車輛天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于安裝在車輛的窗戶上的RF天線系統(tǒng)，包括外部和內(nèi)部窗戶可安裝部分。第一和第二部分包括RF耦合部分（4）和電源耦合部分（6），RF耦合部分（4）用于電感地耦合從天線（20）接收到的RF信號(hào)，電源耦合部分（6）用于向用于放大接收到的RF信號(hào)的外部放大部分52提供外部電力。該系統(tǒng)還包括至金屬墊片（18）的電連接（16），金屬墊片（18）被磁性固定至車輛的車頂并電連接至車輛的車頂，從而該車頂通過金屬墊片至車輛車頂?shù)碾娙蓠詈蟻頌樘炀€提供接地板。
【專利說明】車輛天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適合于裝配至諸如汽車的機(jī)動(dòng)車輛的無線天線，尤其涉及一種能夠使用位于車輛內(nèi)的數(shù)字音頻廣播(DAB)接收器接收DAB傳輸?shù)奶炀€。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字音頻廣播(DAB)如今在英國和其它各歐洲國家被完善地建立，并且正在世界各地的其它國家中更好地建立。人們期望的是，在幾年之后，在DAB建立起來的國家中將關(guān)閉FM的傳播。
[0003]許多機(jī)動(dòng)車輛裝配有FM/AM無線電接收器并且具有只能夠接收用于這些頻率的信號(hào)的天線，例如，F(xiàn)M頻率信號(hào)在87.5MHz至108MHz頻帶之間。DAB通過兩種頻帶傳播，頻帶3是174MHz至240MHz，并且頻帶L是1452MHz至1490MHz。由于不同的頻帶，如果在車輛內(nèi)的無線接收器從FM/AM被升級(jí)為DAB接收器，則該車輛需要不同的天線來接收信號(hào)。用于后市的裝配至車輛的幾種不同天線已經(jīng)被提出，但是所有都具有缺陷。
[0004]擋風(fēng)玻璃膜天線是印刷在貼在車輛的擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的塑料膜上的天線，并且可以是有源天線或無源天線。雖然這些從審美上進(jìn)行了周全的考慮，但是遭受主要因?yàn)槠浒惭b在車輛的擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)而引起的性能問題。由于安裝位置，其遭受來自車頂和車輛的其余結(jié)構(gòu)的遮蔽，這將導(dǎo)致標(biāo)稱性能的降低并且仍依賴于車輛對(duì)于發(fā)射器的方向而進(jìn)一步的降低。此外，一些擋風(fēng)玻璃具有反射UV或強(qiáng)光的涂料，并且這些涂料本身可能影響裝配至擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的天線的接收。
[0005]磁座天線(Magmountantenna)通常被安裝在車輛的車頂。其具有單極結(jié)構(gòu)，并且其天線座是磁體并因此磁吸至車頂。天線位于在車頂輪廓線上方的位置使其具有良好的性能。然而，天線需要同軸電纜來連接至車輛內(nèi)部的無線電接收器，并且這將需要通過窗封條或在車輛的車身中打洞的一些布線。
[0006]外部玻璃座天線安裝在車輛的外部，并且因此位于車頂輪廓線的上方，這使其有了良好的全方向性能。然而，如果要提供良好的性能，結(jié)構(gòu)中的單極天線需要接地層，尤其是覆蓋了寬頻帶的頻帶3接收。由于當(dāng)耦合經(jīng)過玻璃的信號(hào)時(shí)招致了信號(hào)的損耗，因而會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的性能的降低。由于在該損耗前沒有信號(hào)的放大，這影響了接收器的敏感度，并且接收到的信號(hào)的信噪比(SNR)將會(huì)受損(compromise)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一種車輛天線被描述，該車輛天線可以被改進(jìn)，具有適合使用非侵入裝置接收RF信號(hào)(例如DAB)的寬帶寬，并且將由車輛車頂和其它結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的天線遮蔽最小化；其通過電容耦合至車輛車頂向天線提供足夠大的接地板，并且通過接收到的信號(hào)的外部放大器將經(jīng)過窗戶的耦合損耗最小化。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式被提供。
[0009]在實(shí)施方式中，來自天線的RF信號(hào)通過安裝在窗戶上的電感耦合網(wǎng)絡(luò)而被電耦合。實(shí)施方式還包括耦合以為天線信號(hào)的外部放大器供電。
[0010]現(xiàn)在實(shí)施方式將參照附圖以實(shí)施例的方式被詳細(xì)描述，其中:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1示出了天線系統(tǒng)的電氣圖；
[0012]圖2示出了安裝在車輛窗戶上的天線系統(tǒng)的機(jī)械和電氣布局；
[0013]圖3示出了有和沒有電容耦合的接地板的天線的Sll頻率響應(yīng)的性能曲線圖；以及
[0014]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的天線比較于其它天線布局的信噪比響應(yīng)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0015]于此存在多個(gè)下文描述的示例所致力解決的條件。
[0016]首先，可以期望的是，安裝在車輛上的單極天線應(yīng)具有接地層來使其實(shí)現(xiàn)全帶寬、效率以及所需的全方向性能。理想地，接地層的面積應(yīng)比在每個(gè)方向上接收到的信號(hào)頻率的波長大1/4。例如，對(duì)于DAB接收，這大致等同于1.2m2的面積。標(biāo)準(zhǔn)的車輛的車頂大于這個(gè)面積，因此作為用于DAB頻率接收的接地層工作良好。已經(jīng)有了可用的經(jīng)由玻璃天線系統(tǒng)，但是現(xiàn)有的系統(tǒng)不通過電容地耦合至車頂以使用車頂來作為接地層。
[0017]其次，可以期望的是，將天線放置于車輛的外部并且放置在車頂輪廓線上方而不必在車輛的車身鉆孔或不必獲得對(duì)車輛的配線的通路。
[0018]第三，可以期望使用粘合劑配件以具有穿過窗戶的RF耦合，并且向連接至在窗戶外側(cè)上的天線的低噪音放大器(LNA)提供DC電力。LNA的使用保證了 RF信號(hào)耦合損耗不影響接收到的信號(hào)的SNR。優(yōu)選地使用穿過窗戶的電感電源耦合來提供電力。
[0019]圖1的框圖示出了天線的電氣布置。車輛的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的信號(hào)傳遞是經(jīng)由兩個(gè)電感耦合(4)和(6)來通過諸如汽車擋風(fēng)玻璃(2)的車輛玻璃的。耦合(4)用于從外部天線和LNA部分接收信號(hào)，耦合(6)用于向位于單極天線(10)的低噪聲放大器(8)提供DC電力。電感耦合(6 )包括在車輛側(cè)的接收極低頻(VLF)信號(hào)的鐵氧體初級(jí)線圈，該初級(jí)線圈轉(zhuǎn)而在鐵氧體次級(jí)線圈內(nèi)生成在電感耦合外側(cè)的VLF信號(hào)。該AC信號(hào)時(shí)在向低壓差(LDO)調(diào)整單元(14)提供信號(hào)的整流單元(12)中被整流的DC，其中該LDO調(diào)整單元(14)濾去未整流的DC并且向低噪聲放大器(8)提供電壓整流過的DC信號(hào)。VHF濾波被提供并且屏蔽通過VLF耦合和振蕩器部分被提供以降低干擾和噪聲。
[0020]來自單極天線(10)的信號(hào)形成了至低噪聲放大器的輸入。低噪聲放大器在(15)處接地。RF部分的接地包括LAN (8)、匹配網(wǎng)絡(luò)(20)和天線(10)。該接地通過使用由橡膠包覆的柔性片銅帶(16)連接至天線裝配的磁體和金屬元件或墊片(18)而被電容地耦合至車輛的車頂。在這種實(shí)施方式中，金屬墊片由于車頂和磁體之間的磁吸力而附著至車頂。然而，在可替換實(shí)施方式中，該金屬墊片也可以不使用磁體而附著固定在車頂。在一種實(shí)施方式中，該金屬墊片包括0.3mm厚的表面積是15mm xl5mm的鐵片。
[0021]金屬墊片至少通過車輛車頂上提供的涂料薄層而與車頂絕緣，并且可選地通過敷至所述墊片的膠帶的薄層。如進(jìn)一步在下文中所描述的，該絕緣薄層導(dǎo)致在兩個(gè)平行金屬板(也就是金屬墊片和車頂)之間產(chǎn)生電容。[0022]由天線(10)接收的(例如)DAB信號(hào)通過低噪聲放大器(8)被放大并且通過匹配網(wǎng)絡(luò)(從LNA輸出(8)提供阻抗轉(zhuǎn)換)被提供至電感耦合(4)的外部。被提供的信號(hào)是VHF波并且這將會(huì)在電感耦合(4)的車輛側(cè)感應(yīng)對(duì)應(yīng)的VHF波。電感耦合(4)優(yōu)選地從在玻璃的外部和內(nèi)部的兩個(gè)彼此相對(duì)放置的印刷電路板(PCB)線圈被形成。這些線圈相互感應(yīng)并且與匹配網(wǎng)絡(luò)(24)和(20)形成匹配于50 Ω并且被調(diào)整以傳遞VHF頻帶3信號(hào)的雙口網(wǎng)絡(luò)(two port network)。低噪聲放大器保證了提供至電感耦合的信號(hào)在經(jīng)過耦合網(wǎng)絡(luò)而引起的任何明顯的損耗前具有增幅，因此向接收器提供了高信噪比。
[0023]從電感耦合(4)接收到的提供至匹配網(wǎng)絡(luò)(24)和車輛側(cè)電路的其他部分的信號(hào)被連接至接地線(22)，該接地線(22)在RF和DAB接收器處被連接至車輛地線(未示出)。
[0024]內(nèi)部L頻帶單極天線(29)向匹配網(wǎng)絡(luò)(28)提供由L頻帶低噪聲放大器(30)放大的信號(hào)，來自電感耦合(4)的頻帶L信號(hào)和頻帶3信號(hào)在RF組合器(31)中被組合。來自RF組合器的信號(hào)被提供至同軸電纜(32)，同樣在RF和DAB接收器處被連接至車輛地線(22)。
[0025]輸入電壓+Vcc (34 )為車輛側(cè)電路供電并且通過RF扼流器(36 )從同軸電纜(32 )被接收。其還為向電感耦合(6 )提供震蕩的振蕩器(38 )和放大器線圈驅(qū)動(dòng)(40 )供電以在電感耦合的外側(cè)產(chǎn)生電力。
[0026]在圖2中，天線系統(tǒng)的物理實(shí)施例的3d原理圖被示出。其中，將天線耦合至車輛車頂(44)轉(zhuǎn)而作為天線衡網(wǎng)(或接地板)的金屬墊片(18)被示出。在這種實(shí)施方式中，金屬墊片(18)通過直接位于車頂上方的磁體而被吸至車頂,從而該金屬墊片被夾在磁體和車輛車頂之間。金屬墊片(18)和磁體可以由膠布薄層而被附著“尾部”裝配中。在一個(gè)實(shí)施方式中，為了形成“尾部”裝配，金屬墊片(18)通過8cm長、Icm寬帶的覆蓋了橡膠的0.25mm厚的銅片被連接至外部耦合單元(48)。橡膠外層主要是為了美觀的原因。磁體和金屬墊片被吸至車頂，但是如上文中討論的，由于涂料薄層(以及可選擇的膠帶)在其中間形成了絕緣。
[0027]在耦合單元(48 )中RF耦合部分(56 )被提供至鄰近的電源耦合部分(50 )，該電源耦合部分(50)包括外側(cè)電感、整流單元(12)和調(diào)整單元(14)。該電源耦合向包括頻帶3低噪聲放大器(8)的RF增益部分提供DC電源(52)。同樣，物理地附加至單元的該部分是頻帶3單極天線(10)。其以可以由用戶改變的角度而被安裝在耦合單元上，從而當(dāng)該單元平躺靠于擋風(fēng)玻璃時(shí)該天線向上伸出至車輛車頂之上來改善全方向性能。
[0028]通過RF增益部分(54)從天線接收到的信號(hào)被提供至RF耦合部分(56)，該RF耦合部分(56)包括電感耦合(4)的外側(cè)。該電感耦合向內(nèi)部RF耦合部分(58)(包含電感耦合(4)的車輛側(cè))提供RF耦合。來自(4)的頻帶3信號(hào)流向RF部分，其中電感耦合(4)的阻抗匹配于RF組合器(31)的阻抗。由L頻帶天線(29)接收并且由L頻帶LNA (30)放大的頻帶L信號(hào)與在RF組合器(31)處的頻帶3信號(hào)疊加。接下來同軸電纜(32)向DAB接收器提供DAB或RF信號(hào)。該同軸電纜還提供用于對(duì)內(nèi)部屏幕安裝部分的電源耦合部分供電的DC電源(34)。
[0029]至車輛車頂?shù)碾娙蓠詈系脑敿?xì)解釋
[0030]通過由使用彼此相鄰放置的兩個(gè)導(dǎo)電板實(shí)現(xiàn)的電容耦合來連接至車輛車頂。一個(gè)板包括車輛車頂并且另一個(gè)可以是電連接至天線系統(tǒng)地線的金屬板(金屬墊片18)。
[0031]因?yàn)榭梢酝ㄟ^電容獲得在兩個(gè)導(dǎo)電板之間的在所需頻帶的低阻抗，處于RF頻率的電感耦合是足夠的，并且因此不需要導(dǎo)電電觸點(diǎn)或低DC電阻觸點(diǎn)?？梢酝ㄟ^Xc=l/2 π fc來計(jì)算電容耦合的阻抗。其中Xe是阻抗，f是頻率。低阻抗的示例可以是小于0.2 Ω并且在208MHz頻率時(shí)得到0.2 Ω所需的電容可以是4nF。因此，例如，對(duì)于頻帶3中的DAB信號(hào)需要被接收的系統(tǒng)，理想的電容值應(yīng)該比4nF大。
[0032]形成在相鄰的金屬表面之間的電容與最小板(在本情況中是金屬墊片)的表面積成比例并且與兩個(gè)表面之間的距離成反比。車輛車頂和金屬墊片之間的電容(C)可以通過C=ErEo A/d來計(jì)算。其中Er是絕緣材料(例如膠帶、涂料)的相對(duì)介電常數(shù)，Eo是自由空間的電容率(Permittivity)，A是導(dǎo)電板的表面積，d是導(dǎo)電板和車輛車頂之間的距離。電容的操作實(shí)施例可以是:
[0033]d (小)在?0.5mm
[0034]膠帶、涂料的相對(duì)電容率的Er，?3
[0035]自由空間的電容率的Εο8.8542-12
[0036]A=225mm2 (15x15mm)
[0037]Xc=3x8.8542-12x225mm2/0.5=11.95nF
[0038]通過使用具有定義了最小表面積的金屬墊片實(shí)現(xiàn)電容耦合。金屬墊片可以通過磁體連接或粘合劑連接而被固定在車頂，但是其它類型的非入侵型連接是可行的。
[0039]天線的效率與其接收(或傳輸)RF信號(hào)的能力直接相關(guān)，在接收器中，這與在接收器(或LNA)輸入處將接收到的無線信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能的能力相關(guān)。Sll參數(shù)被用于表明天線的能量轉(zhuǎn)換性能。理想的全方向天線可以在信號(hào)以正確角度入射天線時(shí)最好地接收信號(hào)，其中該正確角度是地面(ground based)廣播與垂直單極(或振動(dòng)簧片(whip))天線的正入射角(normal incidence angle)。當(dāng)用于車輛天線時(shí)，λ/4單極天線由于已知的良好的全方向性能而被選擇用于設(shè)計(jì)。天線元件應(yīng)該被垂直地放置在車頂輪廓線的上方，這將改善天線的全方向性能，因?yàn)樘炀€不會(huì)被車輛遮蔽，從而改善了對(duì)于從地面發(fā)射器傳輸?shù)男盘?hào)的接收。
[0040]單極天線是不平衡的偶極天線并且需要接地板(或天線衡網(wǎng))來作為天線的另一半。具有良好接地板的優(yōu)選λ/4單極應(yīng)該給出大概偶極天線一半的性能，接近37.5 Ω，這是容易匹配于50 Ω接收器的阻抗并因此可以使用簡單的低損耗匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3的圖表示出了單極天線的Sll頻率響應(yīng)，并且在標(biāo)記I和2之間，覆蓋了全頻帶3DAB信號(hào)范圍(174MHz至240MHz)的天線的標(biāo)準(zhǔn)化(至50 Ω )的阻抗可以被看到。曲線A示出了針對(duì)具有(電容耦合至)汽車車頂接地板的響應(yīng)，曲線B示出了沒有電容耦合至汽車車頂接地板的天線。可以看到的是，曲線A顯示了具有改善的反射系數(shù)的天線，并且因此在接收覆蓋了感興趣頻帶的信號(hào)上比B曲線有效很多。
[0041]為了將天線的性能最大化，接地板的面積應(yīng)該大于在感興趣頻帶中的每側(cè)上的波長的1/4。例如，在VHF DAB頻帶(被稱為頻帶3)中，中心頻率是?208MHz，對(duì)于208MHz波長是1.4m,并且因此1/4波長是35cm。標(biāo)準(zhǔn)的車輛車頂在每個(gè)方向上都大于1/4波長，并且因此作為用于VHF DAB頻帶的接地板運(yùn)行良好。從圖3中示出的使用接地板(例如汽車車頂)的λ /4單極的回波損耗(阻抗匹配)的Sll繪圖中可以看到，對(duì)于具有從174MHz至240MHz的寬頻帶的DAB接收，帶寬是極其重要的。接地板的尺寸改善包括阻抗、帶寬以及效率天線的方面，并且任何低于討論的最小值的接地板的減少會(huì)降低天線的整體性能。[0042]由于所需的電纜的長度可以具有相對(duì)高地電感并且不會(huì)有低阻抗連接，使用至作為接地板的車頂?shù)碾娙荼冗B接至汽車電池的負(fù)極終端更有效。
[0043]操作測(cè)試已經(jīng)被引進(jìn)來對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的具有耦合至車頂來提供接地板的天線和沒有耦合至車頂?shù)c其極其接近的天線進(jìn)行比較，并且還與具有配備至擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的玻璃天線上的膜的天線進(jìn)行比較。該測(cè)試的結(jié)果在圖4中被示出。其垂直軸示意了信噪t匕，其中100或更低的級(jí)別代表了沒能夠正確地接收DAB信號(hào)和復(fù)制音頻以及級(jí)別255是最大級(jí)別。每個(gè)增值50代表了 的信號(hào)級(jí)別的差值(其中6DB是接收到的能量的一半)。水平軸是隨著車輛行走路線的所經(jīng)歷時(shí)間。
[0044]圖4中的3條曲線是:
[0045]a)具有電容耦合至車頂?shù)拇┻^玻璃天線。
[0046]b)不具有耦合至車頂?shù)哂袠O其接近于車頂?shù)奈恢玫拇┻^玻璃天線。
[0047]c)配備至擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的玻璃天線上的膜
[0048]可以看到的是，不具有電容耦合至車頂?shù)耐ㄟ^玻璃天線的性能差并且在某一情況下降至100DB，這代表了沒能夠正確地接收DAB信號(hào)。因此很有可能這種性能是不可接受的。
[0049]至車頂?shù)碾娙蓠詈显谛旁氡壬辖o出了明顯的改善，其中在該特定路線上沒有降至200以下。玻璃天線上的膜示意了寬范圍的信噪比變低至接近100。因此清楚的是，至車頂?shù)碾娙蓠詈厦黠@地改善了對(duì)于DAB的接收的性能。
【權(quán)利要求】
1.一種安裝在車輛窗戶上的RF天線系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)包括用于安裝在窗戶外部的外部窗戶可安裝部分，其中該外部可安裝部分包括: 天線；以及 金屬元件，該金屬元件電連接至所述外部可安裝部分并且被放置為附著至車輛的車頂以及電容地耦合于所述車輛的車頂，從而提供用于所述天線的接地板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF天線系統(tǒng)，其中使用磁體將所述金屬元件放置為附著至所述車輛的車頂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述金屬元件包括片狀金屬墊片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述磁體被安裝在所述片狀金屬墊片上方并且被放置為將所述墊片保持在所述車頂。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的RF天線系統(tǒng)，所述RF天線系統(tǒng)包括提供于所述墊片上的絕緣材料層，以使所述墊片在附著至所述車頂時(shí)與所述車頂絕緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述絕緣材料包括膠帶。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述金屬元件通過柔性片狀金屬板被電連接至所述外部可安裝部分。
8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的RF天線系統(tǒng)，所述RF天線系統(tǒng)包括用于在窗戶的內(nèi)部安裝的內(nèi)部可安裝部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述內(nèi)部可安裝部分能夠安裝在所述外部可安裝部分的對(duì)面。
10.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述外部和內(nèi)部可安裝部分包括RF耦合部分，該RF耦合部分用于將從所述車輛的外部上的天線接收到的RF耦合信號(hào)電感地耦合至所述內(nèi)部部分
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的RF天線系統(tǒng)，所述RF天線系統(tǒng)包括電源耦合部分，該電源耦合部分用于從所述內(nèi)部部分向所述外部部分提供電力，以為在所述外部部分中的用于放大接收到的RF信號(hào)的放大部分供電。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述電源耦合部分包括所述內(nèi)部和外部部分中每個(gè)部分中的鐵氧體磁芯。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的RF天線系統(tǒng)，其中所述RF耦合部分包括所述內(nèi)部和外部部分中每個(gè)部分中的印刷電路板線圈。
14.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的RF天線系統(tǒng)，所述RF天線系統(tǒng)用于與DAB接收器一同使用。
15.一種實(shí)質(zhì)上如在此參照附圖所描述的RF天線系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H01Q1/32GK103460503SQ201280015791
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月7日
【發(fā)明者】C·弗倫奇, D·H·格里菲思, 付偉明 申請(qǐng)人:想象技術(shù)有限公司