多频带天线多波段天线

技术领域

本公开的实施例涉及天线和天线系统。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)技术涉及能够接收来自地球大气层中的卫星信号的天线。GNSS天线系统能够用于在多种环境中提供全球定位系统(GPS)信号和/或其它信号。当期望增强定位精度时，GNSS天线能够接收多个频率的信号。多频带信号接收会带来与配置天线以接收一个以上频带的信号相关联的技术挑战。GNSS天线在没有遮挡的情况下能够更有效地发挥作用。

附图说明

现在将参考以下附图来描述各种特征。贯穿附图，附图标记可以重复使用以指示所引用的元件之间的对应关系。提供附图是为了说明本文所描述的示例但并非旨在限制本公开的范围。

图1A和图1B描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统；

图2A和2B是说明根据本申请的一个或多个方面比较天线的两个端口的天线增益性能的图表；

图3A至图3C描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统；

图4A和图4B描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统；

图5描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统；

图6A和图6CB描绘了根据本申请的一个或多个方面的嵌入在车辆装备中的示例性天线系统；

图7描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统和加热系统；

图8A至图8F描绘了根据本申请的一个或多个方面的与加热元件结合的示例性天线系统；

图9描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统和加热系统；

图10描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统和加热系统；以及

图11描绘了根据本申请的一个或多个方面的示例性天线系统。

具体实施方式

某些实施例的以下描述呈现了特定实施例的各种描述。然而，本文所描述的创新可以以(例如，通过权利要求所限定和涵盖的)多种不同的方式实施。在本说明书中，参考了附图，在附图中相同的附图标记可以指示相同或功能类似的元件。应理解的是，附图中所示的元件不一定是按比例绘制的。此外，应当理解的是，某些实施例可以包含比附图中所示更多的元件和/或附图中所示元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任意合适的组合。

全球导航卫星系统(GNSS)技术涉及可以接收来自地球大气层中的卫星信号的天线。当期望增强定位精度时，GNSS系统天线受益于多个频率的信号接收。可以接收来自L1(1559MHz至1610MHz)、L2(1215MHz至1254MHz)和L5(1164MHz至1214MHz)波段的卫星信号的GNSS天线提供了对大气误差进行现场校正的能力。此外，GNSS天线可以在基于载波相位的GNSS算法中使能模糊度解析，从而增强独立性能。当两者提供有相同的质量校正时，多频带天线精度保持高于单频解决方案的精度。此类天线还有助于抑制趋于降低单频带天线性能的多径信号。

GNSS天线系统可用于向车辆系统提供全球定位系统(GPS)信号和/或其它信号以用于涉及精确位置信息的不同功能。例如，从GNSS天线接收到的信号可以与来自其它传感器(例如，超声波传感器和/或相机)的数据相结合以规划将车辆带到目标位置的路线，诸如将车辆召唤给所有者或其它人。GNSS天线系统还可以用于涉及精确或一般位置信息的其它特征，诸如导航、自动驾驶仪和其它自动驾驶特征、搜索附近的加油站、餐馆或企业。GNSS天线系统还可以用于中继精确或一般的位置信息，以中继关于地区和本地广告的相关信息。

某些多频带GNSS天线涉及使用堆叠贴片天线或螺旋天线。此类多频带天线可以具有复杂的馈源结构，该复杂的馈源结构被设计成增强右旋圆极化增益并且抑制左旋圆极化增益，从而改进性能。此类多频带天线趋于尺寸较厚或限于较窄的频带，这可能导致性能下降。某些多频带天线的这些特征会降低此类多频带天线用于汽车(其中天线集成在车辆表面的壳体内)用途的需求。

本公开的各方面涉及多频带天线系统，诸如包含GNSS天线的系统。该天线可以被说明性地设计用于或集成在车辆中。此类天线可以包含多个槽和多个螺旋馈源。槽和螺旋馈源可以在馈源路板或其它基板的相对侧上。该天线包含反射器以用于将天线辐射反射到上半球。反射器可以与电路板间隔开小于四分之一波长，并且反射器可以反射同相的辐射。在某些情况下，天线系统的厚度可以是15毫米或更小。天线可以嵌入到与反射器相同的表面中。此反射器可以增加天线增益，同时使天线相对较薄。在某些实施例中，反射器可以是人造磁性接地平面。在一些其它实施例中，反射器可以是车辆的金属化表面(例如，车辆乘客可见的内部表面)。该天线可以包含在还包含低噪声放大器的有源天线系统中。天线可以包含在还包含其它电路元件的壳体中。天线的不同螺旋馈源可以连接到耦合在天线和低噪声放大器之间的双工器的不同的相应端口。

本公开的各方面涉及具有集成加热的天线系统。该天线系统可以在不利的天气条件下(诸如当天线上方的表面上有雪和/或冰时)保持天线的功能。该天线系统可以被设计用于车辆。天线系统可以包含多频带天线，诸如GNSS天线。天线系统可以放置在车辆的玻璃外部表面下方并且嵌入其中。此类天线系统可以包含在玻璃外部表面上或邻近玻璃外部表面的电容耦合金属元件，该电容耦合金属元件既可以用作寄生元件来增强增益，也可以用作加热元件来融化覆盖天线的玻璃区域上的雪和/或冰的积聚物。在某些应用中，天线的结构本身可以用作加热器以改善恶劣天气条件下的性能，同时加热元件远离热敏电子器件。具有集成加热的天线系统可以包含具有本文公开的特征的任意合适组合的螺旋天线。在一些其它应用中，不同的天线可以与集成加热一起使用以从车辆表面移除雪和/或冰。

现在将讨论天线的示例实施例。这些天线的任意合适的原理和优点可以适当地彼此组合。

图1A图示了天线系统100的实施例。天线系统100可以包含实施为印制电路板(PCB)102的天线部件，印制电路板102包含用于接收无线电信号的多个槽104。说明性地，多个槽可以包含多种槽，说明性地图示为一组6个或更多个槽。槽104可以被蚀刻到PCB 102的顶层中以形成天线系统100的天线部件。示例性地，PCB 102可以包含顶层106和底层108。多个槽104(例如，天线槽)可以围绕PCB 102的顶层或顶部表面螺旋。说明性地，每个各个槽可以包含第一部分105，该第一部分被配置为以等距方式放置在第一表面106上。各个槽还可以包含被组织成围绕天线部件102的中心部分(例如，PCB的中心)径向螺旋的第二部分107。PCB(未示出)的底层108可以包含一对螺旋馈源110，该一对螺旋馈源被布置成连接到PCB102的顶层上的槽104。PCB 102的底层上的两个螺旋馈源110可以保持设计的对称性。说明性地，螺旋馈源110的对称设计的实施例允许中的每个螺旋馈源110被单独馈送，从而创建双馈源天线系统100。这允许低噪声放大器拓扑结构具有更少的零件，从而降低整个系统的成本。将参考图5讨论具有此类低噪声放大器的系统的示例。在某些应用中，天线槽104、PCB102和天线馈源110可以一起具有在从约0.5毫米到约3毫米的范围(包含在该范围内限定的任何值)内的总厚度。

在图1A中，天线系统100包含充当反射器的人造磁导体(AMC)112接地平面。AMC可以是反射撞击其上的信号的表面。AMC 112可以反射与源同相的信号。通过反射与源同相的信号，AMC 112可以放置在比四分之一波长更靠近天线的位置。AMC 112可以通过增加由天线接收到的信号的平均上半球增益来增强信号的增益。平均上半球增益的增加可能是AMC反射能量的结果。在一些实施例中，AMC 112可以从天线系统110中省略，以利于其它反射表面。

如图1A所示，AMC 112可以包含一系列径向对称的贴片114，每个径向对称的贴片通过通孔接地到下面的实心铜层。这些径向对称贴片可以被设计成具有产生靠近两个不同频带(诸如L2/L5频带)的带隙的区域。因此，可以激励每个径向对称贴片的表面以便将目标频率和信号反射回同相，增加该信号的增益。此反射可以提高上半球的增益。其它频率可能不会被反射，因为信号沿着每个径向对称贴片的表面传播。AMC 112也可以保持整个天线的径向对称性。图1B图示了类似于图1A中的天线的天线，除了图1B的天线包含代替AMC 112的金属盘。在一些实施例中，金属盘114可以被称为理想的电导体。

图2A和图2B相应地是比较图1A和图1B中的天线的两个端口的天线增益性能的曲线图。图2A指示图1A的天线具有约1.15GHz到1.25GHz的第二操作频带，这是如图2B的曲线图所示的图1B的天线所不能实现的。此第二谐振频带在低剖面天线中的出现可归因于AMC作为以零度相位变化反射入射到其上的信号的表面。因此，图2A和2B指示，相对于图1B的天线，图1A的天线可以具有另外的操作频带。

此多频带天线设计对于接收来自GNSS卫星的信号是有用的。此多频带天线可以包含简单的馈源结构，此馈源结构被设计成增强右手圆极化增益并且抑制左手圆极化增益，从而改进性能。因此，根据实施例的天线可以保持低轮廓，同时在相对宽的频带上操作以获得高性能。此类天线可以用在具有严格设计标准(诸如天线被集成在车辆外部表面的壳体内的规范)的车辆中。

参考图3A至图3C包含参考先前参考图1A讨论的部件中的一个或多个。图3A图示了具有说明性部件的特定配置的天线系统300的实施例。间隔件118放置在天线部件102和接地平面112之间用于分隔。间隔件118可以防止和/或降低天线部件102的馈源和接地平面112之间短路的可能性。间隔件可以是3D打印的或由任意合适的绝缘和/或非导电材料制成。

参考图3B，实施例包含包括六边形单元晶格352的AMC表面350。图3B图示了单个六边形单元晶格352的边缘。图3A中的接地平面112可以是图3B的AMC表面350。这些六边形晶格352被分割成三角形子晶格354。图3B图示了单个三角形子晶格354的中心。六边形晶格352和三角形子晶格354将目标频率和信号反射回同相，增加了该信号的增益。六边形晶格352和三角形子晶格354可以通过反射来自下半球的能量来增加上半球增益。在一些其它实施例中，三角形子晶格352可以对应于相同形状或基本上相同形状的正多边形晶格，可以跨AMC表面350使用正多边形晶格以用于简单和精确的天线响应分析。

在一个实施例中，这些子单元晶格354对于每个单个六边形单元晶格352保持径向对称。在另一个实施例中，这些子晶格354对于AMC 350的整个表面保持径向对称。在另一个实施例中，通过计算由重复的多边形晶格组成的无限大的结构所支持的本征模式来确定每个子晶格352的面积。

图3B描绘了在安装双频带螺旋天线之前的基于六边形单元晶格的AMC 350的实施例。图3C描绘了包含在安装了诸如图1A中描绘的天线部件的双频带螺旋天线部件之后的基于六边形单元晶格的AMC的天线系统370的实施例。特别地，图3C是图3A的天线系统的示例俯视图。如前所述，天线部件(例如，螺旋槽或螺旋天线)可以通过间隔件118与AMC表面分离以防止天线部件102的底层上的馈源螺旋与AMC表面PCB的顶部表面350上的晶格352和/或子晶格354之间短路。

参考图4A至图4B包含参考先前参考图1A讨论的部件中的一个或多个。参考图4A，在天线系统400的实施例中，天线部件102嵌入在AMC表面402内部，使得天线系统对应于单层(或基本上单层)。以此方式，AMC表面402框住天线部件102(例如，螺旋天线)。这可以产生保持用于天线良好的多频带性能的一个PCB厚度的低剖面设计。AMC表面402可以类似于上面关于图3所描述的那样起作用。

图4B示出了诸如图4A的天线系统400的天线系统的实施例的仰视图406。在此实施例中，底部PCB层406可以包含螺旋馈源408。如先前所公开的，螺旋馈源408可以连接到天线部件102。

图5图示了有源天线系统的实施例(诸如图1至图4所示的有源天线系统的各种实施例)的框图500。天线系统500包括天线502、双工器504、低噪声放大器506、电缆508和接收机系统510。天线系统500还包含第一馈源512和第二馈源514。第一馈源512和第二馈源514可以是螺旋馈源，该螺旋馈源说明性地连接到天线部件502。图5的系统是其中可以实现本文公开的任意合适的天线部件502的示例系统。

来自天线的第一馈源512和第二馈源514经由双工器04向低噪声放大器506提供信号。这些GNSS信号可能源自卫星、其它轨道平台或地面信号源。另外，GNSS系统信号可以是源自另一个源的信号，然后通过卫星、其它轨道平台或从地面信号中继到天线。具有第一馈源和第二馈源允许对不同频带进行单独滤波和/或抑制趋于劣化单频带天线性能的多径信号。

第一馈源512和第二馈源514连接到双工器504的不同的相应端口。双工器504为不同的GNSS频带提供单独的滤波。双工器504还组合与GNSS频带相关联的滤波信号。这些频带可以包含L1、L2或L5频带。例如，在一个实施例中，第一馈源512可以被调谐到L1频带，而第二馈源可以被调谐到L2频带。在另一个实施例中，第二馈源514可以被调谐到L5频带。备选地，第一馈源512可以被调谐到L2频带。将馈源调谐到不同的频带可以用来抑制通常会劣化单频带天线性能的多径信号。L1频带可以包含从1559MHz到1610MHz的频率范围。L2频带可以包含从1215MHz到1254MHz的频率。L5频带可以包含从1164MHz到1214MHz的频率。以此方式，双工器504可以对来自第一馈源512和第二馈源514的信号进行滤波并且可以在馈源连接到低噪声放大器506的单个端口处组合信号。

然后，组合信号可以由低噪声放大器放大以增加由GNSS系统发送到天线系统的信号的增益。在一些实施例中，可以有低噪声放大器的第二级或多个另外的级。图5的系统可以被称为有源天线系统，因为它包含天线和低噪声放大器。一旦信号的增益增加并且放大，放大的信号就可以经由电缆被输出到接收器系统。

图6A图示了其中天线系统的反射器是车辆的内部表面的实施例600。在一些车辆设计中，可能没有可用空间来集成天线部件(例如，天线部件102)和单独的接地板(例如，反射器112)以将能量从下半球反射到上半球。类似地，在一些车辆设计中，可能没有空间来容纳由AMC框住的单个PCB层天线。在此类车辆中，内部表面(例如，内部平面)可以用作天线的反射器。内部表面可以包含车辆乘客可见的任何材料平面，或关于于车辆外部位于车辆内部的任何平面。在某些应用中，AMC可以涂覆车辆的内表面。除了用于不同的目的之外，车辆的现有表面可以用于多种目的，诸如AMC或接地平面。

内部表面被配置为反射器以为天线提供增加的增益。例如，内部表面可以是金属的或包含金属材料。备选地，朝向车辆外部指向的内部表面的面(下文中称为内部表面)，可以被金属化。内部表面可以是金属化塑料、另一种金属化材料或金属、金属材料、金属化塑料或其它金属化材料的组合。内部表面或金属内部表面可以被成形为反射目标信号以增加增益。内部表面或金属内部表面可以包含晶格、子晶格或贴片以反射特定的信号。在一些实施例中，内部表面或金属内部表面可以被定位在距离天线的目标频率的四分之一波长处以确保目标信号同相反射。内部表面或内部面不必是平坦的，而是可以是弯曲的或以其它方式配置的。

在一些实施例中，其包含天线和反射器的天线系统可以位于车辆挡风玻璃下的外壳中，使得外壳如图6B和图6C所示。如图所示，外壳提供内部表面604作为天线606的反射器。如图6B中所示，美观覆盖件的内部表面可以被金属化。图6C示出了被移除了美观覆盖件608的天线的仰视图。

根据本文公开的任意合适的原理和优点的天线系统可以位于车辆的多种不同位置。在一些实施例中，天线系统可以位于车辆的后视镜组件中，如图6A至图6C中所示。在一些其它实施例中，天线系统可以在车辆的后头部中。在一些其它实施例中，天线系统可以位于车辆车架周围的任何表面中。在各种实施例中，天线系统可以位于车辆的任何金属表面或可以金属化的表面中。

备选地，反射器可以是具有用于接收GNSS信号的天线的非车辆对象的内部表面。此类天线系统可以用在被配置为接收和/或发射GNSS信号的任何对象中。

GNSS天线系统可以保持与在天顶和高层大气或更高层中轨道运行的卫星的连接。然而，地面GNSS天线可能被雪或冰遮挡。在此类情况下，GNSS天线可能不起作用，或性能可能显著降低。移除雪和/或冰对于车辆的自主操作(诸如召唤操作)或车辆的任何其它合适的高级驾驶员辅助特征来说是有用的。

图7图示了包含加热元件702的天线系统700的实施例。加热元件702可以包含一组引线704，该一组引线向加热元件702提供能量。加热元件702可以说明性地是被定位在天线部件102上方的玻璃层中的电容耦合金属元件，使得天线部件102可以发射和接收来自GNSS系统的信号。如图7所示，在一些实施例中，间隔件118可以将加热元件702与天线部件102分离。加热元件702可以融化覆盖天线的玻璃区域上方积聚的雪和/或冰的积聚物。加热元件还可以用作寄生元件以增强天线增益。通过电容耦合天线和加热元件，热敏电子器件可以与加热元件热隔离。

如图7所示，天线系统700可以包含加热元件702、间隔件118和天线部件102。图88A至图88F图示了包含加热元件的天线系统的实施例的若干层。图8A图示了嵌入在天线部件102上方的玻璃区域中的加热元件902的实施例900。加热元件902可以例如使用导电膏(例如银膏)在玻璃上图案化。加热元件902可以被设计成复制天线和天线槽的图案和/或设计。加热元件902可以被供应直流(DC)或低频电流以加热，这进而加热天线上方的玻璃以融化雪和/或冰的积聚物。加热元件902可以包含一个或多个电感器904，因此加热元件902可以由直流电供电，而不会与天线接收到的射频信号相互作用。一个或多个电感器904可以在玻璃上图案化。在一些实施例中，加热元件可以被覆盖以隐藏迹线不被透过玻璃层看到。作为示例，黑色陶瓷熔块可以覆盖加热元件以隐藏加热元件的痕迹。覆盖加热元件902的材料可以被选择为对加热元件的热性能具有最小的影响。

图8B对应于其中间隔件118将加热元件902和天线部件102分离的实施例。说明性地，间隔件118可以对应于具有低热导率的任何数量的材料或缺少材料，包含但不限于空气、热海绵或另一种材料。间隔件可以齐平地安装到嵌入加热元件的玻璃层。说明性地，间隔件118可以用作热障以确保来自加热元件702(图7)的热量主要用于加热玻璃并且融化雪和/或冰的积聚物。图8C图示了位于间隔件118下方的天线部件102的示例。天线部件102包含导馈源金属(诸如铜)之间的槽。图8e图示了其中示出了天线馈源实施例。如图8E中所示，天线馈源可以包含在与LNA相同的层中。图8E还图示了Fakra连接。例如，如图8F中所示，屏蔽结构810可以包含在天线馈源和LNA下面的层中。

图9是图示上部天线迹线902可以经由电感器904、906接收DC功率以加热天线迹线的图900。所示电感器904、906中的每个电感器都可以是集总元件或图案化电感器。

包含加热元件的天线系统900可以位于车辆上。包含加热元件的天线系统可以位于车辆上可以被擦拭器擦拭的区域下方。在实施例中，擦拭器可以被激活以擦去已经被天线系统的加热元件加热的雪和/或冰。加热与擦拭一起可以在约200秒或更短的时间内移除雪和/或冰。

在某些实施例中，加热元件1000可以具有如图10所示的加热器网格图案1002。如图所示，加热器网格图案1002可以由天线上方的玻璃中的可以通过使电流流过加热元件来加热的导电材料制成。加热器网格图案1002关于平分天线部件102的线对称并且在天线部件上方具有相对宽的开口，如图10所示。利用此类开口，天线可以不受加热器网格图案的影响并且加热器可以对天线的轴比具有有限的影响。与图10中示出的加热器网格图案相比，具有较窄开口和/或与天线更多重叠的加热器网格图案会更大地降低天线的轴比。

图11图示了本文所描述的集成天线系统的实施例。除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(including)”等应被解释为包含性含义，而不是排他或穷尽性的含义；也就是说，“包含但不限于”的含义。本文一般使用的词语“耦合”是指两个或多个元件可以直接连接，或通过一个或多个中间元件连接。同样，本文一般使用的词语“连接”是指两个或多个元件可以直接连接，或通过一个或多个中间元件连接。另外，词语“本文”、“上面”、“下面”以及类似含义的词语当在本申请中使用时，应指代本申请作为整体，而不是指本申请的任何特定部分。在上下文准许的情况下，以上具体实施方式中使用单数或复数的词语也可以相应地包含复数或单数。词语“或”在涉及两个或多个项目的列表时，该词语涵盖该单词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任意组合。

此外，本文使用的条件语言，诸如“能够”、“会”、“可能”、“可以”、“例如”、“比如”、“诸如”等，除非特别声明，或在使用的上下文中理解，一般意在传达某些实施例包含，而其它实施例不包含某些特征、元件和/或状态。因此，此类条件语言一般不旨在暗示对于一个或多个实施例以任何方式需要特征、元件和/或状态。

尽管已经参考附图描述了本公开和示例，但是各种改变和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。这些改变和修改将被理解为包含在本公开的范围内。尽管已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过示例的方式呈现，并且并非旨在限制本公开的范围。上面的说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限制于所描述的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变型是可能的。因此，本领域的其它技术人员能够最好地利用这些技术和具有各种修改的各种实施例以适合各种用途。上面所描述的各种实施例的元件和/或特征的任意合适的组合可以被组合以提供进一步的实施例。