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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Empfang bzw. Senden elektromagnetischer
Strahlung bestehend aus Segmenten von Folienflachleitern, ein Verfahren
zur Erstellung einer Vorrichtung und die Verwendung von Segmenten
von Folienflachleitern zur Realisierung einer Vorrichtung mit den
im Oberbegriff der Ansprüche 1, 22 und 33 genannten Merkmalen.
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Zu
den zur Zeit im Automobilbordnetz dominierenden Rundleitern hat
sich für spezielle raum- und gewichtssparende Anwendungen
die Folienflachleitertechnologie in Form von FFC-(Flexible Flat Cable)
und FPC-(Flexible Printed Cable) Leitern etabliert. Flachleiter
bestehen aus Leiterbahnen, die von einem Kunststoff umgeben sind.
Ein Beispiel sind Kupferbahnen, die von Isolationsfolien aus Polyester, PVC
oder Polyimid umgeben sind. Flexible Flachleiter und flexible Leiterplatten
bieten in Verbindung mit speziellen Steckersystemen oder Verbindungen durch
Schweiß- oder Löttechnik kostengünstige, platzsparende
Lösungen für fast alle Bereiche der Elektronik
und Elektrotechnik. Neben der elektrischen Verbindung von Bordnetzkomponenten
werden diese Leiter zur direkten Integration von elektrischen Bauelementen
eingesetzt. Flachleiter verdrängen in zunehmendem Maße die
klassischen Rundleiterverkabelung, vor allem in solchen Anwendungen, bei
denen der zur Verbauung vorhandene Raum nur gering ist. Durch die
rasch wachsende Anzahl elektronischer Funktionen für Sicherheit
und Komfort wird insbesondere in der Automobilindustrie der für
die Verkabelung zur Verfügung stehende Raum immer knapper.
Hier bieten Flachleiter eine Alternative. Sie sind leichter, benötigen
weniger Platz und bringen mehr Leistung und Sicherheit.
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In
der
EP 1 453 067 wird
ein flexibles extrudiertes Flachleiterkabel beschrieben. Das FFC
weist zumindest eine Leiterbahn auf, die von einem Extrudat aus
elektrisch isoliertem Material umgeben ist. Aus der
EP 1 424 882 sind Flachleiter, insbesondere zur
Verwendung in Fahrzeugen bekannt. Das Flachleiterkabel weist zumindest
zwei elektrische Leiter und eine die Leiter umgebende Isolationsschicht
aus Kunststoffmaterial auf.
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Aus
der
DE 10 2004 012 099 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Verbindung von Folienleitern durch
Ultraschallschweißen bekannt. Durch Ultraschallschweißtechnik
bei gleichzeitiger Prozesskontrolle werden die aus der FFC-Technik
resultierenden Folienleiter, die FFC-Leiter und die Komponenten
der aus der Leiterplattentechnik stammenden FPC-Schaltungen miteinander
kombiniert. Ferner ist in der
DE
10 2004 012 098 ein Verfahren zur Qualitätskontrolle
beim Ultraschallschweißen von kunststoffisolierten, metallischen
Folienleitern, insbesondere FFC – Flexible Flat Cable – Leitern
und/oder FPC – Flexible Printed Cable – Leitern
angegeben.
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Automobile
umfassen im Allgemeinen auch Rundfunkgeräte sowie Antennen.
Das einfachste und gleichzeitig am stärksten verbreitete
Resonanzgebilde in der Antennentechnik ist der so genannte Halbwellendipol.
Der Halbwellendipol hat eine Längenausdehnung, die etwa
der halben Wellenlänge der jeweils verwendeten Frequenz
entspricht. Der Dipol ist in seiner geometrischen Mitte aufgetrennt.
An den dort entstehenden zwei Polen, den Speisepunkten, kann der
Sender oder Empfänger angeschlossen werden. Aus der Parallelschaltung
zweier Halbwellenstücke in geringem gegenseitigen Abstand entsteht
ein Faltdipol. Er unterscheidet sich von dem einfachen gestreckten
Dipol vor allem durch seine höhere Eingangsimpedanz, die
Reflexionseigenschaften sowie die größere Bandbreite.
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Antennen
werden entsprechend den gestiegenen Anforderungen vor allem im Telekommunikationsbereich
in baulich sehr unterschiedlichen Ausführungsformen hergestellt
und im Fahrzeug integriert. Neben dem von der herkömmlichen
Stabantenne abgedeckten AM/FM-Bereich ist insbesondere der GSM-Bereich
(Global System for Mobile Communication) von Bedeutung, hinzu kommen
weitere Anwendungen wie TV- oder Weather-Band (für Wetter-Warnsendungen).
Für jede Anwendung existieren im Allgemeinen gesondert
aufgebaute elektrische und geometrische Strukturen, die je nach
Platzierung innerhalb der Karosserie noch variieren können. Jede
neue Applikation erfordert eine zeitlich sehr aufwendige Neuberechnung
der elektromagnetischen Verhältnisse innerhalb des Fahrzeuges
als auch in dem das Kfz umgebenden Nah- und Fernbereich. Gleiches
gilt für jeden neuen Karosserietyp.
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Neueste
Entwicklungen zielen auf Leiterplattenstrukturen ab, die innerhalb
der Karosserie bevorzugt im Dachhimmel eingebaut werden sollen.
Eine solche Konstruktion ist in 1 gezeigt.
Sie weist zwar eine recht komplexe Layoutgeometrie auf, zeigt aber
auch, dass Antennen bei geeigneter Strukturierung ohne wesentlichen
Verlust an Empfangsleistung innerhalb des Fahrzeuginnenraumes positionierbar sind.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein in geometrischer und herstellungstechnischer
Hinsicht vereinfachtes Layout von Antennen zu ermöglichen und
neue Materialien für den Antennenbau vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 22
und 33 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Folienflachleiter
insbesondere in der Form von zweiadrigen FFC-Segmenten weisen eine ähnliche
Struktur wie Faltdipole auf. Die Vorteile dieser Dipolkonstruktion
wie weitestgehende Reflektorunabhängigkeit als auch eine
sehr hohe Bandbreite von bis zu einer Oktave prädestinieren
sie für einen Einbau in elektrisch halboffene Geometrien,
wie sie unter anderem ein Fahrzeuginnenraum in der Nähe
der Front-, Seiten- und Heckscheiben darstellt. Grund hierfür
ist die zweite parasitäre Leitung, die parallel zu der,
einen einfachen zylindrischen Dipol darstellenden ersten Leitung
geführt und mit dieser an den Enden elektrisch verbunden
ist.
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Besondere
Richtcharakteristiken und eine Erhöhung der Empfangsleistung
sind durch spezielle Faltungen des FFC-Leiters sowie dem Hinzufügen von
weiteren FFC-Segmenten über entsprechende Schweiß-
oder Lötverbindungen (Potentialverteilungen) möglich.
Vorteil dieser Segmentierung, ähnlich den Pigtails normaler
FFC-Leitungssätze, ist die Möglichkeit, die elektromagnetischen
Eigenschaften der einzelnen FFC-Segmente mathematisch gesondert
zu modellieren und ihre Funktionalität im Antennengesamtsystem
zu berechnen.
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Insbesondere
die bereits vorhandenen Verbindungstechniken für klassische
Potentialverteilungen auf Folienflachleitern (wie Ultraschall- und
Widerstandsschweißen) erlauben, auch komplexere Vorrichtungen
mit definierten Empfangscharakteristiken aus FFC-/FPC-Einzelsegmenten
sehr schnell aufzubauen und zu testen. Neben den Kostenvorteilen
bietet die vereinfachte Struktur insbesondere die Möglichkeiten,
den Aufwand der elektrischen Modellierung der Antenne soweit zu
reduzieren, dass entsprechende FEM-Modelle (Finite-Elemente-Methode)
auch auf Standard-PCs in einem zeitlich akzeptablen Rahmen gerechnet,
danach physikalisch aufgebaut und unter realen Bedingungen schnell
getestet werden können.
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Basierend
auf diesem segmentaren Baukastensystem sind auch komplexere Antennenfunktionen
leicht darstellbar, an spezielle Anforderungen hinsichtlich Positionierung
und Empfangeigenschaften anpassbar und im Gesamtsystem Auto nachoptimierbar.
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Ein
weiterer Vorteil von Antennensystemen auf der Basis von Folienflachleitern
ist die durch die Leitungsstruktur natürlich gegebene Integrierbarkeit in
das Standardbordnetzsystem sowie deren Komponenten.
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Entsprechend
wird eine Vorrichtung zum Empfang bzw. Senden elektromagnetischer
Strahlung angegeben, die aus Segmenten von Folienflachleitern besteht,
die mindestens zwei elektrisch leitende Bahnen aufweisen, wobei
die Vorrichtung mindestens ein Grundsegment umfasst, dessen Länge
proportional einer vorgegeben Wellenlänge ausgebildet ist.
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Die
Vorrichtung kann ferner mindestens ein Segment zur Feinabstimmung
umfassen, das aus Folienflachleitern mit mindestens zwei elektrischen Leitungen
besteht.
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Die
Segmente zur Feinabstimmung können elektrisch kontaktierend
aneinander und/oder an das Grundsegment anfügbar ausgebildet
sein. Ein Segment zur Feinabstimmung kann durch Faltung eines linearen
Folienflachleiters an mindestens einer Stelle ausgebildet sein,
so dass der Folienflachleiter aus einem Grundsegment und mindestens
einem, das Segment zur Feinabstimmung bildendem Abschnitt besteht,
welcher mit dem Grundsegment einen Winkel bildet. Bevorzugt sind
Segmente zur Feinabstimmung durch Faltung eines linearen Folienflachleiters an
beiden seiner Enden ausgebildet, so dass der Folienflachleiter aus
einem Grundsegment und zwei, die Segmente zur Feinabstimmung bildenden
Endabschnitten besteht, welche mit dem Grundsegment einen Winkel
bilden.
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Bevorzugt
sind die Segmente zur Feinabstimmung linear in unterschiedlichen
Längen ausgebildet. Die Segmente zur Feinabstimmung können
an mindestens einer Stelle gefaltet ausgebildet sein, so dass Unterabschnitte
entstehen, die zueinander einen Winkel bilden.
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Die
Faltung ist dabei im Gegensatz zu den Antennen des Standes der Technik
sehr einfach vorzunehmen, es müssen keine Elemente angefügt
werden, um die Abstrahlcharakteristik in einer entsprechenden Richtung
auszugestalten. Außerdem kann die Antenne durch Faltung
einfach an den zur Verfügung stehenden Platz angepasst
werden.
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Das
Grundsegment und die Segmente zur Feinabstimmung können
so ausgebildet sein, dass ihre Richtcharakteristik zum Empfang bzw.
Senden elektromagnetischer Strahlung bestimmbar ist. Die Länge
des Grundsegments entspricht bevorzugt der einfachen Länge
einer vorgegebenen Wellenlänge oder der Hälfte
einer vorgegebenen Wellenlänge oder einem Viertel einer
vorgegebenen Wellenlänge.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass die Richtcharakteristik mittels
numerischer Berechnungsverfahren bestimmbar, zum Beispiel durch
die Finite-Elementen-Methode, ist.
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Der
Winkel zwischen Grundsegment und Segment zur Feinabstimmung ist
bevorzugt ein Winkel, der gemäß einer Maximierung
der Störsicherheit bestimmbar ausgebildet ist. Er kann
ein im Wesentlichen rechter Winkel sein.
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Die
einzelnen Folienflachleitersegmente sind bevorzugt als Flexible
Flat Cable (FFC) und/oder Flexible Printed Cabels (FPC) ausgebildet.
Die Folienflachleiter weisen einen Hauptleiter und eine parallel angeordnete
parasitäre Leitung auf. Der Abstand der mindestens zwei
elektrischen Leitungen ist bevorzugt größer als
das 2,5-fache des Leiterbahndurchschnittes und kleiner als ein Zehntel
der vorgegebenen Wellenlänge. Jedes Segment weist mindestens zwei
elektrisch leitende Anschlüsse zur Verbindung mit einem
Empfänger bzw. Sender und/oder mit einem weiteren Segment
auf.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung als Fahrzeugantennenstruktur ausgebildet. Bevorzugter
Einbauort der Vorrichtung ist der Dachhimmel eines Fahrzeuges. Jedoch
ist die Erfindung nicht auf diesen Einbauort beschränkt.
Vielmehr kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
an verschiedensten Stellen innerhalb eines Fahrzeuges, zum Beispiel
einem Radkasten oder generell innerhalb der Karosserie angeordnet
werden.
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Die
vorgegebene Wellenlänge ist bevorzugt die Mittenfrequenz
eines vorgewählten Frequenzbandes, zum Beispiel FM, AM,
oder GSM.
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Entsprechend
wird ein Verfahren zur Erstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Empfang bzw. Senden elektromagnetischer Strahlung
angegeben, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Berechnung
einer Richtcharakteristik von Grundsegmenten sowie Segmenten zur Feinabstimmung
verschiedener Dimension; Festlegung einer vorgegebenen Richtcharakteristik;
Auswahl eines Grundsegments entsprechend der vorgegebenen Richtcharakteristik.
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Das
Verfahren kann ferner folgende Schritte umfassen: Auswahl von mindestens
einem Segment zur Feinabstimmung entsprechend der gegebenen Richtcharakteristik;
Anfügen der Segmente zur Feinabstimmung aneinander und/oder
an das Grundsegment, wobei die Kontakte elektrisch leitend ausgebildet
sind, oder Faltung eines linearen Folienflachleiters an mindestens
einer Stelle zur Ausbildung eines Grundsegmentes und mindestens
eines Segmentes zur Feinabstimmung.
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Das
Anfügen erfolgt bevorzugt mittels Festkörperfügetechniken
und führt zu einer reinen Metall-Metall Verbindung zwischen
den Segmenten. Dies kann durch Ultraschall- oder Widerstandsschweißen
geschehen. Vorteil reiner Festkörperschweißverbindungen
ist die geringe Beeinflussung der Gesamtimpedanz des Antennensystems
sowie die geringen HF-Reflexionen an den Verbindungsstellen.
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Die
vorberechneten Richtcharakteristiken der Segmente werden bevorzugt
in einer Datenbank gespeichert. Dieses Vorgehen ermöglicht,
dass die Verfahrensschritte der Berechnung einer Richtcharakteristik
von Grundsegmenten sowie Segmenten zur Feinabstimmung verschiedener
Dimension nur einmalig ausgeführt werden müssen
und dann bei später neu zu dimensionierenden Antennen auf
die bereits vorberechneten Elemente zurückgegriffen werden
kann.
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Das
Grundsegment kann gemäß der folgenden Schritte
ausgebildet werden: Abschneiden eines Segmentes aus einer Meterware
von Folienflachleitern, wobei die Länge des Abschnitts
entsprechend der Mittenwellenlänge des vorgegebenen Frequenzbandes
ausgewählt wird, und Verbindung einer Hauptleitung und
einer parasitären Leitung des Segmentes über einen
Widerstand.
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Es
wird bevorzugt ein Grundsegment ausgewählt, welches aus
den vorberechneten Grundsegmenten am besten der vorgegebenen Richtcharakteristik
entspricht. Die Segmente zur Feinabstimmung werden bevorzugt nach
Auswahl eines Grundsegments so ausgewählt, dass eine Superposition
der Richtcharakteristiken der einzelnen Segmente am besten der vorgegebenen
Richtcharakteristik entspricht. Nach dem Zusammenfügen
oder Falten einzelner Segmente wird bevorzugt eine Korrekturberechnung
der Richtcharakteristik auf Basis der Richtcharakteristik der einzelnen
Segmente durchgeführt. Die jeweiligen Leiterbahnen der
einzelnen Segmente werden nach dem Anfügen an den Schnittstellen über
Widerstände und/oder Festkörperschweißverbindungen
verbunden.
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Entsprechend
wird eine Verwendung von Folienflachleitern zur Bildung einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung
angegeben.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Heckscheibenantenne des Standes der Technik;
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2 einen
FC-Folienflachleiter im Querschnitt;
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3 die
Ausbildung von erfindungsgemäßen Grundsegmenten
und Segmenten zur Feinabstimmung;
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4 eine
Geometrie eines erfindungsgemäßen Faltdipols aus
einem Folienflachleiter mit Darstellung einer Teilsegmentierung
für die FEM-Analyse;
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5 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung nebst Anschluss an
einem Radioempfänger;
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6 eine
elektrische Kontaktierung zwischen einem FPC- und einem FFC-Segment;
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7 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Antennensegments;
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8 Reflexionsfaktor
in dB der Antennen-Impedanz im FM-Band für die Antenne
in 7;
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9 gerechnete
Stromverteilung und Richtcharakteristik im FM-Band der Struktur
aus 7;
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10 Fernfeldcharakteristik
in ausgewählten Schritten bei 97,74 MHz der Antenne aus 7;
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11 Reflexionsfaktor
in dB der Antennen-Impedanz im GSM-Band für drei Beschichtungsdicken
der Antenne aus 7;
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12 Antennen-Impedanz
im GSM-Band im Smith-Diagramm bei Variation der Schichtdicke der
Antenne aus 7;
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13 gerechnete
Stromverteilung und Richtcharakteristik im GSM-Band der Antenne
aus 7;
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14 Horizontalschnitt
der Fernfeldcharakteristik bei 900 MHz der Antenne aus 7;
und
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15 Vergleich
der Empfangscharakteristik von einer Kfz-Stabantenne und einer FFC-Flachleiterantenne
im FM-Band.
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2 zeigt
einen FFC-Folienflachleiter im Querschnitt. Der Folienflachleiter
besteht aus Kupferdrahtbahnen 2, die über einen
Kleber 1 in einer Folie 3 integriert sind. Die
Kupferdrahtbahnen 2 bestehen beispielsweise aus 50 bis
200 µm Walzkupfer in Breiten von 0,66 mm bis 2,54 mm, wobei
breitere Bahnen auch möglich sind. Die Isolationsfolie 3 besteht
aus 25 bis 75 µm Polyester, PEN, PVC oder Polyimid, wobei
auch andere Kunststoffsysteme eingesetzt werden. Der Kleber 1 besteht
aus 25 bis 75 µm Polyester-, Acrylat- oder Polyimidkleber.
Standardgemäß wird zunächst ein runder
Kupferdraht gewalzt, bzw. ein flacher Kupferdraht verwendet. Die
Folie 3 und der Kleber 1 werden zu einer Basisfolie
verbunden, der Kleber 1 wird anschließend durch
beheizte Walzen aktiviert. Die Basisfolien werden beidseitig auf den
gereinigten Kupferdraht auflaminiert, wiederum gereinigt, aufgeschlitzt
und dann aufgerollt. Alternative Herstellungstechnologien sind das
Extrudieren von Kupferleitern, das Ätzen metallisierter
Kunststoffträger sowie das Drucken entsprechender Leiterbahnstrukturen.
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3 zeigt
die Ausbildung von erfindungsgemäßen Grundsegmenten 11 und
Segmenten zur Feinabstimmung 12. Zur Festlegung des Layouts
einer Vorrichtung wird zunächst eine gewünschte
Sende- oder Empfangscharakteristik vorgegeben. Von einer Meterware
Folienflachleitern 9, hier FFC Flachleiter, wird ein Segment 10 abgeschnitten
(3a und 3b).
Der Folienflachleiter besteht aus zwei Leiterbahnen, einer Hauptleitung 4 und
einer parasitären Leitung 5. An den beiden offenen
Enden des abgeschnittenen Segmentes werden die Hauptleitung 4 und
die parasitäre Leitung 5 über einen SMD
(Surface Mounted Devices-Widerstand 6 verbunden, um eine
Impedanzanpassung durchzuführen. Im Hauptteil des Segmentes
wird die Folie 3 entfernt und danach eine der beiden Leiterbahnen 4, 5 aufgetrennt, wobei
an den beiden aufgetrennten Enden der Leiterbahn Anschlüsse 7 entstehen.
Aus diesem Rohsegment wird nun ein Grundsegment 11 entsprechend 3c ausgebildet, dessen Länge
als λ/2 Dipol entsprechend einer gewünschten Empfangscharakteristik
ausgewählt wird. Die Länge des Grundsegmentes 11 entspricht
somit der Hälfte der Wellenlänge einer vorgegebenen
Frequenz. Die vorgegebene Frequenz entspricht bevorzugt der Mittenfrequenz
eines gewünschten Frequenzbandes, kann aber auch anders
definiert werden. Dazu werden die beiden Enden entsprechend der
gewünschten Empfangs- oder Abstrahlcharakteristik in einem
bestimmten Winkel gefaltet. Die beiden Enden bilden dann die Segmente zur
Feinabstimmung 12.
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Durch
eine Faltung des Folienflachleiters kann also eine Struktur einer
Antenne sehr einfach gebildet werden, die einer gewünschten
gerichteten Abstrahlcharakteristik entspricht. Die Lage der Faltung
bzw. die Größe des Faltwinkels, der 90° betragen
kann, aber auch davon abweichen kann, wird im Rahmen einer Optimierung
bestimmt, die ein günstiges Verhältnis zwischen Öffnungswinkel
und Richtcharakteristik liefern soll und dient letztlich einer Maximierung
der Störsicherheit der Antenne. Die Gesamtlänge
der Antenne folgt aus Lage und Größe des Frequenzbandes.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass erfindungsgemäß die
Folienflachleiter nicht nur einmal oder zweimal gefaltet als Antenne
einsetzbar sind, sondern beliebig oft faltbar sind, soweit es die Länge
der Segmente zulässt. Auch können die Nebensegmente 12 gefaltet
werden und dann an einer Stelle an das Grundsegment 11 oder
weitere Nebensegmente 12 angebracht werden.
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Es
entsteht ein Grundsegment 11 und zwei Segmente zur Feinabstimmung 12.
Es kann aber auch nur ein Endabschnitt gefaltet werden, so dass nur
ein Segment zur Feinabstimmung 12 durch Faltung gebildet
wird. Dies hängt im Wesentlichen von den zu applizierenden
Zusatzsegmenten bzw. den vorab definierten Antenneneigenschaften
sowie dem Einbauort in der Karosserie ab; bevorzugt wird aber eine
symmetrische Faltung anzuwenden sein. Zur Feinabstimmung können
an das Grundsegment 11 oder an die Segmente zur Feinabstimmung 12 weitere
Segmente zur Feinabstimmung 12 angefügt werden
(3d).
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Die
Segmente bestehen aus einem linearen Folienflachleitersegment, dessen
Dimension der gewünschten Richtcharakteristik entspricht.
Wichtigstes Kriterium ist das vorgesehene Frequenzband, das heißt
AM, FM, GSM, Bluetooth etc.. Hieraus ergibt sich die Grunddimensionierung
des Grundsegmentes, welches als λ-, λ/2- oder λ/4-Dipol
ausgelegt werden kann. Die Breite der einzelnen Kupferleiter sowie
deren Abstand zueinander im Hauptsegment lehnt sich an die Kriterien
für Faltdipole an, das heißt der Abstand sollte
größer sein als etwa das 2,5-fache des Leiterbahndurchmessers,
aber kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge sein.
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Gleichzeitig
sollte die Dimensionierung der abgewinkelten Segmente zur Feinabstimmung 12 des
Grundsegments 11 als auch der weiteren Subsegmente so gewählt
werden, dass die Gesamtwirkungsfläche der Antenne möglichst
groß wird. Die Anordnung und Zahl der Segmente beeinflusst
im Wesentlichen die Richtcharakteristik der Antenne das heißt
reduziert den Öffnungswinkel.
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Die
Verbindungstechnik der Segmente untereinander sollte so ausgeführt
werden, dass eine möglichst geringe Impedanzbeeinflussung
sowie möglichst keine Reflexionen von HF-Wellen in der Verbindung
selbst auftreten. Dies ist durch Festkörperfügetechniken,
das heißt im Wesentlichen Ultraschall- oder Widerstandsschweißen,
erreichbar, die zu einer reinen Metall-Metall-Verbindung führen.
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Die
genannten Kriterien werden im Rahmen einer Gesamtoptimierung, in
der auch der Einbauort im Kfz berücksichtigt wird, einbezogen.
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Dabei
ist es sehr vorteilhaft, dass die so konstruierten Grundsegmente 11 und
Segmente zur Feinabstimmung 12 im Rechner vorsimuliert
werden können. Es werden verschiedene einzelne Segmente
verschiedener Dimension im Rechner bezüglich ihrer Richtcharakteristik
berechnet und dann in einer Datenbank abgespeichert. Bei der Bestimmung
des Layouts der Antenne müssen dann nur noch aus den vorberechneten
Richtcharakteristiken die der vorgegebenen Empfangs- oder Sendecharakteristik
entsprechenden Einzelsegmente ausgewählt und zusammengefügt
werden. Die Gesamtcharakteristik der kompletten Vorrichtung ergibt
sich aus der Superposition der vorberechneten Charakteristika der
Einzelsegmente. Entsprechend der Anordnung der Einzelsegmente zueinander
strahlen diese jeweils in eine bestimmte Richtung ab bzw. empfangen
aus einer bestimmten Richtung.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung nebst Anschluss an
einem Radioempfänger ist in 4 gezeigt. Über
die Anschlüsse 7 wird die Vorrichtung mittels
eines Koaxialkabels mit einem Radioempfänger verbunden.
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5 zeigt
die Geometrie eines erfindungsgemäßen Faltdipols
aus einem Folienflachleiter 9 mit Darstellung einer Teilsegmentierung 8 für
die FEM-Analyse. Ein einfaches Beispiel einer FFC-Antenne ist ein λ/2-Faltdipol
für das FM-Band mit spezieller Richtcharakteristik im GSM-Band.
Der Rechenaufwand für die elektrische Charakterisierung
reduziert sich bei Anwendung der FEM-MLFMM-Methode auf etwa 1 Minute
pro Frequenz (3,4 GHz-Prozessor). Das in einer 20012-Matrix
abgelegte Modell für die isolierte FFC-Antenne (Länge
ungefaltet: 150 cm, 2,54 mm Raster, 1,5 × 0,2 mm Cu-Querschnitt, PEN-Isolierung)
erfordert 31 MByteSpeicherplatz, der sich für die Rechnung
im Fahrzeuginnenraum auf etwa 2 GByte erhöht, das heißt
auf einem Standard-PC mit vertretbarem Aufwand lösbar ist.
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Die
elektrische Kontaktierung zwischen einem FPC- und einem FFC-Segment
ist in 6 dargestellt. Auf dem Bild sind zwei FFC-Segmente
zu sehen, die mittels Ultraschallschweißen [65 kHz] elektrisch
leitend verbunden wurden.
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7 zeigt
ein konkretes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Antenne. Ein Grundsegment 11 wurde an beiden Enden gefaltet,
so dass zwei Segmente zur Feinabstimmung 12 entstanden sind,
die im rechten Winkel zum Grundsegment 11 stehen.
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Die
weiteren 8 bis 16 dienen
der Demonstration dessen, dass Folienflachleitersegmente in der
Tat als Antenne verwendet werden können und deren Richtcharakteristik
berechnet werden kann. Die 8 bis 16 zeigen die Charakteristik des Ausführungsbeispiels
in 7. Dieses ist entsprechend der Länge
seines Grundsegmentes von 750 mm in erster Linie für UKW-Radio
(FM-Band 87,5–108 MHz) konzipiert, soll aber auch im GSM-Band (880–915
MHz & 925–960
MHz) untersucht werden.
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Da
es sich um sehr fein auf die Folie aufgedruckte (oder eingegossene)
Strukturen handelt, die im verwendeten Frequenzbereich als dünne
Drähte mit dielektrischer Be schichtung angesehen werden können,
lässt sich dies in ein ebensolches Modell aus Drahtsegmenten
mit der Eigenschaft einer dielektrischen Beschichtung umwandeln.
Das verwendete Modell besteht aus 2001 Drahtsegmenten. Um die Antenne
(inklusive 3D Fernfeld mit 1° Auflösung) für eine
Frequenz zu rechnen, benötigt man mit einem INTEL XEON
EM64T mit 3,4 GHz etwa 1 Minute.
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Zuerst
werden die Ergebnisse im FM-Band zusammengestellt. Das sind zum
einen der Frequenzgang der Antennen-Impedanz und zum anderen die
Fernfeld-Charakteristik bei der gefundenen Resonanz-Frequenz.
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Als
Erstes ist in 8 der Eingangsreflexionsfaktor
|S11| der Antennen-Impedanz über der Frequenz bei der oben
beschriebenen Modellierung kartesisch in dB und auf 50 Ohm bezogen
aufgetragen. Die Resonanz (auch mit der besten Anpassung an 50 Ohm)
lag bei 97,74 MHz und wurde nachfolgend als Frequenz zur Fernfeldbestimmung
gewählt.
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Das
volle 3D Fernfelddiagramm ist als linearer Gewinn in 9 zusammen
mit der Stromverteilung auf den Antennendrähten bei 97,74
MHz dargestellt. Man erkennt dabei die Charakteristik eines horizontalen
Dipols. Da die Struktur in U-Form gebogen ist, könnte man
eine Unrundheit erwarten, hierzu ist in 10 für
eine Auswahl an Schnitten der Gewinn in dB dargestellt. Man erkennt
dort dann die nahezu perfekte Rundheit, aber auch das abgemilderte
Minimum in Längsrichtung mit –9dBi Gewinn statt
einer exakten Nullstelle.
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Zusätzlich
wird diese Antenne bei GSM-Frequenzen gerechnet, speziell im Frequenzbereich 890–910
MHz. Die Ergebnisse werden analog zur oberen Berechnung dokumentiert.
In 11 ist wieder der Eingangsreflexionsfaktor |S11|
der Antennen-Impedanz über der Frequenz kartesisch in dB und
auf 50 Ohm bezogen aufgetragen, diesmal aber für drei verschiedene
Beschichtungsdicken als ein Modellparameter. Hier ist eine größere
Empfindlichkeit zu erkennen und bei Beschichtung mit 0,25 statt 0,275
mm findet man auch eine extrem gute Anpassung an 50 Ohm bei 897,7
MHz (siehe auch 12).
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Das
volle 3D Fernfelddiagramm ist als linearer Richtfaktor in 13 zusammen
mit der Stromverteilung auf den Antennendrähten bei 900
MHz dargestellt. Der Horizontalschnitt ist als Richtfaktor in dB
in 14 angefügt. In der Stromverteilung sieht man
auch den Strombauch an den Lasten, der für die erwähnte
Anpassung verantwortlich ist.
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Ein
Vergleich der Empfangscharakteristik von einer Stabantenne und einer
FFC-Flachleiterantenne im FM-Band ist in 15 dargestellt. 15 zeigt
jeweils eine Messung des Antennenrohsignals ohne elektronische Verstärkung
in der Frequenzdomäne (FFT-Transformierte des Spannungssignals); jeder
Peak kann einem bestimmten Sender zugeordnet werden.
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Die
Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellten
Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich,
durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale
weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist die Erfindung nicht
auf den Einsatz in Fahrzeugen beschränkt.
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- 1
- Kleber
- 2
- Kupferdrahtbahnen
- 3
- Folien
- 4
- Hauptleitung
- 5
- parasitäre
Leitung
- 6
- Surface
Mounted Devices/Widerstand
- 7
- Anschlüsse
- 8
- Teilelement
für die FEM-Modellierung
- 9
- Folienflachleiter
Meterware
- 10
- Abgeschnittenes
Segment
- 11
- Grundsegment
- 12
- Segmente
zur Feinabstimmung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1453067 [0003]
- - EP 1424882 [0003]
- - DE 102004012099 [0004]
- - DE 102004012098 [0004]