CN112956078B - 三维倒f天线元件以及具有其的天线组件和通信系统 - Google Patents
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Abstract
三维倒F天线(3D‑IFA)元件(105)包括联接部段(130)，其被配置为通过短路点电连接到接地平面并通过馈电点电连接到通信线。联接部段沿着与短路点和馈电点相交的截面延伸。联接部段沿Z轴远离短路点和馈电点延伸。3D‑IFA元件还包括天线臂(136)，该天线臂从联接部段沿着XY平面纵向延伸。当天线臂从联接部段延伸到天线臂的远端边缘(159)时，天线臂沿着XY平面遵循臂路径。臂路径沿着XY平面是非线性的，其中，臂路径的至少一部分远离截面延伸。
Description
技术领域
本主题总体上涉及具有天线元件的天线组件和通信系统，该天线元件具有减小的尺寸和/或被设计为限制其对附近天线元件的影响。
背景技术
正在设计越来越多的商业产品和系统以进行无线通信。在某些情况下，系统可以被配置为通过多个频带进行通信以提供多种无线服务。例如，现代机动车辆可能有十(10)个或更多天线，这些天线为广播无线电、卫星无线电、电视、全球导航卫星系统(GNSS)通信、远程启动、远程进入、电子收费、长期演进(LTE)通信、Wi-Fi通信和车对车通信。天线可以安装在各个位置。一个挑战是天线元件的方向性及其在车辆处于特定方位时接收信号的能力有限。一种解决方案包括在不同位置安装多个天线，使得无论车辆的方向如何，至少一个天线被正确定位以进行无线通信。但是，使用几个不同的位置放置天线可能并不划算，并且可能会使车辆在美学上不那么吸引人。
另一解决方案包括在机动车辆的车顶上安装集成通信模块。该通信模块具有多个天线元件，这些天线元件被设计用于在特定频带中进行通信。在车顶上，信号接收不取决于机动车辆的方向。为了使阻力最小化并增加车辆的整体美观性，通信模块通常较小，并且具有制造商所需的特定形状。例如，制造商可能要求通信模块的最大高度最大为40-50毫米。
将多个天线元件定位在通信模块的有限空间内，同时为不同的天线实现所需的性能可能是具有挑战性的。在称为耦合的过程中，一个天线辐射的能量可能会被附近的天线吸收。这种耦合会影响天线的辐射增益和图案，并降低整体性能。类似地，当天线元件被另一天线元件遮挡时，天线元件也可能难以接收RF波。例如，平面倒F天线(PIFA)可能阻挡或“遮挡”PIFA附近的一个或多个其他天线元件(例如，贴片天线)。
因此，要解决的问题是提供一种比其他常规天线元件占用更少空间和/或不会显着降低相邻天线元件的性能的天线元件。
发明内容
通过提供三维倒F天线(3D-IFA)元件来解决该问题。3D-IFA元件相对于相互垂直的X、Y和Z轴取向。3D-IFA元件包括联接部段，该联接部段被配置为通过短路点电连接到接地平面并且通过馈电点电连接到通信线。联接部段沿着与短路点和馈电点相交的截面延伸。联接部段沿Z轴远离短路点和馈电点延伸。3D-IFA元件还包括天线臂，该天线臂从联接部段沿着XY平面纵向延伸。当天线臂从联接部段延伸到天线臂的远端边缘时，天线臂沿着XY平面遵循臂路径。臂路径沿着XY平面是非线性的，其中，臂路径的至少一部分远离截面延伸。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明：
图1是包括根据实施例形成的天线组件的通信系统的透视图。
图2A是三维倒F天线(3D-IFA)元件的隔离透视图，其可单独使用或与图1的通信系统一起使用。
图2B示出了3D-IFA元件沿XY平面的最大面积，以及3D-IFA元件的天线臂如何沿XY平面具有非线性臂路径。
图3是图1的通信系统的一部分的平面图，其示出了3D-IFA元件与相邻天线元件之间的空间关系。
图4示出了图2A的3D-IFA元件在800兆赫(MHz)的模拟电流分布。
图5示出了图2A的3D-IFA元件在2000MHz的模拟电流分布。
图6示出了单独的相邻天线元件的左旋圆极化(LHCP)分量辐射图。
图7示出了相邻天线元件和3D-IFA元件的LHCP分量辐射图。
图8示出了根据一个实施例的3D-IFA元件和相邻天线元件的S参数。
图9是常规的倒F(IFA)元件的侧视图。
具体实施方式
本文阐述的实施例包括天线元件，具有至少两个天线元件的天线组件以及具有该天线组件的通信系统。实施例包括具有三维倒F形元件(以下称为3D-IFA元件)的天线元件。图9示出了常规的倒F(IFA)元件400。IFA元件400包括接地腿402，天线臂404和馈电腿406。接地腿402在接地点408处接地(例如，到接地平面416)。馈电腿406从沿着臂404的中间点延伸，并且在馈电点412处电连接至通信线410(例如，传输线)。如图9所示，接地腿402、天线臂404和馈电腿406与公共平面420(沿页面延伸)重合。换句话说，常规的IFA元件具有二维(2D)结构。
与其中公共平面与天线臂、接地腿和馈电腿重合的常规IFA元件不同，本文所述的3D-IFA元件的天线臂的取向使得天线臂的至少一部分延伸远离与馈电腿和基腿重合的平面。3D-IFA元件可使尺寸更小的设计成为可能。
3D-IFA元件被配置为在至少一个频带内可操作。在特定实施例中，3D-IFA元件可以是在两个或更多个频带内可操作的多频带元件。例如，频带可以与诸如AMPS/GSM850，GSM900，GSM1800，PCS/GSM1900，UMTS/AWS，GSM850，GSM1900，AWS，LTE(例如4G，3G，其他长期演进，B17(LTE)，LTE(700MHz)等)，AMPS，PCS，EBS(教育宽带服务)，BRS(宽带无线电服务)，WCS(宽带无线通信服务/互联网服务)或其他蜂窝频率带宽的蜂窝通信相关联。然而，应理解，本文描述的3D-IFA元件、通信系统和天线组件不限于特定的一个或多个频带。可以使用其他频带。同样，应该理解，本文描述的天线组件不限于特定的无线技术或标准(例如，LTE)，并且天线组件可以被设计为适合于其他无线技术或标准。
在一些实施例中，3D-IFA元件被定位成邻近于另一天线元件(例如，贴片天线)(或与另一天线元件有效地共同定位)。例如，可以将3D-IFA元件配置为减少3D-IFA元件和相邻天线元件之间的相互耦合。3D-IFA元件可以被配置为使得3D-IFA元件不会显着地阻挡或削弱相邻天线元件接收来自一个或多个预定频带的RF波。替代地或附加地，3D-IFA元件可以被配置为使得由相邻天线元件辐射的能量基本上不被3D-IFA元件吸收。
为此，3D-IFA元件包括天线臂，该天线臂通常大体正交于接地平面和/或相邻天线元件的辐射表面。例如，接地平面可以基本平行于XY平面。天线臂可以基本上平行于Z轴。天线臂的正交取向(或垂直取向)可以对相邻天线元件(例如，贴片天线)具有最小的散射影响。而且，正交取向可以允许能够在低频带和高频带两者中实现带宽的指定表面积。天线元件的垂直取向和非平面结构还可以减小可能遮挡相邻天线元件的3D-IFA元件的孔径尺寸。
替代地或除了天线臂的取向之外，3D-IFA元件可以具有产生指定的圆极化分量(CP分量)的非平面结构。指定的CP分量可以减少3D-IFA元件对相邻天线元件的影响。例如，一个天线元件(例如3D-IFA元件)可以具有右旋圆极化(RHCP)分量，而另一个天线元件(例如相邻的天线元件)可以具有左旋圆极化(LHCP)分量。
对于具有多个天线元件的实施例，可以将3D-IFA元件配置为在一个或多个指定频带内操作，该一个或多个指定频带在相邻天线元件所操作的频带附近。例如，3D-IFA元件可以被配置为在长期演进(LTE)频带中操作。LTE较高频带包括2350-2360兆赫(MHz)，并且与卫星频带(例如，在2332.5和2345.0兆赫(MHz)之间)相邻。当在LTE更高频带中操作时，3D-IFA元件可以形成两个谐振结构。一个谐振结构可以是四分之一波长IFA，并且可以是垂直极化的，另一个谐振结构可以是半波长驻波，并且可以具有指定的CP分量(例如RHCP分量)。这些极化中的每一个都可以正交于相邻天线元件的极化。正交极化可用于减少3D-IFA元件对相邻天线元件的影响。在3D-IFA元件的正交极化的情况下，可能有必要进一步分离天线元件以获得类似的性能。这样，3D-IFA元件可以实现用于具有多个天线元件的通信系统(例如，车辆通信模块)的更紧凑的设计。
尽管图1-7中所示的实施例被特别配置用于LTE更高的频带和附近的卫星频带，但是实施例不限于该示例。3D-IFA元件(例如本文所述的元件)可以设计为在其他频带内运行，并减少3D-IFA元件对其他相邻天线元件的影响。
可选地，具有天线组件的通信系统可以被设计为减小或最小化阻力。例如，通信系统可以包括低轮廓的并且具有弯曲轮廓的盖，使得空气可以更容易地流过该盖(例如，在车辆行驶时)而不会引起明显的流体阻力。例如，天线组件(不包括任何杆状天线)可以具有至多四十(40)毫米(mm)的高度。然而，可以预期的是，本文阐述的实施例可以具有其他尺寸和/或其他应用。
存在用于制造天线元件的多种制造方法。例如，天线元件可以至少部分地通过冲压和弯曲导电金属片而形成。其他制造方法可以包括例如激光直接构造(LDS)，双射成型(具有铜迹线的介电)，三维(3D)打印和/或油墨打印。
在所示的实施例中，天线组件和/或通信系统包括印刷电路板(PCB)。PCB可以提供基础衬底(例如，介电载体)，并且还提供接地平面和其他导电元件。然而，可以使用替代的基础衬底，并且存在用于制造基础衬底的多种制造方法。例如，基础衬底可以由聚合物材料模制而成。对于替代设计，可以首先形成导电元件，然后可以在导电部件周围模制介电材料。介电材料可以形成支撑天线元件的介电载体。例如，导电元件可以由金属片冲压而成，设置在空腔内，然后被注入空腔中的聚合物材料包围。替代地，介电载体可以单独地形成，并且天线元件可以随后被安装到介电载体。
实施例可以在一个或多个射频(RF)频带内通信。为了本公开的目的，术语“RF”被广泛地使用以包括宽范围的电磁传输频率，包括例如落在射频、微波或毫米波频率范围内的那些。Rf频带也可以被称为频带。
天线组件可以通过一个或多个频带进行通信。在特定实施例中，天线组件通过多个频带进行通信。例如，通信系统可以配置为通过调幅(AM)无线电波，调频(FM)无线电波，全球导航卫星系统(GNSS)的无线电波，卫星数字音频无线电服务(SDARS)，用于长期演进(LTE)的低频带无线电波和用于LTE的高频带无线电波通信。通信系统可以利用多输入多输出(MIMO)技术来通过LTE进行通信。在特定实施例中，通信系统是具有四个天线元件的车顶天线模块。
图1是根据一实施例形成的通信系统100的透视图。通信系统100和通信系统100的部件(例如，天线元件105)相对于彼此垂直的X轴，Y轴和Z轴取向。在示例性实施例中，通信系统100被安装到诸如车辆的较大系统的外部。在其他实施例中，通信系统100可以至少部分地布置在较大系统内或者可以包括较大系统的一个或多个部件。然而，应当理解，通信系统100可以用于各种应用，并且不限于车辆。
通信系统100包括天线组件102和具有安装在其上的天线组件102的基础衬底108。可选地，通信系统100可以包括盖110，该盖110联接至基础衬底108并围绕天线组件102。盖110和基础衬底108在其间限定布置天线组件102的内部空间。在特定实施例中，盖110可以被设计成减小或最小化阻力。例如，盖110可以具有低轮廓和弯曲轮廓，使得空气190可以更容易地流过盖110(例如，当车辆行驶时)而不会引起大量的流体阻力。例如，盖110可以具有不超过50毫米的最大高度121。在所示的实施例中，通信系统100具有安装侧114，该安装侧114被配置为附接到较大系统，例如汽车的车顶。在图1中，车顶由金属表面116表示。
天线组件102包括多个天线元件103-106。例如，天线元件103可以是被配置为通过LTE的一个或多个频带、AM无线电波和FM无线电波进行通信(例如，用于发送和/或接收)的杆状天线。天线元件103包括细长的柔性杆113，该柔性杆113的长度例如为280毫米，尽管该长度可以长于或短于280毫米。在一些实施例中，天线元件103可以被称为主要天线元件(例如，主要LTE天线元件)，并且可以用于接收和发送一个或多个蜂窝频带内的通信信号。
天线元件104可以作为卫星导航系统操作，例如全球导航卫星系统(GNSS)接收器。天线元件105可以作为辅助天线元件(例如，LTE，Rx仅接收)操作。在特定实施例中，天线元件105是能够在多个频带内操作的多频带天线。在特定实施例中，天线元件106可以被配置用于卫星数字音频无线电服务(SDARS)。这样，天线元件106可以被称为卫星天线元件。
在所示的实施例中，天线元件104和106是贴片天线(例如，陶瓷贴片天线)。天线元件104、106中的每一个包括天线部段107，其被配置为激发能量以用于在指定频带内进行无线通信。天线部段107可以平行于XY平面(和接地平面120)延伸。
在所示的实施例中，天线元件105被设计为减小其对天线元件106的影响。天线元件105是三维倒F天线(3D-IFA)元件，并且将被称为3D-IFA元件105。在本说明书和权利要求书中，除了3D-IFA元件105之外的天线元件可以具有不同的标记，以更容易地将这些天线元件与3D-IFA元件105区分开。例如，这些天线元件可以被称为其他天线元件，相邻天线元件，GNSS元件，SDARS元件，贴片天线元件等。
基础衬底108联接到天线组件102的接地平面120。天线元件103-106中的至少一个接地到接地平面120。在所示的实施例中，基础衬底108限定了安装天线元件的安装表面112。3D-IFA元件105被配置为在短路点(未示出)处电连接至接地平面120并且在馈电点124处电连接至通信线(未示出)(例如，图9中的通信线410)。
在特定实施例中，基础衬底108和接地平面120由印刷电路板(PCB)109提供。例如，接地平面120可以位于基础衬底108的介电层下方。在其他实施例中，接地平面120可以具有不同的位置或水平。例如，接地平面120可以在基础衬底108内，或者接地平面可以由不附接到基础衬底的元件限定。在一些实施例中，接地平面120可以电连接到外部金属表面116(例如，车辆的车顶)，其可以用作无限大的接地平面。
可选地，通信系统100包括被配置为安装到金属表面116的基板111。基板111可以被设计为附接到盖110，使得基础衬底108和天线组件102被布置在单一装置或模块内。这样，通信系统100可以构成通信模块，该通信模块是被设计为安装并通信地联接到较大系统的单一设备。在特定实施例中，通信模块是车辆通信模块，其被配置为安装在车辆的外部，例如车辆的车顶上。
尽管未示出，但是通信系统100可以包括系统电路，该系统电路对从天线组件102发送/接收和/或由天线组件102发送的信号进行调制/解调。系统电路还可包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)，微控制器或其他基于逻辑的设备)，一个或多个存储器(例如，易失性和/或非易失性存储器)以及一个或多个数据存储设备(例如，可移动存储设备或不可移动存储设备，例如硬盘驱动器)。该系统电路还可以包括使得通信系统能够经由无线网络进行通信的无线控制单元(例如，移动宽带调制解调器)。通信系统可以被配置为根据一种或多种通信标准或协议(例如，LTE，Wi-Fi，蓝牙，蜂窝标准等)进行通信。
在通信系统100的操作期间，通信系统100通过天线组件102的天线元件103-106进行通信。为此，将3D-IFA元件105配置为表现出针对所需应用而设计的电磁特性。举例来说，3D-IFA元件105可经配置以在一个或一个频带中操作。3D-IFA元件105的结构可以被配置为在特定频带中有效地操作。3D-IFA元件105可以被配置为具有指定的性能属性，例如电压驻波比(VSWR)、增益、带宽和辐射图案。
图2A是根据一实施例形成的3D-IFA元件105的隔离透视图。3D-IFA元件105被成形为使得3D-IFA元件105可以以期望的性能水平进行通信(例如，发送和/或接收)。如图所示，3D-IFA元件105包括联接部段130和从联接部段130延伸的至少一个天线臂136、138。如图所示，3D-IFA元件105是单片导电材料(例如，金属片)。在特定实施例中，单片导电材料是弯曲成期望形状的金属片。然而，在其他实施例中，可以使用另外的方法(例如，油墨打印，3D打印，LDS等)来形成3D-IFA元件105。
联接部段130包括3D-IFA元件105的与通信系统100的其余部分电连接的部分。更具体地，联接部段130包括馈电端子132和接地端子134。在所示的实施例中，馈电端子132和接地端子134中的每一个包括3D-IFA元件105的相应边缘。例如，馈电和接地端子132、134可以是延伸穿过基础衬底108的相应开口的销形元件(未示出)。馈电端子132在馈电点124(图1)处电连接(例如，通过焊接)到通信线，并且接地端子134(例如，通过焊接)在接地点122处(图3)电连接到接地平面120(图1)。
联接部段130包括基部140和腿部142。腿部142(也可以称为肘部)从基部140沿X轴延伸，然后沿Z轴向基础衬底108延伸。腿部142具有远侧边缘143。远侧边缘143可以限定接地端子134的至少一部分。基部140具有可形成或包括馈电端子132的远侧边缘141。联接部段130远离接地平面120(图1)延伸，从而增加了将一个或多个天线臂与接地平面120分开的距离。
在所示的实施例中，联接部段130具有基本平面的或二维结构，该结构平行于Z轴并且特别是由X轴和Z轴限定的平面(称为XZ平面)延伸。联接部段130从安装表面112延伸并联接到安装表面112。
如本文所述，3D-IFA元件105可包括一个或多个天线臂。在所示的实施例中，3D-IFA元件105包括第一天线臂136和第二天线臂138。第一天线臂136具有第一和第二升高边缘152、154以及相对的第一和第二宽侧面156、158。在第一和第二升高边缘152、154之间限定第一天线臂136的宽度W1。远侧边缘159限定第一天线臂136的端部。在其他实施例中，3D-IFA元件可以仅具有一个天线臂(例如，天线臂136)。
在所示的实施例中，第二天线臂138相对于联接部段130共面。第二天线臂138具有第一和第二升高边缘162、164以及相对的第一和第二宽侧面166、168。在第一和第二升高边缘162、164之间限定第二天线臂138的宽度W2。远侧边缘169形成第二天线臂138的端部。
与其中接收和/或发射臂平行于接地平面延伸的PIFA元件不同，3D-IFA元件105可以包括垂直于或正交于接地平面120的一个或多个臂。更具体地，第一天线臂136和第二天线臂138中的每个取向成与接地平面120以及由X轴和Y轴限定的平面(称为XY平面)正交或垂直。这样，第一天线臂136的第一和第二宽侧面156、158以及第二天线臂138的第一和第二宽侧面166、168沿着Z轴延伸。在所示的实施例中，对于整个相应的第一天线臂136和第二天线臂138，第一和第二宽侧面156、158以及第一和第二宽侧面166、168平行于Z轴延伸。
在所示的实施例中，3D-IFA元件105被固定到安装表面112并且基本上是不依靠支撑物的。在其他实施例中，介电载体可以用于支撑3D-IFA元件的至少一部分。例如，块状介电载体可以沿着第一升高边缘154延伸并支撑第一升高边缘154。联接部段130可以沿着介电载体的壁延伸。
由于第一和第二天线臂136、138的方向和形状，相应天线臂的第一和第二升高边缘相对于接地平面120具有不同的高度(或高)。更具体地，第一升高边缘152、162比第二升高边缘154、164更靠近接地平面120。在第一升高边缘152、162和安装表面112之间存在间隔距离S。间隔距离S对于每个第一升高边缘152、162是相等的，但是在其他实施例中可以是不同的。简单回到图1，天线元件106的天线部段107位于沿Z轴测量的高度上，该高度小于第一升高边缘152的高度。第一升高边缘152比第二升高边缘154更靠近接地平面120。
返回图2A，在示出的实施例中，第一升高边缘152、162是共面的并且平行于XY平面(或接地平面120)延伸。同样，第二升高边缘154、164是共面的并且平行于XY平面(或接地平面120)延伸。然而，在其他实施例中，第一升高边缘152、162不是共面的和/或第二升高边缘154、164不是共面的。
在所示的实施例中，第一天线臂136具有非平面形状，使得第一天线臂136从联接部段130到远侧边缘159采取曲折的臂路径。例如，第一天线臂136包括第一臂部段201、第二臂部段202、第三臂部段203和第四臂部段204，它们通过第一天线臂136弯曲的角或接头彼此互连。第一臂部段201在接头211、212之间延伸，第二臂部段202在接头212与接头213之间延伸，第三臂部段203在接头213与接头214之间延伸，第四臂部段204在接头214与远侧边缘159之间延伸。在所示的实施例中，第一、第二、第三和第四臂部段201-204中的每个基本上是平面的。在特定实施例中，3D-IFA元件105包括具有第一和第二天线臂136以及联接部段130的导电片125。沿着第一天线臂136折叠导电片125，使得第一天线臂136包括多个臂部段201-204，其中相邻的臂部段通过接头中的一个联接。
尽管第一、第二、第三和第四臂部段201-204中的每一个在图2A中基本上是平面的，但接头211-214允许从联接部段130到远侧边缘159的曲折路径。例如，在沿着宽侧面156的表面的任何点处，宽侧面156具有限定宽侧面156面对的方向的矢量。在沿着宽侧面156的不同点处，矢量的X分量、Y分量和Z分量可以是不同的。例如，沿着第一臂部段201的宽侧面156沿着X轴面向并且具有向量(1，0，0)。沿着第二臂部段202的宽侧面156沿着Y轴面向并且具有向量(0，1，0)。沿着第三臂部段203的宽侧面156沿着X轴面向并且具有向量(1，0，0)。沿着第四臂部段204的宽侧面156沿着Y轴面向并且具有向量(0，-1，0)。第二臂部段202和第四臂部段204彼此相对，在它们之间具有空间。
在图2A中，天线臂136基本上是直立的并且垂直于XY平面取向。然而，在其他实施例中，天线臂136的至少一部分可以不垂直于XY平面取向。例如，第一和第二宽侧面166、168可以相对于XY平面形成非正交角。例如，沿着第一臂部段201的宽侧面156可以部分地沿着X轴面向并且部分地沿着Z轴面向并且具有向量(1，0，1)。
同样在图2A中示出，第一升高边缘152、162和第二升高边缘154、164平行于XY平面延伸。在其他实施例中，第一升高边缘152、162和/或第二升高边缘154、164可至少部分地朝向或至少部分地远离XY平面。因此，短语“沿着XY平面[或接地平面]”不要求元件(例如，天线臂或升高边缘)平行于XY平面延伸。元件的至少一部分可以部分地朝向或部分地远离XY平面延伸。
如图2A所示，3D-IFA元件105的接头211-214可能是突然的，使得相对于两个相邻的臂部段形成直角(或其他角度)。然而，在其他实施例中，3D-IFA元件105的至少一部分可以具有弯曲的轮廓。例如，曲折路径可以是蛇形路径，其中天线臂136弯曲而没有突然弯曲。更具体地说，从联接部段130延伸的天线臂136的至少一部分可以是C形或S形。在图2A中，从联接部段130延伸的天线臂136是钩形的。更具体地，弯曲平面臂部段201-204，使得天线臂为钩形。在其他实施例中，天线臂136可以具有平面臂部段201，其余部分可以是C形的，其具有从接头212弯曲到远侧边缘159的部段。在其他实施例中，天线臂136可以具有其他曲折形状。
3D-IFA元件105从馈电端子132沿着z轴延伸到最大高度H。第一天线臂136和第二天线臂138在彼此垂直的不同方向上突出。如图2A所示，对于第一臂部段201，第一天线臂136沿着Y轴远离联接部段130延伸。然后，第二臂部段202沿着X轴远离天线元件106(图1)延伸。然后，第三臂部段203沿着Y轴远离联接部段130延伸。然后，第四臂部段204沿着X轴朝向天线元件106向后延伸。因此，第一天线臂136沿着XY平面曲折前行(例如，来回移动)。
与联接部段130一起，第一天线臂136和第二天线臂138可以被配置为满足指定频带内的通信。第一天线臂136可以实现较低频带的谐振。举例来说，最大高度H可以是24毫米(mm)。从馈电端子132到远侧边缘159测量的总长度可以被配置为大约是指定频带的四分之一波长。例如，对于700-900MHz，从接头211到远侧边缘159测量的第一天线臂136的长度可以在约107mm和83mm之间。而且，对于更高的频带，第一天线臂136可以在第一臂部段201内形成零电流。当零电流和远侧边缘159之间的距离可以确定在较高频带中通信的半波长驻波。在所示的实施例中，零电流使得第一天线臂136能够在LTE更高频带内通信。驻波可以贡献CP分量。在所示的实施例中，由第一天线臂136形成的驻波贡献RHCP分量。
第二天线臂138的长度被配置用于在更高频带中通信。例如，对于2000MHz频带，第二天线臂138从联接部段130到远侧边缘169的长度可以是约38mm。然而，应当理解，图2A和以上描述仅提供了可以如何设计3D-IFA元件105的一个示例。应当理解，可以修改3D-IFA元件105以实现不同的性能。
图2B示出了沿着XY平面的3D-IFA元件105的最大面积220。如图所示，当第一天线臂136从联接部段130延伸到第一天线臂136的远侧边缘159时，第一天线臂136沿着XY平面遵循臂路径222。臂路径222沿着XY平面是非线性的。例如，臂路径222在第一天线臂136的第一横截面224处具有沿着XY平面的第一路径方向225。臂路径222还在第一天线臂136的第二横截面226处具有沿着XY平面的第二路径方向227。
在一些实施例中，第一和第二路径方向225、227可以相对于彼此至少垂直。例如，在所示的实施例中，第一和第二路径方向225、227是相反的方向。然而，在其他实施例中，第一路径方向225和第二路径方向227可以是大致相反的方向，使得平行于第一路径方向和第二路径方向延伸的平面彼此以最大为30度的角度相交。在其他实施例中，第一和第二路径方向225、227可以彼此垂直，使得第一天线臂136是L形的。
如图2B所示，最大面积220限定3D-IFA元件105的最大宽度D2和最大深度D1。最大深度D1大于最大宽度D2。非线性臂路径222可允许沿着XY平面的较小的最大面积。例如，第一天线臂136的长度LA至少是3D-IFA元件105的最大深度D1的两倍(2X)。长度LA沿着第一天线臂136从接头211到远侧边缘159进行测量。
图3是图1的通信系统的一部分的平面图，示出了3D-IFA元件105的三维结构。如图所示，联接部段130通过短路点122电连接到接地平面，并且通过馈电点124电连接到通信线。联接部段130沿着与短路点122和馈电点124相交的截面CP延伸。联接部段130沿着Z轴远离短路点122和馈电点124延伸。如图所示，天线臂136从联接部段130沿XY平面纵向延伸。当天线臂136从联接部段130延伸到远侧边缘159时，天线臂136沿着XY平面遵循臂路径222。臂路径222沿着XY平面是非线性的，并且臂路径222的至少一部分远离截面CP延伸。
图3还示出了3D-IFA元件105和相邻天线元件106之间的空间关系。如图所示，当第一天线臂136从联接部段130延伸到远侧边缘159时，第一天线臂136遵循曲折路径(由箭头指示)。更具体地，当第一天线臂136沿着曲折路径延伸时，第一天线臂136远离天线元件106并朝着天线元件106返回地延伸。
如本文所述，第一天线臂136可具有指定的长度，使得沿第一天线臂136在第一臂部段201内存在零电流210。这样，沿着第一天线臂136的在零电流210与远侧边缘159之间的部分(该部分由虚线215表示)形成了LTE更高频带中的指定频率的半波长驻波。用于该部分215的第一天线臂136的结构提供了指定的圆极化分量(例如，右旋圆极化(RHCP)分量)。对于其中天线元件106具有指定的CP分量的实施例，第一天线臂136的CP分量可以与相邻天线元件106的圆极化相反。
图4示出了在800MHz下3D-IFA元件105的模拟电流分布。图5示出了在2000MHz下3D-IFA元件105的模拟电流分布。3D-IFA元件105上的明暗度表示天线上的电流分布的强度。随着电流分布的减小，明暗度变得更暗。在所示的实施例中，沿第一天线臂136在2000MHz处形成的驻波是具有右旋设计的半波长驻波。该半波长驻波可以辐射并贡献RHCP分量。如图5所示，零电流210存在于第一天线臂136的第一臂部段201内，并且在零电流210与远侧边缘159之间形成2000MHz的驻波。
在一些实施例中，3D-IFA元件105还可形成垂直极化的四分之一波长IFA。例如，从馈电点延伸到第二升高边缘164的联接部段130可以形成垂直极化的另一四分之一波长IFA。垂直平面中的垂直极化也与水平面中的圆极化正交。尽管CP分量是由弯曲的半波长驻波生成的，但图5中IFA馈电点附近的四分之一波长IFA可以是3D-IFA元件的主要辐射器。在所示的实施例中，由四分之一波长IFA产生的垂直极化分量是主要的极化分量，尤其是在低仰角方向上。
图6-8对应于根据实施例形成的通信模块300，其包括相邻天线元件302(例如，卫星天线元件)和3D-IFA元件304。3D-IFA元件304可以与本文描述的3D-IFA元件相似或相同。在所示的实施例中，3D-IFA元件与3D-IFA元件105相同(图1)。通信模块300可以与通信系统100(图1)相似或相同。图6和图7具体示出了在将3D-IFA元件安装在通信模块中之后，相邻天线元件的LHCP辐射图案306的变化。图6示出了仅具有相邻天线元件302的在2340MHz处的LHCP辐射图案306，并且图7示出了具有相邻天线元件302和3D-IFA元件304的在2340MHz处的LHCP辐射图案306。
图8示出了包括垂直且曲折的天线臂的3D-IFA元件304对相邻天线元件302的影响最小。如图所示，相邻天线元件的回波损耗在2332.5MHz和2345MHz之间定义的指定频带上匹配得很好。在指定频带内，3D-IFA元件与相邻天线元件之间的传输系数低于-10dB。还示出了3D-IFA元件304的回波损耗。因此，实施例可以提供与已知设计相比影响相邻天线元件的3D IFA元件。在特定实施例中，3D-IFA元件是辅助LTE天线，并且相邻天线元件是SDARS天线。
Claims (20)
1.一种三维倒F天线(3D-IFA)元件(105)，其相对于相互垂直的X轴、Y轴和Z轴取向，所述3D-IFA元件(105)包括：
联接部段(130)，其被配置为通过短路点(122)电连接到接地平面(120)并通过馈电点(124)电连接到通信线(410)，所述联接部段(130)沿着与短路点(122)和馈电点(124)相交的截面(CP)延伸，所述联接部段(130)沿着Z轴远离短路点(122)和馈电点(124)延伸；以及
第一天线臂(136)，其从联接部段(130)沿XY平面纵向延伸，其中当第一天线臂(136)从联接部段(130)延伸到第一天线臂(136)的远侧边缘(159)时，第一天线臂(136)沿着XY平面遵循臂路径(222)延伸，所述臂路径(222)沿XY平面是非线性的，其中所述臂路径(222)的至少一部分远离截面(CP)延伸；以及
第二天线臂(138)，其垂直于接地平面(120)取向；
其中，第一天线臂(136)能够在相对较低的频带中谐振，第二天线臂(138)的长度被配置用于在相对较高的频带中通信。
2.根据权利要求1所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述臂路径(222)在第一天线臂(136)的第一截面(224)处具有沿着XY平面的第一路径方向(225)，并且在第一天线臂(136)的第二截面(226)处具有沿着XY平面的第二路径方向(227)，所述第一路径方向(225)和第二路径方向(227)至少彼此垂直。
3.根据权利要求2所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述第一路径方向(225)和所述第二路径方向(227)是相反的路径方向。
4.根据权利要求1所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述第一天线臂(136)具有指定的长度，使得对于所述3D-IFA元件(105)的指定频带，沿着所述第一天线臂(136)存在零电流。
5.根据权利要求4所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述天线臂(136)被配置为当在所述零电流和所述远侧边缘(159)之间存在驻波时提供圆极化分量。
6.根据权利要求1所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述3D-IFA元件(105)具有沿着XY平面的最大面积(220)，其限定所述3D-IFA元件(105)的最大宽度(D2)和最大深度(D1)，所述最大深度大于所述最大宽度，其中，所述第一天线臂(136)的长度是3D-IFA元件(105)的最大深度的至少两倍(2X)。
7.根据权利要求1所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述第一天线臂(136)具有第一升高边缘(152)和第二升高边缘(154)以及在所述第一升高边缘(152)和所述第二升高边缘(154)之间限定的相对的第一宽侧面(156)和第二宽侧面(158)，所述天线臂(136)取向为使得所述第一宽侧面(156)和所述第二宽侧面(158)沿Z轴延伸并且所述第一升高边缘(152)和所述第二升高边缘(154)相对于接地平面(120)具有不同的高度。
8.根据权利要求7所述的3D-IFA元件(105)，其中，所述第一升高边缘(152)比所述第二升高边缘(154)更靠近所述接地平面(120)，所述第一升高边缘平行于XY平面延伸，所述联接部段(130)沿着Z轴在第一升高边缘和接地平面(120)之间延伸。
9.根据权利要求7所述的3D-IFA元件(105)，还包括：导电片(125)，其包括所述第一天线臂(136)和所述联接部段(130)，所述导电片沿着所述第一天线臂(136)折叠，使得所述第一天线臂(136)包括多个臂部段(201-204)，其中相邻的臂部段(202、203)通过接头(213)联接。
10.一种天线组件(102)，包括：
接地平面(120)；
相邻天线元件(160)，其配置为发送/接受能量以用于无线通信；以及
三维倒F天线(3D-IFA)元件(105)，其相对于相互垂直的X轴、Y轴和Z轴取向，所述3D-IFA元件(105)包括：
联接部段(130)，其被配置为通过短路点(122)电连接到接地平面(120)并通过馈电点(124)电连接到通信线(410)，所述联接部段(130)沿着与短路点(122)和馈电点(124)相交的截面(CP)延伸，所述联接部段(130)沿着Z轴远离短路点(122)和馈电点(124)延伸；以及
第一天线臂(136)，其从联接部段(130)沿XY平面纵向延伸，其中当第一天线臂(136)从联接部段(130)延伸到第一天线臂(136)的远侧边缘(159)时，第一天线臂(136)沿着XY平面遵循臂路径(222)延伸，所述臂路径(222)沿XY平面是非线性的，其中所述臂路径(222)的至少一部分远离截面(CP)延伸；
第二天线臂(138)，其垂直于接地平面(120)取向；
其中，第一天线臂(136)能够在相对较低的频带中谐振，第二天线臂(138)的长度被配置用于在相对较高的频带中通信。
11.根据权利要求10所述的天线组件(102)，其中，所述臂路径(222)在第一天线臂(136)的第一截面(224)处具有沿着XY平面的第一路径方向(225)，并且在第一天线臂(136)的第二截面(226)处具有沿着XY平面的第二路径方向(227)，所述第一路径方向(225)和第二路径方向(227)至少彼此垂直。
12.根据权利要求10所述的天线组件(102)，还包括：导电片(125)，其包括所述第一天线臂(136)和所述联接部段(130)，所述导电片沿着所述第一天线臂(136)折叠，使得所述第一天线臂(136)包括多个臂部段(201-204)，其中相邻的臂部段(202、203)通过接头(213)联接。
13.根据权利要求10所述的天线组件(102)，其中，所述第一天线臂(136)具有指定的长度，使得对于所述3D-IFA元件(105)的指定频带，沿着所述第一天线臂(136)存在零电流。
14.根据权利要求10所述的天线组件(102)，其中，所述3D-IFA元件(105)具有沿着XY平面的最大面积(220)，其限定所述3D-IFA元件(105)的最大宽度和最大深度，所述最大深度大于所述最大宽度，其中，所述第一天线臂(136)的长度是3D-IFA元件(105)的最大深度的至少两倍(2X)。
15.根据权利要求10所述的天线组件(102)，其中，所述相邻天线元件具有沿着与所述接地平面(120)平行的XY平面延伸的天线部段。
16.根据权利要求10所述的天线组件(102)，其中，所述3D-IFA元件(105)和所述相邻天线元件被配置为在相隔小于20MHz的相应频带内通信。
17.一种通信模块(100)，其被配置为沿着车辆的外部定位，所述通信模块包括：
主天线元件(103)，其被配置为可操作用于在一个或多个蜂窝频带内接收和发送通信信号；
辅助天线元件(105)，其被配置为可操作用于接收一个或多个蜂窝频带内的通信信号；和
卫星天线元件(106)，其被配置为可操作用于接收卫星频带内的通信信号，所述卫星天线元件(106)定位成与所述辅助天线元件(105)相邻，所述卫星天线元件具有天线部段(107)；
其中，所述主天线元件(103)、所述辅助天线元件(105)和所述卫星天线元件(106)相对于彼此垂直的X轴、Y轴和Z轴取向，所述卫星天线元件的天线部段(107)平行于XY平面延伸；并且
其中，所述辅助天线元件(105)具有三维倒F天线(3D-IFA)元件，所述3D-IFA元件(105)包括：
联接部段(130)，其被配置为通过短路点(122)电连接到接地平面(120)并通过馈电点(124)电连接到通信线，所述联接部段(130)沿着与短路点(122)和馈电点(124)相交的截面(CP)延伸，所述联接部段(130)沿着Z轴远离短路点(122)和馈电点(124)延伸；以及
第一天线臂(136)，其从联接部段(130)沿XY平面纵向延伸，其中当第一天线臂(136)从联接部段(130)延伸到第一天线臂(136)的远侧边缘(159)时，第一天线臂(136)沿着XY平面遵循臂路径(222)延伸，所述臂路径(222)沿XY平面是非线性的，其中所述臂路径(222)的至少一部分远离截面延伸；
第二天线臂(138)，其垂直于接地平面(120)取向；
其中，第一天线臂(136)能够在相对较低的频带中谐振，第二天线臂(138)的长度被配置用于在相对较高的频带中通信。
18.根据权利要求17所述的通信模块(100)，其中，所述3D-IFA元件(105)和所述卫星天线元件被配置为在相隔小于20MHz的相应频带内通信。
19.根据权利要求17所述的通信模块(100)，还包括彼此联接的盖(110)和基板(111)，其中，所述主天线元件的至少一部分、所述辅助天线元件和所述卫星天线元件定位在在盖(110)和基板(111)之间的内部空间内。
20.根据权利要求19所述的通信模块(100)，其中，所述盖(110)具有不超过50毫米的最大高度。
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