DE102010004503A1

DE102010004503A1 - Antennenstruktur für ein Fahrzeug für mehrere Frequenzbänder

Info

Publication number: DE102010004503A1
Application number: DE102010004503A
Authority: DE
Inventors: Guy-Aymar Dr. 93049 Chakam
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: DE102010004503B4; WO2011085987A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur (1) für ein Fahrzeug für mehrere Frequenzbänder. Die Antennenstruktur (1) weist eine elektrisch leitende Struktur (7) auf, die auf einer vertikal ausrichtbaren isolierenden Substratplatte (3) angeordnet ist. Die Antennenstruktur (1) weist Teilbereiche (4, 5, 6) auf, die vertikal übereinander auf Oberflächen (8, 9) der Substratplatte (3) angeordnet sind. Diese Teilbereiche (4, 5, 6) sind seriell miteinander elektrisch verbunden und über Leitungselemente (10, 11) induktiv gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur eines Fahrzeugs für mehrere Frequenzbänder. Die Antennenstruktur weist eine elektrisch leitende Struktur auf, die auf einer vertikal ausrichtbaren isolierenden Substratplatte angeordnet ist.
Eine derartige Antenne ist für Telefondienste aus der Druckschrift US 7,034,758 B2 bekannt, wobei die Telefonantenne für terrestrische Signale ausgelegt ist und auf der Substratplatte mindestens einen Monopol aufweist. Eine weitere Antenne für den Empfang terrestrischer Signale eines SDARS-Dienstes sind ebenfalls auf einer Substratplatine angeordnet, die in einem großen Abstand zu der Platine für terrestrische Telefondienste angeordnet ist, um eine Entkopplung der terrestrischen Dienste zu erreichen.
Eine derartige Antennenanordnung hat den Nachteil einer räumlich auseinander gezogenen Antennenstruktur für mehrere Frequenzbänder mit entsprechend weit entfernten Einspeisepunkten.
Aufgabe der Erfindung ist es, unterschiedliche Dienste und damit unterschiedliche Frequenzbänder auf einer einzigen Substratplatte zusammenzufassen, um eine verbesserte Raumnutzung für die Antennenstruktur eines Fahrzeugs zu erreichen und dennoch eine Entkopplung der Dienste zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Antennenstruktur eines Fahrzeugs für mehrere Frequenzbänder geschaffen. Die Antennenstruktur weist eine elektrisch leitende Struktur auf, die auf einer insbesondere vertikal ausrichtbaren isolierenden Substratplatte angeordnet ist. Die Antennenstruktur weist Teilbereiche auf, die insbesondere bei einer möglichen vertikalen Ausrichtung der isolierenden Substratplatte vertikal übereinander auf Oberflächen der Substratplatte angeordnet sind. Anders ausgedrückt sind die Teilbereiche der Antennenstrukturen nebeneinander auf Oberflächen der Substratplatte angeordnet. Wird die Substratplatte dann in eine für den verwendungsgemäßen Gebrauch beispielsweise bei einer Installation bzw. einem Einbau an einem Fahrzeug vorteilhafte vertikale Ausrichtung gebracht, so führt das dazu, dass die Teilbereiche vertikal übereinander liegen. Diese Teilbereiche sind seriell miteinander elektrisch verbunden und über Leitungselemente induktiv gekoppelt.
Eine derartige Antennenstruktur hat den Vorteil, dass durch Stromeinschnürungen zwischen den Teilbereichen mit Hilfe von induktiv koppelnden Leitungselementen über einen einzigen Monopol mehrere Dienste in mehreren unterschiedlichen Frequenzbändern empfangen und gesendet werden können. Dazu bildet der Monopol λ/4-Resonanzlängen aus, wobei beispielsweise ein erster unterster Teilbereich ein Frequenzband mit den höchsten Frequenzen bedient, ein mittlerer Teilbereich in Zusammenwirken mit dem unteren Teilbereich ein Frequenzband von mittleren Frequenzen bedient und ein dritter Teilbereich, der seriell auf dem Monopol bzw. auf der Substratplatte vertikal am höchsten angeordnet ist, steht für ein Frequenzband mit den geringsten Frequenzen in Zusammenwirken mit den ersten beiden Teilbereichen zur Verfügung.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass lediglich eine einzige Substratplatte für mehrere, beispielsweise drei Frequenzbereiche vertikal in Relation zu einer Fahrzeugaußenfläche auszurichten ist. Aufgrund der plattenförmigen Struktur kann darüber hinaus die Platte in Längsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet werden, um den geringsten Windwiderstand beispielsweise unter einer Antennenhülle darzustellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Teilbereiche Ellipsenflächen auf, deren Längserstreckungen eine untere Frequenzbandgrenze definieren und deren Quererstreckung eine obere Frequenzbandgrenze beeinflussen. In diesem Zusammenhang sind Längserstreckung und Quererstreckung auf die Ellipsenform und nicht auf die Lage der Ellipse und die Ausrichtung der Ellipse auf der isolierenden Substratplatte bezogen. Somit können die Ellipsenflächen mit ihrer Längserstreckung quer zur vertikalen Ausrichtung der Substratplatte oder auch längs zu der vertikalen Ausrichtung der Substratplatte angeordnet sein.
Ein derartiger Monopol hat den Vorteil, dass lediglich ein einziger Einspeisepunkt für die drei Frequenzbänder vorzusehen ist. Dabei bilden die zwischen den drei Teilen des Monopols angeordneten induktiv koppelnden Leitungselemente eine Antennenverlängerung und stellen zusätzlich Antennenstrombarrieren für Signale innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs dar und konzentrieren somit den Strom auf bestimmte Ellipsen. Dadurch kann die Form des Richtdiagramms zusätzlich positiv beeinflusst werden.
Außerdem sind auf der Substratplatte sowohl einseitige als auch doppelseitige Realisierungen von derartigen Ellipsenflächen möglich. Durch die mehreren, beispielsweise drei Teile werden in vorteilhafter Weise mehrere bzw. drei unterschiedliche komplette Frequenzbereiche abgedeckt, wobei der erste Teil, der ganz unten am Einspeisepunkt angeordnet ist, eine 1/4 Wellenlänge bezogen auf die effektive Wellenlänge bei ca. 5,9 GHz aufweist und kann somit den Frequenzbereich von 5,875 GHz bis 5,925 GHz für einen Interfahrzeug-Informationsdienst, der auch „car to car” Dienst genannt wird, abdecken. Der zweite Teilbereich hat nach der induktiven Verlängerung des ersten Teils mit diesem zusammen eine weitere 1/4 Wellenlänge für ca. 2 GHz und deckt somit einen Frequenzbereich von 1,71 GHz bis 2,5 GHz für Telefondienste und WLAN Dienste ab. Der dritte Teil, der nach einer weiteren induktiven Verlängerung des zweiten Teils zusammen mit dem ersten und dem zweiten Teilbereich eine 1/4 Wellenlänge von ca. 890 MHz ankoppelt, deckt somit den Frequenzbereich von 824 MHz bis 960 MHz ab, der für terrestrische Telekommunikation geeignet ist. Dabei stellt insbesondere die Integration von Interfahrzeug-Informationsdiensten hohe Anforderungen an die Homogenität des Richtdiagramms im Azimut, was nur durch struktursymmetrische und damit symmetrisch zur senkrechten Ebene ausgebildete Antennen wie in der vorliegenden Ausführungsform erfüllt wird, was existierende Telefonantennen eines Fahrzeugs verändert, erweitert und dabei ein gleichgroßes Volumen verwendet, so dass die Größe existierender Antennen nicht verändert werden muss. Somit können Kosten reduziert werden und dem Kunden mit einer Monopolantenne mehrere Dienste angeboten werden. Ferner konnte nachgewiesen werden, dass mit der Ellipsenfläche des ersten Teils des Monopols die Anforderungen an das Richtdiagramm der Antenne für den Interfahrzeug-Informationsdienst voll erfüllt worden ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, die induktiv koppelnden Leitungselemente teilweise durch spiralförmig geformte Leiterbahnen auszuführen. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Gesamthöhe einer derartigen dreiteiligen Antenne derart zu vermindern, dass die gesamte vertikale Höhe für alle oben genannten drei Dienste unterhalb von 50 mm bleibt. Um derartige spiralförmig geformte Leiterbahnen als induktiv koppelnde Leitungselemente zu realisieren, wird die Antennenstruktur sowohl auf einer Vorderseite als auch auf einer Rückseite der Substratplatte angeordnet und über Durchkontaktierungen durch die Substratplatte werden die Antennenteile im Zentrum der Spirale von der Vorderseite zur Rückseite hin verbunden. Die drei Teilbereich bilden zusammen einen Monopol mit induktiven Verlängerungen, der eine nahezu ideale Rundabstrahlcharakteristik im Azimut bildet.
Ein erster unterer Teilbereich aus einer Ellipsenfläche kann eine Längserstreckung aufweisen, die quer zur vertikalen Ausrichtung des Monopols angeordnet ist, während die Quererstreckung der Ellipsenfläche vertikal ausgerichtet ist. Ein zweiter Teilbereich der Monopolantenne kann mit der Längserstreckung seiner Ellipsenfläche längs zur vertikalen Ausrichtung der Antennenstruktur angeordnet sein und über ein relativ kurzes Leitungselement, das die Stromeinspeisung einschnürt, mit dem ersten Teilbereich gekoppelt und wie oben bereits aufgeführt für ein mittleres Frequenzband vorgesehen sein. Sowohl der erste Teilbereich als auch der zweite Teilbereich mit dem verbindenden Leitungselement können auf einer Oberfläche der Substratplatte angeordnet sein.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, einen dritten Teilbereich durch eine Ellipsenfläche zu realisieren, deren Längserstreckung längs zur vertikalen Ausrichtung der Antennenstruktur angeordnet ist, wobei in diesem Fall der dritte Teilbereich mit dem zweiten Teilbereich über ein spiralförmiges Leitungselement induktiv gekoppelt ist. Der dritte Teilbereich kann auf der Rückseite der Substratplatte angeordnet und über eine Durchkontaktierung mit dem Zentrum des spiralförmigen Leitungselements elektrisch verbunden sein. Mit diesem dritten Teilbereich können in Zusammenwirken mit dem ersten und zweiten Teilbereich deutlich niedrigere Frequenzen eines Frequenzbandes abgestrahlt und empfangen werden.
Durch die plattenförmige Struktur des Antennenaufbaus ist es möglich, strömungsgünstig diese Antennenstruktur auf einem Fahrzeug auszurichten, wobei das Fahrzeug ein Straßenfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug sein kann, deren Außenkonturen bei hoher Geschwindigkeit einem erhöhten Luftwiderstand ausgesetzt sind, so dass dieser plattenförmige Aufbau von Vorteil ist. Auch für Luftfahrzeuge ist dieser Antennenaufbau geeignet, da es hier noch stärker auf Strömungswiderstände ankommt, zumal die Geschwindigkeiten entsprechen deutlich höher sind als im Straßen- und Schienenverkehr. Anderseits ist diese Antennenstruktur auch für Wasserfahrzeuge geeignet, bei denen jedoch der Luftwiderstand von geringerer Bedeutung ist.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigen eine Prinzipskizze einer Antennenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigen eine Prinzipskizze einer Antennenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigen eine Prinzipskizze einer Antennenstruktur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigt 1A die Vorderseite 15 einer Substratplatte 3 und 1B die Rückseite 16 der Substratplatte 3. Auf den Oberflächen 8 und 9 der Vorderseite 15 bzw. der Rückseite 16 der Substratplatte 3, die aus einer glasfaserverstärkten Kunststoffplatte besteht erstreckt sich die Antennenstruktur 1, die drei Teilbereiche eines Monopols aufweist.
Diese Substratplatte 3 steht senkrecht auf einer Leiterplatte 18 eines Antennenmoduls, das weitere Antennenstrukturen eines Fahrzeugs aufweisen kann. Die Substratplatte 3 ist senkrecht zu einer Außenfläche des Fahrzeugs in Fahrtrichtung A ausgerichtet, so dass sie als Antenne den geringsten Luftwiderstand bietet.
Auf der isolierenden dielektrischen Substratplatte 3 aus einem Kunststoff und einem Glasfaserverstärkungsgewebe ist der Monopol als elektrisch leitende Struktur vorzugsweise aus einer Metalllegierung aufgebracht oder aus einer Metallplattierung einer Verbundplatte herausgeätzt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Teilbereiche des Monopols als Ellipsenflächen 12a strukturiert, die jeweils eine Längserstreckung l₁, l₂ und l₃ sowie eine Quererstreckung b1, b2 und b3 aufweisen. Dabei definieren die Quererstreckungen b1, b2 und b3 und die Längserstreckungen l₁, l₂ und l₃ die unteren und oberen Grenzfrequenzen des jeweiligen Frequenzbandes, das von den Ellipsenflächen 12a, 12b und 12c abgestrahlt oder empfangen werden kann.
Zwischen den ellipsenförmigen Antennenbereichen sind Leitungselemente 10 und 11 angeordnet, die teilweise als Verlängerung der Antenne dienen und vor allem eine Stromeinschnürung bewirken, so dass den in dieser Ausführungsform ausgebildeten drei Teilbereichen des Monopol definierte Frequenzbänder zugeordnet werden können. Somit steht für ein Frequenzband eines Interfahrzeug-Informationsdienstes die unterste Ellipsenfläche 12a eines ersten Teilbereichs 4 der Antenne zur Verfügung und wird über einen Einspeisepunkt 13 angeregt. Die Längserstreckung l₁ dieser ersten Ellipsenfläche des Teilbereichs 4 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung quer zur vertikalen Ausrichtung der Substratplatte 3 angeordnet. Die Quererstreckung der Ellipsenfläche 12a des Teilbereichs 4 ist in vertikaler Ausrichtung der Substratplatte 3 vorgesehen.
Mit dieser Anordnung konnte erreicht werden, dass eine Rundstrahlcharakteristik, welche für den Interfahrzeug-Informationsdienst entscheidend ist, mit den Frequenzen f1 zwischen 5,875 GHz ≤ f1 ≤ 5,925 GHz erreicht wird. Aufgrund der Einschnürung das Leitungselement 10 zwischen dem ersten Teilbereich 4 und dem zweiten Teilbereich 5 wird im Wesentlichen nur die untere Ellipsenfläche 12a des Teilbereichs 4 durch diesen Frequenzbereich angeregt. Für einen niedrigeren Frequenzbereich für beispielsweise einen WLAN Dienst wird der Monopol um eine weitere Ellipse 12b mit dem Teilbereich 5 über ein relativ kurzes Leitungselement 10 verlängert, so dass mit diesem Monopol auf zwei elliptischen Flächen der Teilbereiche 4 und 5 Frequenzen f2 zwischen 2,4 GHz ≤ f2 ≤ 2,485 GHz des WLAN Dienstes übertragen werden können.
Die Ellipsenfläche 12b des zweiten Teilbereichs 5 ist mit ihrer Längserstreckung l₂ in Richtung der senkrechten Ausrichtung der Substratplatte 3 angeordnet. Am oberen Ende der Ellipsenfläche 12b des zweiten Teilbereichs 5 ist eine spiralförmige Leiterbahn 14 angeordnet, die in einem Durchkontakt 17 endet, über den ein, wie 1D zeigt, auf der Rückseite 16 angeordneter dritter Teilbereich 3 des Monopols angeschlossen ist.
Die Ellipsenfläche 12c des dritten Teilbereichs 3 ist wiederum in ihrer Längserstreckung l₃ entlang der senkrechten Länge der Substratplatte 3 ausgerichtet und bedient den niedrigsten Frequenzbereich der drei Teilbereiche 4, 5 und 6 mit einer Frequenz f3 zwischen 1,71 GHz ≤ f3 ≤ 2,2 GHz für entsprechende Telefondienste. Die spiralförmige Verlängerung kann aber auch so ausgelegt werden, dass mit der dritten Ellipse 12c des Teilbereichs 3 ein Frequenzband zwischen 0,824 GHz ≤ f4 ≤ 940 GHz eines Telefondienstes bedient werden kann.
Um die Leiterplatte 18, auf der mehrere Antennen angeordnet sein können, und die hier gezeigte Substratplatte 3 mit einander zu verbinden, weist die Substratplatte 3 in ihrem Bodenbereich Lotanschlussflächen 19 und 20 auf, mit denen die Substratplatte 3 oberflächenmontierbar auf der Leiterplatte 18 fixiert werden kann. Der Vorteil dieser Antennenstruktur liegt darin, dass für drei unterschiedliche Frequenzbänder lediglich ein Einspeisepunkt 13 erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht in den Außenabmessungen eines derartigen Substrats mit einer Länge von weniger als 40 mm und einer Breite von 20 mm, wobei die Längserstreckungen l₁, l₂ und l₃ der Ellipsenflächen 12 (a, b, c) der Teilbereiche 4, 5 und 6 kleiner als 15 mm ist und die Quererstreckung b1, b2 und b3 der Ellipsenflächen 12 (a, b, c) kleiner als 12 mm ist.
2 zeigen eine Prinzipskizze einer Antennenstruktur 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in der vorhergehenden Figur werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die Dimensionen der Längen und Breiten bzw. Längserstreckungen und Quererstreckungen der Ellipsen 12 (a, b, c) entsprechen den in 1 gezeigten Dimensionen. Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass sich an den ersten Teilbereich 4 ein induktiv wirkendes spiralförmiges Leitungselement 14 vorgesehen ist, das über einen Durchkontakt zur Rückseite, die in
2B gezeigt wird, mit dem zweiten Teilbereich 5 des Monopols in Verbindung steht und wiederum ein spiralförmiges Leitungselement den Übergang zu der Ellipsenfläche des dritten Teilbereichs 6 des Monopols bildet, wobei wiederum eine Durchkontaktierung 17 das Leitungselement 11 über den Durchkontakt 17 mit dem dritten Teilbereich des Monopols verbindet. Alle anderen Anordnungen und Dimensionen, wie sie bereits in der 1 gezeigt und erörtert wurden, werden unverändert beibehalten.
Bezugszeichenliste

1: Antennenstruktur (erste Ausführungsform)
2: Antennenstruktur (zweite Ausführungsform)
3: Substratplatte
4: erster Teilbereich
5: zweiter Teilbereich
6: dritter Teilbereich
7: elektrisch leitende Struktur
8: Oberfläche (Vorderseite)
9: Oberfläche (Rückseite)
10: Leitungselement
11: Leitungselement
12a, 12b, 12c: Ellipsenfläche
13: Einspeisepunkt
14: spiralförmig geformte Leiterbahn
15: Vorderseite
16: Rückseite
17: Durchkontakt
18: Leiterplatte
19: Lotanschlussfläche
20: Lotanschlussfläche
l1: Längserstreckung
l2: Längserstreckung
l3: Längserstreckung
b1: Quererstreckung
b2: Quererstreckung
b3: Quererstreckung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7034758 B2 [0002]

Claims

Antennenstruktur für ein Fahrzeug für mehrere Frequenzbänder wobei: – die Antennenstruktur (1) eine elektrisch leitende Struktur (7) aufweist, die auf einer vertikal ausrichtbaren isolierenden Substratplatte (3) angeordnet ist, – die Antennenstruktur (1) Teilbereiche (4, 5, 6) aufweist, die vertikal übereinander auf Oberflächen (8, 9) der Substratplatte (3) angeordnet sind, und – diese Teilbereiche (4, 5, 6) seriell miteinander elektrisch verbunden und über Leitungselemente (10, 11) induktiv gekoppelt sind.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, wobei die Teilbereiche (4, 5, 6) Ellipsenflächen (12a, 12b, 12c) oder andere geometrische Flächen aufweisen, deren Längserstreckungen (l₁, l₂, l₃) eine untere Frequenzbandgrenze und deren Quererstreckungen (b1, b2, b3) eine obere Frequenzbandgrenze definieren.
Antennenstruktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Antennenstruktur einen einzigen Einspeisepunkt (13) aufweist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die induktiv koppelnden Leitungselemente (10, 11) Antennenverlängerungen und Antennenstrombarrieren bilden.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die induktiv koppelnden Leitungselemente teilweise spiralförmig geformte Leiterbahnen (14) umfassen.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Teilbereiche (4, 5, 6) der Antennenstruktur (1) sowohl auf einer Vorderseite (15) als auch auf einer Rückseite (16) der Substratplatte (3) erstrecken und über Durchkontaktierungen (17) durch die Substratplatte (3) elektrisch in Verbindung stehen.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilbereiche (4, 5, 6) zusammen mit den induktiven Verlängerungen (10, 11) eine Monopolantennenstruktur mit einer Rundabstrahlcharakteristik bilden.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Teilbereich (4) eine quer zur vertikalen Ausrichtung der Antennenstruktur (1) angeordnete Ellipsenfläche (12a) aufweist, die mit dem einzigen Einspeisepunkt (41) gekoppelt ist, und der erste Teilbereich (4) mit ersten Frequenzen f1 der Teilbereiche (4, 5, 6) in einem Frequenzband zwischen 5,875 GHz ≤ f1 ≤ 5,925 GHz vorgesehen ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Teilbereich (5) eine längs zur vertikalen Ausrichtung der Antennenstruktur angeordnete Ellipsenfläche (12b) aufweist, die mit dem ersten Teilbereich (4) über ein Leitungselement (10) gekoppelt ist und der zweite Teilbereich (5) mit zweiten Frequenzen f2 der Teilbereiche (4, 5, 6) in einem Frequenzband zwischen 2,4 GHz ≤ f2 ≤ 2,485 GHz vorgesehen ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter Teilbereich (6) eine längs zur vertikalen Ausrichtung der Antennenstruktur (1) angeordnete Ellipsenfläche (12c) aufweist, die mit dem zweiten Teilbereich (5) über ein spiralförmiges Leitungselement (14) induktiv gekoppelt ist und der dritte Teilbereich (6) mit dritten Frequenzen f3 der Teilbereiche (4, 5, 6) in einem Frequenzband zwischen 1,71 GHz ≤ f3 ≤ 2,2 GHz oder mit Frequenzen f4 zwischen 0,824 GHz ≤ f4 ≤ 940 GHz vorgesehen ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug ein Straßenfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug ist.