具有增强的波束控制的车辆集成天线的制作方法

本申请总体上涉及嵌入在玻璃结构上的天线。更具体地说，本申请教导了一种表面安装天线，该天线以将辐射控制到较低仰角的方式安装到诸如挡风玻璃的致密介电材料上。

背景技术：

玻璃结构是安装天线和其它导体的方便位置。玻璃结构是不导电的，并且为设计者提供了更多种类的辐射图和方向性。在过去的几十年里，射频(rf)在汽车上的应用不断增加，包括如今的am/fm无线电、gnss、4g/lte、卫星无线电、遥控车门开关、专用短程通信(dsrc)无线电、wifi、轮胎压力监测器和汽车雷达。虽然一些rf系统能够共享一个天线，但是总体上每个rf系统都需要一个单独的天线。一些rf服务需要多个天线，例如4g至少有两个mimo天线，dsrc需要多个天线分集，汽车雷达需要多个天线覆盖车辆的各个侧面。汽车设计师面临的困境是如何在保持汽车造型的同时放置所有这些天线。

车窗玻璃是一种很好的rf基板，而汽车有很多车窗。玻璃上的am和fm天线已有20多年的历史，在许多车辆的后窗或侧窗上都能看到1mm厚的印刷线。然而，对于4g/lte(700-3800mhz)、gnss(1150mhz-1610mhz多频段)、wifi和dsrc(2400mhz-6000mhz多频段)的高频操作而言，这些印刷线天线损耗太大，更不用说77ghz的汽车雷达了。此外，出于空气动力学的考虑，汽车玻璃通常安装在一个非垂直的位置。例如，当安装在成角度的挡风玻璃上时，具有宽边波束的天线将具有从水平高度升高的最大辐射图，并且水平方向性小于最大值。最好在将天线安装在玻璃车辆表面的同时克服这些缺点。

技术实现要素：

根据本发明的实施例提供了许多优点。例如，当天线安装在倾斜的介电质表面(如挡风玻璃)上时，根据本发明的实施例能够促进在水平方向具有更大方向性的辐射图。

根据本发明的一个方面，一种装置包括：天线，其具有在第一侧上的辐射单元和在第二侧上的接地平面，并且该接地平面在第一方向上延伸超过该辐射单元；以及介电材料，其具有第一厚度，其中该天线的第一侧位于该介电材料附近。

根据本发明的另一个方面，一种车辆天线结构包括：具有第一厚度的介电质特征，以及天线，该天线在第一侧上具有辐射单元并且在第二侧上具有接地平面，其中该接地平面在第一方向上延伸超过该辐射单元，并且其中天线的第一侧固定到介电质特征上。

通过以下结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述优点和其它优点和特征将变得显而易见。

附图说明

本发明的上述和其它特征和优点以及实现这些特征和优点的方式将变得更加明显，并且通过结合附图参考本发明的实施例的以下描述将更好地理解本发明，其中：

图1显示了根据实施例的在汽车环境中具有增强的波束控制的车辆集成天线的示例性应用。

图2为根据实施例的示例性天线设计。

图3为根据实施例的替代示例性天线设计。

本文中的示例说明了本发明的优选实施例，并且这些示例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或其应用和用途。此外，不希望受到前述背景技术或以下详细描述中所呈现的任何理论的限制。例如，本发明的电路、传输线和天线具有在车辆上使用的特殊应用。然而，如本领域技术人员将理解的，本发明可具有其它应用。

图1示出了在汽车环境100中具有增强的波束控制的车辆集成天线的示例性应用。该示例性应用示出了具有挡风玻璃的车辆110，安装到倾斜挡风玻璃的传统垂直极化单极天线的示例性辐射图120，以及期望传播方向130的指示。当需要在低仰角向水平方向垂直极化辐射时，具有垂直极化天线元件的波道式(yagi-)或偶极型天线可以满足辐射要求。由于-λ/2偶极子的尺寸和用于基于偶极子的天线的平衡-不平衡变换器的需要，具有接地平面的基于单极的替代物是优选的。然而，有限的天线接地平面限制了波束倾角。为了实现期望的额外10°的波束倾斜，接地平面需要延长至少一个波长的长度。这可能使其不适合用于天线的尺寸和安装空间具有高优先级的车辆应用中。

利用现有车辆部件的玻璃或挡风玻璃等电性较厚、密度较大的介电质无源结构，可以实现额外的波束倾斜角。在不增加天线接地平面尺寸的情况下，可以利用沿无源结构的表面波辅助实现较低的波束倾斜。此外，由于表面波在沿着无源覆盖结构传播且缓慢辐射时具有多源作用，在不增加阵列天线单元数量的情况下，可以获得更窄的仰角波束宽度。当天线共形地集成到汽车110的挡风玻璃上时，由于挡风玻璃的自然倾斜，可以使波束倾斜到地平线以上或以下，而不需要占用太多的封装空间。

所述示范性天线使用现有的车辆部件作为天线的主要部分，以产生期望的辐射特性和/或增强波束控制特性。天线可以与现有车辆部件的电性厚和密度更大的电介质(即相对介电常数，εr>1)共形地集成或偏移一定距离，现有车辆部件包括但不限于挡风玻璃和玻璃窗。汽车挡风玻璃的厚度在4mm至5mm左右变化，当rf频率增加时，该厚度在电学上变厚，并且大于0.1波导管波长(λg)为5.8-6ghz(覆盖wifi和dsrc频带)。当电磁场在密度更大且电性更厚的电介质内部或附近发射时，其中一些电磁场沿着空气和电介质界面的附近传播。该表面波与该界面紧密结合，直到边界条件改变或中断。本发明是关于当天线在挡风玻璃或玻璃电厚的高频(例如，5.8ghz-6ghz)下工作时，通过利用表面波来增强天线的主波束倾斜性能，将挡风玻璃和/或玻璃用作天线的主要部分的天线。本发明所述的天线尤其可用作互补天线，用于在主天线不能覆盖的低仰角下覆盖方位角视场(fov)，例如位于车顶后中心的sharkfin天线。通过将次级天线集成在挡风玻璃表面或附近以用作分集天线，除了主天线之外，还可以实现方位上的全360°fov覆盖。

图2现示出了根据本发明的示例性天线设计200。在该示例性实施例中，天线210经设计成为将表面波耦合到电介质以实现期望的倾斜波束的耦合贴片天线。在该示例性实施例中，耦合贴片阵列天线具有驱动贴片240和两个耦合贴片220。驱动贴片240由同轴馈电探针(未示出)馈电，并且印刷在基板的后边缘上的反射器230也用作调谐短截线。在该示例性实施例中，耦合贴片天线的接地平面的总体尺寸大约为20mm×50mm，其安装在1.2mm厚的电介质的底部上，用于在5.8ghz-6ghz附近工作。

由于接地平面的有限长度，具有有限尺寸接地平面的耦合贴片阵列天线210可提供有限的倾斜波束。当相同的天线被放置为与密度更大且电性更厚的电介质(例如挡风玻璃或玻璃)共形或紧密接近的辐射源时，来自天线的一些电磁场可以衍射，并且一些电磁场沿着该电介质传播。空气-电介质界面最后以一定的相位延迟辐射，该相位延迟除了取决于辐射源和电介质上层介质之间的距离之外，还取决于上层介质的电介质的电厚度和传播常数。衍射场和具有最佳相位延迟的表面波经组合以产生增强的波束倾斜(52°)。还值得一提的是，耦合贴片阵列具有电镀边缘，该电镀边缘放置在靠近驱动贴片元件的基板的侧端，其充当内置的频率调谐机制。通过减小调谐元件的宽度，天线的谐振频率通过减小天线电容而增加。这种内置特征有助于解决电介质(即玻璃和挡风玻璃)的rf特性和物理尺寸的不确定性。

图3现示出了根据本发明的第二示例性天线设计300。在该示例性实施例中，使用具有端射辐射特性的yagi-uda单极阵列。虽然yagi-uda是端射型天线，但是除了指向矢元件的数量之外，其单极具有由有限尺寸的接地平面限制的波束倾斜。端射型的天线还可以提高波束的倾斜性能。所示的天线安装在挡风玻璃310上。该天线具有反射器元件340，辐射元件350和导向器元件330。这些元件安装到接地平面320上，该接地平面在期望的辐射方向上延伸，以便实现期望的倾斜角。

通过将天线集成在支架或夹具中，辐射源天线可以保持其与产生表面波的电介质(例如挡风玻璃或玻璃)的表面的相对距离，该支架或夹具可以固定到挡风玻璃/玻璃的表面上。使用电厚且较致密的电介质作为天线的主要部分有助于在不使用诸如高阻抗表面或超材料表面的工程表面的情况下产生增强的控制波束。所述天线或阵列天线作为辐射源，将表面波发射到与辐射源天线非常接近的电介质中，该辐射源天线与衍射波结合使波束倾斜。为了控制衍射波和表面波的数量，可以调节辐射源天线相对于电介质表面的接近度。此外，可以通过优化电介质的rf特性和电厚度(即介电常数)来控制波束倾斜。利用现有的车辆部件，例如挡风玻璃或玻璃作为天线的主要部分，可增强天线的辐射特性。