Компактная патч-антенна

Изобретение относится к компактным патч-антеннам, в частности для установки в транспортном средстве. Технический результат - меньшие размеры патч-антенны и высокая избирательность ширины пропускания на резонансной частоте. Для этого патч-антенна содержит питаемый электричеством полосковый излучающий элемент (1) и земляную плоскость (3). Полосковый излучающий элемент соединен с земляной плоскостью на первом конце (11) посредством металлического звена и на втором конце (12), противоположном первому концу, посредством переменного конденсатора (5). Патч-антенна также содержит печатную плату (2), нижняя поверхность которой составляет одно целое с земляной плоскостью (3), слой (6) диэлектрического материала, размещенный между полосковым излучающим элементом (1) и печатной платой (2); полосковый излучающий элемент (1), по существу, является параллельным земляной плоскости (3). Слой диэлектрического материала имеет относительную диэлектрическую постоянную в диапазоне от 3 до 6 и коэффициент потерь в диапазоне от 0,03 до 0,1. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к компактной патч-антенне.

Патч-антенны, также известные как прямоугольные микрополосковые антенны, известны в современном уровне техники. Они состоят из отдельного металлического листа, подвешенного над земляной плоскостью, и диэлектрической подложки, расположенной между земляной плоскостью и металлическим листом; причем антенная сборка обычно помещается в пластиковый кожух, который защищает антенну от возможных повреждений. Они используются в различных применениях, поскольку они имеют компактную и легкую конструкцию, низкий профиль, геометрию, конформную поверхностям, и, наконец, они легко сопрягаются со схемами подачи сигнала (которые могут содержать усилители, фильтры и/или делители мощности). К недостаткам относятся эффективность от средней до низкой (вследствие недорогих материалов), по существу узкий рабочий диапазон (вследствие резонансного режима работы) и вероятная возможность возбуждения поверхностных волн в подложке, которые являются источником паразитного излучения. Режим работы патч-антенны является резонансным, при этом резонансная частота главным образом зависит от формы и размеров печатной области и диэлектрической проницаемости подложки. Напротив, входной импеданс зависит от точки питания, при этом мода должна быть выбрана для питания антенны, которая принимает сигнал близко к точке, соответствующей желательному импедансу.

Металлический лист имеет длину, равную половине длины волны, если антенна используется на радиочастоте. Микрополосковые антенны имеют различные преимущества по сравнению с традиционными антеннами СВЧ-диапазона, поскольку они могут легко покрывать широкий диапазон частот типично от 100 МГц до 100 ГГц. Упомянутые антенны имеют малый вес, малый объем, высокую механическую устойчивость и низкую стоимость производства. Однако они имеют определенные недостатки, относящиеся к узкой полосе и довольно низкому коэффициенту усиления около шести децибел; полоса может быть увеличена за счет использования слоев диэлектрика с высокой проницаемостью, а коэффициент усиления может быть увеличен посредством использования микрополосковых антенных решеток.

Известно, что эффекты излучения микрополосковой линии значительно уменьшаются, если применяемая подложка является тонкой и имеет высокую проницаемость. По этой причине, когда должны быть обеспечены микрополосковые антенны с высокой эффективностью излучения, предпочтительны толстые подложки с низкой проницаемостью.

Длина листа строго определяет резонансную частоту и является критическим параметром при определении полосы; действительно, микрополосковая антенна имеет значительно меньшую ширину полосы по сравнению с обычной резонансной антенной. Увеличенная высота подложки и меньшая диэлектрическая постоянная могут увеличить ширину полосы, но это может привести к геометрическим параметрам, которые являются несовместимыми с выбранной степенью интеграции. В первом приближении резонансная частота обратно пропорциональна длине и квадратному корню относительной проницаемости диэлектрика. Поскольку ширина и длина реального листа имеют конечные размеры, поля на краях подвергаются воздействию краевого эффекта. Этот эффект обусловлен тем, что силовым линиям требуется проходить через неоднородную среду, состоящую из двух отдельных диэлектриков: подложки и воздуха.

Существуют другие патч-антенны, которые весьма часто используются для беспроводных передач, имеющие длину, равную 1/4 длины волны, и имеющие излучающий металлический лист, короткозамкнутый на земляную плоскость, такие как PIFA-антенны (планарные повернутые F-антенны).

Принимая во внимание уровень техники, задачей настоящего изобретения является обеспечить компактную патч-антенну, которая отлична от известных антенн. Антенна в соответствии с изобретением имеет меньшие размеры и предпочтительно высокую избирательность ширины пропускания на резонансной частоте.

В соответствии с настоящим изобретением упомянутая задача решается компактной патч-антенной, в частности для установки в транспортном средстве, содержащей питаемый электричеством полосковый излучающий элемент, земляную плоскость, с которой упомянутый полосковый излучающий элемент соединен на первом конце посредством металлического звена и на втором конце, противоположном первому концу, посредством переменного конденсатора, печатную плату, нижняя поверхность которой составляет одно целое с земляной плоскостью, слой диэлектрического материала, расположенный между полосковым излучающим элементом и печатной платой, причем упомянутый полосковый излучающий элемент по существу является параллельным упомянутой земляной плоскости, отличающейся тем, что упомянутый слой диэлектрического материала имеет относительную диэлектрическую постоянную в диапазоне от 3 до 6 и коэффициент потерь в диапазоне от 0,03 до 0,1.

Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания его практических вариантов осуществления, показанных в качестве неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:

Фиг. 1 - вид сверху компактной патч-антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе антенны по фиг. 1;

Фиг. 3 и 4 - диаграммы коэффициента усиления антенны по фиг. 1 согласно частоте;

Фиг. 5 - схематичный вид в разрезе компактной патч-антенны в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 6 - вид сверху компактной патч-антенны по фиг. 5;

Фиг. 7 - диаграмма коэффициента усиления антенны по фиг. 5 согласно частоте;

Фиг. 8 - автотранспортное средство, в котором установлена компактная патч-антенна по фиг. 1 или фиг. 5;

Фиг. 9 - более подробное представление компактной патч-антенны по фиг. 1 или фиг. 5, закрепленной на автотранспортном средстве.

На фиг. 1 и 2 показана компактная патч-антенна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Антенна содержит полосковый излучающий элемент антенны или микрополосок 1, предпочтительно имеющий длину равную 1/4 длины волны резонансной частоты, например частоты Fo=434 МГц. Упомянутый полосковый металлический элемент 1 соединен с землей GND на одном конце 11, а на противоположном конце 12 соединен с переменным конденсатором 5, соединенным с землей; причем упомянутый переменный конденсатор 5 регулируется для настройки резонансного контура антенны для резонанса на рабочей частоте.

Антенна содержит плоское основание 2 с печатной платой, полностью покрытая медью нижняя поверхность которой представляет собой земляную плоскость 3; полосковый металлический элемент 1 является параллельным земляной плоскости. Высота h антенны относительно земляной плоскости составляет около 7 мм; пространство между полосковым металлическим элементом 1 и земляной плоскостью 3 отчасти заполнено материалом печатной платы и отчасти диэлектрическим материалом 6 с подходящей диэлектрической постоянной и подходящим коэффициентом потерь. Диэлектрический материал 6, в частности пластик, приклеен к полосковому излучающему элементу 1 и к плоскому основанию 2 с печатной платой, за счет чего получают жесткую, прочную, плоскую конструкцию даже при наличии очевидных сильных механических вибраций, например, если антенна установлена в автомобиле.

Антенна содержит малый микрополосок 7, составляющий одно целое с полосковым металлическим элементом 1 и адаптированный для питания антенны; согласование импедансов также выполняется посредством микрополоска 7. В частности полосковый металлический элемент 1 содержит малую прямоугольную щель 15 со стороны конца 11, которая проходит по направлению к концу 12. Конец 14 щели представляет собой точку контакта между микрополоском 7 и металлическим элементом 1.

Геометрия компактной патч-антенны в соответствии с изобретением представляет собой прямоугольный тип, но таким образом, что металлический элемент 1 больше, чем диэлектрический слой 6, и меньше, чем печатная плата 2 с земляной плоскостью 3.

Слой 6 диэлектрического материала имеет относительную диэлектрическую постоянную _εr в диапазоне от 3 до 6, что позволяет уменьшить размер патч-антенны; действительно, может быть использован металлический полосковый элемент, имеющий длину, равную 1/4 длины волны, в то время как толщина антенны меньше, чем один сантиметр.

Более того, слой 6 диэлектрического материала имеет коэффициент потерь (тангенс угла потерь) tanδ_ε в диапазоне от 0,03 до 0,1, предпочтительно от 0,05 до 0,1, который позволяет увеличить ширину полосы для резонансной частоты антенны; т.е. позволяет настраивать ширину полосы на ее резонансную частоту без отрицательного воздействия на надлежащее функционирование антенны. В действительности с диэлектрическим материалом с тангенсом угла потерь tanδ_ε, меньшим, чем 0,03 (например, 0,01), была бы получена весьма критичная антенна, которую было бы сложно изготавливать и калибровать, и которая могла бы терять свою резонансную частоту в течение срока службы антенны. Не требуется, особенно в области техники автотранспортных средств или самоходных применений, чтобы ширина полосы относительно ее резонансной частоты была узкой, чтобы не ухудшать надлежащую работу антенны на протяжении лет; антенна с очень узкой полосой пропускания была бы критичной, и ее резонансная частота могла бы значительно измениться вследствие механических и тепловых нагрузок, встречающихся, например, в автотранспортных средствах. В частности выбор тангенса угла потерь tanδ_ε диэлектрического материала в пределах от 0,05 до 0,1 представляет разумное соотношение между необходимостью в антенне с шириной полосы такой, чтобы уменьшить количество нежелательных возмущений и сигналов, с одной стороны, и необходимостью в антенне, которая является простой в изготовлении и калибровке и в особенности имеет продолжительный срок службы, с другой стороны. Например, конкретными диэлектрическими материалами, которые могут быть использованы для заполнения пространства между металлическим элементом 1 и земляной плоскостью 3, является материал FR4 (эпоксидная смола, усиленная стекловолокном) с диэлектрической постоянной 4,7 и коэффициентом потерь 0,03 и в особенности материал PMMA (полиметилметакрилат) с диэлектрической постоянной 3,7 и коэффициентом потерь 0,06 или материал ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) с диэлектрической постоянной 3,5 и коэффициентом потерь 0,09.

Антенна проявляет резонанс при настройке на частоту в пределах между 300 мегагерц и 1 гигагерц, при этом диэлектрический материал позволяет настраивать ширину полосы так, чтобы она подходила для различных потребностей применений. Однако существует необходимость в ширине полосы по меньшей мере равной или большей, чем 15 МГц.

На фиг. 3 показаны диаграммы анти-усиления антенны AG и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), т.е. параметра, который в децибелах определяет отношение между максимальными и минимальными значениями напряжения стационарной картины волны в соответствии с частотой, если диэлектрик представляет собой материал PMMA; ширина полосы с центральной резонансной частотой Fo=434 МГц равна 15 МГц с коэффициентом усиления в несколько децибел.

На фиг. 4 показаны диаграммы анти-усиления антенны AG и КВСН в децибелах в соответствии с частотой, если диэлектрик представляет собой материал ABS; ширина полосы с центральной резонансной частотой Fo=434 МГц составляет 25 МГц с коэффициентом усиления в несколько децибел, но меньше, чем коэффициент усиления антенны по фиг. 3.

На фиг. 5 и 6 показана компактная патч-антенна в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Упомянутая антенна отличается от антенны на фиг. 1 и 2 наличием ПАВ-фильтра 20 с соответствующей схемой 21 согласования импедансов, связанной с малым микрополоском 7, который позволяет подавать питание к антенне.

ПАВ-фильтр 20 позволяет увеличить избирательность антенны, в частности, если антенна используется в автомобиле, при сохранении признаков механической стойкости и высокой надежности антенны, как показано на диаграмме анти-усиления антенны AG gj фиг. 7, с шириной полосы, имеющей центральную резонансную частоту Fo=434 МГц.

Антенна в соответствии с настоящим изобретением адаптирована для использования в системах передачи и приема данных для транспортных средств, предпочтительно для автотранспортных средств. Антенна прежде всего размещается внутри воздухонепроницаемого пластикового кожуха 200, который прикреплен к раме 201 автотранспортного средства 202, предпочтительно на внешней поверхности нижней части рамы 201 автотранспортного средства 202, в частности в центре 203 нижней части рамы 201, как показано на фиг. 8 и 9; пластиковый кожух 200 может быть прикреплен к раме 201 автотранспортного средства просто за счет винтов или болтов, которые взаимодействуют с отверстиями кожуха и с отверстиями, выполненными на внешней поверхности нижней части автотранспортного средства. Антенна главным образом конфигурирована для приема данных, передаваемых от конкретных передатчиков 300 давления в шинах 301, расположенных внутри шин; предпочтительно, упомянутые передатчики представляют собой передатчики, описанные в патентной заявке EP 1787831 того же заявителя. В частности, упомянутые передатчики связаны с клапанами шины, как изображено на чертежах в патентной заявке EP 1787831 и в ее описании; каждый передатчик 300 выполнен с возможностью осуществления модуляции по положению импульсов (РРМ) сигнала, указывающего давление в шине 301. Компактная патч-антенна в соответствии с настоящим изобретением адаптирована для приема сигналов импульсной модуляции от упомянутых передатчиков 300. Компактная патч-антенна в соответствии с изобретением соединена с приемником (не показан на чертежах), расположенным внутри автотранспортного средства, для демодулирования сигнала, принятого антенной.

1. Компактная патч-антенна, в частности для установки в транспортном средстве, содержащая питаемый электричеством полосковый излучающий элемент (1), земляную плоскость (3), с которой упомянутый полосковый излучающий элемент на первом конце (11) соединен посредством металлического звена и на втором конце (12), противоположном первому концу, посредством переменного конденсатора (5), печатную плату (2), нижняя поверхность которой составляет одно целое с земляной плоскостью (3), слой (6) диэлектрического материала, расположенный между полосковым излучающим элементом (1) и печатной платой (2), причем упомянутый полосковый излучающий элемент (1), по существу, является параллельным упомянутой земляной плоскости (3), отличающаяся тем, что упомянутый полосковый излучающий элемент (1) больше, чем слой (6) диэлектрического материала, и меньше, чем печатная плата (2), причем упомянутый слой (6) диэлектрического материала имеет относительную диэлектрическую постоянную в диапазоне от 3 до 6 и коэффициент потерь в диапазоне от 0,03 до 0,1, при этом диэлектрическим материалом слоя диэлектрического материала является один из следующего: материал FR4 (эпоксидная смола, усиленная стекловолокном), материал РИМА (полиметилметакрилат) или материал ABS (акрилонитрилбутадиенстирол).

2. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый полосковый излучающий элемент (1) имеет длину, равную 1/4 длины волны.

3. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый слой (6) диэлектрического материала имеет коэффициент потерь в диапазоне от 0,05 до 0,1.

4. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что высота антенны между полосковым излучающим элементом (1) и земляной плоскостью (2) меньше чем 1 см.

5. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что высота антенны между полосковым излучающим элементом (1) и земляной плоскостью (2) составляет по существу 7 мм.

6. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутый полосковый излучающий элемент (1) содержит щель (15), при этом упомянутая антенна содержит металлическое звено (7) для питания электричеством полоскового излучающего элемента (1), расположенное внутри упомянутой щели (15) и контактирующее с внутренним краем (14) упомянутой щели (15).

7. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит металлическое звено (7) для питания электричеством полоскового излучающего элемента (1), соединенное с одним концом (14) полоскового излучающего элемента (1), и ПАВ-фильтр (20) с соответствующей схемой (21) согласования импедансов, подсоединенной между упомянутым концом (14) полоскового излучающего элемента (1) и упомянутым металлическим звеном (7).

8. Компактная патч-антенна по п. 1, отличающаяся тем, что антенна конфигурирована для проявления резонанса при настройке на частоту в диапазоне от 300 МГц до 1 ГГц.

9. Транспортное средство, содержащее раму (201) и по меньшей мере одну пару колес, снабженных шинами (301), причем по меньшей мере одна шина снабжена передатчиком (300) сигнала, указывающим давление в шине, при этом упомянутое транспортное средство содержит устройство для приема по меньшей мере одного сигнала, излученного от упомянутого по меньшей мере одного передатчика, при этом упомянутое приемное устройство содержит антенну (200), отличающееся тем, что антенна соединена с рамой (201) транспортного средства и антенна является компактной патч-антенной, как определено в любом из предшествующих пунктов.

10. Транспортное средство по п. 9, отличающееся тем, что упомянутая антенна соединена с внешней поверхностью нижней части рамы транспортного средства.

11. Транспортное средство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что упомянутая антенна размещена в воздухонепроницаемом пластиковом кожухе (200), прикрепленном к раме транспортного средства.