AT517123B1 - Kommunikationseinrichtung - Google Patents

Abstract

Kommunikationseinrichtung (1) für ein Fahrzeug (2), zur Übertragung von Mauterfassungsdaten zwischen zumindest einer Infrastruktureinheit (3) und dem Fahrzeug (2), mit einer zum Umschalten zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Antennencharakteristiken (8, 9, 24, 25) ausgebildeten Antennenanlage (4), wobei zur Kommunikation des Fahrzeugs (2) mit zumindest zwei Infrastruktureinheiten (3) eine erste Antennencharakteristik (8, 24) eine in eine erste Richtung (X1) weisende Längskeule (5) und eine zweite Antennencharakteristik (9, 25) zumindest eine unter einem Winkel (α) gegenüber der Längskeule (5) angeordnete, in eine zweite Richtung (X2', X2'') weisende Seitenkeule (6', 6'') aufweist, welche in einander überdeckenden horizontalen Antennendiagrammen (7', 7'') der Antennenanlage (4) gegenüber der Längskeule (5) verschwenkt ist, und dass die Antennenanlage (4) zwischen den Antennencharakteristiken (8, 9, 24, 25) mit einer Umschaltfrequenz umschaltbar ist, welche zur korrekten Erfassung eines mit der Antennenanlage (4) empfangenen, modulierten Nutzsignals in einem der Antennenanlage (4) nachgeschalteten Empfänger (19, 32) höher als die Frequenz des Nutzsignals ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Kommunikationseinrichtung für ein Fahrzeug, zur Übertragung von Mauterfassungsdaten zwischen zumindest einer Infrastruktureinheit und dem Fahrzeug, mit einer zum Umschalten zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Antennencharakteristiken ausgebildeten Antennenanlage, sowie ein Fahrzeugkommunikationsgerät zur Mauterfassung mittels Mikrowellenübertragung mit einer solchen Kommunikationseinrichtung.

[0002] Kommunikationseinrichtungen dieser Art, welche in Fahrzeugen montiert werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen dem Austausch von für eine Mauterfassung relevanten Daten zwischen Infrastruktureinheiten, welche auf Überkopfbrücken oder an Straßenrändern montiert sind, bzw. mobil auf stehenden oder sich bewegenden Kontrollfahrzeugen positioniert sind, und den darunter hindurchfahrenden oder daran vorbeifahrenden Fahrzeugen. Um eine Datenverbindung zwischen den Infrastruktureinheiten und den Fahrzeugen zu gewährleisten, weisen die Kommunikationseinrichtungen Antennenanlagen mit zumindest zwei unterschiedlichen Antennencharakteristiken auf, wobei jeweils eine dieser Antennencharakteristiken vor allem für die Kommunikation mit jeweils einer der Infrastruktureinheiten ausgebildet ist. Abhängig davon, ob die nächstgelegene Infrastruktureinheit oberhalb oder seitlich der Fahrbahn montiert ist, wird die geeignete Antennencharakteristik ausgewählt.

[0003] Die EP 2 466 549 A1 offenbart eine OBU (On Board Unit) für ein Straßenmautsystem zur Kommunikation wahlweise mit ortsfesten Mautbaken oder mit gegenüber diesen tiefer angeordneten, beispielsweise an Kontrollfahrzeugen montierten oder am Straßenrand aufgestellten Kontrollbaken. Hierfür weist die OBU eine Antennenanlage mit zumindest zwei unterschiedlichen, einstellbaren Antennencharakteristiken auf. Die OBU aktiviert bei der Kommunikation mit der Mautbake eine erste Antennencharakteristik mit einer schräg nach oben und nach vorne gerichteten Hauptstrahlrichtung und bei der Kommunikation mit der Kontrollbake eine zweite Antennencharakteristik mit einer flacheren, rund um die OBU verlaufenden seitlichen Strahlrichtung. Für die Auswahl der jeweiligen Antennencharakteristik, welche von der aktuellen Position des Fahrzeugs abhängt, muss die Antennenanlage jedoch einen GPS-Empfänger nutzen. Dies ist nicht nur wegen der hierfür anfallenden Kosten nachteilig, sondern erfordert auch Aktualisierungsinformationen, wenn mobile Mauterfassungsgeräte zum Einsatz kommen. Alternativ kann die Antennenanlage vor Beginn einer Funkkommunikation periodisch zwischen beiden Antennencharakteristiken wechseln und, sobald die OBU eine Funkkommunikation detektiert, die periodische Umschaltung beenden und die Funkkommunikation mit der aktuellen Antennencharakteristik fortsetzen. Hierbei wird aber den im Allgemeinen im Zuge einer Freiraumausbreitung auftretenden Störungen und der Mobilität des Fahrzeugs, welches sich während der Datenübertragung weiterbewegt, nicht Rechnung getragen.

[0004] Die US 6,061,029 betrifft eine Antennenanlage mit jeweils einer zur Kurzreichweiten-Kommunikation (DSRC) geeigneten, verdrehbaren Antenne in einem linken und einem rechten Außenspiegel eines Fahrzeugs. Um die Antenne mit dem jeweils stärkeren Empfangssignal bestimmen zu können, ist eine Vorrichtung zum Vergleich der Signalstärken der Empfangssignale der Antennen vorgesehen. Für die Kommunikation mit einer Infrastruktureinheit wird die Position der Antenne mit dem stärkeren Empfangssignal beibehalten, während die Position der anderen Antenne, zur Erzielung eines stärkeren Empfangssignals, geeignet verändert wird. Diese Vorrichtung ist somit relativ komplex mit zwei Antennen, Mitteln zum Vergleich von Signalstärken und mit mechanischen Einrichtungen zum Drehen der Antennen aufgebaut.

[0005] Die JP 2003-163526 A offenbart eine Antennenanlage für ein Fahrzeug zur Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und einer straßenseitigen Infrastruktureinrichtung, beispielsweise zur Mauterfassung. Die Antennenanlage ist zwischen mehreren Hauptstrahlrichtungen um-schaltbar, wobei bei noch großer Entfernung des Fahrzeugs zur Infrastruktureinrichtung eine Ausrichtung etwa 45 Grad nach oben und bei geringer Entfernung des Fahrzeugs zur Infrastruktureinrichtung eine Ausrichtung etwa 90 Grad nach oben eingestellt wird. Durch Vergleich der mit den Antennen empfangenen Signalstärken kann jeweils die geeignetere Antenne für die

Kommunikation ausgewählt werden. Auch diese Vorrichtung benötigt Mittel zur Positionsbestimmung und zum Vergleich von Signalstärken.

[0006] Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Kommunikationseinrichtung für ein Fahrzeug wie eingangs angegeben zu schaffen, die eine Datenübertragung zwischen einem Fahrzeug und Infrastruktureinheiten ermöglicht, die oberhalb oder neben der Fahrbahn angeordnet sind, ohne Informationen über den aktuellen Ort der Infrastruktureinheiten an die Kommunikationseinrichtung übermitteln zu müssen. Die Kommunikationseinrichtung soll insbesondere eine zuverlässige mobile Datenverbindung für die Übertragung von für die Mauterfassung relevanten Daten zwischen einem fahrenden Fahrzeug und einer unbeweglichen oder mobilen, sich gegebenenfalls bewegenden Infrastruktureinheit gewährleisten. Zudem soll die Kommunikationseinrichtung einfach, kostengünstig und robust aufgebaut sein und eine kleine Bauform aufweisen. Zudem soll ein Fahrzeugkommunikationsgerät mit einer solchen Kommunikationseinrichtung geschaffen werden.

[0007] Hierfür sieht die Erfindung eine Kommunikationseinrichtung wie in Anspruch 1 und ein Fahrzeugkommunikationsgerät wie in Anspruch 12 definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Kommunikation des Fahrzeugs mit zumindest zwei Infrastruktureinheiten eine erste Antennencharakteristik eine in eine erste Richtung weisende Längskeule und eine zweite Antennencharakteristik zumindest eine unter einem Winkel gegenüber der Längskeule angeordnete, in eine zweite Richtung weisende Seitenkeule aufweist, welche in einander überdeckenden horizontalen Antennendiagrammen der Antennenanlage gegenüber der Längskeule verschwenkt ist, und dass die Antennenanlage zwischen den Antennencharakteristiken mit einer Umschaltfrequenz umschaltbar ist, welche zur korrekten Erfassung eines mit der Antennenanlage empfangenen, modulierten Nutzsignals in einem der Antennenanlage nachgeschalteten Empfänger höher als die Frequenz des Nutzsignals ist. Die Kommunikationseinrichtung ermöglicht somit sowohl eine Datenübertragung zwischen dem Fahrzeug und einer oberhalb der Fahrbahn angeordneten Infrastruktureinheit als auch eine Datenübertragung zwischen dem Fahrzeug und einer neben der Fahrbahn angeordneten Infrastruktureinheit und/oder einer mobilen, sich bewegenden Infrastruktureinheit. Die oberhalb der Fahrbahn angeordnete Infrastruktureinheit, im Folgenden auch Kontrollgerät genannt, kann beispielsweise fix auf Überkopfbrücken montiert sein, während die neben der Fahrbahn angeordnete Infrastruktureinheit bzw. das Kontrollgerät auf mobilen Vorrichtungen, beispielsweise auf einem Kontrollfahrzeug, montiert und im Wesentlichen an beliebigen Standorten positioniert sein kann. Der Vorteil mobiler Kontrollgeräte ist, dass hierdurch Herstellungskosten für fix über der Fahrbahn montierte Kontrollgeräte eingespart werden können. Durch die an sich beliebige Position seitlich der Fahrbahn angeordneter Kontrollgeräte wird jedoch im Allgemeinen die Datenübertragung zu und von einem vorbeifahrenden Fahrzeug erschwert. Insbesondere würde eine aus Sicht des Fahrzeugs nur nach vorne und oben gerichtete Antennenkeule, welche für die Datenübertragung mit dem oberhalb der Fahrbahn montierten Kontrollgerät besonders geeignet wäre, nur aus größerer Entfernung zu einem neben der Fahrbahn positionierten Kontrollgerät eine Datenverbindung ermöglichen. Wenn sich das Fahrzeug hingegen dem Kontrollgerät weiter nähert, wäre für die Initiierung bzw. die Aufrechterhaltung einer Datenübertragung eine Antennencharakteristik mit einer mehr zur Seite hin ausgerichteten Antennenkeule zweckmäßig. Aus diesem Grund ist die Antennenanlage der erfindungsgemäßen Kommunikationseinrichtung zum Umschalten zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Antennencharakteristiken ausgebildet. Die Antennenanlage weist eine erste Antennencharakteristik mit einer in eine erste Richtung weisenden Längskeule und eine zweite Antennencharakteristik mit zumindest einer Seitenkeule auf, welche unter einem Winkel gegenüber der Längskeule angeordnet ist und aus Sicht des Fahrzeugs in horizontaler Richtung in zumindest eine zweite Richtung weist. In einander überdeckenden, den beiden Antennencharakteristiken zugeordneten horizontalen Antennendiagrammen der Antennenanlage ist die Seitenkeule daher gegenüber der Längskeule verschwenkt. Während die Längskeule somit für die Datenübertragung zu und von dem Kontrollgerät über der Fahrbahn besonders geeignet ist, weist die Seitenkeule in eine für die Datenübertragung mit einem neben der Fahrbahn positionierten Kontrollgerät geeignete Seitenrichtung. Da die Kommunikationseinrichtung keine Information über den Standort der Infrastruktureinheiten besitzt, schaltet die Kommunikationseinrichtung bzw. die Antennenanlage regelmäßig, vorzugsweise periodisch, zwischen den Antennencharakteristiken um, um im Wesentlichen die vollständige Datenübertragung zu und von den Infrastruktureinheiten, während sich das Fahrzeug bewegt, durchzuführen. Im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, welche bis zum Beginn einer Datenübertragung zwischen zwei Antennencharakteristiken umschalten und daran anschließend eine der beiden Antennencharakteristiken für die weitere Datenübertragung beibehalten, erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die vollständige Datenübertragung, während weiterhin regelmäßig zwischen den Antennencharakteristiken umgeschaltet wird. Auf diese Weise stehen sowohl die Längskeule als auch die Seitenkeule für die Datenübertragung zur Verfügung, während sich das Fahrzeug, gegebenenfalls auch das Kontrollgerät, bewegt und sich daher die Übertragungsbedingungen, wie allgemein aus der mobilen Datenübertragung bekannt ist, verändern. Das Umschalten zwischen den Antennencharakteristiken erfolgt mit einer Umschaltfrequenz, welche zur korrekten Erfassung eines mit der Antennenanlage empfangenen, modulierten Nutzsignals in einem der Antennenanlage nachgeschalteten Empfänger höher als die Frequenz des Nutzsignals ist. Auf diese Weise stehen dem Empfänger, ähnlich einer Signalabtastung, ausreichend viele Signalanteile innerhalb einer Zeiteinheit (Periodendauer) des Nutzsignals zur Verfügung, um das auf einen HF-Träger modulierte Nutzsignal korrekt demodulieren bzw. erfassen zu können. Aufgrund der hohen Umschaltfrequenz zwischen den Antennencharakteristiken kann die Kommunikationseinrichtung die Daten korrekt senden und empfangen, sodass aus Sicht des Empfängers oder eines Senders der Kommunikationseinrichtung die Antennencharakteristiken als im Wesentlichen gleichzeitig verfügbar angesehen werden können. Insofern können die als gleichzeitig vorhanden interpretierbare Längskeule und Seitenkeule auch als Verbreiterung der horizontalen Antennencharakteristik bzw. als Verbreiterung der Längskeule zur Seite hin betrachtet werden.

[0009] Im Rahmen dieser Beschreibung wird unter einer Längskeule eine Antennenkeule verstanden, deren Hauptstrahlungsrichtung, auf eine horizontale Ebene projiziert, im Wesentlichen in Längsrichtung des Fahrzeugs, also in Fahrtrichtung des Fahrzeugs, weist. Dementsprechend weist die Hauptstrahlungsrichtung einer Seitenkeule in eine Seitenrichtung, welche, auf die horizontale Ebene projiziert, mit der Längsrichtung des Fahrzeugs einen Winkel einschließt.

[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Umschaltfrequenz zumindest doppelt so hoch, vorzugsweise 2 bis 10 mal so hoch, wie die Frequenz des Nutzsignals. Die Umschaltfrequenz kann durchaus noch höher gewählt werden, wenn dies mit geringen Herstellungskosten der Kommunikationseinrichtung vereinbar ist. Die Untergrenze der zumindest doppelt so hohen Umschaltfrequenz ergibt sich aus dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Eine demgegenüber höhere Umschaltfrequenz erleichtert die Rekonstruktion des Nutzsignals, sodass der hierfür nötige Schaltungsaufwand reduziert wird. Insbesondere können bei höheren Umschaltfrequenzen für die Rekonstruktion vorgesehene Tiefpassfilter niedrigerer Ordnung Verwendung finden bzw. können ohnehin verwendete Mischer- und Antennenkoppelstrukturen als geeignete Tiefpassfilter wirken. Die Frequenz des Nutzsignals kann beispielsweise einen Wert im Bereich von 200 kHz bis 500 kHz aufweisen.

[0011] Die Kommunikationseinrichtung ist für die Datenübertragung in eine Längsrichtung und eine Seitenrichtung besonders gut geeignet, wenn in den horizontalen Antennendiagrammen die Hauptstrahlungsrichtung der zumindest einen Seitenkeule gegenüber der Hauptstrahlungsrichtung der Längskeule einen Winkel zwischen 40° und 80°, vorzugsweise zwischen 45° und 60° aufweist. Insbesondere kann der Winkel Werte bei bzw. zwischen 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, 70°, 75° oder 80° aufweisen. In Zusammenhang mit einer im Allgemeinen geforderten Strahlbreite bzw. einem Grenzwinkel von ±35° für die Längskeule und Seitenkeule, was jener Winkel ist, bei welchem der Antennengewinn -3dB im Vergleich zum maximalen Antennengewinn beträgt, wird hierdurch eine Sende- und Empfangscharakteristik der umschaltbaren Antennenanlage erzielt, die für die Datenübertragung in einem großen Winkelbereich zwischen der Längsrichtung und einer hierzu orthogonalen horizontalen Richtung geeignet ist.

[0012] Da das mobile Kontrollgerät an einer beliebigen Straßenseite positioniert sein kann, ist günstigerweise vorgesehen, dass in den einander überdeckenden horizontalen Antennendiagrammen beiderseits der Längskeule jeweils eine Seitenkeule ausgebildet ist.

[0013] Vorzugsweise sind aus Sicht der Längskeule die linke und rechte Seitenkeule etwa symmetrisch zur Längskeule angeordnet.

[0014] Für die Erzeugung der beiden Antennencharakteristiken ist es günstig, wenn die Antennenanlage eine Patchantenne mit zwei Antennenflächen oder mit vier an den Ecken eines gedachten Rechtecks angeordneten Antennenflächen aufweist, und wenn zumindest zwei direkt benachbarte Antennenflächen vorzugsweise mit einem Abstand zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge der über die Antennenflächen gesendeten und empfangenen Signale zueinander angeordnet sind. Eine derartige Patchantenne kann kostengünstig und mit geringen Abmessungen hergestellt werden, indem beispielsweise kreisförmige (oder auch elliptische) Antennenflächen eines elektrisch leitfähigen Materials auf einer geeigneten, elektrisch isolierenden Trägerplatte aufgebracht sind. Während eine Patchantenne mit nur zwei Antennenflächen besonders platzsparend ausführbar ist, ermöglicht die Variante mit vier Antennenflächen eine noch bessere Fokussierung der Längskeule. Die Patchantenne mit vier Antennenflächen kann zudem eine Trägerplatte aufweisen, welche zwischen den zwei übereinander angeordneten Reihen der Antennenflächen in einem vordefinierten Winkel abgebogen ist, um unterschiedliche Abstrahlrichtungen der beiden Reihen in vertikaler Richtung zu erzielen. Abhängig von dem gewählten Abstand der zwei bzw. von jeweils zwei direkt benachbarten Antennenflächen kann die Strahlbreite der Längskeule und Seitenkeule sowie die Nebenkeulendämpfung zweckmäßig festgelegt werden. Unter direkt benachbarten Antennenflächen sind hierbei nicht die diagonal zueinander angeordneten Antennenflächen einer Patchantenne mit vier Antennenflächen zu verstehen. Wenn die über die Antennenflächen gesendeten und empfangenen Signale eine Frequenz von beispielsweise etwa 6 GHz aufweisen, beträgt der Abstand der direkt benachbarten Antennenflächen etwa 26 mm bis 52 mm.

[0015] Zur Ausbildung der beiden Antennencharakteristiken kann zweckmäßig vorgesehen sein, dass die Antennenanlage zum Umschalten zwischen zwei Phasenverschiebungen zwischen den mit den Antennenflächen gesendeten und empfangenen Signalen mit der Umschaltfrequenz ausgebildet ist, wobei jeder der Phasenverschiebungen jeweils eine der ersten und zweiten Antennencharakteristiken zugeordnet ist. Die Antennenanlage ist somit ausgebildet, die Antennenflächen mit Signalen zu versorgen, die den selben Betrag, aber unterschiedliche Phasenwinkel aufweisen, und für empfangene Signale den Betrag unverändert zu belassen und die Phasenwinkel zu beeinflussen.

[0016] Um mit einer Patchantenne mit vier Antennenflächen Seitenkeulen zu erzeugen, die sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung in einem Winkel zur Längskeule angeordnet sind, kann vorgesehen sein, dass im einfachsten Fall jeweils zwei einander diagonal gegenüberliegende Antennenflächen der Patchantenne, die vier Antennenflächen aufweist, die selbe Phasenverschiebung aufweisen. Auf diese Weise kann auf eine gekrümmte bzw. abgebogene Trägerplatte für die vier Antennenflächen verzichtet werden. Die Form des Antennendiagramms kann mittels der gewählten Phasenverschiebung beeinflusst werden. In einer alternativen, komplexeren Ausführungsform können alle vier Antennenflächen der Patchantenne unterschiedliche Phasenverschiebungen aufweisen, um vier in unterschiedliche Richtungen weisende, horizontal und/oder vertikal gegeneinander verschwenkte und gegebenenfalls teilweise unterschiedlich geformte Antennenkeulen zu erzeugen.

[0017] Eine besonders ausgeprägte und unterscheidende Ausbildung der Längskeule und der zumindest einen Seitenkeule lässt sich erzielen, wenn die Phasenverschiebungen eine Differenz von zumindest 120° aufweisen und vorzugsweise 0° und 180° betragen. Für einzelne Anwendungsfälle, in welchen unsymmetrisch zur Längskeule angeordnete Seitenkeulen oder andere Nebenkeulendämpfungen günstig sind, können auch Phasenverschiebungen von weniger als 120°, beispielsweise zwischen 60° und 120°, zweckmäßig sein. Demnach können auch Phasenverschiebungen von beispielsweise etwa 0° und 60°, 0° und 90°, 0° und 120° oder 0° und 150° zwischen den mit den Antennenflächen gesendeten und empfangenen Signalen vorgesehen sein.

[0018] Die Phasenverschiebungen lassen sich auf einfache Weise erzeugen, indem die Antennenanlage zum Erzeugen der Phasenverschiebungen ein dem Verlauf einer oder mehrerer Speiseleitungen der jeweiligen Antennenflächen zuschaltbares und überbrückbares, die Signallaufzeit verlängerndes Verzögerungselement, vorzugsweise eine elektrische Leitung, aufweist. Das Verzögerungselement, welches eine Verzögerung und somit eine Phasenverschiebung eines elektrischen Signals bewirkt, ist wahlweise in zumindest eine zu oder von der jeweiligen Antennenfläche führende Leitung mit der Umschaltfrequenz einfügbar. Um die Verzögerung regelmäßig zur Auswahl einer der Antennencharakteristiken zu vermeiden, kann das Verzögerungselement mit einer möglichst kurzen Leitung bzw. einem Schalter überbrückt werden.

[0019] Um in regelmäßigen Zeitabständen zwischen den Antennencharakteristiken umschalten zu können, kann vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Antennenanlage eine das Zuschalten und Überbrücken des Verzögerungselements steuernde Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit ist beispielsweise mit einem parallel zum Verzögerungselement angeordneten Schalter verbunden und ausgebildet, den Schalter in definierten Zeitintervallen zu öffnen und zu schließen. Die Steuereinheit kann zudem ausgebildet sein Steuersignale zu empfangen, um die Zeitintervalle bzw. die Periodendauer des Umschaltvorgangs den Steuersignalen entsprechend zu verändern.

[0020] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antennenanlage ausgebildet ist, das Umschalten zwischen den unterschiedlichen Antennencharakteristiken in einem definierten Ortsbereich zu stoppen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn in diesem Ortsbereich immer wiederkehrende Störsignale auftreten, welche die Datenübertragung bzw. die Funktion der Kommunikationseinrichtung negativ beeinflussen. Wenn der Kommunikationseinrichtung dieser Ortsbereich bekannt ist, kann versucht werden, die Datenübertragung mit jener Antennencharakteristik durchzuführen, mit welcher eine geringere negative Beeinflussung zu erzielen ist. Vorzugsweise weist die Kommunikationseinrichtung hierfür eine Signalverarbeitungseinheit auf, welche durch eine Analyse der empfangenen Datensignale die besser geeignete Antennencharakteristik ermittelt.

[0021] Wie eingangs erwähnt betrifft die Erfindung zudem ein Fahrzeugkommunikationsgerät zur Mauterfassung mittels Mikrowellenübertragung mit einer Kommunikationseinrichtung entsprechend der vorstehenden Beschreibung.

[0022] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen: [0023] Fig. 1A und 1B ein Fahrzeug, welches sich auf ein oberhalb der Fahrbahn angeordne tes Kontrollgerät zu bewegt, mit einer Längskeule und verschieden ausgerichteten Seitenkeulen; [0024] Fig. 1C das Fahrzeug aus Fig. 1A oder 1B, welches sich auf ein neben der

Fahrbahn angeordnetes Kontrollgerät zubewegt, mit einer Längskeule und zwei Seitenkeulen; [0025] Fig. 2A ein horizontales Antennendiagramm der Antennenanlage der Kommu nikationseinrichtung; [0026] Fig. 2B ein vertikales Antennendiagramm der Antennenanlage der Kommuni kationseinrichtung mit einer Ausrichtung der Seitenkeulen gemäß Fig. 1A; [0027] Fig. 2C ein vertikales Antennendiagramm der Antennenanlage der Kommuni kationseinrichtung mit einer Ausrichtung der Seitenkeulen gemäß Fig. 1B; [0028] Fig. 3A eine Patchantenne mit zwei Antennenflächen; [0029] Fig. 3B ein horizontales Antennendiagramm der Patchantenne aus Fig. 3A; [0030] Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugkommunikationsgeräts mit der

Patchantenne aus Fig. 3A; [0031] Fig. 5A eine Patchantenne mit vier Antennenflächen; [0032] Fig. 5B ein vertikales Antennendiagramm der Patchantenne aus Fig. 5A; [0033] Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugkommunikationsgeräts mit der

Patchantenne aus Fig. 5A; [0034] Fig. 7 ein Diagramm einer horizontalen Abstrahlcharakteristik der Patchan tenne mit zwei Antennenflächen aus Fig. 3A für verschiedene Abstände der Antennenflächen; und [0035] Fig. 8 ein Diagramm einer horizontalen Abstrahlcharakteristik der Patchan tenne mit zwei Antennenflächen aus Fig. 3A für verschiedene Phasenverschiebungen.

[0036] Die Fig. 1A und 1B zeigen eine Kommunikationseinrichtung 1 in einem Fahrzeug 2, welches sich auf eine oberhalb einer Fahrbahn F angeordnete Infrastruktureinheit 3 bzw. ein Kontrollgerät 3 zu bewegt. Die Kommunikationseinrichtung 1 weist eine insbesondere in Fig. 4 und 6 gezeigte Antennenanlage 4 auf, welche ausgebildet ist, zwischen einer Abstrahl-/Emp-fangscharakteristik mit einer Längskeule 5 und einer AbstrahF/Empfangscharakteristik mit zumindest einer Seitenkeule 6 mit einer Umschaltfrequenz umzuschalten, welche höher als die Frequenz des auf einen HF-Träger modulierten, mit der Antennenanlage 4 gesendeten oder empfangenen Nutzsignals ist. Da die Umschaltung zwischen der Längskeule 5 und der Seitenkeule 6 im Wesentlichen dauerhaft, also auch während der Datenübertragung zu und von der Infrastruktureinheit 3 erfolgt, findet der Datentransfer zu der oberhalb einer Fahrbahn F angeordneten Infrastruktureinheit 3 im Wesentlichen in jenen Zeitintervallen statt, in welchen die Antennenanlage 4 ein Antennendiagramm mit der Längskeule 5 aufweist. Die Längskeule 5 ist hierfür in Fahrtrichtung R nach vorne gerichtet und gegenüber der horizontalen Fahrbahn F in einem Winkel ß nach oben, in Richtung X1, geneigt.

[0037] Demgegenüber findet der Datentransfer zu einer neben einer Fahrbahn F oder am Fahrbahnrand angeordneten Infrastruktureinheit 3, siehe Fig. 1C, im Wesentlichen in jenen Zeitintervallen statt, in welchen die Antennenanlage 4 ein Antennendiagramm mit der zumindest einen Seitenkeule 6 aufweist. In Fig. 1C sind zwei Seitenkeulen 6', 6" dargestellt, die hierfür unter einem Winkel α gegenüber der Längsrichtung X1 der Längskeule 5 bzw. gegenüber der Fahrtrichtung R zur Seite, in eine zweite Richtung X2', X2" verschwenkt sind. Die Infrastruktureinheit 3 ist in Fig. 1C mobil, z.B. auf einem Kontrollfahrzeug K montiert, dargestellt. Das im rechten Winkel zur Fahrbahn F gezeigte Kontrollfahrzeug K könnte ebenso parallel zur Fahrbahn F positioniert sein und sich gegebenenfalls während der Datenübertragung zu und von dem Fahrzeug 2 in die zum Fahrzeug 2 gleiche oder entgegengesetzte Richtung bewegen.

[0038] Aufgrund der im Wesentlichen dauerhaften Umschaltung zwischen der Längskeule 5 und den Seitenkeulen 6, 6', 6" kann die Kommunikationseinrichtung 1 unabhängig vom Abstand zur Infrastruktureinheit 3 und von deren Position eine Datenübertragung zu und von dieser Infrastruktureinheit 3 durchführen, indem während der Fortbewegung des Fahrzeugs 2 mittels zumindest einer der Längskeule 5 oder der Seitenkeulen 6, 6', 6" entsprechend geeignete Sende- und Empfangscharakteristiken bereitgestellt werden.

[0039] Fig. 2A zeigt zwei einander überdeckende horizontale Antennendiagramme 7', 7" der Antennenanlage 4 mit einer ersten Antennencharakteristik 8, die eine in eine erste Richtung X1 weisende Längskeule 5 aufweist, und mit einer zweiten Antennencharakteristik 9, die zwei unter einem Winkel α gegenüber der Längskeule 5 zur Seite gerichtete, in zweite Richtungen X2', X2" weisende Seitenkeulen 6', 6" aufweist. Die Richtungen X2', X2" bzw. Hauptstrahlungsrichtungen X2', X2" der Seitenkeulen 6', 6" weisen im Beispiel der Fig. 2A gegenüber der Hauptstrahlungsrichtung X1 der Längskeule 5 einen Winkel von 60° auf.

[0040] Obgleich gemäß der Ausführungsform in Fig. 2A beiderseits der Längskeule 5 jeweils eine Seitenkeule 6', 6" dargestellt ist, um einen Datentransfer mit Kontrollgeräten 3 beiderseits der Fahrbahn F durchführen zu können, könnte in einer einfacheren Ausführungsform selbstverständlich die zweiten Antennencharakteristik 9 auch nur eine der beiden Seitenkeulen 6', 6" (vorzugsweise die in Fahrtrichtung linke Seitenkeule 6') aufweisen.

[0041] Die Fig. 2B zeigt zwei einander überdeckende vertikale Antennendiagramme 10', 10" der Antennenanlage 4 mit der ersten Antennencharakteristik 8, welche die Längskeule 5 aufweist, und mit der zweiten Antennencharakteristik 9, welche die zwei gegenüber der Längskeule 5 in einem Winkel γ nach unten, zur Fahrbahn F gerichteten Seitenkeulen 6', 6" aufweist.

[0042] Fig. 2C stellt ebenfalls zwei einander überdeckende vertikale Antennendiagramme 10', 10" der Antennenanlage 4 dar. Im Unterschied zu Fig. 2B weisen hier die Seitenkeulen 6', 6" vertikal in die gleiche Richtung wie die Längskeule 5, d.h. der Winkel γ ist im Wesentlichen gleich null. Diese Ausführung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn durch die parallele Orientierung der Seitenkeulen 6', 6" und der Längskeule 5 im Vergleich zu einer verschwenkten Orientierung die Kosten für die Herstellung der Kommunikationseinrichtung 1 reduziert werden können.

[0043] Fig. 3A zeigt eine Patchantenne 11 mit zwei Antennenflächen PA1, PA2 als Teil der Antennenanlage 4. Die zwei direkt benachbarten Antennenflächen PA1, PA2 sind mit einem Abstand d zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge λ der über die Antennenflächen PA1, PA2 gesendeten und empfangenen HF-Signale zueinander angeordnet. Beispielsweise beträgt der Abstand d zwischen 25,9 mm und 51,9 mm.

[0044] Über die Antennenflächen PA1, PA2 werden betragsmäßig etwa gleich starke Signale gesendet und empfangen, wobei die der Antennenfläche PA1 zugeordneten Signale gegenüber den der Antennenfläche PA2 zugeordneten Signalen eine Phasenverschiebung aufweisen können. Abhängig von der Phasenverschiebung weist die Antennenanlage 4 unterschiedliche Sende- und Empfangseigenschaften auf, sodass durch ein Umschalten zwischen zwei Phasenverschiebungen mit der Umschaltfrequenz die zwei Antennencharakteristiken 8, 9 erzeugt werden. Es ist somit einer ersten Phasenverschiebung die erste Antennencharakteristik 8 und einer zweiten, zu ersten unterschiedlichen Phasenverschiebung die zweite Antennencharakteristik 9 zugeordnet. Besonders günstig sind Phasenverschiebungen von 0°und 180°.

[0045] Zwei symbolische, mit der Patchantenne 11 erzielbaren horizontalen Antennencharakteristiken 8, 9 gehen aus Fig. 3B hervor. In vertikaler Richtung sind die Seitenkeulen 6', 6" parallel zur Längskeule 5 ausgerichtet.

[0046] Fig. 4 zeigt ein Fahrzeugkommunikationsgerät 12 zur Mauterfassung mittels Mikrowellenübertragung mit einer Kommunikationseinrichtung 1, welche eine Antennenanlage 4 mit einer in Fig. 3A dargestellten Patchantenne 11 mit zwei Antennenflächen PA1, PA2, aufweist. Die Antennenanlage 4 weist ein die Signallaufzeit verlängerndes Verzögerungselement 13 auf, welches dem Verlauf der Speiseleitung 14" der Antennenfläche PA2 zuschaltbar oder über-brückbar ist, um abhängig davon, ob es in den Verlauf der Speiseleitung 14" eingefügt oder überbrückt ist, unterschiedliche Phasenverschiebungen zu erzeugen. Das Verzögerungselement 13, z.B. eine Verzögerungsleitung, ist beispielsweise mit einem Schalter 15 überbrückbar. Um das Zuschalten und Überbrücken des Verzögerungselements 13 zu steuern, weist die Antennenanlage 4 eine steuernde Steuereinheit 16 auf. Das Fahrzeugkommunikationsgerät 12 weist zudem einen Summierer 17, einen Mischer 18, einen Empfänger 19, einen Sender 20 und eine digitale Verarbeitungseinheit 21, welche vorzugsweise auch für eine Steuerung der Steuereinheit 16 ausgebildet sein kann, auf.

[0047] Fig. 5A zeigt eine Patchantenne 22 mit vier an den Ecken eines gedachten Rechtecks 23 angeordneten Antennenflächen PA1, PA2, PB1, PB2 als Teil der Antennenanlage 4. Jeweils zwei direkt benachbarte Antennenflächen PA1, PA2; PB1, PB2 sind mit einem Abstand d zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge λ der über die Antennenflächen PA1, PA2, PB1, PB2 gesendeten und empfangenen HF-Signale zueinander angeordnet.

[0048] Über die Antennenflächen PA1, PA2, PB1, PB2 werden betragsmäßig etwa gleich große Signale gesendet und empfangen, wobei die den Antennenflächen PA1, PB2 zugeordneten Signale gegenüber den den Antennenflächen PA2, PB1 zugeordneten Signalen eine Phasenverschiebung aufweisen können. Demnach weisen die einander diagonal gegenüberliegenden Antennenflächen PA1, PB2; PB1, PA2 der Patchantenne 22 die selbe Phasenverschiebung auf. Wie im Fall der Patchantenne 11 mit zwei Antennenflächen PA1, PA2 werden durch ein Umschalten zwischen zwei Phasenverschiebungen mit der Umschaltfrequenz zwei Antennencharakteristiken 24, 25 erzeugt. Die Phasenverschiebungen betragen vorzugsweise 0°und 180°.

[0049] Zwei symbolische, mit der Patchantenne 22 erzielbare vertikale Antennencharakteristiken 24, 25 gehen aus Fig. 5B hervor. Die Antennencharakteristik 24 hat eine Längskeule 5, während die Antennencharakteristik 25 vier Seitenkeulen 6', 6", 6"', 6"" aufweist, die gegenüber der Längskeule 5 nach oben, nach unten und zu beiden Seiten verschwenkt sind.

[0050] Im allgemeinsten Fall werden über die Antennenflächen PA1, PA2, PB1, PB2 betragsmäßig etwa gleich große Signale gesendet und empfangen, wobei alle den Antennenflächen PA1, PA2, PB1, PB2 zugeordneten Signale zueinander eine unterschiedliche Phasenverschiebung aufweisen. Beispielsweise weist die Antennenfläche PA1 eine Phasenverschiebung φ2, die Antennenfläche PA2 eine Phasenverschiebung φ1 + φ2, die Antennenfläche PB1 eine Phasenverschiebung gleich null und die Antennenfläche PB2 eine Phasenverschiebung cp1 auf. Somit existiert zwischen den nebeneinander angeordneten Antennenflächen PA1, PA2 sowie zwischen den darunter, nebeneinander angeordneten Antennenflächen PB1, PB2 jeweils eine Phasenverschiebung φ1 zur Einstellung der Antennencharakteristik in horizontaler Richtung. Zudem existiert zwischen den übereinander angeordneten Antennenflächen PA1, PB1 sowie zwischen den daneben, übereinander angeordneten Antennenflächen PA2, PB2 jeweils eine Phasenverschiebung φ2 zur Einstellung der Antennencharakteristik in vertikaler Richtung. Mit derartigen Phasenverschiebungen können vier Seitenkeulen 6', 6", 6"', 6"" erzeugt werden, wovon jeweils eine der Seitenkeulen 6', 6", 6"', 6"" nach links unten, rechts unten, links oben und rechts oben weist und beispielsweise die nach oben weisenden Seitenkeulen 6"', 6"" einen kleineren Antennengewinn als die nach unten weisenden Seitenkeulen 6', 6" aufweisen.

[0051] Fig. 6 zeigt ein Fahrzeugkommunikationsgerät 26 mit einer Kommunikationseinrichtung 1, welche eine Antennenanlage 4 mit einer in Fig. 5A dargestellten Patchantenne 22 mit vier Antennenflächen PA1, PA2, PB1, PB2 aufweist. Die Antennenanlage 4 weist ein Verzögerungselement 27 auf, welches dem Verlauf der Speiseleitung 28" der Antennenflächen PA2, PB1 zuschaltbar oder überbrückbar ist, um unterschiedliche Phasenverschiebungen zu erzeugen. Das Verzögerungselement 27, z.B. eine Verzögerungsleitung, ist beispielsweise mit einem Schalter 28 überbrückbar. Um das Zuschalten und Uberbrücken des Verzögerungselements 27 zu steuern, weist die Antennenanlage 4 eine Steuereinheit 29 auf. Das Fahrzeugkommunikationsgerät 26 weist zudem einen Summierer 30, einen Mischer 31, einen Empfänger 32, einen Sender 33 und eine digitale Verarbeitungseinheit 34, welche vorzugsweise auch für eine Ansteuerung der Steuereinheit 29 ausgebildet sein kann, auf.

[0052] Fig. 7 zeigt ein beispielhaftes Diagramm einer horizontalen Abstrahlcharakteristik der Patchantenne 11 mit zwei Antennenflächen PA1, PA2 aus Fig. 3A für verschiedene Abstände d und bei gleichphasiger Ansteuerung der Antennenflächen PA1, PA2. In dem Diagramm ist der Winkelbereich in Grad waagrecht und die Dämpfung in dB senkrecht aufgetragen. Der Abstand d beträgt für Kurve I 25,9 mm, für Kurve II 31,1 mm, für Kurve III 36,3 mm, für Kurve IV 41,5 mm, für Kurve V 46,7 mm und für Kurve VI 51,9 mm. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass eine Variation des Abstandes d zu einer unterschiedlichen Fokussierung einer Antennenkeule führt.

[0053] Fig. 8 zeigt ein beispielhaftes Diagramm einer horizontalen Abstrahlcharakteristik der Patchantenne 11 mit zwei Antennenflächen PA1, PA2 aus Fig. 3A für verschiedene Phasenverschiebungen und bei einem Abstand d, der gleich dem Wert der Wellenlänge λ von 51,9 mm ist. In diesem Diagramm ist der Winkelbereich (in Grad) waagrecht und die Dämpfung (in dB) senkrecht aufgetragen. Die Phasenverschiebung beträgt für Kurve I 0°, für Kurve II 60°, für Kurve III 120° und für Kurve IV 180°. Hieraus ist besonders gut ersichtlich, welche Änderungen der Antennencharakteristiken 8, 9 mit einer Änderung der Phasenverschiebung zwischen den über die Antennenflächen PA1, PA2 gesendeten Signalen erzielbar sind.

Claims (12)

1. Patentansprüche

   1. Kommunikationseinrichtung (1) für ein Fahrzeug (2), zur Übertragung von Mauterfassungsdaten zwischen zumindest einer Infrastruktureinheit (3) und dem Fahrzeug (2), mit einer zum Umschalten zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Antennencharakteristiken (8, 9, 24, 25) ausgebildeten Antennenanlage (4), dadurch gekennzeichnet, dass zur Kommunikation des Fahrzeugs (2) mit zumindest zwei Infrastruktureinheiten (3) eine erste Antennencharakteristik (8, 24) eine in eine erste Richtung (X1) weisende Längskeule (5) und eine zweite Antennencharakteristik (9, 25) zumindest eine unter einem Winkel (a) gegenüber der Längskeule (5) angeordnete, in eine zweite Richtung (X2\ X2") weisende Seitenkeule (6', 6") aufweist, welche in einander überdeckenden horizontalen Antennendiagrammen (7', 7") der Antennenanlage (4) gegenüber der Längskeule (5) verschwenkt ist, und dass die Antennenanlage (4) zwischen den Antennencharakteristiken (8, 9, 24, 25) mit einer Umschaltfrequenz umschaltbar ist, welche zur korrekten Erfassung eines mit der Antennenanlage (4) empfangenen, modulierten Nutzsignals in einem der Antennenanlage (4) nachgeschalteten Empfänger (19, 32) höher als die Frequenz des Nutzsignals ist.
2. 2. Kommunikationseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltfrequenz zumindest doppelt so hoch, vorzugsweise 2 bis 10 mal so hoch, wie die Frequenz des Nutzsignals ist.
3. 3. Kommunikationseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den horizontalen Antennendiagrammen (7', 7") die Hauptstrahlungsrichtung (X2', X2") der zumindest einen Seitenkeule (6', 6") gegenüber der Hauptstrahlungsrichtung (X1) der Längskeule (5) einen Winkel (a) zwischen 40° und 80°, vorzugsweise zwischen 45° und 60° aufweist.
4. 4. Kommunikationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den einander überdeckenden horizontalen Antennendiagrammen (7', 7") beiderseits der Längskeule (5) jeweils eine Seitenkeule (6', 6") ausgebildet ist.
5. 5. Kommunikationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanlage (4) eine Patchantenne (11, 22) mit zwei Antennenflächen (PA1, PA2) oder mit vier an den Ecken eines gedachten Rechtecks (23) angeordneten Antennenflächen (PA1, PA2, PB1, PB2) aufweist, und zumindest zwei direkt benachbarte Antennenflächen (PA1, PA2; PB1, PB2) mit einem Abstand (d) zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge (λ) der über die Antennenflächen (PA1, PA2, PB1, PB2) gesendeten und empfangenen Signale zueinander angeordnet sind.
6. 6. Kommunikationseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanlage (4) zum Umschalten zwischen zwei Phasenverschiebungen zwischen den mit den Antennenflächen (4) gesendeten und empfangenen Signalen mit der Umschaltfrequenz ausgebildet ist, wobei jeder der Phasenverschiebungen jeweils eine der ersten und zweiten Antennencharakteristiken (8, 9, 24, 25) zugeordnet ist.
7. 7. Kommunikationseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei einander diagonal gegenüberliegende Antennenflächen (PA1, PB2; PB1, PA2) der Patchantenne (22) mit vier Antennenflächen (PA1, PA2, PB1, PB2) die selbe Phasenverschiebung aufweisen.
8. 8. Kommunikationseinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungen eine Differenz von zumindest 120° aufweisen und vorzugsweise 0°und 180° betragen.
9. 9. Kommunikationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanlage (4) zum Erzeugen der Phasenverschiebungen ein dem Verlauf einer oder mehrerer Speiseleitungen (14', 14", 28', 28") der jeweiligen Antennenflächen (PA1, PA2; PB1, PB2) zuschaltbares und überbrückbares, die Signallaufzeit verlängerndes Verzögerungselement (13, 27), vorzugsweise eine elektrische Leitung, aufweist.
10. 10. Kommunikationseinrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanlage (4) eine das Zuschalten und Überbrücken des Verzögerungselements (13, 27) steuernde Steuereinheit (16, 29) aufweist.
11. 11. Kommunikationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanlage (4) ausgebildet ist, das Umschalten zwischen den unterschiedlichen Antennencharakteristiken (8, 9, 24, 25) in einem definierten Ortsbereich zu stoppen.
12. 12. Fahrzeugkommunikationsgerät (12, 26) zur Mauterfassung mittels Mikrowellenübertragung mit einer Kommunikationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen