CN101848013B - 集成隙缝天线的控制模块底盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成缝隙天线的控制模块底盘。控制模块具有导电金属底盘，该底盘具有底盘本体和底盘盖。不导电开口形成在底盘本体内且突片从底盘盖延伸，所述突片与不导电开口接合从而建立矩形不导电的孔，该孔具有纵向轴线，该纵向轴线具有用于形成缝隙天线结构的预定长度。该预定长度设计为用具体通信频率进行通信。所述缝隙天线结构与容纳在底盘内的收发器信号地互连。

Description

集成隙缝天线的控制模块底盘

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年3月25日申请的美国临时申请No.60/163,385的优先权，这里通过参考引入该申请。

技术领域

本申请涉及车辆内的短程无线通信。

背景技术

这部分的说明仅仅提供涉及本发明的背景技术信息且可能不构成现有技术。

陆地车辆车载的控制模块可控制车辆运行，包括，例如发动机，变速器，动力管理，底盘，制动，转向，和其他系统。另外，可有多个可用的信息和娱乐(信息娱乐)服务，包括例如，AM/FM广播，便携式音乐播放器，蜂窝电话，GPS导航，卫星广播，远程无钥匙进入，和远程车辆启动。控制模块在空间上优选地位于它们控制的功能区域附近以使得到感应装置和致动器的布线线束长度最小化。因而，发动机控制模块优选放置在发动机舱中或邻近，信息娱乐模块放置在客舱中。然而，随着特征添加到已有限的包装环境中，车辆空间利用问题变得更加突出。布线线束路线和可用性也限制了控制模块被放置到车辆的在其它方面可接受的某些位置。

控制模块可能需要与车辆的一个或多个其它控制模块进行通信。已知的通信方法包括有线局域网，该局域网具有共用的通信总线。无线通信也是可能的。另外，便携式无线装置和其他应用可与车载控制模块和车辆的用户接口装置相接。例如，配备有无线通信系统的蜂窝电话可利用车辆扬声器和麦克风来启动免提式呼叫。便携式音乐播放装置可利用嵌入式音频/可视系统来重放音乐和其他音频和/或视频文件。

用于在控制模块装置之间通信的无线通信协议包括IEEE802.15.1和IEEE802.11无线协议。所述IEEE802.15.1无线通信协议利用安全的、未经许可的ISM2.4GHZ短程射频带宽。所述IEEE802.15.1无线通信协议的应用利于使用低成本收发器的短程(1到10米)、低功率无线通信。所述IEEE802.11无线通信协议也利用安全的、未经许可的ISM2.4GHZ短程射频带宽，该带宽具有更长量程(32-95米)和增加的功率消耗。

无线通信需要利用连接到收发装置上的天线。因而，每个利用无线通信的控制模块需要连接到本地收发装置上的天线。天线的设计对于达到有效量程和信号吞吐量至关重要。天线设计标准包括天线形状，大小和长度，该天线形状，大小和长度针对通信波长和邻近环境的影响进行调整，所述环境包括金属和介电材料，该介电材料包括地平面。天线的性能和操作特性包括增益、辐射图型、极化、辐射阻力和输入阻抗。

一种设计天线的方法是建立电共振结构。当在共振频率电激发时，共振结构“泄漏”能量，所述能量将远离该结构辐射。例如，半波长度共振结构借助于近似半波长度的天线长度建立，该半波长度为预期射频(RF)场的波长的一半。

不同的天线结构也被提出用于车载短程无线通信，包括外部天线和通过在印刷电路板上沉积导电膜、带、介电材料或导线形成的天线。为使天线能够装入许可包装空间内，将会损害一个或多个天线性能特性。

发明内容

控制模块具有导电金属底盘，该底盘具有底盘本体和底盘盖。不导电开口形成在底盘本体内，突片从底盘盖延伸，所述突片与不导电开口边缘接合从而建立矩形不导电的孔，该孔具有纵向轴线，该纵向轴线具有用于形成缝隙天线结构的预定长度。该预定长度设计为用具体通信频率进行通信。缝隙天线结构与容纳在底盘内的收发器信号地互连。

方案1：一种控制模块，包括：

导电金属底盘，所述导电金属底盘包括底盘本体和底盘盖；

不导电开口，位于底盘本体内；

突片，该突片从底盘盖延伸，所述突片与不导电开口边缘接合，从而建立矩形不导电的孔，该孔具有纵向轴线，该纵向轴线具有用于形成缝隙天线结构的预定长度，所述预定长度是设计为用具体通信频率进行通信的长度；且

所述缝隙天线结构与容纳在底盘内的收发器信号地互连。

方案2：方案1中的控制模块，其中所述孔的纵向轴线相对于底盘本体的底盘底部为水平定向。

方案3：方案1中的控制模块，其中所述孔的纵向轴线相对于底盘本体的底盘底部为垂直定向。

方案4：方案1中的控制模块，其中，修改所述纵向轴线的预定长度会建立缝隙天线结构的运行频率。

方案5：方案1中的控制模块，其中，所述纵向轴线的预定长度等于运行频率的半波长。

方案6：方案1中的控制模块，其中，所述纵向轴线的预定长度等于运行频率的1/4波长。

方案7：方案1中的控制模块，其中，所述孔用不导电物质填充以形成环境密封。

方案8：方案1中的控制模块，其中，所述纵向轴线被定向以提供垂直的全方向的信号覆盖从而接近远离所述控制模块的另一收发器的位置。

方案9：方案1中的控制模块，其中，与收发器信号地互连的孔包括邻近所述孔的馈给点。

方案10：方案9的控制模块，其中，所述孔包括可调阻抗，该阻抗通过调节距缝隙天线结构的纵向轴线中心线的馈给点距离来调整。

方案11，方案1中的控制模块，其中，缝隙天线结构通过互连装置与收发器互连。

方案12：方案11中的控制模块，其中，所述互连装置包括电馈给结构。

方案13：方案11中的控制模块，其中，所述互连装置包括接合到耦合机构上的电磁耦合器。

方案14：方案13中的控制模块，其中电磁耦合器中的电磁场与所述孔的纵向轴线对齐。

方案15：方案11中的控制模块，其中，所述互连装置包括波导体。

方案16：一种控制模块，包括：

导电金属底盘；

缝隙天线结构，所述缝隙天线结构包括位于导电金属底盘中的不导电孔，所述孔通过金属底盘中的开口限定；

所述孔具有矩形形状，带有具有预定长度的纵向轴线，该预定长度设计为用通信频率进行通信；和

所述孔信号地连接到容纳在控制模块中的收发器。

方案17：方案16中的控制模块，其中所述纵向轴线的预定长度能够用无线通信协议IEEE802.15.1通信。

方案18：方案16中的控制模块，其中所述纵向轴线的预定长度能够用无线通信协议IEEE802.11通信。

方案19：一种控制模块，包括：

底盘本体，该底盘本体由导电金属构成且包括不导电开口，该开口包括底部边缘部分和邻近的侧边缘部分；

底盘盖，该底盘盖由导电金属构成且包括突片，该突片具有边缘部分，当底盘盖装配在底盘本体上时，该突片位于底盘本体的不导电开口内从而该边缘部分邻近底盘本体的底部边缘部分；

孔，由底盘本体的底部边缘部分、邻近的侧边缘部分和突片的边缘部分形成，该孔具有预定长度的纵向轴线，该预定长度对应于与短程射频带宽相关联的无线通信协议的运行频率；

所述孔用不导电材料填充；以及

所述孔信号地互连到收发器上。

方案20：方案19中的模块，其中该控制模块与第二控制模块进行无线通信。

附图说明

现在通过举例的方式结合参考附图描述一个或多个实施例，其中：

图1是依照本发明的控制模块和天线结构的等角投影图；

图2是依照本发明的控制模块和具有远程收发器的天线结构的等角投影分解图；

图3是依照本发明的一实施例，在该实施例中，缝隙天线放置在垂直方位从而形成了附加的且不同的天线特性；

图4是依照本发明的一实施例，在该实施例中，连接装置可为波导体从而信号地将馈给点连接到收发器；和

图5是依照本发明用于示例性的底盘缝隙天线的天线辐射图型和信号增益(损失)的图形图示。

具体实施方式

现在参考附图，其中附图中所显示的只是为了举例说明某些示例性实施例，并不是为了限制。图1示意性地阐述了依照本发明的控制模块10和天线结构。多个控制模块10位于车辆中的不同空间里，所述空间可包括行李箱、客舱和发动机舱。优选每个控制模块10与一个或多个其它控制模块10通信。通信讯息可例如包括音频或可视信息、控制信号、传感器信号、诊断信号、和确认信号。控制模块10也可包括便携式远程装置，例如，蜂窝电话或具有无线性能的音乐播放装置，其也可运行以与车载控制模块10通信。

控制模块10包括底盘30，该底盘为其中的至少一个印刷电路板52提供外壳。底盘30包括底盘本体32和底盘盖34。缝隙天线36通过在两个金属结构之间构造孔37而形成，例如，在装配时，孔37构造在底盘本体32和底盘盖34之间。可替代地，缝隙天线36可以通过在底盘本体32和底盘盖34中的一个中构造孔37而在底盘30上形成，例如通过机加工、冲压、铸造等方式。缝隙天线具有基本上规则成形的(例如矩形的)孔，该孔具有沿着细长主轴(纵向轴线)的长度和沿着垂直副轴的实质更短的高度。

底盘本体32中优选具有一个或多个贯通孔隙54以容纳接入点，所述接入点例如为至少一个印刷电路板52提供动力的电子功率连接或所需附加连接器(例如车辆配线、RCA、HDMI和光学连接器)。

在图1和图2中阐述的实施例中，缝隙天线36通过在底盘本体32和底盘盖34之间构造孔37而形成。底盘本体32和底盘盖34由电磁导电金属(例如，软钢)制造。缝隙天线36为底盘本体32和底盘盖34的导电金属中的不导电孔37，且优选为近似沿着其纵向轴线的所需通信频率波长的一半。因而，当控制模块10利用ISM2.4GHz短程射频带宽(具有12.5cm的波长，得到的半波长为大约6.25cm)通信时，沿着纵向轴线的优选长度为大约6.25cm，且针对具体通信频率调节。实际上，由于缝隙天线36附近介电和/或金属物体的环境影响，已经发现较短的缝隙天线36长度导致更好的能量耦合性能。半波长缝隙天线36提供与缝隙天线36的纵向轴线垂直的缝隙天线36周围的接近全向的信号覆盖，在下面将更详细地描述。

虽然半波长缝隙天线36已进行详细描述，但是其他天线长度(例如，全波长、3/4波长、或1/4波长)也在本发明的范围内且与所需波长有直接的数学关系。利用以上的ISM2.4GHz短程射频的例子，这将导致长度大约12.5cm的全波长缝隙天线36、长度大约9.375cm的3/4波长缝隙天线36和长度大约3.125cm的1/4波长缝隙天线36。

图2示意性地表示底盘盖34从底盘本体32上拆卸开来的底盘30。底盘本体32具有总体上平坦的矩形底部40，该底部具有多个向上延伸侧，包括背侧42、前侧44、和相对侧46，48，形成了总体上平坦顶部边缘50。底盘本体32因此形成了三维金属箱，该金属箱配置成容纳一个或多个电子电路板52。底盘本体32中优选具有一个或多个贯通孔隙54以容纳接入点，例如电功率连接器或所需的其他连接器。底盘本体32包括矩形的开口68，该开口通过在一侧(也就是，背侧42)从平坦顶部边缘50延伸到底部边缘56的两个侧边缘58，60限定。在优选实施例中，底部边缘56的长度为缝隙天线的纵向轴线的长度，且因此为所需通信频率半波长的长度，也就是，对于ISM2.4GHz短程射频带宽大约6.25cm。

馈给点38位于底盘本体32上，优选在底部边缘56的中心线上且邻近底部边缘56。馈给点38通过互连装置66与收发器64互连。改变馈给点38距中心线的位置可调整缝隙天线36的输入阻抗，也就是，阻抗在底部边缘56的中心线上更大且当馈给点38趋近任一边缘侧58，60时降低。互连装置66路由到位于容纳在底盘30内的印刷电路板52上的收发器64。缝隙天线36因而信号地连接到收发器64上，该收发器64还信号地连接到控制模块10的印刷电路板52上。

底盘盖34优选为矩形的导电金属块，其配置成接合底盘本体32的顶部边缘50。底盘盖34还包括突片62，该突片具有边缘部分63，当底盘盖34装配到底盘本体32上时，该边缘部分突出到底盘本体32的矩形开口68中。当突片62装配到矩形开口68内时，突片62从一个侧边缘58延伸到另一个侧边缘60且形成了孔37，该孔在边缘部分63和底部边缘56之间限定缝隙天线36。缝隙天线36因而通过借助于突片62装配到底盘本体32的矩形开口68内而限定的剩余空间形成，，且具有与底盘底部40大致平行的纵向轴线。因而，缝隙天线36通过底部边缘56、边缘部分63、侧壁58，60的暴露部分界定。缝隙天线36的高度与暴露的侧壁58，60的高度相等且实质上小于底部边缘56的长度。缝隙天线36可用不导电物质(例如环氧树脂)填充，以在控制模块10的外部和内部之间形成环境密封。

图3表示一可替代实施例，在该实施例中缝隙天线位于垂直方位(相对于图1和图2的底盘底部和缝隙天线的纵向轴线)，因而形成附加的和不同的天线特性。例如，垂直方位缝隙天线提供与缝隙天线的纵向轴线垂直的缝隙天线周围的接近全向信号覆盖。垂直缝隙天线与已描述的缝隙天线用类似方式构造，即底盘本体和底盘盖协作形成缝隙天线。也就是，底盘本体32在结构上与上文类似，具有底部40、形成总体上平坦的顶部边缘50的多个侧面42，44，46，48和具有至少一个贯通孔隙54的至少一个侧部。底盘本体32包括矩形开口68，该开口通过两个侧边缘58，60限定，侧边缘58，60在一侧(例如背侧42)从平坦的顶部边缘50延伸到底部边缘56。在这个实施例中，侧边缘58，60的长度至少为所需通信频率半波长(也就是对于ISM2.4GHz短程射频带宽大约6.25cm，)或频率1/4波长(也就是对于ISM2.4GHz短程射频带宽大约3.125cm)，根据具体应用而调节。馈给点38位于边缘58，60邻近，所述边缘将用作天线壁，也就是如描述的边缘60，在缝隙天线的接近中心线上，且可如上所述的针对输入阻抗而调整。

底盘盖34与上面所描述的类似，其成形为与底盘本体32的顶部边缘50接合且包括突片80。当底盘盖34装配到底盘本体32上时，突片80突入底盘本体32的矩形开口68中。突片80具有第一侧82、第二侧84、和底部边缘86。当底盘盖34装配到底盘本体32上时，突片80的每个边缘82，84，86都与底盘本体32的矩形开口68的相应边缘配合。侧边缘84还包括矩形槽％，该槽通过从边缘84向内延伸的上、下边界90，92和内部边界94限定。内部边界94的长度为所需通信频率1/4波长或半波长，根据具体应用而设计。缝隙天线因此是由侧边缘60和边界90，92和94限定的孔且具有基本上垂直于底盘底部40的纵向轴线。对于本领域技术人员明显的是缝隙天线可在壁58或60上。同样明显的是突片80的侧边缘84可将下边界92去掉，并用底盘本体32中的矩形开口68的底部边缘56代替。可替代地，突片80可仅包括侧部82，84和底部边缘86，底部边缘86和底部边缘56之间的距离限定半个频率波长，也就是，缝隙天线可通过边缘58，60和底部边缘56，86形成，其具有的频率半波长等于剩余的暴露边缘58和60。

虽然两个示例性方位已详细描述，但是本发明不限于此。对本领域技术人员显而易见的是，缝隙天线的方位可相对于底盘底部40成一定角度放置，也就是缝隙天线的纵向轴线能以15度、30度、45度、60度、75度或便于稳固通信的其他角度定向。

在一实施例中，可调整突片62的形状以匹配另一所需运行频率，而不需要调整底盘本体32中的矩形开口68的形状，从此允许针对其他频率再次利用底盘本体32，而无须底盘本体32做任何机械改变。

在一实施例中，缝隙天线电磁耦合到位于容纳在底盘30内的印刷电路板52上的收发器64的耦合机构70。在这种实施例中，耦合机构位于印刷电路板52上且可包括电子示踪器、共振结构和介电材料中的一个。为了最大的能量传输，该耦合机构的电磁场与缝隙天线的纵向轴线对齐。

在一实施例中，具有导电线(例如双芯导线、梯级线路和同轴线缆)的电馈给结构66可在馈给点38和收发器64之间互连。在这样的实施例中，邻近底盘30中的矩形孔隙68建立连接，所述孔隙68形成缝隙天线。

在一实施例中，可在单个控制模块10上设置多个缝隙天线。附加缝隙天线可包括冗余的频率范围天线，例如运行在ISM2.4GHz或其他合适的射频上的多个天线，以利于在一频率范围内维持稳固通信。附加的缝隙天线也可包括多个频率范围的缝隙天线，例如ISM2.4GHz或5.8GHz，从而便于在多个频率范围内与多个控制模块10或单个控制模块10进行通信。附加的缝隙天线可位于不同的方位(例如平行或垂直)；不同位置(例如一个位于背部42且一个位于侧面46)；或这两种情形的结合(例如背部42上的平行方向的缝隙天线和侧面46上的垂直方向的缝隙天线)，从而可满足包装的要求或增强控制模块10之间的稳固通信。另外，当利用多个缝隙天线时，每个缝隙天线都具有馈给点38，每个馈给点38可用于与单个或多个印刷电路板52上的单个或多个收发器64进行通信。例如，单个收发器64可用于与背部42上的垂直缝隙天线和侧面46上的平行缝隙天线进行通信或相同缝隙天线可供给单个或分开的印刷电路板52上的多个收发器。

图4表示一可替代的实施例，在该实施例中，互连装置66可为波导体从而信号地将馈给点38互连到收发器64。波导体互连装置66可为中空金属波导体，该波导体包括矩形中空管状部分。中空金属波导体具有与缝隙天线相对齐的中空部分且导向位于印刷电路板52上的收发器64。另外，介电波导体(例如微波传输带或带状线)也可用于互连装置66。介电波导体包括导电带，该导电带嵌入在介电层内或介电层的顶部，该介电层位于更宽的地平面上。介电波导体信号地连接在缝隙天线和位于印刷电路板52上的收发器64之间。

图5表示一示例性的底盘缝隙天线的天线辐射图型和信号增益(损失)的图形图示。该底盘缝隙天线依照这里描述的概念的优选实施例而构造。半波长缝隙天线提供了垂直于所述缝隙天线的纵向轴线的缝隙天线周围的基本上全向信号覆盖。为了比较，将外部安装天线的辐射图型和信号增益(损失)与其进行比较。与常规的外部安装天线的辐射图型和信号增益(损失)相比，底盘缝隙天线的天线辐射图型显示了较少的信号损失和改进了的信号方向性。因而通过底盘30形成的缝隙天线对于方位上的变化是稳固的，允许控制模块在车辆10中的安装的灵活性。因此，由于辐射图型是公知的，附加的收发器64可位于车辆内，或天线可在底盘30内定向，以允许两个天线的辐射图型接近每个收发器64的位置。

本发明已描述了某些优选实施例及其变型。基于阅读和理解说明书可想到进一步进行变型和改变。因此，本发明并不旨在限于作为设想用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施方式，而本发明将包括落入所附权利要求范围的所有实施方式。

Claims (17)

1.一种无线通信控制模块，包括：

导电金属底盘，所述导电金属底盘包括底盘本体和底盘盖；

不导电开口，位于底盘本体内；

突片，该突片从底盘盖延伸，所述突片与不导电开口边缘接合，从而建立矩形不导电的孔，该孔具有纵向轴线，该纵向轴线具有用于形成缝隙天线结构的预定长度，所述预定长度根据具体通信频率进行设计；且

所述缝隙天线结构与容纳在底盘内的收发器信号地互连。

2.权利要求1的无线通信控制模块，其中，所述孔的纵向轴线相对于底盘本体的底盘底部为水平定向。

3.权利要求1的无线通信控制模块，其中，所述孔的纵向轴线相对于底盘本体的底盘底部为垂直定向。

4.权利要求1的无线通信控制模块，其中，修改所述纵向轴线的预定长度会建立缝隙天线结构的通信频率。

5.权利要求1的无线通信控制模块，其中，所述纵向轴线的预定长度等于通信波长的1/2。

6.权利要求1的无线通信控制模块，其中，所述纵向轴线的预定长度等于通信波长的1/4。

7.权利要求1的无线通信控制模块，其中，所述孔用不导电物质填充以形成环境密封。

8.权利要求1的无线通信控制模块，其中，所述纵向轴线被定向以提供垂直的全方向的信号覆盖从而接近远离所述无线通信控制模块的另一收发器的位置。

9.权利要求1中的无线通信控制模块，其中，与收发器信号地互连的孔包括邻近所述孔的馈给点。

10.权利要求9的无线通信控制模块，其中，所述孔包括可调阻抗，该阻抗通过调节距缝隙天线结构的纵向轴线中心线的馈给点距离来调整。

11.权利要求1中的无线通信控制模块，其中，缝隙天线结构通过互连装置与收发器互连。

12.权利要求11中的无线通信控制模块，其中，所述互连装置包括电馈给结构。

13.权利要求11中的无线通信控制模块，其中，所述互连装置包括接合到耦合机构上的电磁耦合器。

14.权利要求13中的无线通信控制模块，其中电磁耦合器中的电磁场与所述孔的纵向轴线对齐。

15.权利要求11中的无线通信控制模块，其中，所述互连装置包括波导体。

16.一种无线通信控制模块，包括：

底盘本体，该底盘本体由导电金属构成且包括不导电开口，该开口包括底部边缘部分和邻近的侧边缘部分；

底盘盖，该底盘盖由导电金属构成且包括突片，该突片具有边缘部分，当底盘盖装配在底盘本体上时，该突片位于底盘本体的不导电开口内从而该边缘部分邻近底盘本体的底部边缘部分；

孔，由底盘本体的底部边缘部分、邻近的侧边缘部分和突片的边缘部分形成，该孔具有预定长度的纵向轴线，该预定长度对应于与短程射频带宽相关联的无线通信协议的通信频率；

所述孔用不导电材料填充；以及

所述孔信号地互连到收发器上。

17.权利要求16中的无线通信控制模块，其中该无线通信控制模块与第二无线通信控制模块进行无线通信。

Images