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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem, umfassend eine flächige
Anordnung einer Mehrzahl planarer Antennenelemente, die auf einer ersten
Fläche eines dielektrischen Trägers aufgebracht
sind, sowie eine elektrisch leitfähige Masseplatte, die
auf einer der ersten Fläche gegenüberliegenden,
zweiten Fläche des dielektrischen Trägers aufgebracht
ist und die flächige Erstreckung der Anordnung planarer
Antennenelemente überragt.
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Die
Erfindung bezieht sich weiter auf eine Sichtscheibe, in die ein
Antennensystem integriert ist.
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Die
Erfindung bezieht sich schließlich auch auf ein Kraftfahrzeug
mit einer derartigen Sichtscheibe.
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Stand der Technik
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Mikrostreifenantennen,
die auch als Planarantennen, Panelantennen oder Patch-Antennen bezeichnet
werden, sind allgemein bekannt. Diese Antennen weisen typischerweise
einzelne, planare Antennenelemente einerseits eines Dielektrikums
und eine mit den Antennenelementen wechselwirkende Masseplatte andererseits
des Dielektrikums auf. Die einzelnen, planaren Antennenelemente
sind flächig auf den dielektrischen Träger zu
einem Array angeordnet. Durch geeignete, dem Fachmann bekannte Ansteuerung
der einzelnen Antennenelemente kann durch Interferenz der Beiträge
der einzelnen Elemente eine gerichtete Strahlungs- bzw. Empfangscharakteristik
erzielt werden.
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Dabei
ist es bekannt, durch gruppenweise Wechselwirkung einzelner Antennenelemente
mehrere Antennen unterschiedlicher Strahlungs- bzw. Empfangscharakteristik
zu schaffen. Ein Beispiel hierfür ist in der
DE 100 37 386 A1 beschrieben.
Das Antennensystem ist dabei zu einem Modul zusammengefasst, welches
an geeigneter Stelle eines Kraftfahrzeugs, z. B. an dessen Windschutzscheibe, angebracht
werden kann. Die Anbringung eines kastenartigen Moduls im Bereich
der Windschutzscheibe ist jedoch für den Fahrer störend
und ästhetisch nicht wünschenswert.
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Die
DE 603 15 787 T2 offenbart
bei der dortigen Diskussion des Standes der Technik die Möglichkeit
der Anbringung von Planarantennen an der Windschutzscheibe oder
der Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs. Dort wird auch auf die damit
verbundenen Nachteile der Beeinträchtigung der Sicht des Fahrers
und der Beeinträchtigung des äußeren
Erscheinungsbildes des Fahrzeugs hingewiesen.
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In
der modernen Kraftfahrzeugkommunikationstechnik, die beispielsweise
Satellitenkommunikation zu Navigationszwecken, unmittelbare Kommunikation
zwischen Kraftfahrzeugen, Kommunikation zwischen Kraftfahrzeugen
und Sende-/Empfangsstationen am Straßenrand, Kommunikation
zwischen Kraftfahrzeugen und anderen, z. B. schwächeren Verkehrsteilnehmern
etc. umfasst, sind nur wenige Fahrzeugsflächen zur Anbringung
von Antennen geeignet. In der Regel hat die Abstrahlung nämlich
im Wesentlichen nach vorne oder hinten und schräg oben
zu erfolgen. Will man das ästhetische Gesamtbild störende
Antennenaufsätze vermeiden, bieten sich als Trägerflächen
nur die vordere und hintere Sichtscheibe des Fahrzeugs sowie die
Front- und Heckfläche der Karosserie im Bereich der Stopfänger an.
Letztere sind jedoch aufgrund ihrer tiefen Lage insbesondere für
Direktkommunikation nicht geeignet. Außerdem kann die Bodennähe
zur Bildung von Fresnel-Zonen führen, so dass mit erheblichen
Störungen der Kommunikation zu rechnen ist.
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Aus
der
DE 198 17 712
C1 ist eine metallisierte Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs
bekannt, bei der durch Einbringung abgestimmter Ausnehmungen in
die Metallisierungsschicht eine Transparenz für Kommunikations-Mikrowellen
erreicht wird.
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Aufgabenstellung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorteile einer Planar-
oder Mikrostreifenantenne für ein Kraftfahrzeug nutzbar
zu machen, ohne Qualitätseinbußen der Kommunikation
oder eine Sichtbehinderung des Fahrers bzw. eine Verunstaltung des
Kraftfahrzeugs durch die Antennenanlage in Kauf zu nehmen.
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Darlegung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der dielektrische Träger
als eine Schicht oder ein Schichtenstapel einer Sichtscheibe eines
Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und die Masseplatte ein Muster aus
einer Vielzahl von Durchbrüchen aufweist.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Sichtscheibe für
ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 12.
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Die
Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Kraftfahrzeug
gemäß Anspruch 16.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, eine kompromisslos für die Optimierung
der Strahlungs- bzw. Empfangseigenschaften optimierte Planarantenne
für den Fahrer eines Kraftfahrzeugs optisch transparent
zu machen. Hierzu wird ein ausgewählter Bereich einer Sichtscheibe,
vorzugsweise ein oberer Randbereich einer Windschutzscheibe, als
dielektrischer Träger der Planarantenne verwendet. Je nach der
gewünschten oder erforderlichen Dicke des dielektrischen
Trägers kann die gesamte Dicke des Sichtfensters oder im
Fall einer mehrschichtigen Verbundscheibe nur ein Teil des mehrschichtigen
Scheibenaufbaus verwendet werden. Im letztgenannten Fall kann sich
der zusätzliche Vorteil ergeben, dass die planaren Antennenelemente
und/oder die Masseplatte zwischen zwei Schichten der Verbundscheibe eingebettet
sind. Dies führt zu einem mechanischen Schutz der typischerweise
empfindlichen Metallisierungsschichten, aus denen die Komponenten
aufgebaut sind. Im Folgenden wird der sprachlichen Vereinfachung
halber nur noch von der Scheibe oder dem Sichtfenster gesprochen,
wobei, sofern nichts anderes gesagt wird, stets beide vorgenannten
Möglichkeiten gemeint sind.
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Während
die flächige Anordnung der planaren Antennenelemente, die
verhältnismäßig kleine Abmessungen im
Zentimeterbereich und zwischen sich Abstände in derselben
Größenordnung aufweisen, keine erwähnenswerte
Sichtbehinderung des Fahrers darstellen, kann die Masseplatte die
Fahrersicht stark behindern. Dies liegt insbesondere auch darin
begründet, dass zur Erreichung einer guten Richtcharakteristik
und zur Vermeidung unerwünschter Randeffekte die Masseplatte
die flächige Ausdehnung der Anordnung von planaren Antennenelementen – in
der Regel deutlich – seitlich überragt.
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Zur
Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung die
Musterung der Masseplatte mit einer Vielzahl von Durchbrüchen
vor. Die Durchbrüche sind dabei größenmäßig
so gewählt, dass sie für Licht optischer Wellenlängen
transparent sind. Bevorzugt sind die Durchbrüche jedoch
so klein gewählt, dass sie für elektromagnetische
Strahlung einer von dem Antennensystem abstrahlbaren und/oder empfangbaren
Wellenlänge nicht transparent sind. Im Bereich der modernen
Kraftfahrzeugkommunikation werden typischerweise Wellenlängen
im Zentimeterbereich, insbesondere Mikrowellen der Frequenzbänder
2,4 GHz und 5,9 GHz verwendet. Die Durchbrüche können
somit in einem Zentimeterbereich deutlich unterhalb der halben Wellenlänge
der Kommunikationsstrahlung gewählt werden, um den Effekt
der fehlenden Transparenz für die Strahlung zu gewährleisten. Vorzugsweise
liegen die Durchbrüche der Masseplatte so dicht nebeneinander,
dass sie unter Berücksichtigung des Auflösungsvermögens
des menschlichen Auges für den Fahrer in typischer Fahrhaltung nicht
als Einzeldurchbrüche sondern als allgemeine Abschattung
zu erkennen sind. Insbesondere bei Anbringung eines derartigen Antennensystems
im oberen Randbereich der Windschutzscheibe kann hierdurch eine
Blendschutzwirkung erzielt werden, wie sie typischerweise von einem
Farb- oder Graukeil erzeugt wird.
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Da
die über das erfindungsgemäße Antennensystem
abzuwickelnde Kommunikation in der erster Linie mit dem Fahrzeugäußeren
zu erfolgen hat, wird die Masseplatte bevorzugt auf einer weiter innen
liegenden Fläche der Scheibe und werden die planaren Antennenelemente
auf einer weiter außen liegenden Fläche der Scheibe
aufgebracht.
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Hierdurch
wirkt die Masseplatte zusätzlich als effiziente Abschirmung
des Fahrzeugsinnenraums gegen die Antennenstrahlung.
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Die
konkrete Wahl der Musterung der Masseplatte kann unterschiedliche
Ziele Rechnung tragen. Zum einen ist es möglich, die Musterung
im Hinblick auf das Fahrzeugdesign zu gestalten. Hierzu können
Design-Elemente wie z. B. Rallye-Streifen, Markenzeichen etc. als
Muster z. B. durch unterschiedliche Dichteverteilung und/oder Größe
wiederholter Design-Grundelemente gestaltet werden. Als Designgrundelemente
kommen beispielsweise Kreisscheiben, Vielecke, Kreuze etc. in Frage.
Andererseits kann sich die Wahl des Musters auch an bestimmten Antenneneigenschaften
orientieren. So ist es beispielsweise bekannt, dass sich in der
Masseplatte von Planarantennen unerwünschte Oberflächenwellen
bilden können. Durch geeignete Wahl der Durchbrüche,
die als Störstellen für derartige Oberflächenwellen
wirken, kann eine erhebliche Reduktion dieses Störeffektes
erreicht werden. Beim Entwurf der Antennenstruktur ist selbstverständlich
darauf zu achten, dass die resultierenden Abstrahleigenschaften
sowie die Fuß- bzw. Eingangsimpedanz der Antenne innerhalb
der gewünschten Spezifikation bleiben.
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Zur
Ausbildung eines erfindungsgemäßen Antennensystems
werden Masseplatte und/oder planare Antennenelemente als eine erste
Metallschicht auf den dielektrischen Träger aufgedampft.
Bevorzugt wird anschließend eine zweite, als Verstärkungsschicht
bezeichnete Metallschicht galvanisch auf die aufgedampften Schichten
aufgebracht.
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Als
zusätzliches Design-Element kann es günstig sein,
wenn die Masseplatte als eine Abschlussschicht, d. h. eine dem Fahrzeuginnenraum oder
dem Fahrzeugaußenraum zugewandte letzte Schicht eine Oxydschicht
aufweist. Diese kann bevorzugt als farbige Oxydschicht ausgebildet
sein. Alternativ kann eine dünne Farbstoffschicht als eine Abschlussschicht
der Masseplatte verwendet werden.
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Eine
Sichtscheibe für ein Kraftfahrzeug umfasst erfindungsgemäß ein
integriertes Antennensystem gemäß der obigen Beschreibung.
Zur Versorgung des Antennensystems mit elektrischer Energie sowie
zur Ein- bzw. Auskopplung der zu sendenden Information muss eine
Wirkverbindung zwischen dem Antennensystem und einer nachgelagerten,
typischerweise in dem Kraftfahrzeug stationierten Sende- und/oder
Empfangsvorrichtung geschaffen werden. Hierzu ist bei einer Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass der Scheibenrand von außen kontaktierbare,
elektrische Anschlusskontakte des Antennensystems aufweist. Diese
Anschlusskontakte, die beispielsweise als Federkontakte ausgebildet sein
können, stehen im Einbauzustand mit korrespondierenden
Kontakten im Bereich eines Randes einer Aufnahmeöffnung
des Kraftfahrzeugs für die erfindungsgemäße
Sichtscheibe in Verbindung. Die entsprechende fahrzeugseitige Kontaktierungseinrichtung
kann zusätzlich oder alternativ ebenfalls Federkontakte
aufweisen.
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Als
Variante ist eine Kontaktierungseinrichtung im Bereich des Randes
der Aufnahmeöffnung des Kraftfahrzeugs für die
Sichtscheibe denkbar, die wenigstens ein Element aus einem elektrisch
leitfähigen Dichtungsmaterial aufweist. Durch elektrisch
leitende Gummis oder andere Kunststoffe lassen sich die notwendigen
Erfordernisse der Abdichtung der Scheibe einerseits und der Kontaktierung
des Antennensystems andererseits vorteilhaft verbinden.
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Alternativ
zu der elektrischen Kontaktierung durch mechanische Berührung
korrespondierender Kontaktelemente kann die Kopplung zwischen dem Antennensystem
und der fahrzeugseitigen Kontaktierungseinrichtung auch induktiv
oder kapazitiv erfolgen.
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Bei
einer günstigen Weiterentwicklung der Erfindung kann das
in die Sichtscheibe integrierte Antennensystem neben den passiven
Elementen, nämlich den planaren Antennenelementen und der Masseplatte,
auch aktive elektronische Elemente, wie beispielsweise Vorverstärker,
Endverstärker, Umschalter etc. umfassen. Bei dieser Ausführungsform
werden die aktiven elektronischen Elemente vorzugsweise in Form
von Chips in Freiräume zwischen Einzelschichten einer als
Verbundscheibe aus mehreren Einzelschichten ausgebildeten Sichtscheibe
eingesetzt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindungen ergeben sich aus der nachfolgenden,
speziellen Beschreibungen und Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine schematische, ausschnittsweise Frontansicht eines Kraftfahrzeugs,
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2:
eine schematische Darstellung eines Ausschnittes der Windschutzscheibe
des Fahrzeugs von 1,
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3:
eine schematische Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sichtscheibe,
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4:
ein Beispiel einer möglichen Mustergebung für
eine erfindungsgemäße Masseplatte.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt
eine schematische, ausschnittsweise Darstellung einer Frontansicht
eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen
Antennensystem 12 im oberen Randbereich seiner Windschutzscheibe 14.
Das Antennensystem besteht aus einer Vielzahl planarer Antennenelemente 16 sowie
einer Masseplatte 18, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
der Anschaulichkeit halber nur umrissweise dargestellt ist.
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Die 2 bis 4 zeigen
schematisch Detail verschiedener Ausführungsformen des
Antennensystems 12.
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2 zeigt
schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus
dem oberen Randbereich der Windschutzscheibe 14 des Kraftfahrzeugs 10 von 1.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Windschutzscheibe 14 einschichtet ausgebildet.
Auf der dem Fahrzeuginneren zugewandten, in 2 unteren
Fläche der Scheibe 14 ist eine Masseplatte 18 als
Metallschicht, z. B. Kupferschicht aufgebracht. Die Aufbringung
kann durch Aufdampfen und bevorzugt nachfolgende galvanische Verstärkung
ausgebildet sein. Auf der dem Fahrzeugäußeren
zugewandten Außenseite der Scheibe 14, oben in 2,
sind planare Antennenelemente 16 aufgebracht. Die planaren
Antennenelemente 16 umfassen einen Patch 161,
der mit einer Mikrostreifenleitung 162 kontaktiert ist.
Die Mikrostreifen 162 reichen bis zum Rand der Scheibe,
wo sie mit korrespondierenden Kontaktelementen Wechselwirken können.
Alternativ keine eine induktive oder kapazitive Kopplung vorgesehen
sein.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch eine mehrschichtig aufgebaute Windschutzscheibe 14. Insbesondere
ist die Scheibe 14 aus vier Einzelschichten 141, 142, 143, 144 aufgebaut.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Masseplatte 18 zwischen
den in 3 unteren Schichten 141, 142 eingebettet.
Bei der Darstellung in 3 ist der durchbrochen gemusterte
Charakter der Masseplatte 18 gut erkennbar. Zwischen den
in 3 oberen Schichten 143, 144 sind
die planaren Antennenelemente 16 eingebettet. Bei besonderen
Ausführungsformen, in denen mehrere Antennenelemente 16 jeweils
gruppenweise zur Bildung einer separaten Antenne miteinander Wechselwirken,
ist es möglich, dass unterschiedliche Antennenelementengruppen in
unterschiedlichem Abstand zu der Masseplatte 18, d. h.
zwischen verschiedenen Schichten der Verbundscheibe 14 eingebettet
sind. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform
ist im Anschluss an das Antennenelement 16 ein elektronisches
Bauteil 20 in Form eines Chips in einen Freiraum zwischen den
Schichten 143, 144 eingebettet. Ein solcher Chip kann
beispielsweise ein Vorverstärker, ein Endverstärker
oder ein sonstiges für den Betrieb des erfindungsgemäßen
Antennensystems erforderliches oder günstiges Bauteil sein.
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4 zeigt
ein Beispiel einer Musterung der Masseplatte 18. Deutlich
erkennbar ist die quasiperiodische Anordnung von kreisscheibenförmigen Durchbrüchen
in der Metallisierung der Masseplatte 10. Die einzelnen
Kreisscheiben sind so dimensioniert, dass optische Strahlung ohne
weiteres passieren kann. Die von dem erfindungsgemäßen
Antennensystem abgestrahlten bzw. empfangenen Wellenlänge,
die typischerweise im Zentimeterbereich liegen, werden jedoch von
der Masseplatte im Wesentlichen abgeschirmt. Deutlich erkennbar
in 4 ist die Möglichkeit der ästhetisch
ansprechenden Musterbildung durch Verwendung unterschiedlicher Kreisscheibengrößen
und -abstände. Zwar können hier ästhetische Überlegungen
bei der Optimierung eine wesentliche Rolle spielen; beim Entwurf
ist jedoch streng auf resultierende Antenneneigenschaften abzustellen.
In 4 wird auch deutlich, dass die Möglichkeit
besteht, Markenzeichen oder ähnliches in die Musterung
der Masseplatte 18 einzubeziehen.
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Natürlich
stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den
Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann im Lichte der hiesigen
Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten
anhand gegeben. insbesondere kann die Anzahl und Form der Antennenelemente 16 sowie
die Musterung der Masseplatte 18 den Erfordernissen des
konkreten Einzelfalls angepasst werden.
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Antennensystem
- 14
- Windschutzscheibe
- 141
- Einzelschicht
von 14
- 142
- Einzelschicht
von 14
- 143
- Einzelschicht
von 14
- 144
- Einzelschicht
von 14
- 16
- planares
Antennenelement
- 161
- Patch
von 16
- 162
- Mikrostreifenleitung
von 16
- 18
- Masseplatte
- 20
- Chip
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10037386
A1 [0005]
- - DE 60315787 T2 [0006]
- - DE 19817712 C1 [0008]