dettaglio nel seguito, secondo sue configurazioni realizzative date a solo scopo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agli allegati disegni, in cui: The invention is described in more detail below, according to its construction configurations given for illustrative and non-limiting purposes only, with reference to the attached drawings, in which:
la fig.l rappresenta le viste schematiche in piante e laterale di un esempio dell’antenna, come trovato, Fig. 1 represents the schematic plan and side views of an example of the antenna, as found,
la fig.2 rappresenta viste schematiche laterali che evidenziano due possibili disposizioni dell’antenna di figura 1 sul lunotto posteriore di un veicolo, Fig. 2 represents side schematic views that highlight two possible arrangements of the antenna of figure 1 on the rear window of a vehicle,
la fig. 3 rappresenta la vista prospettica di una antenna planare, come da trovato, caricata induttivamente da “strip” metalliche ortogonali, fig. 3 represents the perspective view of a planar antenna, as found, inductively charged by orthogonal metal "strips",
la fig. 4 rappresenta il modello a linea di trasmissione dell’antenna di figura 3 che spiega il concetto della riduzione delia lunghezza risonante, fig. 4 represents the transmission line model of the antenna in Figure 3 which explains the concept of the reduction of the resonant length,
la fig. 5 rappresenta la vista prospettica di una antenna planare, come da trovato, di lunghezza risonante ulteriormente ridotta, grazie ad un maggior caricamento induttivo, fig. 5 represents the perspective view of a planar antenna, as found, of further reduced resonant length, thanks to a greater inductive loading,
la fig. 6 rappresenta una ulteriore forma di realizzazione di una antenna planare, vista in prospettiva, fig. 6 represents a further embodiment of a planar antenna, seen in perspective,
la fig. 7 rappresenta il diagramma del VSWR di una antenna planare come da trovato, e fig. 7 represents the VSWR diagram of a planar antenna as found, and
la fig. 8 rappresenta il diagramma di radiazione sul piano orizzontale. Le figure si riferiscono ad una antenne planare a “patch” adibita per applicazioni automobilistiche della telefonia cellulare, del tipo noto con la sigla “QWSCM”. Le caratteristiche fondamentali, che la contraddistinguono dalle configurazioni delle antenne dello stesso tipo note, che la rendono sostanzialmente universale per applicazioni su qualsiasi tipo di autoveicolo e che permettono di operare in una larghezza di banda uguale o superiore al 10%, con irradiazione uniforme nel piano orizzontale, con polarizzazione prevalentemente verticale del campo elettrico e con emissioni limite di campo elettromagnetico all’ interno del veicolo comprese in quelle indicate dalle normative in vigore, sono sostanzialmente le seguenti: fig. 8 represents the radiation pattern on the horizontal plane. The figures refer to a “patch” planar antenna used for automotive applications of cellular telephony, of the type known by the acronym “QWSCM”. The fundamental characteristics, which distinguish it from the known configurations of the antennas of the same type, which make it substantially universal for applications on any type of vehicle and which allow it to operate in a bandwidth equal to or greater than 10%, with uniform irradiation in the plane horizontal, with mainly vertical polarization of the electric field and with limit emissions of the electromagnetic field inside the vehicle included in those indicated by the regulations in force, are essentially the following:
a) Il vetro (2) del lunotto costituisce il superstrato dell’elemento radiante in quarto d’onda e, pertanto, contribuisce anch’esso a determinare le caratteristiche radiative dell’antenna, essendo sede di onde superficiali. a) The glass (2) of the rear window constitutes the superstrate of the radiating element in the quarter wave and, therefore, also contributes to determining the radiative characteristics of the antenna, being the site of surface waves.
b) La configurazione geometrica rastremata dell’elemento radiante (1) consente di ottenere un allargamento della banda operativa dell’antenna; essa può essere quadrangolare, a scalini sequenziali (3) decrescenti verso l’estremo di cortocircuito, oppure può tendere ad una forma praticamente trapezoidale (3’). b) The tapered geometric configuration of the radiating element (1) allows to obtain a widening of the operating band of the antenna; it can be quadrangular, with sequential steps (3) decreasing towards the short-circuit extreme, or it can tend to a practically trapezoidal shape (3 ').
c) L’alimentazione dell’antenna è ottenuta attraverso un accoppiamento capacitivo (4) cui fa capo il cavo (5), che può essere associato ad un connettore (6). La posizione del connettore per il massimo adattamento di impedenza può essere regolata mediante scorrimento e successivo vincolo, lungo una feritoia (7) praticata sul piano di massa (8). L’accoppiamento capacitivo determina un ulteriore allargamento della banda operativa dell’antenna, in quanto accorda l’ induttanza associata ad un conduttore (9), sostanzialmente ortogonale all’elemento radiante (1) ed al piano di massa (8). c) The power supply of the antenna is obtained through a capacitive coupling (4) to which the cable (5) leads, which can be associated with a connector (6). The position of the connector for maximum impedance matching can be adjusted by sliding and subsequent constraint, along a slot (7) made on the ground plane (8). The capacitive coupling determines a further widening of the operating band of the antenna, as it tunes the inductance associated with a conductor (9), substantially orthogonal to the radiating element (1) and to the ground plane (8).
d) L’elemento radiante (1) è associato ad un piano di massa (8) di dimensioni ridotte. Elemento radiante (1) e piano di massa (8) sono impegnati reciprocamente a mezzo di detto conduttore ortogonale continuo (9) o a strisce (strip) (9’), che costituisce l’elemento di corto circuito a massa dell’ antenna. d) The radiating element (1) is associated with a small ground plane (8). Radiant element (1) and ground plane (8) are mutually engaged by means of said continuous orthogonal conductor (9) or strips (9 '), which constitutes the element of short circuit to ground of the antenna.
In una prima soluzione semplificata ed economica (figura 1) l’elemento radiante (1), il conduttore ortogonale di corto circuito (9) ed il piano di massa (8) sono realizzati mediante punzonatura e successiva piegatura di un’unica piastra metallica. Il corto circuito a massa è costituito da una paretina continua (9) che si orienta in modo sostanzialmente ortogonale rispetto all’elemento radiante (1) ed al piano di massa (8), paralleli tra loro. L’alimentazione dell’antenna avviene attraverso un accoppiamento capacitivo (4) ad armatura piana (13). La distanza dell’armatura inferiore dalla capacità dell’elemento radiante superiore può essere regolata allo scopo di ottimizzare le caratteristiche radiative e circuitali dell’antenna, in particolare per ottimizzare la sua larghezza di banda. In a first simplified and economical solution (Figure 1) the radiant element (1), the orthogonal short-circuit conductor (9) and the ground plane (8) are made by punching and subsequent bending of a single metal plate. The short circuit to ground consists of a continuous wall (9) which is oriented in a substantially orthogonal way with respect to the radiating element (1) and the ground plane (8), parallel to each other. The antenna is powered through a capacitive coupling (4) with flat armature (13). The distance of the lower armature from the capacity of the upper radiating element can be adjusted in order to optimize the radiative and circuit characteristics of the antenna, in particular to optimize its bandwidth.
Per ottenere una significativa riduzione delle emissioni all’intemo degli autoveicoli (20), il piano di massa (8) può eventualmente essere esteso mediante una opportuna metallizzazione trasparente del lunotto. A tale scopo possono essere utilizzate pellicole conduttive trasparenti (2’) applicate sui vetri normali, oppure vetri già metallizzati mediante evaporazione sotto vuotò o “sputtering”, come quelli in dotazione su molti modelli di autoveicoli. Con queste soluzioni la radiazione posteriore (back radiation) può essere ridotta fino a 100 volte, pari a 20 dB. To achieve a significant reduction in emissions within motor vehicles (20), the ground plane (8) can possibly be extended by means of an appropriate transparent metallization of the rear window. For this purpose, transparent conductive films (2 ') applied to normal glass can be used, or glass already metallized by vacuum evaporation or "sputtering", such as those supplied on many vehicle models. With these solutions the back radiation can be reduced up to 100 times, equal to 20 dB.
In una seconda soluzione (figura 3), la parete di corto circuito a massa, invece di essere costituita da un conduttore continuo (9), è costituita da una serie di strisce (strips) opportunamente distante (9’), il cui numero e la cui larghezza costituiscono i parametri caratterizzanti di progetto dell’antenna. La larghezza determina l’ induttanza equivalente associata ad ogni striscia. In a second solution (Figure 3), the short circuit to ground wall, instead of being made up of a continuous conductor (9), is made up of a series of suitably distant strips (9 '), the number of which is the width of which constitute the characterizing parameters of the antenna design. The width determines the equivalent inductance associated with each strip.
La figura 4 schematizza la configurazione circuitale equivalente a linea di trasmissione, dalla quale si evince che il caricamento induttivo (9’), realizzato mediante una pluralità di strisce intervallate da spazi vuoti, permette di accorciare la lunghezza risonante dell’ antenna e, di conseguenza, di ridurne le dimensioni. Le linee tratteggiate rappresentano l’ampiezza della tensione RF airintemo dell’antenna. Figure 4 schematises the circuit configuration equivalent to a transmission line, from which it can be seen that the inductive loading (9 '), achieved by means of a plurality of strips interspersed with empty spaces, allows to shorten the resonant length of the antenna and, consequently , to reduce its size. The dotted lines represent the amplitude of the RF voltage inside the antenna.
Un ulteriore incremento di induttanza dell’antenna, e quindi una maggiore compattezza, è ottenibile con la soluzione rappresentata in figura 5, in cui le strisce costituenti il corpo di corto circuito di massa, anziché rettilinee, sono realizzate ad arco (9”). Questa soluzione può anche essere utilizzata per realizzare un semplice accordo (Tuning), tagliando una o più strisce (9”). A further increase in the inductance of the antenna, and therefore greater compactness, can be obtained with the solution shown in Figure 5, in which the strips constituting the body of short circuit to ground, rather than straight, are made in an arc (9 "). This solution can also be used to create a simple accord (Tuning) by cutting one or more strips (9 ”).
Un’altra soluzione, ancor più facilmente realizzabile e più adatta all’ industrializzazione su larga scala, si ottiene ricavando il piano di massa (8) dell’antenna da una scheda di circuito stampato, metallizzato da una sola parte (figura 6). In tal modo la linea di alimentazione può essere realizzata in microstriscia coplanare con i seguenti vantaggi: Another solution, even more easily achievable and more suitable for large-scale industrialization, is obtained by obtaining the ground plane (8) of the antenna from a printed circuit board, metallized on one side only (Figure 6). In this way the feeding line can be made in coplanar microstrip with the following advantages:
- semplicità strutturale, che rende più facile la fabbricazione, - structural simplicity, which makes manufacturing easier,
- configurazione perfettamente simmetrica, con minimi ingombri, - perfectly symmetrical configuration, with minimum dimensions,
- minima perturbazione elettromagnetica, - minimal electromagnetic disturbance,
- semplicità di transizione al cavo coassiale (5), - easy transition to coaxial cable (5),
- possibilità di ingresso laterale del cavo (5), sia dal lato aperto (10) della scheda, sia dal lato (11) del corpo di corto circuito di massa a strisce diritte (9’) o ad arco (9”), - possibility of side entry of the cable (5), both from the open side (10) of the board, and from the side (11) of the body of the body with straight strips (9 ') or arc (9 "),
- robustezza meccanica, - mechanical strength,
- possibilità di Tuning (accordo). - possibility of Tuning (agreement).
In quest’ultima configurazione, l’elemento radiante (1) che comprende le strisce o strip ad arco (9”), viene direttamente saldato al piano di massa (8) della scheda; la saldatura è eseguita lungo le estremità inferiori di dette strip (9”). In modo analogo, l’ accoppiamento capacitivo (4’) è realizzato mediante una lamina sospesa (13) dotata anch’essa di una strip arcuata (14) la cui estremità inferiore viene saldata, o vincolata con rivetti o simili, ad un estremo della linea coplanare che ha l’altro estremo connesso al connettore o, più semplicemente, al cavo coassiale (5). In the latter configuration, the radiant element (1) which includes the strips or arched strip (9 "), is directly welded to the ground plane (8) of the board; the welding is carried out along the lower ends of these strips (9 "). Similarly, the capacitive coupling (4 ') is achieved by means of a suspended sheet (13) also equipped with an arched strip (14) whose lower end is welded, or constrained with rivets or the like, to one end of the coplanar line that has the other end connected to the connector or, more simply, to the coaxial cable (5).
In figura 7 è riportato il diagramma di SWR o ROS (Rapporto d’Onda Stazionaria) di un’antenna secondo il trovato, misurato con uno strumento standard a 50 ohm: si può rilevare che la sua banda con SWR < 2 è data dalle frequenze [770-1130] MHz e che il valore percentuale rispetto alla frequenza centrale è > a 20%. Tale percentuale è decisamente superiore a quella che si ottiene con una attuale, normale antenna del tipo QWSCM. Figure 7 shows the SWR or ROS (Stationary Wave Ratio) diagram of an antenna according to the invention, measured with a standard 50 ohm instrument: it can be seen that its band with SWR <2 is given by the frequencies [770-1130] MHz and that the percentage value with respect to the center frequency is> 20%. This percentage is much higher than that obtained with a current, normal antenna of the QWSCM type.
Il diagramma di figura 8, di radiazione sul piano orizzontale, rappresenta la misura di una realizzazione di antenna, col valore del guadagno indicato in dBi. The diagram of figure 8, of radiation on the horizontal plane, represents the measurement of an antenna embodiment, with the gain value indicated in dBi.
Mentre il presente trovato è stato descritto ed illustrato secondo alcune forme esemplificative non limitative, risulterà evidente agli esperti del ramo che varie modifiche alle strutture, ai particolari, alle configurazioni, ai mezzi di connessione, potranno essere apportate senza per questo uscire dal suo ambito e scopo. While the present invention has been described and illustrated according to some non-limiting exemplary forms, it will be evident to those skilled in the art that various modifications to the structures, to the details, to the configurations, to the connection means, can be made without thereby departing from its scope and scope.
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