嵌入宽带玻璃共面波导耦合器的制作方法

相关申请的交叉引用该申请要求2016年2月16日提交的名称为“embeddedbroadbandglasscoplanarwaveguidecoupler”的美国临时专利申请序列号62/295,845的优先权日的权益。本发明的背景本发明总体上涉及一种用于通过电介质衬底耦合天线信号的电磁耦合器，且更具体地涉及一种电磁耦合器，其在不同频带上操作并电磁地耦合在位于两个汽车玻璃板之间的天线和玻璃外侧的电路之间的天线信号。现有技术的讨论现代车辆使用不同且许多类型的天线以接收和发射针对不同通信系统的信号，诸如地面无线电(am/fm)、蜂窝电话、卫星无线电、专用近程通信(dsrc)、全球导航卫星系统(gnss)等等。此外，蜂窝电话正在扩展到4g长期演进(lte)，其要求两个天线以提供多输入多输出(mimo)操作。用于这些系统的天线通常安装到车辆的车顶以便提供最大接收能力。此外，许多这样的天线通常集成到安装到车辆车顶的公共结构和壳体中，诸如“鲨鱼鳍”型车顶安装的天线模块。随着车辆上天线数量的增加，需要以有效方式容纳所有天线并提供最大接收能力的结构的尺寸也增加，这妨碍了车辆的设计和风格。因此，汽车工程师和设计师正在寻找可能不妨碍车辆设计和结构的车辆上的其他合适区域来放置天线。这些区域的其中一个是车辆玻璃，诸如车辆挡风玻璃，其具有益处因为玻璃为天线形成良好的电介质衬底。例如，在现有技术中已知的是在车辆玻璃上印制am和fm天线，其中，印制天线与玻璃制成单件。然而，这些已知的系统通常受到限制，因为他们仅仅能放置在不需要通过玻璃观察的区域中的车辆挡风玻璃或其他玻璃表面中。由于腐蚀、磨损和其他因素，期望将天线定位在车辆挡风玻璃中的两个玻璃层之间，其将需要电气装置以允许由天线发射的信号能够被耦合到该装置和由天线接收的信号被耦合到玻璃层外至接收器电路并处于感兴趣的频带。技术实现要素：本发明公开并描述了一种电磁耦合器，其耦合用于定位在汽车挡风玻璃的玻璃层之间的宽带天线的天线信号。该耦合器包括形成在玻璃层的一侧上的第一共面波导(cpw)和形成在玻璃层的另一侧上的第二cpw，其中，第一和第二cpw是彼此的镜像的、或近似镜像的、且旋转180°的图像。第一和第二cpw二者都包括传导平面，其中，所述平面的移除部分限定电气地耦接到彼此的宽cpw部分和窄cpw部分，并且其中，传导平面的剩余部分是接地平面，并且其中，电磁信号通过宽cpw部分之间的玻璃层被耦合。其他解决方案如下：解决方案1.一种用于将电磁天线信号从玻璃衬底的一侧上的区域耦合到所述玻璃衬底的相对侧上的区域的电磁耦合器，所述耦合器包括：形成在所述衬底的所述一侧上并包括第一传导平面的第一共面波导(cpw)，所述第一cpw包括由所述第一平面的移除的金属部分在所述第一平面中限定的第一窄cpw部分和由所述第一平面的移除的金属部分在所述第一平面中限定的第一宽cpw部分，其中，所述第一窄cpw部分和所述第一宽cpw部分电气地耦接；和形成在所述衬底的所述相对侧上并包括第二传导平面的第二共面波导(cpw)，所述第二cpw包括由所述第二平面的移除的金属部分在所述第二平面中限定的第二窄cpw部分和由所述第二平面的移除的金属部分在所述第二平面中限定的第二宽cpw部分，其中，所述第二窄cpw部分和所述第二宽cpw部分电气地耦接。解决方案2.根据解决方案1所述的耦合器，其中，由限定所述第一宽cpw部分的所述第一平面的所述移除的金属部分形成的间隙具有基本上与所述第一窄cpw部分的宽度相同的宽度，且由限定所述第二宽cpw部分的所述第二平面的所述移除的金属部分形成的间隙具有基本上与所述第二窄cpw部分的宽度相同的宽度。解决方案3.根据解决方案1所述的耦合器，其中，所述第一窄cpw部分是形成在所述第一传导平面中的迂回部分，以便耦接到所述第一宽cpw部分的所述第一窄cpw部分的第一端相对于所述第一窄cpw部分的第二端定向成大约90°，并且其中，所述第二窄cpw部分是形成在所述第二传导平面中的迂回部分，以便耦接到所述第二宽cpw部分的所述第二窄cpw部分的第一端相对于所述第二窄cpw部分的第二端定向成大约90°。解决方案4.根据解决方案3所述的耦合器，其中，所述耦合器耦合在0.7-1.6ghz频带内用于长期演进(lte)天线、gps天线和全球导航卫星系统(gnss)天线中的一个或多个的电磁信号。解决方案5.根据解决方案1所述的耦合器，其中，所述第一和第二窄cpw部分是直的部分。解决方案6.根据解决方案5所述的耦合器，其中，所述耦合器耦合在1.7-2.6ghz频带内用于长期演进(lte)天线的电磁信号。解决方案7.根据解决方案5所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw包括延伸穿过所述第一和第二宽cpw部分的交指电容器。解决方案8.根据解决方案1所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw是彼此的镜像的、或近似镜像的、且旋转180°的图像。解决方案9.根据解决方案1所述的耦合器，其中，所述玻璃衬底是车辆挡风玻璃的外部玻璃层或内部玻璃层。解决方案10.根据解决方案1所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw中的一个或两个包括透明导体。解决方案11.一种用于将电磁天线信号从车辆挡风玻璃的外部玻璃层或内部玻璃层的内侧表面上的区域耦合到所述外部玻璃层或所述内部玻璃层的外侧表面上的区域的电磁耦合器，所述耦合器包括：形成在衬底的一侧上并包括第一传导平面的第一共面波导(cpw)，所述第一cpw包括由所述第一平面的移除的金属部分在所述第一平面中限定的第一窄cpw部分和由所述第一平面的移除的金属部分在所述第一平面中限定的第一宽cpw部分，其中，所述第一窄cpw部分和所述第一宽cpw部分电气地耦接，并且其中，所述第一窄cpw部分是形成在所述第一传导平面中的迂回部分，以便耦接到所述第一宽cpw部分的所述第一窄cpw部分的第一端相对于所述第一窄cpw部分的第二端定向成大约90°；及形成在所述衬底的相对侧上并包括第二传导平面的第二共面波导(cpw)，所述第二cpw包括由所述第二平面的移除的金属部分在所述第二平面中限定的第二窄cpw部分和由所述第二平面的移除的金属部分在所述第二平面中限定的第二宽cpw部分，其中，所述第二窄cpw部分和所述第二宽cpw部分电气地耦接，并且其中，所述第二窄cpw部分是形成在所述第二传导平面中的迂回部分，以便耦接到所述第二宽cpw部分的所述第二窄cpw部分的第一端相对于所述第二窄cpw部分的第二端定向成大约90°。解决方案12.根据解决方案11所述的耦合器，其中，由限定所述第一宽cpw部分的所述第一平面的所述移除的金属部分形成的间隙具有基本上与所述第一窄cpw部分的宽度相同的宽度，且由限定所述第二宽cpw部分的所述第二平面的所述移除的金属部分形成的间隙具有基本上与所述第二窄cpw部分的宽度相同的宽度。解决方案13.根据解决方案11所述的耦合器，其中，所述耦合器耦合在0.7-1.6ghz频带内用于长期演进(lte)天线、gps天线和全球导航卫星系统(gnss)天线中的一个或多个的电磁信号。解决方案14.根据解决方案11所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw是彼此的镜像的、或近似镜像的、且旋转180°的图像。解决方案15.根据解决方案11所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw中的一个或两个包括透明导体。解决方案16.一种用于将电磁天线信号从车辆挡风玻璃的外部玻璃层或内部玻璃层的内侧表面上的区域耦合到所述外部玻璃层或所述内部玻璃层的外侧表面上的区域的电磁耦合器，所述耦合器包括：形成在衬底的一侧上并包括第一传导平面的第一共面波导(cpw)，所述第一cpw包括由所述第一平面的移除的金属部分在所述第一平面中限定的第一窄cpw部分和由所述第一平面的移除的金属部分在所述第一平面中限定的第一宽cpw部分，所述第一cpw还包括延伸穿过所述第一宽cpw部分的第一交指电容器，其中，所述第一窄cpw部分和所述第一宽cpw部分电气地耦接，并且其中，所述第一窄cpw部分是直的部分；及形成在所述衬底的相对侧上并包括第二传导平面的第二共面波导(cpw)，所述第二cpw包括由所述第二平面的移除的金属部分在所述第二平面中限定的第二窄cpw部分和由所述第二平面的移除的金属部分在所述第二平面中限定的第二宽cpw部分，所述第二cpw还包括延伸穿过所述第二宽cpw部分的第二交指电容器，其中，所述第二窄cpw部分和所述第二宽cpw部分电气地耦接，并且其中，所述第二窄cpw部分是直的部分。解决方案17.根据解决方案16所述的耦合器，其中，由限定所述第一宽cpw部分的所述第一平面的所述移除的金属部分形成的间隙具有基本上与所述第一窄cpw部分的宽度相同的宽度，且由限定所述第二宽cpw部分的所述第二平面的所述移除的金属部分形成的间隙具有基本上与所述第二窄cpw部分的宽度相同的宽度。解决方案18.根据解决方案16所述的耦合器，其中，所述耦合器耦合在1.7-2.6ghz频带内用于长期演进(lte)天线的电磁信号。解决方案19.根据解决方案16所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw是彼此的镜像的、或近似镜像的、且旋转180°的图像。解决方案20.根据解决方案16所述的耦合器，其中，所述第一和第二cpw中的一个或两个包括透明导体。结合附图，本发明的额外特征将从以下描述和所附权利要求中变得显而易见。附图说明图1是示出车辆挡风玻璃的车辆的前视图；图2是示出车辆后窗玻璃的车辆的后视图；图3是天线系统的框图；图4是示出低波段电磁耦合器的车辆挡风玻璃的前视图；图5是示出图4的电磁耦合器的等距视图；图6是示出高波段电磁耦合器的车辆挡风玻璃的前视图；及图7是图6中所示电磁耦合器的等距视图。具体实施方式本发明的针对一种用于将天线信号耦合到在汽车玻璃的玻璃板之间的天线和耦合来自在汽车玻璃的玻璃板之间的天线的天线信号的电磁耦合器的实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，而且决不旨在限制本发明或其应用或用途。例如，本文中的讨论谈论适用于粘附到汽车玻璃的天线。然而，正如本领域技术人员所理解的，天线将应用于除汽车结构之外的其他电介质结构。如下面将详细讨论的，本发明提出了一种电磁耦合器，其耦合来自在例如汽车挡风玻璃的两个玻璃板之间形成的天线的天线信号或将天线信号耦合到在例如汽车挡风玻璃的两个玻璃板之间形成的天线。在一个具体实施例中，第一耦合器耦合在lte频带的高端(即，1.7-2.6ghz)中的信号，且第二耦合器耦合在lte频带的低端(即，0.7-1.0ghz)、gps频带(即，1.575ghz)和gnss频带(即，1.6ghz)中的信号。在一个实施例中，耦合器包括定位在挡风玻璃的周边上的耦合部分，其中，每个耦合部分的宽度被最小化以减少耦合器的可见区域。为了进一步减小耦合器的可见性，耦合器中的导体能够由透明传导材料制成。在其他实施例中，其可能未在本文中具体示出，耦合器尺寸的设计和/或嵌入的电感和电容元件被修改以优化在其他频带中的电磁耦合。此外，虽然所公开的耦合器的焦点是用于多层玻璃结构，但是本发明也适用于非透明衬底，诸如多层塑料表面，其中，天线结构(包括馈送结构)的导体可能由于多层组件而不能轻易接近。例如，在一些塑料组件中，可能存在不易接近的内表面。本文中讨论的耦合结构能够用来在多层结构之间提供电磁耦合。图1是车辆10的前视图，车辆10包括车体12、车顶14和挡风玻璃16，且图2是示出了后窗玻璃18的车辆10的后视图。图3是包括车辆挡风玻璃22的天线系统20的图示，其中，挡风玻璃22包括外部玻璃层、内部玻璃层和在它们之间的本领域技术人员众所周知的类型的pvb层。天线系统20还包括第一天线24和第二天线26，其可以是4gmimo蜂窝天线组件的一部分，其中，天线24可以在lte频带的高端(即，1.7-2.6ghz)中操作，且天线26可以在lte频带的低端(即，0.7-1.0ghz)中操作。天线24和26设置在内部或外部玻璃层之一的内表面上或在pvb层的表面中的一个表面上，使得它们被封装在挡风玻璃22中，其中，至天线24和26的直接馈线是不可能的。如下面将详细讨论的，本发明提出使用具有设置在内部或外部玻璃层的外表面和优选地内部玻璃层的外表面之一上的部分的耦合器通过内部或外部玻璃层提供电磁耦合。在系统20中，为此目的设置用于天线24的电磁耦合器28并设置用于天线26的电磁耦合器30。设置在车辆10上某处的收发器34通过天线共用器32以本领域技术人员良好理解的方式提供信号给天线24和26或从天线24和26接收信号。图4是车辆挡风玻璃40的一部分的前视图且图5是其等距视图，车辆挡风玻璃40包括外侧玻璃板42、内侧玻璃板44和夹在它们之间的pvb层46。在该非限制性实施例中，天线(在图4和5中未示出)，诸如天线26，设置在内侧板44的内侧表面上以便其在板44和pvb层46之间。然而，这是通过非限制性示例的方式，因为天线能够被构造在板44和42之间的任意内侧表面上，包括板44的内侧表面、pvb层46的一侧、pvb层46的另一侧，和板42的内侧表面。由于天线被构造在馈线不能直接连接到其的位置处，所以本发明通过玻璃板44使用天线信号的电磁耦合。为了提供电磁耦合，挡风玻璃40包括电磁耦合器50，其具有形成在内侧玻璃板44的内侧表面上的第一共面波导(cpw)52，和形成在内侧玻璃板44的外侧表面上的第二cpw70，其中，cpw52和cpw70是彼此的镜像的、或近似镜像的、且旋转180°的图像，如图所示。cpw52包括传导平面54、由其中金属已经从平面54移除的间隙58和60限定的窄cpw部分56、和由其中金属已经从平面54移除的间隙64限定的宽cpw部分62。在部分56和62外侧的传导平面54的那些区域是cpw52的接地部分。cpw70包括传导平面74、由其中金属已经从平面74移除的间隙78和80限定的窄cpw部分76、和由其中金属已经从平面74移除的间隙84限定的宽cpw部分82。在部分76和82外侧的传导平面74的那些区域是cpw70的接地部分。在cpw52和cpw70之间的电磁耦合通过在宽cpw部分62和82之间的玻璃板44发生。宽cpw部分62和82分别通过过渡区域过渡到窄cpw部分56和76，其中，窄cpw部分56和76的宽度分别与间隙64和84的宽度相同，以提供合适的阻抗匹配。叠置的宽cpw部分62和82的精确尺寸和放置以及对应的过渡部被优化以最小化在工作带宽上的插入损耗而同时最小化耦合器50的长度。窄cpw部分56和76迂回通过传导平面54和74并最终相对于它们的原始定向转90°，如图所示。由于更大的场约束，所以宽cpw部分62和82的宽度大于其长度，且能够使窄cpw部分56和76的总宽度比宽部分62和82的宽度小很多，且因此90°转向允许减小耦合器50的总宽度。用于窄cpw部分56和76以及宽cpw部分62和82二者的接地部分的宽度设定为是大约那些部分的宽度。窄cpw部分76能够直接连接到50ω同轴电缆(未示出)，其随后连接到天线共用器32。窄cpw部分56能够连接到挡风玻璃40内侧的cpw馈送天线。应当注意的是为增加挡风玻璃44的可见区域，cpw52、cpw70和/或天线能够由透明导体制造。合适的透明导体包括但不限于氧化铟锡(ito)、银纳米线、氧化锌(zno)等。还应当注意的是为增加挡风玻璃44的可见区域，天线和cpw52和70的所有或一些部分能够是金属网格。在一个实施例中，耦合器50预期在0.5-1.6ghz的频率范围内操作。为了提供该操作频率范围，图4中示出的尺寸a-1在表1中给出。表1图6是车辆挡风玻璃100的一部分的前视图且图7是其等距视图，车辆挡风玻璃100包括外侧玻璃板102、内侧玻璃板104和夹在它们之间的pvb层106。在该非限制性实施例中，天线(在图6和图7中未示出)，诸如天线24，设置在内侧板104的内侧表面上，以便其在板104和pvb层106之间。然而，这是通过非限制性示例的方式，因为天线能够被构造在板104和102之间的任意内侧表面上，包括板104的内侧表面、pvb层106的一侧、pvb层106的另一侧、和板102的内侧表面。由于天线被构造在其中馈线不能直接连接到其的位置处，所以本发明通过玻璃板104使用天线信号的电磁耦合。为了提供电磁耦合，挡风玻璃100包括电磁耦合器110，其具有形成在内侧玻璃板104的内侧表面上的第一cpw112，和形成在内侧玻璃板104的外侧表面上的第二cpw130，其中，cpw112和130是彼此的镜像的、或近似镜像的、且旋转180°的图像，如图所示。cpw112包括传导平面114、由其中金属已经从平面114移除的间隙118和120限定的窄cpw部分116、及由其中金属已经从平面114移除的间隙124限定的宽cpw部分122。在部分116和122外侧的传导平面114的那些区域是cpw112的接地部分。cpw130包括传导平面132、由其中金属已经从平面132移除的间隙136和138限定的窄cpw部分134、及由其中金属已经从平面132移除的间隙142限定的宽cpw部分140。在部分134和140外侧的传导平面132的那些区域是cpw130的接地部分。在cpw112和cpw130之间的电磁耦合通过在宽cpw部分122和140之间的玻璃板104发生。宽cpw部分122和140分别通过过渡区域过渡到窄cpw部分116和134，其中，窄cpw部分116和134的宽度分别与间隙124和142的宽度相同，以提供合适的阻抗匹配。在过渡区域前大约1mm处，交指电容器126被蚀刻到宽cpw部分122中且交指电容器144被蚀刻到宽cpw部分140，这形成两个行波谐振器，其通过叠置的宽cpw部分122和140电容地耦合到彼此，并因此改进耦合器110在期望频率范围内的传输带宽。窄cpw部分134能够直接连接到50ω同轴电缆(未示出)，其随后连接到天线共用器32。窄cpw部分116能够连接到挡风玻璃100内侧的cpw馈送天线。应当注意的是为增加挡风玻璃100的可见区域，cpw112、cpw130和/或天线能够由透明导体制造。合适的透明导体包括但不限于氧化铟锡(ito)、银纳米线、氧化锌(zno)等。还应当注意的是为增加挡风玻璃100的可见区域，天线和cpw112和130的所有或一些部分能够是金属网格。在一个实施例中，耦合器110预期在1.7-2.6ghz的频率范围内操作。为了提供该操作频率范围，图6中示出的尺寸a-1在表2中给出。表2a0.5mmb2.72mmc1.676mmd2mme2mmf0.5mmg1.5mmh25mmi1.676mmj17.1mmk10mml47mm以上讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。根据这样的讨论及根据附图及权利要求，本领域技术人员将容易意识到能够做出各种变化、修改和变型，而不脱离如在以下权利要求中所限定的本发明的精神和范围。当前第1页12