螺旋渐缩低轮廓超宽带天线

相关申请的交叉引用

本申请与以下各者相关：美国专利申请号17/409,543 （代理人档案号P100140-US-NP），该申请于2021年8月23日提交且题为“简单超宽带极低轮廓天线”；美国专利申请号17/409,586（代理人档案号P100141-US-NP），该申请于2021年8月23日提交且题为“极低轮廓超宽带天线；”和美国专利申请号17/409,646 （代理人档案号P100143-US-NP），该申请于2021年8月23日提交且题为“布置在倾斜表面上方的简单超宽带极低轮廓天线”。上面引用的申请的全部公开内容在此引入作为参考。

引言

本节中提供的信息是为了总体呈现本公开的背景。在本节中描述的程度上，目前命名的发明人的工作，以及在提交时可能不符合现有技术的描述的方面，既不明确也不隐含地被认为是本公开的现有技术。

技术领域

本公开涉及天线，并且更特别地，涉及超宽带天线。

背景技术

车辆使用远程信息处理系统来支持无线通信和信息处理。示例包括蜂窝通信、全球定位系统（GPS）导航、集成免提手机、无线安全通信、车辆对车辆（V2V）通信、车辆对基础设施（V2I）通信、自主驾驶系统等。

当车辆在道路上行驶时，远程信息处理系统发射和接收数据。为了便于无线连接，车辆包括连接到远程信息处理系统的发射器和/或接收器的一个或多个天线。目前使用的天线的示例包括桅杆式天线和鲨鱼鳍天线。远程信息处理系统中的各种子系统在多个不同的频带上发射和接收。因此，超宽带（UWB）天线是蜂窝天线的良好候选。

制造商试图制造具有吸引力的造型的成本效益高、节省燃料的车辆。从造型的角度来看，目前使用的天线设计通常是不合期望的。例如，鲨鱼鳍天线可以布置车辆的在后挡风玻璃中间上方的车顶上或后行李厢盖上。如可以理解的，将鲨鱼鳍天线放置在那些位置中有损于车辆的外部设计。这些类型的天线通常具有最低期望操作频率处的波长的近似¼的高度。

发明内容

一种超宽带天线包括地平面和天线本体，该天线本体包括布置在地平面上方并平行于地平面的平面部分。渐缩螺旋部分包括T个螺旋渐缩支腿，其具有螺旋形状并且在朝向地平面的方向上水平地渐缩，其中T是大于1的整数。L个支撑支腿将平面部分的外边缘连接到地平面，其中L是大于1的整数。

在其它特征中，平面部分包括中央开口，并且渐缩螺旋部分与平面部分间隔开，并相对于中央开口居中。渐缩螺旋部分的T个螺旋渐缩支腿位于中央开口外侧的平面部分下方并与之连接。渐缩螺旋部分的T个螺旋渐缩支腿的水平长度在朝向地平面的方向上单调减小。

在其他特征中，平面部分具有选自包括圆形、矩形和椭圆形的组的形状的外边缘。天线馈线连接到渐缩螺旋部分的下边缘。天线本体的高度是对应于最低期望操作频率的波长的近似1/19，并且平面部分的宽度等于天线本体高度的2到10倍。平面部分包括中央开口，并且还包括布置在中央开口中并且与平面部分共面的环形部分。

在其它特征中，渐缩螺旋部分的上边缘连接到环形部分，并且其中螺旋渐缩部分的T个螺旋渐缩支腿位于中央开口的径向内侧。支撑结构由非导电材料制成，并被配置成支撑平面部分、螺旋渐缩部分和环形部分中的至少一者。

一种超宽带天线包括：第一天线本体，其包括第一平面部分；第一渐缩螺旋部分，其包括具有螺旋形状且水平渐缩的第一T个螺旋渐缩支腿，其中T是大于1的整数；以及第一L个支撑支腿，其中L是大于1的整数。第二天线本体包括第二平面部分、第二渐缩螺旋部分和第二L个支撑支腿，第二渐缩螺旋部分包括具有螺旋形状且水平渐缩的第二T个螺旋渐缩支腿，其中T是大于1的整数，其中L是大于1的整数。第二天线本体相对于第一天线本体镜像对称，并且第一L个支撑支腿连接到第二L个支撑支腿。

在其它特征中，第一平面部分包括第一中央开口，并且其中第一渐缩螺旋部分相对于第一中央开口居中。第一渐缩螺旋部分的第一T个螺旋渐缩支腿位于第一中央开口外部的第一平面部分下方并与其连接。第一渐缩螺旋部分的第一T个螺旋渐缩支腿的水平长度单调减小。第一平面部分的外边缘具有选自包括圆形、矩形和椭圆形的组的形状。天线馈线连接到第一渐缩螺旋部分和第二渐缩螺旋部分的下边缘。

在其它特征中，第一天线本体的高度为对应于最低期望操作频率处的波长的近似1/19，并且平面部分的宽度等于第一天线本体高度的2至10倍。第一平面部分包括第一中央开口，并且还包括布置在第一中央开口中并且与第一平面部分共面的第一环形部分。第一渐缩螺旋部分的上边缘连接到第一环形部分，并且其中，第一螺旋渐缩部分的第一T个螺旋渐缩支腿位于第一中央开口的径向内侧。第一支撑结构，其由非导电材料制成，并被配置成支撑第一平面部分、第一螺旋渐缩部分和第一环形部分中的至少一者。

本发明提供了以下技术方案：

1. 一种超宽带天线，包括：

地平面；和

天线本体，包括：

平面部分，其布置在所述地平面上方并平行于所述地平面；

渐缩螺旋部分，其包括T个螺旋渐缩支腿，所述螺旋渐缩支腿具有螺旋形状并且在朝向地平面的方向上水平渐缩，其中，T是大于1的整数；和

L个支撑支腿，其将所述平面部分的外边缘连接到所述地平面，其中，L是大于1的整数。

根据技术方案1所述的超宽带天线，其中，所述平面部分包括中央开口，并且其中，所述渐缩螺旋部分与所述平面部分隔开，并相对于所述中央开口居中。

根据技术方案2所述的超宽带天线，其中，所述渐缩螺旋部分的T个螺旋渐缩支腿位于所述中央开口外部的平面部分下方并与其连接。

根据技术方案1所述的超宽带天线，其中，所述渐缩螺旋部分的T个螺旋渐缩支腿的水平长度在朝向地平面的方向上单调减小。

根据技术方案1所述的超宽带天线，其中，所述平面部分的外边缘具有选自包括圆形、矩形和椭圆形的组的形状。

根据技术方案1所述的超宽带天线，其中，天线馈线连接到所述渐缩螺旋部分的下边缘。

根据技术方案1所述的超宽带天线，其中，所述天线本体的高度为对应于最低所需操作频率的波长的近似1/19，并且所述平面部分的宽度等于所述天线本体高度的2至10倍。

根据技术方案1所述的超宽带天线，其中，所述平面部分包括中央开口，并且还包括环形部分，所述环形部分布置在所述中央开口中，与所述平面部分隔开，并与所述平面部分共面。

根据技术方案8所述的超宽带天线，其中，所述渐缩螺旋部分的上边缘连接到所述环形部分，并且其中，所述螺旋渐缩部分的T个螺旋渐缩支腿位于所述中央开口的径向内侧。

根据技术方案8所述的超宽带天线，还包括支撑结构，所述支撑结构由非导电材料制成并且被配置成支撑所述平面部分、所述螺旋渐缩部分和所述环形部分中的至少一者。

一种超宽带天线，包括：

第一天线本体，包括：

第一平面部分；

第一渐缩螺旋部分，其包括第一T个螺旋渐缩支腿，所述第一T个螺旋渐缩支腿具有螺旋形状且水平渐缩，其中，T是大于1的整数；和

第一L个支撑支腿，其中，L是大于1的整数；和

第二天线本体，包括：

第二平面部分；

第二渐缩螺旋部分，其包括第二T个螺旋渐缩支腿，所述第二T个螺旋渐缩支腿具有螺旋形状且水平渐缩，其中，T是大于1的整数；和

第二L个支撑支腿，其中，L是大于1的整数，

其中，所述第二天线本体相对于第一天线本体镜像，并且所述第一L个支撑支腿连接到所述第二L个支撑支腿。

根据技术方案11所述的超宽带天线，其中，所述第一平面部分包括第一中央开口，并且其中，所述第一渐缩螺旋部分与所述第一平面部分隔开并且相对于所述第一中央开口居中。

根据技术方案12所述的超宽带天线，其中，所述第一渐缩螺旋部分的第一T个螺旋渐缩支腿位于所述第一中央开口外部的第一平面部分下方并与其连接。

根据技术方案11所述的超宽带天线，其中，所述第一渐缩螺旋部分的第一T个螺旋渐缩支腿的水平长度单调减小。

根据技术方案11所述的超宽带天线，其中，所述第一平面部分的外边缘具有选自包括圆形、矩形和椭圆形的组的形状。

根据技术方案11所述的超宽带天线，其中，天线馈线连接到第一渐缩螺旋部分和第二渐缩螺旋部分的下边缘。

根据技术方案12所述的超宽带天线，其中，第一天线本体的高度为对应于最低期望操作频率的波长的近似1/19，并且平面部分的宽度等于第一天线本体高度的2至10倍。

根据技术方案11所述的超宽带天线，其中，所述第一平面部分包括第一中央开口，并且还包括第一环形部分，所述第一环形部分布置在所述第一中央开口中，与所述第一中央开口隔开并且与所述第一平面部分共面。

根据技术方案18所述的超宽带天线，其中，所述第一渐缩螺旋部分的上边缘连接到所述第一环形部分，并且其中，所述第一渐缩螺旋部分的第一T个螺旋渐缩支腿位于所述第一中央开口的径向内侧。

根据技术方案18所述的超宽带天线，还包括第一支撑结构，所述第一支撑结构由非导电材料制成，并被配置成支撑第一平面部分、第一螺旋渐缩部分和第一环形部分中的至少一者。

根据详细描述、权利要求和附图，本公开的进一步应用领域将变得显而易见。详细的描述和具体的示例仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，本公开将得到更加全面的理解，其中：

图1是根据本公开的超宽带（UWB）天线的示例的侧视图，该超宽带天线包括螺旋渐缩部分并且其被布置在地平面上方；

图2是图1的UWB天线的透视图；

图3是根据本公开的超宽带（UWB）天线的另一个示例的透视图，该超宽带天线包括螺旋渐缩部分并且其被布置在地平面上方；

图4是根据本公开的超宽带（UWB）天线的另一个示例的透视图，该超宽带天线包括螺旋渐缩部分并且被布置在地平面上方；

图5是根据本公开的超宽带（UWB）天线的另一个示例的透视图，该超宽带天线包括螺旋渐缩部分并且被布置在地平面上方；

图6是根据本公开的UWB天线的示例的侧视图，其包括第一天线本体和第二天线本体，该第二天线本体与第一天线本体镜像且与其连接；和

图7是根据本公开的用于图1的UWB天线的支撑结构的示例的平面图。

在附图中，附图标记可以重复用于标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

根据本公开的超宽带（UWB）天线包括平面部分、布置在平面部分和地平面之间的螺旋渐缩部分、以及将平面部分的边缘连接到地平面的支腿。UWB天线具有非常低的轮廓，其允许UWB天线被布置在不太引人注意的内部或外部车辆位置。

在一些示例中，根据本公开的UWB天线可以具有天线的最低期望操作频率处的波长的近似1/19的高度。非常低的轮廓允许UWB天线在用作车顶或车辆其他位置的蜂窝天线时不太引人注目。例如，UWB天线可以隐藏在形成于车辆车顶中的空腔中的非导电盖的下方和接地导电平面（可以与天线的地平面相同或不同）的上方。

现在参考图1和2，示出了UWB天线100。在图1中，UWB天线100包括具有平面部分118的天线本体114。平面部分118布置在大致平行于地平面122并位于地平面122上方的平面中。在一些示例中，平面部分118在平面图中具有大致圆形或椭圆形。

包括T个螺旋渐缩支腿132（其中T是大于1的整数）的渐缩螺旋部分130位于平面部分118和地平面122之间。随着从平面部分118到地平面122的距离减小，T个螺旋渐缩支腿132从较长的水平宽度水平地渐缩到较短的水平宽度。T个螺旋渐缩支腿132是螺旋的，因为当从顶部看时，支腿具有螺旋形状。螺旋形状允许每个支腿在给定区域中具有更长的长度。虽然示出了T=4的T个螺旋渐缩支腿132，但是可以使用两个或更多个。在一些示例中，T个螺旋渐缩支腿132中的每一个在水平平面内螺旋大约360/T度，尽管可以使用更高或更低的螺旋角。

平面部分118的外边缘支撑在L个支撑支腿126上（其中L是大于1的整数），支撑支腿126在平面部分118和地平面122之间延伸。L个支撑支腿126从平面部分118的外边缘延伸，并连接到地平面122。

在渐缩螺旋部分130的下边缘138和地平面122之间限定了间隙136。在一些示例中，天线馈线142延伸穿过地平面122中形成的开口（未示出），并在渐缩螺旋部分130的下边缘138处连接到天线本体114。仅作为示例，天线馈线142可以包括同轴电缆的内部导体。同轴电缆的编织铜屏蔽件（未示出）可以连接到地平面122。虽然为了说明的目的示出了特定类型的天线馈线和馈线位置，但是可以使用其他天线馈线布置来馈送天线本体114。例如，天线馈线的内部导体可以平行于地平面122布置，而不是穿过地平面122。

在图2中，平面部分118被示为包括中央开口150和顶部环形部分152。在顶部环形部分152的外边缘154和中央开口150之间形成间隙。顶部环形部分152包括内部开口158。在一些示例中，平面部分118的径向外边缘172包括向内延伸的凹口170，并且L个支撑支腿126从凹口170的内边缘延伸。

天线本体114可以完全由诸如金属的导电材料制成。替代地，天线本体114的一个或多个部分可以包括由非导电材料制成的支撑表面和由附接到非导电材料的导电材料制成的层。图7中示出了支撑结构的一个示例，尽管也可以使用其他支撑结构。

L个支撑支腿126连接到平面部分118的外边缘。虽然渐缩螺旋部分130的T个螺旋渐缩支腿132连接到顶部环形部分152，但是它们与中央开口150中的平面部分118隔开（换句话说，它们电容耦合到平面部分118）。在其他示例中，渐缩螺旋部分130的T个螺旋渐缩支腿132连接到平面部分118。

不受限于任何理论，UWB天线100像单锥天线一样操作，其中平面部分充当布置在单锥天线开口处的电容性顶部，并且L个支撑支腿充当电感器。

大多数天线设计要求UWB天线的高度是对应于UWB天线100的最低期望操作频率的波长的近似¼。根据本公开的UWB天线100可以被设计成具有非常低的竖直高度，该高度是对应于最低期望操作频率的波长的近似1/19。如本文所使用的，近似1/19波长意味着对应于天线的最低期望操作频率的波长的4%到6%。UWB天线具有F

在一些示例中，平面部分118可以具有各种形状，诸如圆形、平面或椭圆形，并且平面部分的宽度或直径是天线本体114高度的2至10倍。地平面122通常大于天线本体114。在一些示例中，地平面122比天线本体114大预定距离，并且相对于天线本体114的侧面对称。在其他示例中，地平面122相对于天线本体114的侧面不对称。

现在参考图3-5，平面部分中开口的数量、尺寸和位置可以变化，或者可以省略一个或所有开口。在图3中，UWB天线200包括平面部分208中的中央开口210。渐缩螺旋部分130的T个螺旋渐缩支腿132的径向内部部分没有被如图所示的平面部分118覆盖。如图所示，T个螺旋渐缩支腿132的径向外部部分被平面部分118覆盖并连接到平面部分118。

在图4中，UWB天线250包括环形的平面部分252，其包括中央开口254。中心平面部分256与平面部分252共面，并包括径向外边缘258，该外边缘相对于中央开口254限定环形开口260。中心平面部分256可以布置成与T个螺旋渐缩支腿（未示出）的上边缘接触。开槽开口260可以布置在T个螺旋渐缩支腿的径向外侧。替代地，只要T个渐缩螺旋支腿不缩短间隙，开槽开口260可以布置成与T个渐缩螺旋支腿的部分重叠。换句话说，只要间隙不具有形成电连续性的旁路（T个渐缩螺旋支腿）。

在图5中，UWB天线300包括没有开口的平面部分318。

在图1至图5所示的UWB天线中，UWB天线布置在地平面122上方。在该设计中，地平面122充当镜子。类似的效果可以通过添加第二天线本体来实现，该第二天线本体相对于被移除的地平面是镜像的并且连接到第一天线本体，如图6所示。镜像效应类似于地平面上方的单极天线的镜像，以在没有地平面的自由空间中获得偶极天线。

在图6中，示出了UWB天线400的另一个示例。UWB天线400包括第一和第二天线本体114-1和114-2。第二天线本体114-2被镜像并连接到第一天线本体114-1的边缘138-1和138-2。第一和第二天线本体114-1和114-2类似于图1中描述的天线本体114。类似的附图标记用于与第一天线本体114-1（附加了“-1”）和第二天线本体114-2（附加了“-2”）相关联的部件。第一天线本体114-1的支腿126-1的端部连接到第二天线本体114-2的支腿126-2的端部。天线馈线位置410分别连接到第一和第二天线本体114-1和114-2的渐缩螺旋部分130-1和130-2。

现在参考图7，示出了天线支撑结构500的示例，其可以用于支撑图1的天线本体的部分。在一些示例中，天线支撑结构500包括非导电本体514和非导电支腿534，非导电本体514包括布置在天线本体的平面部分下方的非导电平面部分518。在一些示例中，非导电平面部分518包括布置成一图案的S个槽524（其中S是大于1的整数）。在一些示例中，S=4，不过可以使用更多或更少的槽。在一些示例中，S槽524是弓形的，并且图案是圆形的，不过可以使用其他槽形状和图案。

非导电平面部分518中的内部开口528位于S槽524的内部，并且包括中央开口530和从中央开口530向外延伸的螺旋开口532。在一些示例中，渐缩螺旋部分130的T个螺旋渐缩支腿132的部分布置在螺旋开口532和中央开口530中。在这个示例中，非导电支腿534从非导电平面部分518的外边缘延伸（而不是从上面所示的凹口）。天线本体的部件被布置在天线支撑结构500的顶部上并连接到该支撑结构500，该支撑结构提供支撑。

可以调整本文描述的UWB天线的长度、宽度和高度，以实现不同的设计标准，诸如UWB天线的频率、带宽和/或辐射轮廓。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且决不是为了限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以多种形式实现。因此，虽然本公开包括特定的示例，但是本公开的真实范围不应该被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求后，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序（或同时）执行。此外，虽然每个实施例在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其他实施例的特征中实现和/或与任何其他实施例的特征组合，即使该组合没有被明确描述。换句话说，所描述的实施例不是互斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍在本公开的范围内。

元件之间（例如，模块、电路元件、半导体层等之间）的空间和功能关系是使用各种术语来描述的，包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨着”、“在顶部”、“上面”、“下面”和“设置”。除非明确描述为“直接的”，否则当在以上公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是第一和第二元件之间不存在其他介入元件的直接关系，但是也可以是第一和第二元件之间存在一个或多个介入元件（空间上或功能上）的间接关系。如这里所使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为表示逻辑（A或B或C），使用非排他的逻辑或，并且不应该被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。