DE10025931A1

DE10025931A1 - Antennenmodul

Info

Publication number: DE10025931A1
Application number: DE10025931A
Authority: DE
Inventors: Karsten Ropers; Michael Daginnus; Heinrich-Gerhard Schuering
Original assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-08-30

Abstract

Es wird ein Antennenmodul beschrieben, das als komplexe, einbaufertige Bau- und Funktionsgruppe für Kraftfahrzeuge konzipiert ist. DOLLAR A Es besteht aus einem vorzugsweise mehrschichtigen Plattenelement (1) aus dielektrischem Material mit einer metallischen Umrandung (2). In das Plattenelement sind unterschiedliche Antennenkonfigurationen und die Mittel zur Impedanzanpassung zu den weiterführenden Netzwerken sowie aktive Schaltungskomponenten integriert. Das Modul wird in Bereiche der Karosserie eingefügt, die im wesentlichen waagerecht sind, wie der Dachbereich und entsprechende Teile der Kofferraumhaube. DOLLAR A Die Strahler des Antennenmoduls können mit Antennen in den Sichtscheiben in Wirkverbindung gebracht werden, z. B. zur Mehrantennenbildung für Antennendiversity. Die Antennenstrukturen (4 bis 9) des Moduls befinden sich auf Kunststoff-Folien bzw. auf glasartigen Plattenelementen (1) und sind bei mehrschichtiger Anordnung durch Dielektrika getrennt. DOLLAR A In das erfindungsgemäße Antennenmodul können auch Komponenten der Endgeräte, wie Displays, Lautsprecher und Mikrofone, eingefügt werden. Es kann als Außenhaut der Karosserie ausgebildet und auch unterhalb einer geschlossenen Karosseriefläche aus dielektrischem Material angeordnet werden. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, das Modul entweder als Teilbereich einer im wesentlichen waagerechten Karosseriefläche anzuführen oder z. B. das gesamte Fahrzeugdach erfindungsgemäß mit Antennen und Schaltungen sowie mit zugehörigen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur modularen Aufnahme mehrerer Antennen und der anderen Komponenten für mobilen Empfangs- und auch Sendebetrieb in unterschiedlichen Frequenzbereichen, das insbesondere für den Einsatz bei Fahrzeugen konzipiert wurde.

Die Antennen für Empfang und Kommunikation sowie für die Steuerung von technischen Funktionen in Kraftfahrzeugen werden heute überwiegend so in den Fahrzeugaufbau integriert, daß sie die Fahrzeugsilhouette nicht beeinträchtigen. Dafür stehen vor allem die Heckscheibe, feststehende Seitenscheiben (soweit vorhanden) und, unter bestimmten Voraussetzungen, auch die Frontscheibe zur Verfügung.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, Antennenleiter-Strukturen, wie sie bei den Scheiben üblich sind, an Karosserieteilen aus Kunststoff anzuordnen. Realisiert wird dieser Ansatz zunächst bei Kofferhauben. Die Kofferhauben gehören bei Fahrzeugen mit Ganzmetall- Karosserie mit zu den ersten Karosserieteilen, die in Metall-Kunststoff-Bauweise oder gänzlich aus Kunststoff ausgeführt werden.

Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, daß dem Antennenentwickler von seinem Kunden ein fertiges, in allen konstruktiven und gestalterischen Details determiniertes Fahrzeug vorgegeben wird. Er muß sich bei der Ausführung der Antennen und der Anschlußpunkte sowie auch beim Schaltungsdesign der Anpaß- und Verstärkungsschaltungen und bezüglich der Masseanbindung diesen Gegebenheiten unterordnen. Das geht bis zur Schaltungsplatine und zum Schaltungsgehäuse, die bei jedem Fahrzeug, entsprechend den oft beengten Platzverhältnissen und unterschiedlichen Einbauorten, anders auszubilden sind.

Eine gewisse Vereinheitlichung ergibt sich daraus, daß die Strahlerstrukturen der Antennen sich in Typengruppen einordnen lassen und daß der Schaltungsaufbau der aktiven Komponenten bezüglich des Layouts und der Bauelemente oft gleichartig ist, unabhängig von den jeweiligen, anzupassenden äußeren Konturen der Platinen.

Insgesamt gesehen, stellt jedoch jeder Fahrzeugtyp in bezug auf sein Empfangssystem in allen Komponenten ein Unikat dar. Der Entwicklungs- und Fertigungsaufwand ist entsprechend hoch, weil bei der Konfiguration der Empfangssysteme gewissermaßen jedesmal bei Null angefangen wird.

Die Erfindung bezweckt nun, einen Weg zu konfektionierten, möglichst weitgehend von Fahrzeugspezifika unabhängigen Antennenanordnungen zu finden. Dazu wird versucht, die Wichtung der für ein bestimmtes Fahrzeug typischen Einflußfaktoren, die die Freiheitsgrade der Konfiguration des Empfangssystems limitieren, zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum Empfangssystem für ein Fahrzeug gehörenden Komponenten zu einer weitgehend autonomen Baugruppe zusammenzufassen, die ohne aufwendige Anpassungsarbeiten für unterschiedliche Fahrzeuge und darüber hinaus auch für andere variable Einsatzorte wahlweise verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und der Nebenansprüche angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsdetails und -varianten.

Das erfindungsgemäße Modul stellt sich dar als vorzugsweise mehrschichtiges Plattenelement aus dielektrischem Material mit einer elektrisch leitenden Umrandung. Die Betriebsposition ist vorzugsweise waagerecht, wodurch günstige Bedingungen für eine Rundumstrahlung der in das Modul integrierten Antennen, aber auch für den Satellitenempfang gegeben sind. Aus der bevorzugten weitgehend waagerechten Betriebsposition resultiert, daß das Modul speziell für die Verwendung in und an Teilen einer Fahrzeugkarosserie geeignet ist, die ihrerseits im wesentlichen waagerecht sind, z. B. das Dach eines Pkw.

Das Modul wird vorzugsweise als separates Element aufgebaut und eingesetzt.

Der Massebezug ist für die jeweilige Antennenkombination im wesentlichen durch die metallische Umrandung und, bei Frequenzen bis zum Meterwellenbereich, durch den zusätzlichen, geteilten orthogonalen Metallstreifen gegeben.

Beim Einbau des Moduls in die Fahrzeugkarosserie werden die metallische Umrandung und der orthogonale Metallstreifen mit Masseleitungen oder direkt mit metallischen Komponenten des Fahrzeugaufbaus verbunden. Dabei wird die elektrische und HF-Konfiguration des Moduls bekanntermaßen davon beeinflußt, ob die Einbauumgebung metallisch ist (Metallkarosse) oder aus Kunststoffelementen besteht.

Andererseits wird bei Einbau des Moduls in eine metallische Dachhaut - also bei Vorhandensein einer metallischen Umrandung - auch die Bedeutung der metallischen Umrandung für die Funktion der Antennen im Modul geringer. Wenn ein geeigneter Massebezug der Antennen gewährleistet ist, könnte im Extremfall der Karosserierand die moduleigene Umrandung ersetzen.

Allgemein gesehen, bietet die Erfindung die Möglichkeit, das Modul als weitgehend autonomes Element in einigen wenigen Typen vorzufertigen. Zu dem einbaufertigen Modul gehört vorzugsweise das komplette Empfangs- und -sendesystem mit den Schaltungs komponenten, in je nach Wunsch unterschiedlichem Komplettierungsgrad. Für den Einbau und für die Berücksichtigung der Fahrzeugspezifika können variable "Abstimmelemente" zur Impedanzanpassung verwendet werden, so daß sich im günstigsten Fall die Einfügung in den Fahrzeugaufbau auf mechanische und auf Designfragen beschränken kann.

Dem gleichen Ziel kann die Ausbildung als in gewissen Grenzen biegsames Element dienen. Wenn man das Modul z. B. unterhalb einer Karosserie-Außenhaut aus Kunststoff anordnet, dann ist die Möglichkeit, ein vorgefertigtes Einheits-Antennenmodul zu verwenden, das man "vor Ort" unterschiedlichen Dachwölbungen anpassen kann, ein Weg zur Fertigung in größeren Stückzahlen und damit zur Senkung der Kosten.

Variationsmöglichkeiten der Antennenkombination und der Antennenzahl ergeben sich, indem man z. B. zwei erfindungsgemäße Module nebeneinander anordnet oder sie in unterschiedliche Elemente und Ebenen der Karosserie einfügt, z. B. eines in das Dach und das andere in die Kofferhaube.

Eine solche getrennte, in bezug auf das das Fahrzeug umgebende elektromagnetische Feld weitgehend entkoppelte Anordnung unterstützt wirkungsvoll die Bildung von Mehrantennen- Systemen für Antennendiversity.

Eine Kombination mit ähnlich effektiver feldmäßiger Entkopplung erhält man jedoch auch, wenn man das Antennenmodul mit einem Empfangssystem in der Heckscheibe kombiniert. Dazu würde man das Modul dachseitig an den hinteren Dachholm anfügen, an dessen anderer Seite sich die Heckscheibe befindet.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, eine Heckscheibe, die mit der üblichen Antennenausstattung für die Rundfunkfrequenzen versehen ist, mit einem erfindungsgemäßen Plattenelement nach Anspruch 8 zu kombinieren. Auf der Oberseite der Trenn- und Trägerfläche werden Antennen für Frequenzen ab 0,8 GHz aufwärts angeordnet, und die Unterseite nimmt Schaltungsmodule für diese Antennen und auch für die Antennen auf der Scheibe auf. Solch ein spezielles Bauteil kann im hinteren Dachbereich unterhalb der Heckscheibe angeordnet werden, indem man z. B. die Heckscheibe in den Dachbereich hineinbiegt.

Das Plattenelement mit den Antennen des GHz-Bereichs kann aber auch Teil eines komplexeren großen Antennenmoduls sein, bei dem in einem zweiten Bereich Antennen für andere Frequenzen angeordnet sind.

Last but not least impliziert das erfindungsgemäße Prinzip noch eine weitere vorteilhafte Option: Das Plattenelement bietet sich nicht nur für die Anordnung unterschiedlichster Antennen und der weiterführenden Netzwerke an, sondern es kann unter bestimmten Voraussetzungen auch für verschiedene Komponenten der Endgeräte den optimalen Ort darstellen. Vorstellbar sind Mikrofone der Telefon-Freisprechanlage, bestimmte kleine Lautsprecherboxen und die flachen Displays für TV-Empfang, die man z. B. schwenkbar lagern kann. Eine solche Anordnung bietet nicht nur den Vorteil, daß der für diese Komponenten benötigte Platz an anderer Stelle frei wird, sondern es ist auch denkbar, daß sich kürzere Leitungsverbindungen ergeben und daß ergonomische Vorteile wirksam werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 Erfindungsgemäßes Antennenmodul in schematischer Darstellung in Draufsicht

Fig. 2 Maßbenennung des Metallstreifens

Fig. 3 Antennenmodul mit Trenn- und Trägerfläche für Antennen des GHz-Bereichs und Schaltungsmodule in verschiedenen Ansichten und Schnitten

Das Modul nach Fig. 1 besteht aus den - hier transparent dargestellten - Platten oder Folien 1 und dem Metallrahmen 2. Das Modul mißt z. B. 900 × 300 × 40 mm. Die beiden Längsseiten des metallischen Rahmens 2 sind durch den Metallstreifen 3 verbunden. Der Metallstreifen besteht aus zwei Segmenten, die durch den Spalt 3.1 getrennt sind. Der Metallstreifen 3 ist bei dem vorliegenden Beispiel mittig, bezogen auf die Längsseite des Moduls, angeordnet. Auf die Oberflächen der Platten oder Folien 1 sind metallische Leiterstrukturen aufgebracht. Es sind dies bei dem Ausführungsbeispiel:
4 kapazitives Auskoppelelement für Hörrundfunk/AM, 150 kHz bis 2 MHz,
gleichzeitig: erste Antenne für Hörrundfunk/FM1, 76 bis 108 MHz,
5 zweite Antenne für Hörrundfunk/FM2, 76 bis 108 MHz,
alternativ: Antenne für DAB, 170 bis 240 MHz,
6 TV-Antenne - TV 1, 170 bis 900 MHz,
7 TV-Antenne - TV2, 170 bis 900 MHz,
8 TV-Antenne - TV3, 47 bis 800 MHz (Optimum 100 bis 700 MHz),
9 TV-Antenne - TV4, 47 bis 800 MHz (Optimum 100 bis 700 MHz),
10 Mobilfunk-Antenne, 820 bis 960 MHz sowie 1,7 bis 2.0 GHz,
11 GPS-Antenne, 1575 MHz,
12 DAB L-Band, 1452 bis 1492 MHz.
13 SDARS-Antenne, 2,32 bis 2,34 GHz

Selbst die schematische Darstellung zeigt deutlich, daß für die einzelnen Strukturen und in bezug auf die Zahl der Antennen weitgehende Gestaltungsfreiheit besteht. Sie ist zum einen durch die relativ großen Abmessungen der Modulfläche gegeben, die noch dazu nicht auf das hier beispielhaft angegebene Maß begrenzt sind. Weitere Optionen ergeben sich aus der Schichtung mehrerer antennentragender Flächen und aus der Möglichkeit, z. B. zwei derartige Module nebeneinander anzuordnen.

Die Flächen 4.1 und 5.1 stellen Beispiele für passive Mittel zur Impedanzanpassung der Strahlerstrukturen dar, hier für die Antennen 4 und 5. Die Flächen 4.1 und 5.1 können auch in Skelettierung ausgeführt sein.

Ein wesentliches Element und Merkmal der Erfindung ist der Metallstreifen 3.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist er A = 100 mm breit, und der Abstand zur Ebene der Strahlerstrukturen beträgt B = 40 mm. Der Spalt 3.1 ist C = 4 mm breit. Das Maß D des kurzen Segments des Metallstreifens beträgt 70 mm.

Mit dem Metallstreifen können die Empfangseigenschaften und die Anpassung der FM- Antennen beeinflußt werden. Die Einflußgrößen sind im wesentlichen

- der Abstand B zur Ebene der Strahler,
- die Position und die Breite des Spalts 3.1,
- die Breite A des Metallstreifens sowie
- die Position des Metallstreifens entlang der Längsachse des Antennenmoduls.

Der Metallstreifen kann gleichzeitig als Massebezugsfläche für Strahler für hohe Frequenzen dienen. Bei dem Ausführungsbeispiel sind dies die Antennen 10, 11, 12 und 13.

Die Alternative für die Anordnung von Antennen für sehr hohe Frequenzen zeigt Fig. 3. Hier sind die Antennen 11, 13 sowie 14 für unterschiedliche Dienste - z. B. nebeneinander - aufgereiht. Am besten geeignet sind Patch antennas oder ähnliche flache Strahlertypen.

Als Massebezugsfläche dient für alle Antennen gemeinsam die oberseitige Metallisierung der Trenn- und Trägerfläche 15.

Die dem Fahrzeug-Innenraum zugewendete Seite ist mit Leiterbahnen versehen und trägt Schaltungsmodule 16, die als weiterführende Netzwerke der Antennen des Antennenmoduls wie auch für Antennen auf der Scheibe dienen. Die Schaltungsmodule 16 sind zu Zwecken der Abschirmung mit Metall-Gehäusen versehen; es kann aber auch das gesamte Bauteil mit einer metallischen Abdeckung versehen sein (zusätzlicher Insassenschutz).

Die Schaltungsmodule werden vorzugsweise über Steckverbindungen mechanisch befestigt und elektrisch kontaktiert.

Soweit die Antennen auf der Trenn- und Trägerfläche 16 (auch) für Sendezwecke dienen und mit höherer Leistung strahlen, werden die Fahrzeuginsassen durch die Metallisierung der Trenn- und Trägerfläche geschützt.

Die Trenn- und Trägerfläche kann auf der Oberseite zwischen den einzelnen Antennen mit Stegen 17 versehen sein, deren Oberfläche ebenfalls metallisiert ist. Das gleiche gilt für den Längssteg 18.

Claims

1. Antennenmodul, insbesondere geeignet als komplexe, einbaufertige Baugruppe für Kraftfahrzeuge, mit den folgenden Merkmalen:

- das Modul besteht aus einem traversenartigen, vorzugsweise mehrschichtigen Plattenelement (1) aus dielektrischem Material, das mit metallischen Leiterstrukturen (4 bis 12) versehen ist, die Antennenkonfigurationen bilden.
- die metallischen Strukturen (4 bis 12) sind vorzugsweise in unterschiedlichen Ebenen angeordnet,
- das Modul ist vorzugsweise von einer metallischen Umrandung (2) umgeben, die primär den Massebezug für die Antennen bildet,
- das Modul ist vorzugsweise in einen im wesentlichen waagerechten Bereich der Karosserie eingefügt,
- das Modul nimmt neben den passiven Antennenkomponenten auch die Mittel zur Impedanzanpassung und aktive Schaltungskomponenten auf,
- für den Empfang im Meterwellenbereich ist mindestens eine Leiterbahn (4) vorgesehen, die sich vorzugsweise in Längsrichtung des Moduls erstreckt und deren Strahlung durch einen Metallstreifen (3) unterstützt wird, der unterhalb der Leiterbahn und mit Abstand zu ihr, vorzugsweise im Mittenbereich des Moduls angeordnet ist,
- der Metallstreifen (3) verläuft orthogonal zur Richtung der Leiterbahn (4) und erstreckt sich von einem Rand des Moduls zum gegenüberliegenden Rand,
- der Metallstreifen (3) ist durch einen Spalt (3.1) unterbrochen, wobei die Empfangseigenschaften im Meterwellenbereich durch die Breite (C) des Spalts und seine Position und außerdem durch den Abstand (B) des Metallstreifens zur Ebene der Strahler sowie durch die Position des Metallstreifens entlang der Längsachse des Moduls und durch die Breite (A) des Metallstreifens beeinflußbar sind.

2. Antennenmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung des Moduls im Dachbereich des Fahrzeugs.

3. Antennenmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung des Moduls im waagerechten Bereich einer Kofferraumhaube.

4. Antennenmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit Antennen in einer Heckscheibe und gegebenenfalls in feststehenden hinteren Seitenscheiben, wobei das Modul direkt an die Heckscheibe und die Seitenscheiben angrenzend angeordnet ist, jedoch von den Scheiben durch ein als HF-Masse wirkendes Bauteil, z. B. den Dachholm oberhalb der Scheiben, getrennt ist.

5. Antennenmodul nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul neben den Schaltungskomponenten der eigenen Strahler (4 bis 14) vorzugsweise auch Schaltungskomponenten der Antennen in den Scheiben aufnimmt.

6. Antennenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiterstrukturen (4 bis 9) vorzugsweise auf Kunststoff-Folie aufgetragen sind, und daß die nötigen unterschiedlichen Abstände zwischen den Folien vorzugsweise mit Hilfe von Schaumstoffplatten erzielt werden.

7. Antennenmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch transparente Ausbildung der gesamten Anordnung, wobei glasartige Plattenelemente (1) mit Leiterstrukturen (4 bis 9) Verwendung finden, die vorzugsweise durch Luft als Dielektrikum getrennt sind.

8. Antennenmodul, insbesondere geeignet als komplexe, einbaufertige Baugruppe für Kraftfahrzeuge, wobei das Modul

- aus einem traversenartigen Plattenelement (1) aus dielektrischem Material besteht, das mit Antennenkonfigurationen versehen ist,
- vorzugsweise von einer metallischen Umrandung (2) umgeben ist, die primär den Massebezug für die Antennen bildet,
- vorzugsweise in einen im wesentlichen waagerechten Bereich der Karosserie eingefügt ist und
- neben den passiven Antennenkomponenten auch die Mittel zur Impedanzanpassung und aktive Schaltungskomponenten aufnimmt,

gekennzeichnet durch einen Teilbereich, in dem über einer Massebezugsfläche Antennen (11, 13, 14) für Frequenzen ab 0,8 GHz aufwärts angeordnet sind, und einen Teilbereich, in dem die Schaltungsmodule (16) von Sende- und Empfangssystemen angeordnet sind, wobei Zahl und Anordnung der Antennen wie auch der Schaltungsmodule in Abhängigkeit vom geforderten Komplettierungsgrad des gesamten Kommunikationssystems des Fahrzeugs wählbar sind.

9. Antennenmodul nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise über die gesamte Plattenfläche reichendes Trenn- und Trägerfläche (15), auf deren Oberseite Antennen (11, 13, 14) angeordnet sind und an deren unterer Seite Schaltungsmodule (16) elektrisch angeschlossen und mechanisch gehalten werden, wobei die Schaltungsmodule einerseits mit den Antennen auf der Oberseite sowie mit Antennen auf einem benachbarten Antennenmodul und auf einer benachbarten Scheibe des Fahrzeugs verbunden sein können und andererseits mit Empfängern und mit Kommunikationsendgeräten in Verbindung stehen.

10. Antennenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn- und Trägerfläche (15) vorzugsweise aus einer Schaltungsplatine besteht, die auf der den Antennen zugewandten Seite großflächig metallisiert ist und auf der konträren Oberfläche mit Leiterbahnen versehen ist, die Verbindungen zwischen Schaltungsmodulen den (16) und den Antennen sowie zu den zugehörigen Endgeräten herstellen.

11. Antennenmodul, insbesondere geeignet als komplexe, einbaufertige Baugruppe für Kraftfahrzeuge, wobei das Modul

gekennzeichnet durch die Zuordnung von Komponenten der Endgeräte, wie Displays, Lautsprecher und Mikrofone.

12. Antennenmodul nach Anspruch 1, 8 und 11, gekennzeichnet durch vorzugsweise kraft- und formschlüssige Mittel zur elektrischen Kontaktierung und mechanischen Halterung der Schaltungsmodule und der Endgeräte-Komponenten, vorzugsweise lösbare Steckverbindungen.

13. Antennenmodul nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der traversenartigen Plattenelemente (1) separat in die Fahrzeugkarosserie eingefügt wird und gleichzeitig die Außenhaut der Karosserie bildet.

14. Antennenmodul nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die traversenartigen Plattenelemente (1) unterhalb einer geschlossenen Karosseriefläche aus dielektrischem Material angeordnet sind.

15. Antennenmodul nach Anspruch 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Plattenelement (1), in dem neben Antennen und Schaltungsmodulen in Kombinaton auch Endgeräte- Komponenten angeordnet sind.

16. Antennenmodul nach 15, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Fahrzeugdach als ein spezielles Antennenmodul ausgeführt ist, in das sämtliche Antennen, Module und Komponenten integriert sind.

17. Antennenmodul nach Anspruch 1, 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenelement (1) als ganzes biegsam ist und vorzugsweise im Fahrzeuginneren der Wölbung eines beliebigen Fahrzeugdachs, das aus Kunststoff besteht, durch bleibende Verformung angepaßt wird.