专利名称：隙缝耦合平板天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线，具体地，涉及一种平面的隙缝耦合平板天线，其用于接收来自卫星的圆极化射频(RF)信号。
背景技术：
很长时间以来，车辆中一直使用玻璃来封闭车辆的驾驶室，这样可以同时使车辆司机仍能够看得清楚。汽车玻璃通常是淬火(或钢化)玻璃或多层玻璃，其通过一块或多块玻璃板用塑性中间层或夹层粘结在一起制造。即使玻璃被打碎的时候，中间层仍能使玻璃板保持在一起。
近来，天线已经与车辆的玻璃整合在一起。这种整合有助于改进车辆的空气动力性能，同时也有助于使车辆呈现赏心悦目的流线型外观。整合天线用于接收线性极化RF信号，例如那些由AM/FM地面广播电台产生的信号，已经成为工业中的基本聚焦点。然而，此聚焦点正移向整合用于接收来自卫星数字音频无线电业务(Satellite Digital Audio RadioService，SDARS)提供商的RF信号的天线。SDARS提供商利用卫星来传播RF信号，特别是圆极化RF信号，使其回到地面。SDARS提供商使用在同步轨道中或倾斜的椭圆形星座中的多个卫星。
用于接收圆极化RF信号的各种天线在本技术领域是已知的。这些天线的实例在授予Day的美国专利No.5,633,645(专利‘645)和授予Anderson的专利No.6,778,144(专利‘144)中被公开。
专利‘645所公开的一种天线包括设置在玻璃板上的辐射元件。该玻璃板适于用作车窗。接地面被设置成基本上与辐射元件平行并与该辐射元件隔开。接地面形成了隙缝，该隙缝具有第一腿部和第二腿部，该第一和第二腿部一般彼此垂直从而形成十字形。辐射元件和接地面夹着电介质层。馈线被设置在电路板上，该电路板固定到接地面，从而使得馈线与接地面绝缘。馈线穿过隙缝的中心点。专利‘645的天线占据了玻璃板的相当大的面积，从而妨碍了车辆司机的视线。
专利‘144公开的一种天线包括辐射元件。该辐射元件形成了隙缝，该隙缝包括第一腿部和第二腿部，该第一和第二腿部一般彼此垂直从而形成十字形。第一和第二腿部的长度和/或宽度是不等的，从而使天线具有圆极性。接地面(ground plane)被设置成基本上平行于所述第一导电层并与第一导电层隔开。辐射元件和接地面夹着至少一个电介质层。多个孔将第一导电层电气连接到第二导电层。馈线设置在所述至少一个电介质层内，并基本平行于所述导电层。馈线被设置成相对于隙缝的腿部成45°角，并横过十字形的中心。专利‘144的天线没有与车窗整合在一起。
如果用作车窗，玻璃的特性，特别是钠钙硅(soda-lime-silica)汽车玻璃的特性，和这种玻璃的角度设置对天线与车窗的有效整合提出了挑战。对于由于天线与车窗整合所引起的视线妨碍的程度，汽车制造商提出了严格的要求。至今，与汽车玻璃整合的天线在接收SDARS信号方面的性能仍然让人失望。因此，存在着发明一种有助于接收来自卫星的圆极化RF信号的良机。特别地，存在着需要高性能天线的良机，当与汽车玻璃整合时，这种天线不会产生显著的视觉阻碍并仍能保持最佳的接收性能。
发明内容
本发明提供一种天线，该天线包括辐射元件。该辐射元件形成一个隙缝，该隙缝具有彼此一般垂直的第一腿部和第二腿部。所述隙缝的第一和第二腿部形成十字形的周缘，该十字形具有中心点。接地面(groundplane)被设置成基本上平行于所述辐射元件并与所述辐射元件隔开。电介质被夹在所述辐射元件和所述接地面之间并具有边缘。电传导馈线具有远端，并从所述电介质的边缘开始在所述电介质内延伸。所述馈线在没有到达隙缝的中心点处终止于远端。
本发明的天线结构在接收圆极化RF信号时提供了极好的性能特性。这些特性包括高辐射增益、低轴比、和高辐射效率。本发明的天线可以与车窗整合。因此，天线与车窗基本上是共形的，并且相对紧凑，占据车窗的面积较小，而仍能在接收圆极化RF信号时提供高性能。因此，对于汽车制造商和车辆驾驶人员而言这种天线都是希望得到的。
如同通过结合附图参考以下详细的描述可以更好地理解本发明的这些优点，本发明的其它优点也应该更容易领会，其中图1是一种具有天线的车辆的透视图，该天线由车辆的玻璃板支撑；图2是所述天线优选实施例的俯视图，示出了馈线和矩形的辐射元件，该辐射元件形成了十字形隙缝，该隙缝具有平行于辐射元件侧边的腿部；图3是所述天线优选实施例沿着图2中的线3-3剖开的剖面图，示出了玻璃板、辐射元件、电介质、馈线、和接地面(ground plane)；图4是所述天线第一可以选择的实施例的俯视图，示出了圆形的辐射元件和馈线，该辐射元件形成了十字形的隙缝；图5是天线第二可以选择的实施例的俯视图，示出了矩形的辐射元件和馈线，该辐射元件形成了十字形的隙缝，该隙缝的腿部与辐射元件的侧边成45°角；图6是方块图，示出了天线，该天线具有连到放大器的馈线和连到接收机或接收器的放大器；图7是曲线图，示出了针对天线优选实施例的左手圆极化信号的增益对频率的曲线；图8是曲线图，示出了针对天线优选实施例的轴比对频率的曲线；和图9是曲线图，示出了针对天线优选实施例的辐射效率对频率的曲线。
具体实施例方式
参考附图，其中相同的数字指示几个视图中相同的部件，天线总体用10来表示。在优选实施例中，天线10用来接收来自卫星的圆极化射频(RF)信号。本技术领域的普通技术人员能够认识到，天线10可以用来传送圆极化RF信号。具体地，优选实施例中的天线10接收类似卫星数字音频无线电业务(Satellite Digital Audio Radio Service，SDARS)提供者产生的左手圆极化(lefthand circularly polirized，LHCP)RF信号，例如XM卫星无线电或SIRIUS卫星无线电。然而，应该理解的是，天线10也可以接收右手圆极化(RHCP)RF信号。而且，天线10也可以用来传送或接收线性极化RF信号。
参考图1，天线10优选地与车辆14的车窗12整合在一起。这个车窗12可以是后车窗(后窗玻璃))、前车窗(前挡风玻璃)、或车辆14的任何其它车窗。天线10也可以用于其它与车辆14完全分离的情形，例如在建筑物上或与无线电接收器整合。车窗12包括至少一个不导电板18。术语“不导电”指的是一种材料，例如绝缘体或电介质，该材料在以不同的电势放置到导体之间时，仅允许小或可以忽略的与所加电压同相的电流流过该材料。通常，不导电材料具有纳西门子/米(nanosiemens/meter)数量级的电导率。
在该优选实施例中，不导电板18被实施为至少一个玻璃板16。当然，车窗12可以包括不只一个玻璃板16。本技术领域普通技术人员可以认识到，汽车车窗12，特别是前挡风玻璃，可以包括两个玻璃板16，这两个玻璃板夹着一层聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。
玻璃板16优选地是汽车玻璃，更优选地是钠钙硅玻璃。玻璃板16的厚度在1.5到5.0毫米之间，优选地为3.1毫米。玻璃板16具有的相对电容率在5到9之间，优选地为7。然而，本技术领域普通技术人员可以认识到的是，不导电板18可以由塑料、纤维玻璃、或其它合适的不导电材料制成。
仅为了描述起见，本发明以下的内容仅针对最优选的不导电板18，即，汽车玻璃板16。这不应该理解成是限制性的，因为，如以上指出的那样，天线10可以用不导电板18而不是玻璃板16来实施。
现在参考图2和图3，玻璃板16作为天线10的天线罩。即，玻璃板16保护天线10的其它组件，如以下详细描述的那样，不受湿气、风、灰尘等车辆14外部环境的影响。
优选实施例中的天线10包括设置在玻璃板16上的辐射元件20。辐射元件20通常也被本领域普通技术人员称作“平板”或“平板元件”。辐射元件20是由导电材料形成的。优选地，辐射元件20包括银浆或胶(silverpaste)作为导电材料，该材料直接设置在玻璃板16上并由本领域技术人员已知的焙烧技术来硬化。可以选择地，辐射元件20可以包括平金属板，例如铜或铝，该金属板用粘合剂被粘合到玻璃板16上。
如果实施在车辆14的车窗12上，天线10的尺寸可以尽量地小以避免引起对车辆14司机的视线妨碍。在该优选实施例中，如图2所示，辐射元件20是矩形，更优选地是方形。为解决视线妨碍问题，优选辐射元件20的每侧都小于42毫米。进一步优选地是，辐射元件20的每侧都在35毫米和37毫米之间的范围内。因此，辐射元件20将占据车窗12的大约1,300平方毫米的小区域。应该理解的是，附图不必是按比例绘制的。在该优选实施例中，所需频率大约为2,338兆赫(MHz)，对应XM卫星无线电所用的中心频率。因此，辐射元件20每侧的尺寸应该设置成能够优化在2,338兆赫频率下的性能。在第一个可以选择的实施例中，如图4所示，辐射元件20是圆形，其直径小于42毫米。当然，本技术领域的普通技术人员可以认识到，可以实施辐射元件20的各种形状和尺寸以获得天线10类似的性能结果。
再参考图2，辐射元件20形成了隙缝22，该隙缝具有大致彼此垂直的第一腿部24和第二腿部26。隙缝22形成的十字形周缘具有中心点。隙缝22优选地位于辐射元件20内的中心。
在该优选实施例中，隙缝22的第一腿部24具有第一长度L1，隙缝22的第二腿部26具有第二长度L2。第一长度L1不等于第二长度L2。十字形隙缝22的不等长度L1和L2为辐射元件20提供了圆极化从而可以接收来自卫星的圆极化RF信号。本技术领域普通技术人员可以认识到的是，每个腿部24、26也为辐射元件20提供了线性极化从而可以接收线性极化RF信号。隙缝22腿部24、26的精确长度L1、L2是由天线10的所需频率范围、回波损耗、和轴比确定的。为在该优选实施例中2,238兆赫频率下的优化起见，第一长度L1在13.1毫米和15.1毫米之间的范围内，第二长度L2在7.6毫米和9.6毫米范围之间。每个腿24，26的宽度也优选在1毫米和3毫米之间的范围内。当然，其它范围的腿部24、26的尺寸也适于产生圆极化并适于天线10的恰当运行，这取决于天线10的所需运行频率范围、回波损耗、和轴比。另外，本技术领域普通技术人员能够认识到的是，除了具有不等长度腿部24、26的十字形隙缝22外，也可以实施其它产生圆极化的技术。例如，圆极化也可以由具有第一宽度W1的第一腿部24和具有不等于第一宽度W1的第二宽度W2的第二腿部26产生，而第一和第二长度大致相等。
在该优选实施例中，辐射元件20是矩形，隙缝22腿部24、26中的每个都大致平行于辐射元件20的两个侧边。当然，腿部24、26相对于辐射元件20侧边的其它取向也是可以的。例如，在图5所示的第二个可选实施例中，腿部24、26相对于辐射元件20的每个侧边大致成45°的角。
再参考图3，天线10进一步包括接地面28。接地面28被设置成大致平行于辐射元件20并与辐射元件20隔开。接地面28是由导电材料制成的。在该优选实施例中，接地面28是矩形的。为了匹配辐射元件20的尺寸，优选地是接地面28的每个侧边都大约为36毫米。进一步优选地是，辐射元件20和接地面28彼此相对于中心设置。这种类似的尺寸和取向防止对车辆14司机额外的视线阻碍。然而，本技术领域普通技术人员能够认识到的是，接地面28可以具有可以选择的尺寸和形状。特别地，在惯常实践中接地面28的面积大于辐射元件20的面积。
天线10也包括电介质基底30。电介质基底30夹在辐射元件20和接地面28之间。电介质基底30呈现出边缘31。电介质基底30由不导电材料形成，从而使辐射元件20与接地面28绝缘。因此，辐射元件20和接地面30没有用导电材料进行电连接。本领域普通技术人员可以认识到该电介质基底30可以是空气。
在该优选实施例中，电介质基底30被设置成与辐射元件20和接地面28接触。当然，电介质基底30可以夹在辐射元件20和接地面28之间而不直接接触到辐射元件20和/或接地面28。而且，电介质基底30可以延伸超过辐射元件20和接地面28所确定的区域，只要至少一部分电介质基底30在辐射元件20和接地面28之间。
优选地是，电介质基底30所具有的电介质基底厚度大约为3.2毫米。进一步优选地是，电介质基底30所具有的相对电容率(permittivity)大约为2.6。然而，本领率普通技术人员可以认识到，电介质基底30可以具有其它的尺寸和/或相对电容率。而且，电介质基底30可以由多个层或区域构成。这些层或区域中每层或区域的相对电容率可以彼此相同或彼此不同。
天线10也包括导电馈线32。馈线32是传输器件，优选地其电磁耦合到辐射元件20和接地面30。术语“电磁耦合”如在本技术领域中使用的那样，指的是馈线32不直接接触到辐射元件20。在本发明中，馈线32的走向大致平行于辐射元件20和接地面30。然而，本技术领域普通技术人员可以认识到的是，馈线32可以直接连到辐射元件20，即，馈线32可以直接接触辐射元件20。
馈线32包括在电介质基底30中从电介质基底30边缘31开始延伸的远端34。馈线32在没有到达隙缝22的中心点处终止于远端34。优选地，远端34终止的位置离隙缝22的中心点的距离小于12毫米。更优选地，馈线32终止的位置离隙缝22的中心点的距离大约为2毫米。在优选的实施例中，馈线32是矩形的，宽度大约为4.5毫米。同样优选地是，馈线32被设置成相对于隙缝22的腿部成大约45°的角从而可以恰当地产生天线10的圆极化。本技术领域的普通技术人员应该认识到的是，也可以实施馈线32的可以选择的尺寸，这取决于天线10的所需用途。而且，为了调谐的目的可以改变馈线32的尺寸，即，使天线10的输入阻抗与连到天线10的传输线匹配。
参考图6，天线10也可以包括放大器36，该放大器电连接到馈线32用于放大天线10接收的信号。放大器36放大由天线10接收的RF信号并提供放大的信号。放大器36优选地是低噪声放大器(LNA)36，例如那些本技术领域普通技术人员熟知的。LNA 36通常与接收机38连接，该接收机38用于接收放大的信号。然后，接收机38处理放大的信号并向扬声器40提供音频信号。
在优选的实施例中，如以上描述的那样，馈线32不延伸超过隙缝22的中心点。这就对天线10的额外辐射增益和其它的性能特性具有显著的贡献。参考图7，如在优选实施例中实施的那样，天线10在所需的2,338兆赫的频率下提供6.7dBic LHCP的增益。优选实施例的天线10也在2,338兆赫下提供0.8dB的轴比，如图8中所显示的那样。天线10在2,338兆赫下提供25.4dB的回波损耗。此极佳的回波损耗为天线10提供了99％的效率，如图9所示。本技术领域普通技术人员意识到的是天线10的效率与由天线接收并实际传送到放大器36的RF信号的比例有关。所示的效率曲线也显示天线10，如在优选实施例中实施的那样，可以在中心为大约3,550兆赫的第二频带下具有良好的性能。如以上引用的性能特性所示的那样，天线10不仅在2,338兆赫下呈现极好的圆极化，而且在这个频率下也提供了线性极化。因此，天线10呈现出双频带(dual-band)天线的特性。
罩42，如图3所示，也可以固定到玻璃板16从而封装接地面28、辐射元件20、和电介质基底30。罩42保护天线10不受灰尘、脏物、污染物、意外破裂等的影响，也为天线10提供了更加美观的外表。
优选实施例中的玻璃板16，如以上所述的，优选地具有的相对电容率为7。因此，玻璃板16影响天线10的性能特性。本技术领域普通技术人员能够理解的是，在可以选择的实施例中天线10可以改变(或调谐)以用于类似的性能，其中不导电板18可以是除了玻璃板16之外的材料。
多个天线10可以实施成分集式天线10系统的一部分。例如，优选实施例中的车辆14可以包括在前挡风玻璃上的第一天线10和在后窗玻璃上的第二天线10。这些天线10可以每个都具有各自的LNA 36，该LNA电连接到车辆14中的接收机。本技术领域普通技术人员可以认识到的是，可以用若干种处理技术来获得分集式接收。在一种这样的技术中，开关被用来选择天线10，而该天线正接收来自卫星的最强RF信号。
明显地，在以上技术构思下本发明的各种变型和变动都是可能的。本发明可以实施成不象以上具体描述的那样，只要在所附权利要求的范围内即可。
权利要求
1.一种具有整合天线的车窗，所述车窗包括不导电板；置于所述不导电板上的辐射元件；所述辐射元件形成隙缝，该隙缝具有第一腿部和第二腿部，该第一和第二腿部大致彼此垂直从而形成十字形的周缘；接地面，其被设置成大致上平行于所述辐射元件并与所述辐射元件隔开；电介质基底，其夹在所述辐射元件和所述接地面之间，用于将所述辐射元件与所述接地面隔离；和导电馈线，其置于所述电介质基底内。
2.如权利要求1所述的车窗，其中，所述隙缝具有中心点，所述电介质基底具有边缘，而且所述馈线包括远端。
3.如权利要求2所述的车窗，其中，所述馈线从所述电介质的所述边缘开始在所述电介质内延伸，在没有到达所述隙缝的所述中心点处终止于所述远端。
4.如权利要求1所述的车窗，其中，所述不导电板进一步限定为汽车玻璃。
5.如权利要求2所述的车窗，其中，所述远端终止的位置离所述隙缝的所述中心点的距离小于12毫米。
6.如权利要求5所述的车窗，其中，所述远端终止的位置离所述隙缝的所述中心点的距离大约为2毫米。
7.如权利要求1所述的车窗，其中，所述馈线是矩形的。
8.如权利要求7所述的车窗，其中，所述馈线被设置成相对于隙缝的所述腿部成大约45°的角。
9.如权利要求1所述的车窗，其中，所述隙缝的所述第一腿部具有第一长度，所述隙缝的所述第二腿部具有第二长度，所述第一长度不等于所述第二长度以产生圆极化。
10.如权利要求1所述的车窗，其中，所述隙缝的所述第一腿部具有第一宽度，所述隙缝的所述第二腿部具有第二宽度，所述第一宽度不等于所述第二宽度以产生圆极化。
11.一种天线，其包括辐射元件；所述辐射元件形成隙缝，该隙缝具有第一腿部和第二腿部，该第一和第二腿部大致彼此垂直从而形成十字形具有中心点的周缘；接地面，其被设置成大致上平行于所述辐射元件并与所述辐射元件隔开；电介质基底，其夹在所述辐射元件和所述接地面之间并具有边缘；和导电馈线，其具有远端，并从所述电介质基底的所述边缘开始在所述电介质基底内延伸，在没有到达所述隙缝的所述中心点处终止于所述远端。
12.如权利要求11所述的天线，其中，所述远端终止的位置离所述隙缝的所述中心点的距离小于12毫米。
13.如权利要求12所述的天线，其中，远端终止的位置离所述隙缝的所述中心点的距离大约为2毫米。
14.如权利要求11所述的天线，其中，所述馈线是矩形的。
15.如权利要求14所述的天线，其中，所述馈线被设置成相对于隙缝的所述腿部成大约45°的角。
16.如权利要求11所述的天线，其中，所述隙缝的所述第一腿部延伸到第一长度，所述隙缝的所述第二腿部延伸到第二长度，所述第一长度不等于所述第二长度以产生圆极化。
17.如权利要求11所述的天线，其中，所述隙缝的所述第一腿部具有第一宽度，所述隙缝的所述第二腿部具有第二宽度，所述第一宽度不等于所述第二宽度以产生圆极化。
18.如权利要求11所述的天线，进一步包括电连接到所述馈线的放大器，以放大所述天线接收到的信号。
19.如权利要求11所述的天线，其与不导电板结合，其中所述辐射元件置于所述不导电板上。
全文摘要
一种用于接收和/或传输圆极化和/或线性极化RF信号的天线，其包括辐射元件、接地面、电介质基底、和馈线。辐射元件置于玻璃板上。辐射元件形成有隙缝，该隙缝具有第一腿部和第二腿部，它们形成十字形以产生圆极化和/或线性极化。十字形隙缝包括中心点。接地面被设置成大致上平行于辐射元件并与辐射元件隔开。电介质基底夹在辐射元件和接地面之间。馈线在电介质基底中延伸并电磁耦合到辐射元件和接地面。馈线在没有到达隙缝的中心点处终止于远端。即，馈线不与中心点交叉。该天线尺寸紧凑而且大致与玻璃板共形。
文档编号H01Q13/10GK1797845SQ20051013232
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月29日
发明者Q·李, W·维拉罗尔 申请人:Agc汽车美洲研发公司