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Die vorliegende Erfindung betrifft Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit zumindest teilweise transparentem Dach und einer insbesondere im Dach integrierten oder auf dem Dach befindlichen Sendeantenne, beispielsweise zum Aussenden von Signalen zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen.
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Um die Gefahr von Unfällen im Straßenverkehr zu reduzieren, sind Anstrengungen im Gange, um Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Fahrzeugen, sogenannte Car2Car-Kommunikation, zu etablieren. Über derartige Kommunikationskanäle können Fahrzeuge beispielsweise Daten hinsichtlich Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Lenkwinkel austauschen, und Fahrassistenzsysteme können dann entsprechend auf Bewegungen anderer Fahrzeuge autonom reagieren oder auch Warnsignale für Fahrer der Fahrzeuge ausgeben, um so Unfälle zu vermeiden. Zudem sind auch kommerzielle Anwendungen derartiger Kommunikationskanäle zwischen Fahrzeugen denkbar.
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Für Sicherheitsanwendungen und Verkehrsmanagement wurden dabei Frequenzen im Bereich von 5,9 GHz reserviert, beispielsweise in Europa von 5,875 GHz bis 5,905 GHz in drei 10 MHz-Kanälen, wobei zwei zusätzliche 10 MHz-Kanäle bereits für zukünftige Nutzungen reserviert sind. In den Vereinigten Staaten sind Frequenzen von 5,85 GHz bis 5,925 GHz hierfür vorgesehen. Als Kommunikationstechnologie ist hierbei eine WiFi-Kommunikation gemäß dem Standard IEEE 802.11a vorgesehen, modifiziert zur Berücksichtigung der sich bewegenden Kommunikationspartner, d. h. der Fahrzeuge, gemäß dem Standard IEEE 802.11p. Gemäß den oben erwähnten Standards ist auch die maximal abgestrahlte Leistung spezifiziert.
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Antennen zur Abstrahlung entsprechender Signale sind typischerweise in einem hinteren Bereich des Fahrzeugdaches angebracht. Da sich nahe beieinander befindliche Fahrzeuge typischerweise zumindest näherungsweise in der gleichen horizontalen Ebene befinden, ist dabei insbesondere die Abstrahlcharakteristik in einer derartigen horizontalen Ebene wichtig und sollte eine möglichst große Reichweite ermöglichen.
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Insbesondere wenn sich die Antenne an oder auf einem hinteren Teil des Daches befindet, kann das Dach grundsätzlich die Abstrahlcharakteristik insbesondere nach vorne beeinflussen.
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Dabei ist zu beachten, dass bei heutigen Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, nicht nur reine Metalldächer Verwendung finden, sondern Dächer häufig beispielsweise in einem Bereich eines Schiebedaches oder auch über eine größere Fläche hinweg aus Glas oder einem anderen transparenten Material bestehen können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Fahrzeuge mit einer Sendeantenne und einem zumindest teilweise transparentem Dach bereitzustellen, bei welchen ein Einfluss des Daches auf eine Reichweite der Sendeantenne zumindest verringert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug bereitgestellt, umfassend:
ein Fahrzeugdach, wobei das Fahrzeugdach einen Abschnitt aus transparentem Material umfasst, und
eine an dem Fahrzeug angebrachte Sendeantenne,
wobei der Abschnitt aus transparentem Material derart ausgestaltet ist, dass eine Einkopplung von von der Sendeantenne ausgehenden Signalen in den Abschnitt aus transparentem Material unterdrückt wird.
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Diesbezüglich hat sich herausgestellt, dass bei aus herkömmlichem Glas hergestellten transparenten Abschnitten von einer Sendeantenne ausgesendete Signale, beispielsweise Signale zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen, entsprechend einem Wellenleiter in den Abschnitt aus transparentem Material einkoppeln kann und somit in Richtung des Abschnittes aus transparentem Material eine Verringerung der effektiven Sendleistung auftritt. Durch die Ausgestaltung des Abschnittes derart, dass ein Einkoppeln der Strahlung unterdrückt wird, kann dieser Effekt vermieden werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Fahrzeug zudem eine mit der Sendeantenne gekoppelte Sendeeinrichtung, insbesondere zum Senden von Signalen zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen. Die Signale können insbesondere eine Frequenz > 1 GHz, beispielsweise > 5 GHz aufweisen. In diesem Frequenzbereich ist ein Einkoppeln in herkömmliches Glas besonders kritisch.
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Es ist zu bemerken, dass die Sendeantenne gleichzeitig als Empfangsantenne sowie die Sendeeinrichtung gleichzeitig als Empfangseinrichtung dienen kann. Es ist jedoch auch möglich, eine zusätzliche Empfangsantenne und/oder eine zusätzliche Empfangseinrichtung bereitzustellen. In anderen Ausführungsbeispielen ist nur ein Senden von Signalen möglich.
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Um den Abschnitt aus transparentem Material derart auszugestalten, dass die Einkopplung von Strahlung unterdrückt wird, kann der Abschnitt aus transparentem Material eine Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung auf einer Oberseite, d. h. einer Außenseite des Fahrzeugs, aufweisen. Die Beschichtung kann bevorzugt aus metallischem Material sein, sodass durch den Skin-Effekt die Einkopplung vermieden wird, es ist jedoch auch eine Beschichtung mit halbleitenden Schichten oder mit einem Widerstandsbelag, d. h. einer leitenden Schicht, welche einen höheren Widerstand als eine metallische Schicht aufweist, möglich. Auch andere leitende Schichten sind möglich.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das transparente Material hinsichtlich seines Berechungsindex derart gewählt, dass die Einkopplung von Signalen unterdrückt wird.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Abschnitt aus transparentem Material ein oder mehrere leitfähige Zwischenschichten.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Dicke des Abschnitts aus transparentem Material derart gewählt, dass die Einkopplung unterdrückt wird.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zur Unterdrückung des Einkoppelns der Abschnitt aus transparentem Material derart eingerichtet, dass in den Abschnitt gelangende Signale in diesem keine Totalreflexion erfahren.
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Die Sendeantenne kann insbesondere in oder an einem hinteren Bereich des Fahrzeugdaches, d. h. einem Heck des Fahrzeugs zugewandten Bereich, angebracht sein, beispielsweise auf dem Fahrzeugdach.
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Selbstverständlich kann ein entsprechendes Fahrzeugdach auch mehrere Abschnitte aus transparentem Material umfassen, welche entsprechend ausgestaltet sind, dass Einkopplung von von der Sendeantenne ausgehenden Signalen unterdrückt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Abstrahlcharakteristik einer Sendeantenne bei einem Metalldach,
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2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Abstrahlcharakteristik einer Sendeantenne bei einem Dach, welches teilweise aus Glas besteht,
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3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Grundes für unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken in 1 und 2,
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4 ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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5 einen transparenten Abschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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6 einen transparenten Abschnitt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
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7 bis 9 Beispiele für verschiedene in Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendbare Antennen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Hierzu werden zunächst unter Bezugnahme auf 1 bis 3 Grundlagen zum Verständnis der Erfindung erläutert, bevor dann unter Bezugnahme auf die 4 bis 9 die eigentlichen Ausführungsbeispiele erläutert werden.
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In 1 und 2 sind Messungen dargestellt, welche im Rahmen der Entwicklung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden und welche eine Abhängigkeit einer Sendeleistung von einem Richtungswinkel einer abgestrahlten Sendeleistung einer Sendeantenne, welche auf einem Dach angebracht ist, für verschiedene Arten von Dächern zeigen.
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In 1 ist das Diagramm für ein Metalldach 10 mit Dachreling 11 dargestellt. Pfeile 13 bezeichnen eine „Vorwärtsrichtung”, d. h. eine Richtung zu einer Front eines Fahrzeugs mit einem entsprechenden Dach hin. An einem Punkt 12 des Metalldachs 10 ist eine Sendeantenne angebracht, welche Signale in einem Frequenzbereich, welcher einem Frequenzbereich für eine Fahrzeugkommunikation entspricht, abstrahlt. Der Punkt 12 ist gleichzeitig das Drehzentrum der Messung, d. h. die abgestrahlte Sendeleistung wurde kreisförmig um den Punkt 12 herum aufgenommen.
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Auf der linken Seite der 1 ist die Sendeleistung in dB in Abhängigkeit vom Winkel aufgetragen wobei 0° der Vorwärtsrichtung entspricht und, wobei eine Kurve 14 das Ergebnis für eine kollineare Antenne, wie sie später unter Bezugnahme auf 7 erläutert werden wird, eine Kurve 15 das Ergebnis für eine Monopolantenne, wie sie später unter Bezugnahme auf 8 erläutert werden wird, und eine Kurve 16 eine Messung für eine Scheibenantenne, wie sie später unter Bezugnahme auf 9 erläutert werden wird, zeigt. Wie zu sehen ist, ist in Vorwärtsrichtung, d. h. in der Richtung, in der die Strahlung am längsten über das Dach hinweg geht, kein oder allenfalls ein sehr geringer Einbruch der abgestrahlten Leistung zu bemerken. Zudem ist zu bemerken, dass das Verhalten im Wesentlichen unabhängig von der verwendeten Antenne ist.
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In 2 ist eine entsprechende Messung für ein Dach 20 mit einer Dachreling 21 dargestellt, welches einen Abschnitt 22 aufweist, welcher aus Glas gefertigt ist. Ein Punkt 23 bezeichnet einen Punkt, an welchem eine Sendeantenne angebracht wurden und um welchen herum die Messung aufgenommen wurde, ähnlich dem Punkt 12 der 1.
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Pfeile 24 zeigen wiederum eine Vorwärtsrichtung eines entsprechenden Fahrzeugs mit dem Dach 20 an.
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Eine Kurve 25 zeigt eine Messung für eine Monopolantenne, eine Kurve 26 zeigt eine Messung für eine kollineare Antenne und eine Kurve 27 zeigt eine Messung für eine scheibenförmige Antenne, entsprechend den Messungen der 1. Wie deutlich zu sehen ist, ist die abgestrahlte Sendeleistung in Vorwärtsrichtung innerhalb eines Winkelbereichs von etwa ±20° deutlich abgeschwächt, in einer Größenordnung von –15 dB. Deutliche Abweichungen zwischen den Messungen der 1 und den Messungen der 2 sind in einem Winkelbereich von ±60° um die Vorwärtsrichtung zu finden, was etwa einem Bereich entspricht, in welchem von dem Punkt 23 ausgehende Signale auf den Abschnitt 22 aus Glas treffen. Dies führt zu der Erkenntnis, dass durch ein Glasdach bzw. durch ein Dach, welches Abschnitte aus Glas aufweist, die effektiv abgestrahlte Sendeleistung verringert wird.
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Zu bemerken ist, dass die Abschwächung in Vorwärtsrichtung, welche unter Bezugnahme auf 2 diskutiert wurde, nicht auftritt, wenn der Abschnitt 22 herausgenommen wird, also durch Luft ersetzt wird.
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Zu bemerken ist weiterhin, dass ähnliches Phänomen nicht nur bei Betrachtung des Richtungswinkels wie in den 1 und 2 auftritt (Azimuth), sondern auch bei Betrachtung des Höhenwinkels (Elevation).
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Eine Erklärung für dieses Phänomen ist in 3 schematisch dargestellt.
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Mit 30 ist in 3 ein transparenter Abschnitt eines Dachs, insbesondere aus Glas, beispielsweise der Abschnitt 22 der 2, bezeichnet. Von einer Sendeantenne kommende Signale 31 treffen unter einem Winkel 32, im vorliegenden Fall ca. 88°, auf den Abschnitt 30. Für die Darstellung wurde als Brechungsindex und als relative Dielektrizitätskonstante von Luft jeweils 1 angenommen, während für den Abschnitt 30 eine relative Dielektrizitätskonstante von 7 und ein Brechungsindex von 2,646 angenommen wurde, was typischen Werten für Glas entspricht.
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Unter diesen Umständen wird der einfallende Strahl 31 unter einem Winkel 34 von ca. 22,2° zur Senkrechten in den Abschnitt 30 hineingebrochen. Ein Winkel 33 entspricht dementsprechend 67,8°, was für die gewählten Brechungsindexwerte gleich dem Winkel der internen Totalreflektion ist. Der Abschnitt 30 wirkt somit als Wellenleiter, und wie durch die Pfeile 35 dargestellt können die einfallenden Signale den Abschnitt 30 somit zunächst nicht mehr verlassen und werden dann am Ende des Abschnitts 30 z. B. nach oben abgestrahlt und gehen somit in der horizontalen Ebene verloren.
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Es ist zu bemerken, dass ein relativ großer Einfallswinkel nahe 90° wie der Winkel 32 für Situationen in Fahrzeugen typisch sind, da hier Sendeantennen typischerweise in einem hinteren Bereich eines Daches angebracht werden und sich allenfalls geringfügig aus dem Dach erheben, sodass abgestrahlte Strahlung durchaus unter einem derartigen Winkel auf transparente Abschnitte des Daches treffen kann.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, einen oder mehrere transparente Abschnitte in einem Dach eines Fahrzeugs derartig auszugestalten, dass ein Einkoppeln von Strahlung wie beispielhaft in 3 dargestellt unterdrückt wird. Dies wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen detaillierter erläutert.
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 40 dargestellt. Das Fahrzeug 40 weist in einem hinteren Bereich seines Daches eine Sendeantenne 41 auf, welche insbesondere zum Senden von Signalen mit Frequenzen größer als 1 GHz, beispielsweise von Signalen zur Kommunikation mit einem oder mehreren weiteren Fahrzeugen im Bereich größer als 5 GHz, beispielsweise basierend auf den eingangs erläuterten Standards, eingerichtet ist. Die Sendeantenne 41 kann zugleich als Empfangsantenne dienen und kann zusammen mit anderen Antennen kombiniert beispielsweise in einer Aufnahme oder einem Rack im hinteren Bereich des Daches angebracht sein. Die Sendeantenne 41 kann über eine Verbindung 43, beispielsweise eine Kabelverbindung oder eine drahtlose Verbindung, mit einer Sendeeinrichtung 44, beispielsweise einer Sende-/Empfangseinrichtung (Transceiver), verbunden sein, wobei die Sendeeinrichtung 44 zum Erzeugen entsprechender elektrischer Signale, welche über die Sendeantenne 41 zu senden sind, eingerichtet ist. Die Sendeeinrichtung 44 kann beispielsweise über ein Bussystem mit weiteren nicht dargestellten Fahrzeugkomponenten verbunden sein.
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Zudem weist das Fahrzeug 40 in seinem Dach einen transparenten Abschnitt 42 auf. Der transparente Abschnitt 42 ist bei dem Fahrzeug 40 derart ausgestaltet, dass eine Einkopplung von von der Sendeantenne 41 ausgehenden Signalen in den transparenten Abschnitt 42, beispielsweise eine Einkopplung wie unter Bezugnahme auf 3 erläutert, unterdrückt wird. Konkrete Ausführungsbeispiele hierzu werden später unter Bezugnahme auf 5 und 6 erläutert.
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Zu bemerken ist, dass transparente Abschnitte in einem Dach wie der transparente Abschnitt 42 verschiedene Formen und Größen annehmen können. Während in dem Ausführungsbeispiel der 4 der transparente Abschnitt 42 einen Großteil der Dachfläche umfasst, kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel ein transparenter Abschnitt nur im Bereich eines Schiebedaches angeordnet sein und so eingerichtet sein, dass er zum Öffnen des Schiebedaches in das Dach einfahrbar ist. Auch ist mehr als ein transparenter Abschnitt möglich.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines transparenten Abschnitts 53 dargestellt, welcher beispielsweise als transparenter Abschnitt 42 der 4 verwendet werden kann. Der transparente Abschnitt 53 umfasst ein transparentes Trägermaterial 50, beispielsweise herkömmliches für transparente Abschnitte in Fahrzeugdächern verwendetes Glas, sowie eine auf einer Oberseite, d. h. einer Außenseite des Fahrzeugs, befindliche Beschichtung 51. Die Beschichtung 51 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 5 transparent und kann insbesondere eine leitende, beispielsweise eine metallische Beschichtung sein. Die Beschichtung 51 verhindert das Einkoppeln von Strahlung 52, welche von einer entsprechenden Sendeantenne wie der Antenne 41 der 4 ausgesendeten Strahlung in den transparenten Abschnitt 53. Bei einer metallischen Beschichtung geschieht dies beispielsweise durch den sogenannten Skin-Effekt. Andere mögliche Beschichtungen umfassen halbleitende entsprechend dotierte Beschichtungen oder andere leitende Beschichtungen, welche transparent sind und einen begrenzten Widerstand aufweisen. Dabei wird bevorzugt der Widerstand möglichst niedrig gehalten, um Verluste klein zu halten.
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Es ist zu bemerken, dass während in 5 die Beschichtung 51 auf einer Oberseite des Trägermaterials 50 angebracht ist, die Lage und Anordnung der Beschichtung 51 in Abhängigkeit von der Positionierung einer entsprechenden Sendeantenne gewählt werden kann, um zu gewährleisten, dass von der Sendeantenne ausgehende Strahlung auf die Beschichtung 51 trifft. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann, wenn eine Einkopplung nur in einem bestimmten Bereich des Trägermaterials 50 kritisch ist, beispielsweise auf Basis des Einfallswinkels, eine Beschichtung auch nur in einem derartigen Bereich vorgesehen sein.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen können leitfähige Zwischenschichten innerhalb eines Trägermaterials beispielsweise aus Glas eingebracht sein. Hierdurch kann eine effektive Glasdicke verringert werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei hinreichend dünnen Glasschichten der oben beschriebene Effekt nicht oder nur vermindert auftritt.
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Dementsprechend kann auch bei entsprechender Materialstabilität eine entsprechend dünne Materialschicht gewählt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen transparenten Abschnitts 60 ist in 6 dargestellt. Der transparente Abschnitt 60 ist dabei aus einem transparenten Material gefertigt, das derart gewählt ist, dass der Brechungsindex des transparenten Materials ein Einkoppeln von Strahlung 61, welche von der Sendeantenne kommt, nicht ermöglicht. Insbesondere kann der Brechungsindex derart gewählt sein, dass selbst bei einer Brechung in das transparente Material 60 hinein es nicht zu einer Totalreflektion kommt, d. h. die Strahlung den transparenten Abschnitt wieder verlässt wie durch eine gestrichelte Linie 62 angedeutet.
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Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann der transparente Abschnitt derart modifiziert werden, dass er wie ein Leckquellenleiter arbeitet, d. h. die Einkopplung dadurch unterdrückt wird, dass das in den transparenten Abschnitt gelangende Licht diesen wieder verlassen kann.
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Anzumerken ist, dass die Erfindung nicht auf die Anordnung einer Sendeantenne wie der Sendeantenne 41 in einem hinteren Teil des Daches beschränkt ist, sondern die Antenne im Wesentlichen beliebig angeordnet werden kann.
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Als Sende- und/oder Empfangsantennen können verschiedene Arten von Antennen dienen. Beispiele hierfür sind in den 7 bis 9 dargestellt. Dabei zeigt 7 eine kollineare Antenne 70, 8 eine Monopolantenne 80 und 9 eine scheibenförmige Antenne 90. Diese Antennenarten sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen, und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können mit jedem beliebigen geeigneten Antennentyp eingesetzt werden. Insbesondere werden bevorzugt Antennen verwendet, welche – wie die Antennen der 7 bis 9 – vertikal polarisierte Strahlung aussenden bzw. empfangen können, besonders bevorzugt Strahlung überwiegend oder größtenteils mit vertikaler Polarisation abstrahlen bzw. empfangen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard IEEE 802.11a [0003]
- Standard IEEE 802.11p [0003]
