定向天线和包括这种定向天线的车辆的制作方法

1.本发明总体上涉及一种定向天线，特别是用于车辆的定向天线，并且涉及一种包括这种定向天线的车辆。
2.根据本发明的定向天线尤其适用于车辆，特别是用于实现优选地工作在5.9ghz左右的频率处的v2x(车辆到一切)通信，并且将在下面参考这种应用进行描述，而不意图以任何方式限制可能的应用领域。


背景技术：

3.众所周知，近年来，已经看到了越来越多的连接车辆的商业化，这些车辆集成了许多服务，这些服务的范围从娱乐(例如无线电和/或电视)到驾驶员辅助(通常经由卫星导航系统)。


技术实现要素：

4.在这点上，在电信领域中，关于车辆，用v2v(车辆到车辆)指示车辆之间的通信，用v2i(车辆到基础设施)指示车辆和基础设施之间的通信，并且用v2p(车辆到行人)指示车辆和行人之间的通信，并且用首字母缩略词v2x指示车辆和可能相关的一切之间的通信。
5.对于可以根据不同的标准(ieee802.11p或cv2x)进行的这种类型的v2x通信，已经分配了5.9ghz左右的国际频带，其中取决于标准化团体而具有小差异。
6.因此，必须在现代车辆上安装能够在该频率工作的天线。
7.此外，假定v2x通信可能用于也与安全相关的应用，则通常需要车辆上的天线具有尽可能宽且足够的覆盖范围。
8.这种覆盖可以利用单个天线或者通过在车辆的不同位置放置几个天线来获得。事实上，由于车辆本身主要由金属部件构成，金属部件就其本质而言与由天线发射的电磁波相互作用，因此取决于天线的位置，辐射图案可以不同地变形。
9.例如，取决于车顶的曲率，朝向汽车后部定位的天线可能不能朝向汽车自身的前部辐射电磁功率，并且为了补偿这种效应，通常需要在汽车的前部上、例如在后视镜处安装第二天线。
10.为了使位于车辆的不同点的天线更有效，可以操纵天线的辐射图案以避免在不感兴趣的方向上分散电磁功率，或者在天线安装在汽车内部诸如后视镜之类的位置的情况下，可以确保正确地将电磁场朝向车辆外部(向前和朝向侧面)而不是朝向其乘客(后面)传输，在车辆外部更可能存在与其交换通信的设备。
11.在这方面，市场上存在这样的天线，为了获得辐射图案的期望变形，所述天线使用单个辐射元件，该单个辐射元件与放置在距辐射元件本身的受控距离处的导电材料的屏障的导向效果相结合。
12.目前已知的解决方案虽然获得了可观的结果，但还容许进一步的改进。
13.例如，安装在车辆的不同位置的若干天线的使用负面地影响生产和安装的成本。
14.另一方面，耦合到屏蔽件的天线呈现出对辐射图案的控制不是完全最优的，特别是关于横向于将最大辐射的方向连接到最小的方向的理想轴线的中间角的覆盖。
15.因此，本发明的主要目标是提供一种定向天线，特别是用于v2x类型通信的定向天线，与已知解决方案相比，其能够改进辐射图案的控制并且易于实现。
16.在这个主要目标内，本发明的另一个范围是提供一种定向天线，其允许相对于已知解决方案确保更大的带宽，特别是比使用屏蔽天线的那些更大的带宽。
17.本发明的又一个范围是提供一种用于定向天线的解决方案，其易于实现并且相对便宜，并且可以容易地安装在大多数不同类型的车辆中，诸如汽车、公共汽车、各种类型的商用车辆之类的道路类型和诸如有轨电车、火车之类的铁路类型等二者都可以。
18.该主要目标以及前述附加范围和将更多地从以下描述中得到的其它内容通过定向天线来实现，该定向天线的特征在权利要求1中限定。
19.该主要目标以及前述附加范围也通过根据权利要求10所述的车辆来实现。
20.特定实施例是从属权利要求的主题，其内容旨在形成本说明书的组成部分。
附图说明
21.参考附图，从仅通过非限制性示例的方式进行的以下详细描述中，本发明的进一步的特征和优点将显现，其中：
22.图1示意性地图示了根据本发明的定向天线的可能实施例；
23.图2示意性地图示了图1的天线的另一可能实施例；
24.图3和图4示意性地图示了根据本发明的定向天线的另一可能实施例；
25.图5示意性地图示了根据本发明的定向天线的又一实施例；
26.图6示出了使用图3和图4的天线获得的水平辐射图案；
27.图7示出了使用图3和图4的天线获得的垂直辐射图案；
28.图8示出了使用图3和图4的天线获得的反射系数；
29.图9图示了使用定位在车辆前部的根据本发明的定向天线可获得的可能的水平辐射角θ；
30.图10图示了使用定位在车辆前部的根据本发明的定向天线可获得的可能的垂直辐射角
具体实施方式
31.应当注意，在以下详细描述中，无论是否在本公开的不同实施例中示出，从结构和/或功能的角度来看，相同或相似的部件具有相同的附图标记。
32.还应注意，为了清楚且简明地描述本发明，附图可能不一定按比例绘制，并且描述的某些特征可能以某种示意性形式示出。
33.此外，当术语“适用”或“布置”或“配置”或“成形”或类似术语在本文中被使用时虽然指代作为整体的任何部件、或指代部件的任何部分、或指代部件的组合，但必须理解的是，它意味着并相应地涵盖结构和/或配置和/或形式和/或定位。
34.此外，当术语“基本”或“基本上”在本文中被使用时，它必须理解为包含相对于所指示的参考值或位置的正或负5％的实际变化，并且当术语横向或横向地在本文中被使用
时，它们必须理解为包含不与它们参考的(一个或多个)方向/轴线或(一个或多个)参考部件平行的方向，并且垂直必须被认为是横向方向的具体情况。
35.最后，在以下说明书和权利要求书中，数字序数第一、第二等将仅用于清楚描述的目的，并且决不应将它们理解为出于任何原因而进行限制；特别地，例如“第一值
…”
或“第一距离”的指示并不必然意味着存在或严格需要有另外的“第二距离”或“第二值”，反之亦然，除非这种存在对于所述实施例的正确运行是明显的，也不意味着顺序应当正好是参照所图示的示例性实施例描述的顺序。
36.图1-图5示意性地图示了根据本发明的定向天线的可能实施例，其整体由附图标记100表示。
37.根据本发明的天线100包括多个辐射元件(即至少两个)和连接到辐射元件并适于向它们适当地馈送要辐射的馈送信号的供应电路。
38.特别地，根据将从以下描述中更详细地得到的实现实施例，所述第一辐射元件和所述第二辐射元件以及所述供应电路被配置并且在其间操作性地连接，以便生成组合辐照图案，该组合辐照图案在水平平面上呈现在基本上等于周角的四分之一的选定方向中的信号减少以及在周角的其余四分之三中以基本上均匀的方式分布的增加。
39.实际上，一旦选择了期望辐照信号的最大值和最小值的方向，例如相对于在其上安装天线100的车辆向前和分别向后，根据本发明的天线100就允许朝着中间方向尽可能多地加宽辐照波束。
40.更详细地，例如在图1、图3、图4和图5的实施例中所图示的，天线100至少包括：
[0041]-第一辐射元件1和第二辐射元件2，被布置为以预定的第一距离d1彼此间隔开；以及
[0042]-供应电路或网络5，连接到所述第一辐射元件1和第二辐射元件2，并适于向第一辐射元件1和第二辐射元件2供应要辐射的馈送信号si。
[0043]
特别地，供应电路5被配置为使得馈送到第一辐射元件1的输入中的要辐射的信号相对于馈送到第二辐射元件2的输入中的要辐射的相同信号在时间上偏移第一预定值δφ。
[0044]
在根据本发明的定向天线100的可能实施例中，供应电路5被配置成使得馈送到第一辐射元件1的输入中的信号相对于馈送到第二辐射元件2的输入中的信号在时间上的相位差为第一值，该第一值被包括在30与120六十进制度(sexagesimal degree)之间。
[0045]
特别地，根据可能的实施例，供应电路5被方便地配置成使得馈送到第一辐射元件1的输入中的信号相对于馈送到第二辐射元件2的输入中的信号在时间上的相位差为第一值，该第一值被包括在50与70六十进制度之间，优选地等于60六十进制度。
[0046]
有用地，根据图中所示的可能实施例，供应电路5包括至少一个传导元件5a，其具有连接到第一辐射元件1的第一端5b和连接到第二辐射元件2的第二端5c，所述至少一个传导元件5a关于天线100的标称工作频率具有在所述第一端5b和所述第二端5c之间测量的预定电长度“d”。
[0047]
实际上，供应电路5在连接6处的输入中例如从在其上安装天线100的车辆的电子设备运送电磁波/在连接6处的输出中例如向在其上安装天线100的车辆的电子设备运送电磁波，该车辆在图9和图10中由附图标记200指示。特别地，在波来自天线100的输入连接6并
行进通过供应网络5的情况下，由于两个辐射元件1和2之间的适当大小的物理距离d1与供应电路5的配置的组合，并且特别是供应电路5的包括在两个辐射元件1和2之间的部分5a，传输的波将首先到达最近的辐射元件，即第一辐射元件1，然后到达最远的辐射元件，即第二辐射元件2，其中相位差由以下等式定义：
[0048][0049]
其中，是馈送到第一辐射元件1的输入中的传输波的信号与馈送到第二辐射元件2的输入中的相同波的信号之间的相位差，“d”是供应网络或电路5的包括在分别连接到第一辐射元件1和第二辐射元件2的两端之间的部分的电长度，并且λ
lt
是供应电路5内的电磁波的波长。
[0050]
在一个可能的实施例中，预定电长度“d”被包括在电路5所运送的信号si的波的五分之一和波的四分之三之间。
[0051]
更特别地，根据可能的实施例，预定电长度“d”被包括在波的五分之二和波的五分之三之间，更优选地等于波的二分之一。
[0052]
在图3-图4和图5所图示的实施例中，导体元件5a由具有三个基本上直的部分的折线形成，这三个基本上直的部分形成了总体u形或c形的路径，其中电距离基本上由三个直线部分的电长度d1、d2、d3之和给出。
[0053]
实际上，通过对辐射元件1和2施加不同的相位，获得了辐射图案的期望变形，例如如图7和图8所图示的，其可以根据需要适当地校准。
[0054]
清楚的是，供应电路5，并且特别是供应电路5的将两个辐射元件1和2互连的部分5a，可以被不同地配置，以便在天线100的辐射图的修改方面类似地获得相同的技术结果。
[0055]
例如，在可能的实施例中，供应电路5包括至少一个传导元件5a，其具有连接到第一辐射元件1的第一端5b、连接到第二辐射元件2的第二端5c、以及支撑元件，例如由电介质材料制成的条带，该条带至少机械地连接到所述传导元件5a并且用作该传导元件的机械支撑，还有助于获得期望的相移δφ。
[0056]
该支撑元件可以被成形为例如复制供应电路5或仅其部分5a的形状并遵循供应电路5或仅其部分5a的物理路径，或者甚至具有不同的形状，只要适于支撑电路5本身并且特别是其部分5a，并且有助于实现期望的相移δφ。
[0057]
例如，如果信号供应电路5是通过微带实现的，则支撑元件可以通过由电介质材料制成的主体实现，该主体至少部分地复制微带的路径，特别是至少关于其部分5a复制微带的路径。如果替代地信号供应电路5并且特别是至少其部分5a例如由同轴线缆制成，那么线缆也可以从保持辐射元件的支撑件机械地释放，并且使端5b和5c作为其仅有的接触点。
[0058]
在根据本发明的定向天线100的又一个可能的实施例中，供应电路5包括至少一个集总常数组件(替代地定义为具有集中常数的组件)，其设置在所述第一辐射元件1和第二辐射元件2之间。这种组件(在图2中由虚线框30示意性地图示)可以由例如电容器或电感构成。
[0059]
特别地，根据该实施例，供应电路5或至少其插置在两个辐射元件1和2之间并将两个辐射元件1和2互连的部分可以包括电感器或电容器的组合的“t”或“π”(pi希腊)网络，或由电感器或电容器的组合的“t”或“π”(pi希腊)网络构成，其实现期望的相移，而不必求助
于辐射元件1和2的输入端口之间的约束物理间隔。以这种方式，关于相同的辐射元件1和2之间的间隔具有更大的自由度，因而可以以更不依赖于供应网络5本身的物理架构的程度选择该间隔。
[0060]
在可能的实施例中，并且如图1-图5的示例中所图示的，定向天线100还包括支撑元件3，所述第一辐射元件1和第二辐射元件2以及供应电路5至少部分地布置或连接到该支撑元件上。
[0061]
在所图示的示例中，所述支撑元件3具有基本上平面的展开，并且辐射元件1和2以及供应电路5可以被布置在所述平面元件3的相对面上，如在图3和图4所图示的示例性实施例中那样，或者如图1、图2和图5的示例性实施例中所图示的那样在相同的面上。
[0062]
在可能的实施例中，所述电力供应电路5以及第一辐射元件1和第二辐射元件2中的一个或多个，优选地它们中的每一个，包括连接到接地元件的相应金属导体，该接地元件固定到支撑元件3或由支撑元件3本身形成。
[0063]
特别地，根据应用，这样的接地元件然后可以由相同的支撑元件3形成，在这种情况下，该支撑元件基本上由导电材料制成。
[0064]
可替代地，支撑构件3可以由电介质材料制成，并且接地元件包括至少一个导电表面，该导电表面至少部分地覆盖支撑构件3的一个面(参见图5)，或者被布置在支撑构件3的两个面上以便至少部分地覆盖它们(参见图3和图4)。
[0065]
在所图示的实施例中，每个接地元件包括由铜制成的传导箔，其具有基本上平面的展开并且在图3-图5中由附图标记4指示。
[0066]
该接地元件4的尺寸被设计为具有适当地大于辐射元件的表面，以便修改(典型地用于降低或用于升高)图7中所图示的辐射信号的最大值的高度。
[0067]
特别地，在图3和图4的示例性实施例中，辐射元件1和2是使用pcb(来自英国印刷电路板)技术来实现的，并且例如由沉积在电介质支撑件7上的铜迹线形成。
[0068]
选择形成两个辐射元件1和2的铜迹线的形状和尺寸，以获得天线100在工作频率(例如，约5.9ghz)附近的谐振。此外，为了改善天线的适应性，在这种示例性实施例中，为每个辐射元件1和2分别提供对应的分支8和9，两个分支8和9连接到公共接地元件4。
[0069]
在该示例中，供应电路5又实现在支撑元件3的与存在辐射元件1和2的面相对的面上，并且还可以使用pcb技术来实现。例如，电路5可以包括被称为微带的波导。这种波导由被电介质厚度分开的接地元件和铜迹线形成。铜迹线的宽度被适当地确定尺寸，以例如使微带的特性阻抗等于50ω。可以制成微带的变窄或变宽的部分11，以改善天线100的总体适应性。为了将辐射元件1和2固定到支撑元件3，可以钻出孔10，辐射元件1和2的pcb插入到孔内部，以随后通过焊接连接到供应电路5。
[0070]
在图5所图示的示例中，辐射元件1和2由折叠片制成。与pcb技术相比，这种解决方案例如允许通过三维地开发辐射元件来更有效地利用可用空间，并且在许多情况下允许优化(即降低)辐射元件本身的生产成本。在这种情况下，总是使用例如微带在辐射元件1和2的同一侧上实现供应电路5。为了获得天线100的更好的适应性，已经将到接地平面4的两个连接点添加到辐射元件1和2，分别由附图标记12和13指示。
[0071]
在又一实施例中，类似于图3和图4的实施例(并且在图中未详细图示)，电介质支撑件7直接定位在接地元件4之上，即，其由一个单个的电介质的基本上平面的区域或由位
于接地元件4内的两个分离的平面区域形成；在该实施例中，具有其相应的金属连接器或连接分支8和9的辐射元件1和2被类似于图3中那样成形，并且定位在电介质区域之上(或在相应的电介质区域之上)，并且连接到被置于支撑件3的相对面上的供应电路5，如图4所示。
[0072]
清楚的是，取决于应用，在根据本发明的天线100中，可以使用不同配置的辐射元件以及更多数量的辐射元件。
[0073]
例如，如图2的示例性实施例示意性地图示的，预见到使用至少第三辐射元件20，该第三辐射元件20与第一辐射元件1间隔预定的第二距离d2，并且与第二辐射元件2间隔预定的第三距离d3。所述第三辐射元件20可以被适当地布置成实现三角形配置，如例如图2中所图示的，或者可以被布置成与两个辐射元件1和2对准以形成线性配置。
[0074]
供应电路5进而连接到第三辐射元件20，并适于还向第三辐射元件20供应要辐射的馈送信号si。特别地，供应电路5被配置为使得在第三辐射元件20的输入处馈送的要辐射的信号si相对于在第一辐射元件1的输入处馈送的信号时移第二预定值，并且相对于在第二辐射元件2的输入处馈送的信号时移第三预定值。
[0075]
前面关于仅有两个辐射元件1和2的实施例已经描述的内容同样可适用于存在第三辐射元件20，以及任何其它辐射元件。
[0076]
特别地，针对第一辐射元件1与第二辐射元件2之间的电距离“d”和相移所指示的值可适用于每对辐射元件，并且因此在第三辐射元件20的情况下，可适用于成对的第一-第三辐射元件1和20，并且分别可适用于成对的第二-第三辐射元件2和20。
[0077]
此外，在所图示的示例中，图示了在彼此面对的两个最近表面之间测量的元件对之间的物理距离d1、d2和d3中的每一个；可替代地，可以以另一种方式定义每个距离，例如在对称形状的辐射元件的情况下通过将其计算为相应对称轴之间的距离，或者以仍然适合于确定根据本发明的天线的尺寸的另一种方式。
[0078]
在又一个可能的实施例中，天线100包括例如由电介质材料制成的外壳，仅在图2中由附图标记50示意性地图示。这种外壳50允许进一步并且以受控的方式使总体辐射图案变形。
[0079]
实际上，已经确定，根据本发明的定向天线100允许实现预定目标，因为它允许获得与已知解决方案相比显著改进的辐射图案的控制，并且特别地，允许将覆盖的方位角扩展到最大，该覆盖的方位角用已知解决方案不会达到角圆的四分之三，从而获得横向于将最大辐射的方向连接到最小的方向的理想轴线的中间角的更大覆盖。
[0080]
为此，图6、图7和图8图示了示例，其中所示的结果是通过图3和图4中图示的天线100的实施例获得的。特别地，这些结果是通过施加60
°
的相移和约12.7mm的物理距离d1获得的，因此根据前面指出的等式确定了供应电路5的长度。特别地，图6和图7分别是指在水平平面和垂直平面上的辐照图；其中水平平面和垂直平面的定义意味着例如图9和图10中图示的那些，其中突出显示了在其中辐射功率的大部分的扇区，角度θ用于水平，并且角度用于垂直。图8还示出了作为示例的针对天线100获得的反射系数。
[0081]
由于特定的馈电技术，因此设想的天线100还允许保证更大的带宽，从而在需要时允许使用相同的天线也用于在与分配给v2x通信的频带接近的频带(诸如wifi频带)中的传输。
[0082]
为了实现这一点，如前所述，使用了容易构造和组装并且成本低的组件，其允许适
当地校准天线本身的操作，特别是适当地作用于辐射元件之间的相互距离以及供应电路或网络的将辐射元件互连并且向辐射元件馈送要辐射的信号的部分的电长度。
[0083]
进一步的优点是，根据本发明的天线100原则上可以用于任何类型的车辆，公路和铁路二者都可以，并且可以容易地安装在新的车辆以及(如果需要的话)已经使用的车辆二者中。因此，本发明的另一个目的涉及一种车辆，该车辆的特征在于如下事实：它包括至少一个定向天线100，该定向天线100根据上述内容所述，并且更具体地，如所附权利要求中所限定的。
[0084]
当然，在不损害本发明的原理的情况下，实施例和实现细节可以相对于已经通过优选而非限制性示例的方式描述和图示的内容而广泛地变化，而没有背离如由所附权利要求特别限定的本发明的保护范围。例如，通过为此目的选择参照可能的实施例描述的特征中的一个或多个，并且在有用的或可能的情况下使用在其它描述的实施例之一中选择的每个特征，可以组合、甚至部分地组合先前描述的实施例。
[0085]
例如，设备30或外壳50可用于所公开的实施例中的全部实施例或仅一些实施例中。所述组件或其部分的形状可以适当地修改，只要其与在本发明的范围内构思的这些组件的目的和功能相兼容即可。例如，辐射元件1、2和20和/或供应电路5或其部分可以通过在例如塑料的电介质材料上的金属化来制成；这样的辐射元件可以相对于示例中所图示的不同地成形，并且可以被布置在除了附图中所示的基本上垂直的位置之外的位置中；供应电路5可以至少部分地具有弯曲或混合的路径；对于所有的辐射元件可以有单个接地元件4，或者对于所使用的每个辐射元件可以使用一个接地元件，并且接地元件可以彼此电连接或不连接；每个接地元件可以由不一定具有平面展开的元件构成；电介质材料的外壳50可以由体积大的机械组件代替，即，尺寸与辐射元件的尺寸相当或更大；等等。