DE102013206519A1

DE102013206519A1 - Antennensystem für ein Fahrzeug und Verfahren zur Herstellung eines solchen Antennensystems

Info

Publication number: DE102013206519A1
Application number: DE102013206519.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Klemp; Helmut Kellermann; Levent-Yusuf Ekiz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-04-13
Also published as: DE102013206519B4

Abstract

Ein Antennensystem für ein Fahrzeug (7) umfasst eine erste Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) und ein Gehäuse (2, 8, 12), das die erste Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) zumindest teilweise umschließt. Zumindest ein Element (13, 14, 20, 24) des Gehäuses, außerhalb des Gehäuses, am Gehäuse und/oder innerhalb des Gehäuses (2, 8, 12) ist derart elektromagnetisch wirksam ausgebildet, dass es die Richtcharakteristik der Abstrahlung der ersten Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) homogenisiert und/oder einen durch eine zweite, auf das Antennensystem einwirkenden Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) bewirkten Koppeleffekt beim Empfang elektromagnetischer Strahlung zumindest teilweise kompensiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Auslegung sowie zur Herstellung eines solchen insbesondere volumetrischen Antennensystems.
Die Erfindung betrifft weiterhin insbesondere ein entsprechendes Antennensystem, bei dem mindestens eine Antenne vorgesehen ist, die von einem Gehäuse zumindest teilweise umschlossen ist. Das Gehäuse ist meist aus Kunststoff ausgebildet und schützt die darin integrierte Antenne beispielsweise vor Umwelteinflüssen. Entsprechende Antennensysteme werden an einer geeigneten Stelle am Fahrzeug angebracht, wobei sie häufig am Dach des Fahrzeugs montiert werden und dann, wenn das Gehäuse beispielsweise die Form einer Finne hat, auch als „Dachfinne” bezeichnet werden.
In der DE 10 2009 041 166 A1 ist eine Fahrzeugantenne zum Empfang und/oder zum Senden von Funkfunksignalen bekannt, die zur Montage auf einem Fahrzeugdach vorgesehen ist. Sie umfasst im Wesentlichen einen Antennenfuß, an dem zwei Antennenstrahler montiert sind, mit denen Funksignale empfangen und/oder gesendet werden können. Eine Ansteuerschaltung ist mit den Antennenstrahlern verbunden um empfangene Funksignale auszuwerten und Funksignale zu generieren. Die Antennenstrahler sind im Wesentlichen senkrecht zum Antennenfuß angeordnet, so dass sie nach oben ragen.
Ein Antennensystem ist jeweils für die von ihm unterstützten Funktionen in einem drahtlosen Kommunikationsdienst eingerichtet. Beispiele für entsprechende Funktionen sind

– der Empfang von analogen oder digitalen terrestrischen oder von satellitengestützten Signalen eines Rundfunk- bzw. TV-Dienstes wie zum Beispiel Ultrakurzwellen (UKW bzw. FM), Dezimeterwellen (Ultra High Frequency, UHF), Digital Video Broadcasting (DVB-T, DVB-S), Digital Audio Broadcasting (DAB) oder US Satellite Digital Audio Radio Systems (SDARS),
– Sende- und Empfangsbetrieb für Signale eines Telekommunikation-Dienstes gemäß einem entsprechenden Standard wie zum Beispiel Global System for Mobile Communications (GSM 2G/3G), 4G Long Term Evolution (LTE) oder European Telecommunications Standards Institute Intelligent Transport System (ETSI ITS G5).
– Empfang von Signalen eines globalen Satelliten-Navigationsdienstes (Global Navigation Satellite System, GNSS) wie z. B. vom Global Positioning System (GPS) und/oder
– Sende- und Empfangsbetrieb für Signale in einem drahtlosen lokalen Netzwerk wie z. B. einem Wireless Local Area Network (WLAN) nach dem Standard IEEE 802.11x.

Antennensysteme in heutigen Kraftfahrzeugen sind häufig für mehrere Kommunikationsdienste als so genannte Multistandard-Antennensysteme eingerichtet und enthalten dazu häufig mehr als eine Antenne. Einzelantennen für terrestrische Funkdienste werden dabei, ähnlich zur DE 10 2009 041 166 A1 , häufig als diskrete Empfänger bzw. Strahler auf vertikalen Leiterplatten auf einer horizontal angeordneten Leiterplatte und/oder Grundplatte orientiert. Für Satellitendienste werden oft so genannte Patchantennen auf keramischen Substraten in den Antennensystemen eingesetzt. Dabei ist zu beobachten, dass die Sende- bzw. Empfangsleistungen der Antennen eines Antennensystems insbesondere aufgrund von Kopplungseffekten umso schwächer werden, je mehr Kommunikationssysteme von dem Antennensystem unterstützt werden, d. h. je mehr Antennen, Frequenzen und Übertragungsstandards in einen vorgegebenen, limitierten Raum eines Antennensystems integriert werden. Diese Problematik ist insbesondere dort verschärft, wo der Bauraum sehr limitiert ist, beispielsweise wegen technischer und/oder oder designseitig vorgegebener Rahmenbedingungen in den genannten Dachfinnen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, in einem Antennensystem für ein Fahrzeug, das mindestens eine Antenne und ein Gehäuse aufweist, auch dann gute Sende- und Empfangsleistungen der Antenne zu erreichen, wenn das Antennensystem Funktionalitäten mehrerer Kommunikationsdienste unterstützt.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Antennensystem für ein Fahrzeug vorgesehen. Das Antennensystem umfasst eine erste Antenne und ein Gehäuse, dass die erste Antenne zumindest teilweise umschließt. Zumindest ein Element des Gehäuses, außerhalb des Gehäuses, am Gehäuse und/oder innerhalb des Gehäuses ist derart elektromagnetisch wirksam ausgebildet, dass es die Richtcharakteristik der Abstrahlung der ersten Antenne homogenisiert und/oder einen durch eine zweite, auf das Antennensystem einwirkende Antenne bewirkten Koppeleffekt beim Empfang elektromagnetischer Strahlung zumindest teilweise kompensiert.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das gezielte Vorsehen eines elektromagnetisch wirksamen Elements in dem Antennensystem eine vorteilhafte Wirkung auf die erste Antenne im Hinblick auf ihre Richtcharakteristik beim Senden bzw. auf ihre Empfangseigenschaft beim Empfangen elektromagnetischer Strahlung erzielt werden kann.
Weiterhin wurde mit der Erfindung erkannt, dass eine in einem Gehäuse untergebrachte Antennen-Architektur für ein Fahrzeug wesentlich dadurch verbessert werden kann, dass außerhalb des Gehäuses, am Gehäuse und/oder innerhalb des Gehäuses mindestens ein geeignetes elektromagnetisch wirksames Element vorgesehen wird. Diese Verbesserung kann insbesondere auch im Hinblick auf Fahrzeug-Antennensysteme erzielt werden, die diskrete Aufbautechnik verwenden, umfassend vertikal orientierten Leiterplattenantennen, beispielsweise für Mobilfunk-Kommunikation und/oder keramische Patchantennen, beispielsweise für Satellitendienste, aufgebaute Antennen-Architektur. Die Verbesserung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das außerhalb des Gehäuses, am Gehäuse und/oder innerhalb des Gehäuses elektromagnetisch wirksame Element vorgesehen wird. Insbesondere wurde mit der Erfindung erkannt, dass ein solches Element am oder im Gehäuse selbst vorgesehen werden kann und somit das zur Verfügung stehende Integrationsvolumen des Gehäuses vorteilhaft für das gesamte Antennensystem ausgenutzt werden kann. Dabei können gleichzeitig und/oder mit geeigneten zusätzlichen Maßnahmen Integrationseinflüsse auf die Impedanz-und Strahlungseigenschaften der Antenne bzw. der Antennen minimiert werden.
Die Erfindung beruht deshalb auch auf der Erkenntnis, dass das Abstrahlungsverhalten von Einzelantennen innerhalb eines ein Gehäuse umfassenden Fahrzeug-Antennensystems einer Vielzahl von Integrationseffekten unterliegt, deren Ursachen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Integrationsvolumens des Gehäuses liegen können und deren Wirkung jeweils mit einem oder mehreren elektromagnetisch wirksamen Elementen im Hinblick auf Abstrahlcharakteristik und Empfangsleistung positiv beeinflusst bzw. geändert werden können.
Beispielsweise wurde erkannt, dass es zwischen verschiedenen, innerhalb des Gehäuses untergebrachten Antennen störende Kopplungseffekte geben kann, insbesondere, wenn diese zum Senden bzw. Empfangen in ähnlichen Frequenzbereichen ausgebildet sind oder diskrete Strukturen des Antennensystems im Wellenlängenbereich der jeweiligen Strahlung liegen. Derartige Kopplungen können beispielsweise für Frequenzen eines WLAN-Netzwerks oder des ETSI ITS G5 Standards im Bereich von 5 bis 6 GHz auftreten sowie für Mehrantennensysteme wie dem LTE-System, bei denen Sender und Empfänger jeweils mindestens zwei Antennen aufweisen. Bei kurzen Wellenlängen um 50 mm können geometrische Einschlüsse im Integrationsvolumen wie z. B. Schraubenköpfe, umfängliche Nuten oder Einkerbungen einen ungünstigen Einfluss auf die Übertragungsqualität haben. Derartige Gegebenheiten bzw. Effekte können zu einer unerwünschten Verzerrung der Antennen-Richtdiagramme führen. Mit der Erfindung und insbesondere durch das elektromagnetisch wirksame Element können derartige Verzerrungen homogenisiert werden und damit die Übertragungsqualität günstig beeinflusst werden.
Mit der Erfindung wurden dem entsprechend Ursachen und Effekte erkannt, die die Sende- bzw. Empfangseigenschaften eines Fahrzeug-Antennensystems ungünstig beeinflussen können:

– Infolge der endlichen Bombierung der Dachlinie am Integrationsort des Antennensystems kann es in Fahrtrichtung zu einer Abschattung und somit zu einer Funktionsminderung kommen. Diese kann insbesondere für Dienste mit hohen Frequenzen wie WLAN und ETSI ITS G5 von zentraler Bedeutung sein, da der künstliche Fahrzeughorizont durch diesen Effekt erheblich reduziert werden kann. Insbesondere für eine Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation nach dem ETSI ITS G5 Standard ist dieser Effekt von hoher Relevanz.
– Infolge der endlichen Metallisierungsweite der Dachfläche kommt es zu einer Verkippung der Antennen-Strahlungsdiagramme mit einer Abnahme der Abstrahlungsleistung in der Horizontalebene, die insbesondere bei den terrestrischen Funkdiensten zu einer Funktionsminderung führen kann.
– Dacheinsätze wie Sonnendächer oder Panorama-Glasdächer können zu einer richtungsabhängigen Beeinflussung der Antennenstrahlungseigenschaften führen.
– Die Impedanzeigenschaften und die Bandbreite werden herabgesetzt, weil die Antennen nicht das maximal zur Verfügung stehende Integrationsvolumen ausnutzen sondern lediglich einen Teilbereich des vom Gehäuse umgebenen Raums innerhalb des Gehäuses.
– Die Strahlungseigenschaften der Einzelantennen werden durch die gegenseitige Verkopplung mit koexistenten Antennen in demselben Bauraum herabgesetzt. Durch die Verkopplung zwischen den Antennen kommt es zu Abschattungseffekten in den Strahlungsdiagrammen, wodurch z. B. die richtungsabhängigen Empfangseigenschaften der Teilantennensysteme herabgesetzt werden können.
– Aufgrund der suboptimalen Ausnutzung des Integrationsvolumens kommt es bei einem Mehrantennensystem wie z. B. einem LTE-System, zu einer Reduzierung der Übertragungseigenschaften im Mehrantennen-Kommunikationsverfahren, beispielsweise zu gegenseitiger Leistungsverkopplung oder Anhebung der Interelementar-Korrelation. Ein schwach genutztes Integrationsvolumen kann auch zu einer vermeidbaren Reduzierung des Datendurchsatzes in Raumzeit-Multiplex-Übertragungsverfahren oder Reduzierung der Effizienz in Diversity-Empfangsverfahren führen. Derartige Effekte können insbesondere bei niedrigen Übertragungsfrequenzen, beispielsweise im UHF-Band um 800 MHz, eine erhebliche Rolle spielen. Räumliche Abmessungen des Integrationsvolumens bezogen auf die Betriebswellenlänge können insbesondere bei niederfrequenten Mehrantennen-Diensten, d. h. bei solchen mit hoher Betriebswellenlänge, eine besonders kritische Rolle spielen.

Mit der Erfindung und insbesondere durch das elektromagnetisch wirksame Element können die oben genannten ungünstigen Einflüsse bzw. Störeffekte zumindest teilweise sowie jeweils bedarfsgerecht und gezielt kompensiert werden. Die Erfindung beruht dabei insbesondere auf der Überlegung, bereits beim Entwurf eines Antennensystems methodisch die jeweiligen Gesamtbedingungen zu berücksichtigen und mindestens ein elektromagnetisch wirksames Element des Antennensystems insbesondere hinsichtlich seiner Form, Anordnung und/oder mindestens einem elektromagnetischen Parameter im Antennensystem derart zu wählen, dass mindestens einer der Störeffekte zumindest reduziert wird.
Mit der Erfindung kann insbesondere die konventionelle räumliche Trennung zwischen den diskreten Antennenstrukturen und der diese teilweise oder komplett umrandenden Gehäuseabdeckung aufgelöst werden und die eigentliche Oberfläche der Gehäuseabdeckung als Träger für die Antennenfunktion verwendet werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zusätzlich zur ersten, vom Gehäuse zumindest teilweise umschlossenen Antenne eine weitere von dem Gehäuse zumindest teilweise umschlossene Antenne vorgesehen, wobei das elektromagnetisch wirksame Element auch die Richtcharakteristik der Abstrahlung der weiteren Antenne homogenisiert und/oder einen auf den Empfang der weiteren Antenne einwirkenden Koppeleffekt zumindest teilweise kompensiert. Die weitere Antenne kann insbesondere die zweite, auf die erste Antenne einen Koppeleffekt bewirkende Antenne sein, wobei mit dem elektromagnetisch wirksamen Element der Koppeleffekt zwischen erster und zweiter Antenne beim Empfang zumindest teilweise kompensiert wird.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vielzahl von Einzelantennen für denselben Funkstandard, z. B. für FM, DAB, DVB-T, US-SDARS, LTE, WLAN oder ETSI ITS G5, vorgesehen, die in ihrer Ausprägung als Diversity- oder MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) Antennenkonfiguration verwendet werden und deren Einzelelemente untereinander aufgrund des volumetrischen Antennenentwurfs und einer hohen, insbesondere maximal zur Verfügung stehenden Volumenausnutzung eine hohe, insbesondere die bestmögliche Entkopplung zueinander aufweisen. Dadurch werden insbesondere ihre Funkübertragungseigenschaften verbessert.
Mit der Erfindung wird auch ein volumetrischer Antennenentwurf auf die Oberfläche des jeweils zur Verfügung stehenden Integrationsvolumens, insbesondere des Gehäuses, möglich. Dadurch kann die Volumenausnutzung im Gehäuse verbessert werden. Eigenschaften des Antennensystems wie zum Beispiel dessen Impedanz und Bandbreite können aufgrund der verbesserten Volumenausnutzung ebenfalls verbessert werden.
Mit der Erfindung können weitere vorteilhafte Wirkungen und Ausführungsbeispiele erreicht werden:

– In Anordnungen, die diskrete Anpassungs-Netzwerke aus Spulen-Kondensator-Elementen aufweisen, können diese zumindest teilweise entfallen, wenn die erforderlichen Bandbreiten und Grenzfrequenzen von dem elektromagnetisch wirksamen Element bzw. entsprechenden passiven Antennenstrukturen erfüllt werden können.
– Durch Änderung der geometrischen Ausrichtung des elektromagnetisch wirksamen Elements, insbesondere von Einzelstrahlern, kann die Verkopplung zwischen Einzelantennen in einem vorgegebenen Bauraum reduziert werden. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung auf Impedanz- und Strahlungseigenschaften minimiert werden. Somit können Nachteile von Mehrantennensystemen gegenüber Einantennensystemen bei niedrigen Übertragungsfrequenzen, z. B. bezüglich einer Herabsetzung der Datenrate oder der Diversity-Effizienz, reduziert werden. Dazu wirkt insbesondere eine Funktionalisierung der Oberfläche des Gehäuse-Integrationsvolumens vorteilhaft, weil durch sie Abweichungen von der, ansonsten vorwiegend für terrestrische Funkdienste eingesetzten vertikalen Orientierung der Strahler ermöglicht werden.
– Die stromführenden Bereiche des Antennensystems für einen Kommunikationsstandard lassen sich in Entwurfsmethodik und Herstellung einfach räumlich trennen. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, eine Antenne nicht mehr als geometrisch konzentrierten Einzelstrahler sondern als räumlich verteiltes Gebilde zu entwerfen. Die einzelnen Segmente des volumetrischen Antennensystems können entweder über integrierte Leistungs-Verteilernetzwerke aktiv erregt werden oder durch elektromagnetische Nahfeldkopplung passiv angeregt werden. Durch beide Verfahren kann insbesondere bei hohen Übertragungsfrequenzen gezielt auf die Auslegung und Optimierung des Antennenrichtdiagramms eingewirkt werden.
– Infolge des volumetrischen Antennenentwurfs lassen sich Integrationseffekte im Bauraum eines Antennenmoduls insbesondere bei hohen Übertragungsfrequenzen kompensieren. Nachteilige Integrationseinflüsse können gezielt beim volumetrischen Antennenentwurf berücksichtig und durch ein räumlich geeignet angeordnetes Antennensystems vermieden werden.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt mittels des zumindest einen elektromagnetisch wirksamen Elements eine periodische, elektromagnetisch wirksame Strukturierung in dem von dem Gehäuse gebildeten und/oder umschlossenen Volumen.
Mit diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde erkannt, dass das Gehäuse gezielt für elektromagnetische Wirkungen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann bzw. vorteilhaft in diese einbezogen werden kann. Insbesondere wurde erkannt, dass sich die weiter oben beschriebenen negativen Effekte von Fahrzeug-Antennensystemen aufgrund der endlichen Bombierung der Dachlinie, der endlichen Metallisierung der Dachfläche sowie von Dacheinsätzen zumindest reduzieren lassen, indem die geometrischen, metallisch-dielektrischen Eigenschaften des Antennensystems und des dazu gehörigen Integrationsvolumens gesamthaft in den Entwurfsprozess des Antennensystems einbezogen werden und gezielt angepasst werden. Die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade zur Optimierung der Antennenfunktion können dadurch vergrößert werden, dass das Gehäuse selbst zum Träger der Antennenfunktion wird und der volumetrische Antennenentwurf das zur Verfügung stehende Integrationsvolumen optimal ausnutzt. Die genannte Anpassung führt zu einer Modifikation der elektromagnetischen Randbedingungen für das Antennensystem, wodurch dessen Strahlungsverhalten positiv beeinflusst werden kann. Eine Modifikation der elektromagnetischen Randbedingungen kann insbesondere durch die periodische Strukturierung des Integrationsvolumens erfolgen. Durch periodisch erzeugte Permittivitäts-Unterschiede kann eine Beeinflussung der Wellenausbreitungseigenschaften erreicht werden, durch die eine Verbesserung der Abstrahlungseigenschaften erreicht werden kann. Infolge der Möglichkeiten für einen volumetrischen Antennenentwurf kann durch periodische Metallisierung der umgebenden Kunststoff-Substratmaterialien ein ähnlicher Effekt erreicht werden. Lokal geometrisch eingebrachte Permittivitäts-Unterschiede bzw. die periodische Strukturierung können insbesondere durch eine bereichsweise unterschiedliche Permittivität des elektromagnetisch wirksamen Elements gebildet werden. Sie kann beispielsweise durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen erreicht werden:

– Periodische Strukturierung der dielektrischen und/oder elektrischen Eigenschaften von Kunststoff-Materialien,
– Periodische Metallisierung von Kunststoff-Substratmaterialien, insbesondere mittels einer periodisch aufgebrachten Metallstruktur,
– Periodische Anordnung von Elementen mit einer anderen als der Grund-Permittivität des Gesamtkörpers, z. B. Vorsehen von Luftlöchern in einem Polycarbonat-Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC-ABS) Volumen,
– Ausbildung als mindestens eine Feld-Drossel,
– Vorsehen von geometrisch verteilten Induktivitäts- und/oder Kapazitätsbelägen.

Durch die beschriebenen Maßnahmen kann insbesondere eine positive Wirkung auf die Impedanz- und Bandbreite-Eigenschaften des Antennensystems erreicht werden und insgesamt eine Verbesserung der Übertragungseigenschaften des Antennensystems bewirkt werden.
Durch gezielte Konturierung und/oder Strukturierung der umgebenden Kunststoff-Teile, insbesondere der Gehäuse-Oberfläche, eine geeignete Materialauswahl und ein Herstellverfahren zum volumetrischen Antennenentwurf lässt sich somit der Antennenbauraum derart funktionalisieren, dass gezielt Integrationseinflüsse minimiert werden, die außerhalb des Integrationsvolumens liegen.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das elektromagnetisch wirksame Element ein Dielektrikum. Die Dielektrizitätszahl ist dabei insbesondere größer als Eins. Das elektromagnetisch wirksame Element kann dabei ein zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildetes Element des Gehäuses und insbesondere das gesamte Gehäuse sein. Das Gehäuse kann auch teilweise aus Kunststoff bestehen. Das mindestens eine elektromagnetisch wirksame Element und/oder Antennenfunktionselemente können insbesondere auf der Gehäuseoberfläche und/oder im Gehäusevolumen angebracht sein.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die geometrischen und die dielektrischen Eigenschaften von dielektrischen Teilen wie z. B. Kunststoff-Teilen des Gehäuses in einen Entwurfsprozess für das Antennensystem übernommen werden. Durch gezielte Konturierung mindestens eines Kunststoff-Teils sowie einer geeigneten Materialwahl können die Übertragungseigenschaften der Antennen verbessert werden. Dies schließt eine Schichtdicken-Modulation der die Antennen umgebenden Kunststoff-Materialien, strukturierte Metallisierung der jeweiligen Funktionsteile an deren Oberfläche und/oder in deren Volumen, sowie eine geeignete Anordnung der das Integrationsvolumen umgebenden Flächen ein. Dabei kann auch berücksichtigt werden, dass sich bei hohen Betriebsfrequenzen aufgrund des dielektrischen Wellenlängen-Verkürzungsfaktors eine starke Abhängigkeit der Impedanz- und Strahlungseigenschaften der Einzelantennen ergeben kann.
Das elektromagnetisch wirksame Element kann ein Bauteil sein, dessen Dicke zumindest teilweise moduliert ist. Es kann ein Körper sein, der zumindest teilweise einen Hohlraum ausbildet. Dabei kann die Dicke einer den Hohlraum umgebenden Wand des elektromagnetisch wirksamen Elements zumindest teilweise moduliert, insbesondere formmoduliert und/oder materialmoduliert sein. Das elektromagnetisch wirksame Element kann die erste Antenne zumindest teilweise umgeben.
Das elektromagnetisch wirksame Element kann insbesondere eine Linsenwirkung hinsichtlich vom Antennensystem ausgesandter und/oder empfangener elektromagnetischer Strahlung erzielen. Das elektromagnetisch wirksame Element kann eine die Richtcharakteristik mitbestimmende, konturierte und insbesondere zumindest in zwei Achsen unsymmetrische Form aufweisen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann insbesondere das Richtdiagramm mindestens einer Antenne des Antennensystems mittels einer geometrischen Konturierung einer die Antenne umgebenden dielektrischen Hülle, die durch das Gehäuse gebildet werden kann, mit vorgegebenen Materialeigenschaften und/oder dielektrischen Eigenschaften homogenisiert werden. Auch auf das Richtdiagramm störend wirkende Einflüsse können kompensiert werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde erkannt, dass eine geometrisch-dielektrische Linsenwirkung umgebender Dielektrikum-Teile, insbesondere von Kunststoff-Teilen, zur Verbesserung der Strahlungsfelder von Mehrantennensystemen verwendet werden kann. Dies gilt insbesondere in Verbindung mit Funktechnologien mit hohen Übertragungsfrequenzen wie z. B. für das S-Band für LTE-Mehrantennensysteme oder für ETSI ITS G5 Antennensysteme.
Weiterhin können mit diesem Ausführungsbeispiel folgende Vorteile und Wirkungen erzielt werden:

– Bei Mehrantennensystemen kann durch gezielte Formgebung dielektrischer Kunststoff-Segmente eine Orthogonalisierung der einzelnen Antennen-Richtdiagramme erreicht werden. Hierüber kann die Korrelation zwischen Einzelantennen reduziert werden, wodurch Übertragungseigenschaften wie Diversity-Effizienz oder Datendurchsatz verbessert werden können.
– Für Antennensysteme mit hohen Übertragungsfrequenzen wie ETSI ITS G5 kann mit einer gezielten Formung der Richtdiagramme durch die geometrisch-dielektrischen Eigenschaften des Gehäuses eine Kompensation von Integrationseinflüssen erfolgen.
– Antennen-Übertragungseigenschaften können trotz Schwankungen im Prozess bei der Herstellung des Gehäuses, beispielsweise hinsichtlich Materialzusammensetzung, Lack-Beschaffenheit oder geometrischer Toleranzen, weitgehend konstant gehalten werden.

Die Berücksichtigung der geometrisch-dielektrischen Eigenschaften des Gehäuses kann mit einer Vielzahl von Fertigungsverfahren für Antennen kombiniert werden, beispielsweise mit eingangs beschriebener diskreter Aufbautechnik bestehenden aus vertikal orientierten Leiterplattenantennen, oder auch mit den weiter unten näher beschriebenen Fertigungs- bzw. Herstellverfahren, die einen volumetrischen Antennenentwurf unterstützen, z. B. die 3D Laser-Direktstrukturierung (3D LDS), die Zweikomponenten-Spritzguss-Technologie, die Aerosol-Jet-Drucktechnologie, das Heißprägeverfahren oder das Folien-Druckverfahren.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind als elektromagnetisch wirksame Elemente mehrere Metallelemente vorgesehen. Sie können beispielsweise als metallisierte, beispielsweise als metallbeschichtete oder voluminös mit Metallpartikeln versetzte Elemente ausgestaltet sein. Dabei kann zumindest eine der Antennen des Antennensystems aktiv erregbar sein und die Metallelemente derart im Nahfeld der aktiv erregbaren Antenne angeordnet ein, dass sie sich mit der Antenne durch Strahlungsfeldkopplung anregen lassen.
Die Metallelemente können insbesondere innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, beispielsweise an einer gemeinsamen Trägereinheit wie zum Beispiel einer Grundplatte befestigt sein und/oder bezüglich der Antenne räumlich fest angeordnet sein.
Die Metallelemente können als parasitäre Elemente angeordnet sein und insbesondere ein Gruppenfeld bilden, wobei die Position der Metallelemente und/oder des Gruppenfelds relativ zu der Antenne bzw. den Antennen und die elektrische Länge und Orientierung der Metallelemente derart gewählt werden können, dass die homogenisierte Richtcharakteristik bewirkt wird.
Durch geeignete Wahl des geometrischen Abstands, der elektrischen Länge und der Orientierung der parasitären Elemente lassen sich diese über Strahlungsfeldkopplung mit einem aktiven Element, insbesondere einer Antenne, anregen und das gesamte Strahlungsverhalten des Antennensystems beeinflussen. Durch gezielte Designmethodik der Gruppenfeldanordnung aus Parasitären kann das Gesamtstrahlungsfeld als Summe der Strahlungsfeldanteile einer aktiv erregten Antenne und passiv, strahlungsfeldgekoppelter Antennen besser an eine gewünschte Abstrahlungscharakteristik angenähert werden.
Zum Erhalt der notwendigen Freiheitsgrade für die Dimensionierung der parasitären Gruppenantenne wird eine Fertigungstechnologie vorgeschlagen, die eine volumetrische Strukturierung des gesamten Integrationsvolumens ermöglicht und mit der insbesondere das zu strukturierende Volumen gesamthaft bearbeitet und funktionalisiert werden kann. Als Fertigungsverfahren sind insbesondere wiederum die 3D Laser-Direktstrukturierung, die Zweikomponenten-Spritzguss-Technologie, die Aerosol-Jet-Drucktechnologie, das Heißprägeverfahren und das Folien-Druckverfahren geeignet.
Durch gezielte Designmethodik der Gruppenfeldanordnung aus Parasitären kann das Gesamtstrahlungsfeld als Summe der Strahlungsfeldanteile einer aktiv erregten Antenne und passiv, strahlungsfeldgekoppelter Antennen besser an eine gewünschte Abstrahlungscharakteristik angenähert werden. Somit lassen sich durch diesen Ansatz unerwünschte Integrationseffekte kompensieren. Hierdurch lassen sich insbesondere folgenden Vorteile erreichen:

– Bei Mehrantennensystemen kann durch gezielte Anordnung von Parasitären eine Orthogonalisierung der Einzelantennen-Richtdiagrammen und somit eine Reduktion der Korrelation zwischen den Einzelantennen erreicht werden, wodurch sich die Übertragungseigenschaften (Diversity-Effizienz oder Datendurchsatz) verbessern lassen.
– Für Antennensysteme insbesondere mit hohen Übertragungsfrequenzen von z. B. 5–6 GHz kann durch Einbringung einer parasitären Gruppenantenne eine gezielte Formung der Richtdiagramme erreicht werden, wodurch Integrationseffekte beseitigt werden können, die außerhalb des Integrationsvolumens liegen.

Das erfindungsgemäße Antennensystem kann an einem Karosserieteil des Fahrzeugs angebracht oder zumindest teilweise Bestandteil eines Karosserieteils sein. Es kann beispielsweise als Dachantennensystem zur Montage auf dem Dach der Karosserie des Fahrzeugs ausgebildet ist sein oder auch an einem Kotflügel, beispielsweise an einer Kunststoff-Abdeckung im Kotflügel-Umfang, oder entsprechend an einem Stoßfänger des Fahrzeugs ganz oder teilweise ausgebildet sein. Die mindestens eine Antenne des Antennensystems kann nach Montage auf dem Karosserieteil vollständig durch das Gehäuse und/oder durch das Karosserieteil umschlossen sein. Das Karosserieteil kann das Gehäuse bilden.
Das Antennensystem kann jeweils die Funktionen von mindestens einem der eingangs genannten drahtlosen, terrestrisch oder satellitengestützten Kommunikationsdienst wie z. B. terrestrischem Rundfunk, DAB, DVB-S/T, GSM, LTE, GNNS, GPS oder WLAN (IEEE 802.11x) unterstützen. Eine oder mehrere Antennen des Antennensystems können jeweils zum Senden und/oder Empfangen der entsprechenden Signale des jeweiligen Kommunikationsdienstes ausgebildet sein.
Die Homogenisierungswirkung und/oder die Kompensationswirkung des elektromagnetisch wirksamen Elements kann insbesondere durch eine geeignete, insbesondere durch die Koppeleffekte geprägte geometrische Form erzielt werden. Diese Wirkungen können insbesondere durch eine geeignete Materialstruktur erzielt werden. Das elektromagnetisch wirksame Element kann insbesondere Bestandteil einer Antenne sein.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungs-Verfahren eines erfindungsgemäßen Antennensystems angegeben. Das mindestens eine elektromagnetisch wirksame Element und/oder mindestens ein Antennen-Funktionselement wird dabei nach zumindest einem der folgenden, ansich dem Fachmann bekannten Fertigungsverfahren in einem Fertigungsschritt gemeinsam mit dem Gehäuse hergestellt und/oder mit dem Gehäuse verbunden:

– 3D Laser-Direktstrukturierung,
– Zweikomponenten-Spritzguss,
– Aerosol-Jet-Druck,
– Heißprägeverfahren
– Folien-Druckverfahren.

Durch ein erfindungsgemäßes Herstellungs-Verfahren ist es möglich, das Antennensystem in einer dreidimensionalen Struktur in vielfältigen Formen auszubilden. Beispielsweise kann das Gehäuse aus geeignetem Kunststoff in herkömmlicher Spritzguss-Technologie hergestellt werden. Anschließend kann das Gehäuse beispielsweise in einem 3D Laser-Direktstrukturierungs-Prozess mit einer elektrisch leitenden Struktur beaufschlagt werden, die die Antenne und/oder das elektromagnetisch wirksame Element umfasst. Dabei können weitere elektrische Komponenten, insbesondere Surface Mounted Devices (SMD) mit dem Gehäuse, dem elektromagnetisch wirksamen Element und/oder der Antenne verbunden werden. Das elektromagnetisch wirksame Element und/oder die Antenne kann auch eine flexible Einheit sein, beispielsweise als Molded Interconnect Device (MID) gefertigt sein, und als solche mit dem Gehäuse verbunden werden. Das elektromagnetisch wirksame Element und/oder die Antenne können dabei zumindest teilweise mit einem gekrümmten Bereich des Gehäuses, insbesondere flächig fest mit diesem verbunden werden. Der 3D Laser-Direktstrukturierungs-Prozess umfasst insbesondere die drei folgenden Prozessabschnitte:

– Funktionalisierung der Oberfläche mittels eines Lasers,
– Galvanisierung der Metalloberfläche, beispielsweise mit Kupfer,
– Weiterer Schichtaufbau, zum Beispiel mittels Nickel-Gold.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden in mindestens einem dem Fertigungsschritt vorgeschalteten Datenverarbeitungs-Schritt aus gegebenen Rahmendaten des Antennensystems und insbesondere aus Daten der mindestens einen Antenne und ggf. weiterer System-Komponenten, die auf die Antenne elektromagnetisch einwirken, insbesondere aus Rahmendaten ihres jeweiligen Materials, ihrer Form und/oder ihrer Position Steuerungs-Daten gewonnen, mit denen der mindestens eine Fertigungsschritt gesteuert wird.
Die Möglichkeit zur volumetrischen Funktionalisierung der Kunststoff-Teile mittels einem der beschriebenen Herstellverfahren ermöglicht eine Reduzierung unerwünschter Integrationseffekte in einem Antennensystem, auch wenn sie außerhalb des eigentlichen Integrationsvolumens hervorgerufen werden. Durch Vorsehen von metallo-dielektrisch periodisierte Oberflächen wie zum Beispiel elektromagnetischen Bandsperren, frequenzselektiven Oberflächen, Rillenwellen-Oberflächen etc. lassen sich die Wellenausbreitungseigenschaften der Antennen modifizieren, was zu einer Verbesserung der Abstrahlungseigenschaften ausgenutzt werden kann. Durch die Einbringung lokaler, geometrisch gezielt strukturierter und metallo-dielektrisch funktionalisierter Leitungsübergänge wie Koppelspalte, Parasitäre, Parallel-Induktivitäten etc., insbesondere in der Nähe des Antennenfußpunktes, kann gezielt auf das Impedanz- und Bandbreite-Verhalten der jeweiligen Antennen eingewirkt werden. Dadurch lassen sich beispielsweise folgende Vorteile und Wirkungen erreichen:

– Die Effizienz des Antennensystems für ein terrestrisches Funksystem kann durch Reduzierung der Diagrammanhebung infolge der endlichen Metallisierungsweite eines Fahrzeug-Daches optimiert werden.
– Bei Mehrantennensystemen kann durch gezielte Modifikation der metallo-dielektrischen Randbedingungen eine Reduktion der Korrelation der Einzelantennen erreicht werden, wodurch sich die Übertragungseigenschaften und insbesondere eine Diversity-Effizienz und/oder der Datendurchsatz verbessern lassen.
– Für Antennensysteme in hochfrequenten Bändern wie beispielsweise nach dem ETSI ITS G5 Standard im 5.9 GHz-Band, kann eine gezielte Formung der Richtdiagramme durch Modifikation der metallo-dielektrischen Eigenschaften des Integrationsvolumens zur Kompensation äußerer Integrationseinflüsse eingesetzt werden.

Eine dreidimensionale Funktionalisierung der Kunststoffoberfläche ist ebenfalls zum Beispiel über die Aerosol-Jet-Technologie zu erreichen. Hierbei kann auf konventionelle Kunststoff-Materialien zurück gegriffen werden, da es sich bei dem Herstellungsverfahren der Antenne um einen einfachen dreidimensionalen Druckprozess handelt in dem z. B. Silber-Tinte auf den 3D Kunststoff-Körper aufgebracht wird. Volumetrische Antennen lassen sich auch auf Folien zum Beispiel über ein Druckverfahren mit leitfähiger Tinte abbilden, die dann in bzw. an dem Integrationsvolumen positioniert bzw. befestigt werden (Folien-Druckverfahren).
Ein weiteres geeignetes Fertigungsverfahren für die einfache industrielle Umsetzung räumlicher Antennenstrukturen ist zum Beispiel die Zweikomponenten-Spritzgusstechnologie. Hier werden räumliche metallische und räumliche dielektrische Funktionsgruppen mit einem komplexen Spritzgusswerkzeug zusammengeführt. Die Basis bildet im ersten Schritt ein Grundkörper aus Kunststoff, in den im zweiten Schritt die metallischen Strukturen eingebracht werden.
Ein alternatives Verfahren zur Realisierung von räumlichen MID-Baugruppen ist das sogenannte Heißprägeverfahren. In diesem Verfahren wird der Kunststoff-Grundkörper z. B. in einem Spritzgussprozess realisiert. In einer Prägepresse wird eine spezielle Metallfolie mit einem Prägewerkzeug gleichzeitig gestanzt und unter Verwendung von Druck und Wärme mit dem Spritzgusswerkstück verbunden.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Ein elektrisches Layout einer Dachantennen-Anordnung,
2 Eine Grafik, die Einflüsse auf ein Dachantennensystem veranschaulicht,
3 Ein Gehäuse eines Antennensystems,
4 Ein Antennensystem mit einem dielektrisch wirksamen Element und
5 Ein Antennensystem mit parasitären metallischen Elementen.
In dem in 1 in einer Draufsicht dargestellten Dach-Antennensystem 1 für ein Kraftfahrzeug sind in einem Kunststoff-Gehäuse 2 mehrere Antennen untergebracht, nämlich eine erste GSM-Antenne 3, eine zweite GSM-Antenne 4, eine GPS-Antenne 5 und eine DAB-L-Antenne 6. Dieses Layout eines Dach-Antennensystems kann in herkömmlicher Weise mit vertikalen Leiterplatten-Strahlern z. B. für die GSM-Antennen 4, 5 und einer diskreten Keramik-Patchantenne für die GPS-Antenne realisiert sein. Herkömmlich würden Form und Material des Gehäuses 2, die Anordnungen der verschiedenen Antennen 3, 4, 5, 6 hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen auf die jeweiligen Übertragungseigenschaften der Antennen sowie Einflüsse von anderen Fahrzeugkomponenten auf die Übertragungseigenschaften nicht aufeinander abgestimmt sein.
In 2 sind verschiedene mögliche Einflüsse von Fahrzeugkomponenten auf die Antennen-Übertragungseigenschaften eines auf einem Kraftfahrzeug 7 Dach-Antennensystems gezeigt, das als Dachfinne 8 auf dem Fahrzeug montiert ist. Ein erster Einfluss geht von der endlichen Dachfläche 9 des Daches aus. Ein zweiter Einfluss geht von der Stärke der Neigung des Daches im Dachbereich 10 aus. Ein weiterer Einfluss geht von Dacheinbauten wie beispielsweise dem Schiebedach 11 aus. Einen wesentlichen Einfluss hat auch das Gehäuse der Dachfinne 8. ein weiterer Einfluss geht vom Fahrzeugtyp aus, beispielsweise ob das Fahrzeug eine Limousine oder ein Kombinationskraftwagen ist.
In 3 ist ein Gehäuse 12 eines Antennensystems schematisch dargestellt, bei dem im Inneren des Gehäuses 12 auf dessen Kunststoffoberfläche 13 eine Antenne 14 mittels eines 3D Laser-Direktstrukturierungsverfahrens integriert ist. Die Antenne 14 fügt sich dadurch in die dreidimensionale Hülle des Gehäuses 12 ein. Das Kunststoff-Gehäuse 12 wirkt dabei zweifach als Funktionselement, nämlich einerseits durch die Antennenstruktur und andererseits durch seine dielektrische Eigenschaft.
In 4 ist dargestellt, wie anhand der dielektrischen Eigenschaften eines Kunststoff-Gehäuses die Richteigenschaft einer darin enthaltenen Antenne optimiert werden kann. Zunächst wird davon ausgegangen, dass eine Antenne 15 innerhalb eines Gehäuses 16 untergebracht ist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass sich innerhalb des Gehäuses 16 auch ein Metallstab 17 befindet, der auf die Strahlungseigenschaften der Antenne 15 wirkt und diese insbesondere stört. Der Metallstab 17 kann auch eine zweite Antenne sein. Er kann sich auch außerhalb des Gehäuses 16 befinden und auf die Sende- und/oder Empfangseigenschaften der Antenne 15 wirken. Dies ist durch das rechts neben dem Gehäuse 16 angezeigte Richtdiagramm 18 veranschaulicht. Wie zu erkennen ist, sind in dem Zweiachsen-Koordinatensystem (x, y) für Strahlungswinkel φ im Bereich von Null bis 90 Grad und von 270 bis 360 Grad die Abstrahl-Leistungen C(ϑ, φ) recht klein. Am Punkt 18a tritt eine Nullstelle auf. Das Richtdiagramm 18 ist hinsichtlich der Strahlungswinkel φ insgesamt sehr inhomogen.
Deshalb werden in einem ersten Prozess 19 zur Optimierung der Richtstrahlcharakteristik (ORC 1) Form und Elektrizitätskonstante ε_r des Gehäuses 16 gezielt angepasst, wobei der Anpassungsprozess folgender Vorschrift entspricht: ar gmin{1 – C(ϑ, φ}|∊_r, r →_i(φ), r →_a(φ)}
Dabei bedeuten
ϑ, φ die jeweiligen Raumwinkel und
r →_i bzw. r →_a den inneren bzw. äußeren Radius der Gehäusewand 20 des so optimierten, gegenüber dem Gehäuse 16 deutlich verformten Gehäuses 21.
Durch diese Optimierung wird bei derselben Anordnung der Antenne 15 und des Metallstabs 17 das optimierte Richtdiagramm 22 erhalten, bei dem die Abstrahlcharakteristik hinsichtlich der Winkelabhängigkeit homogenisiert ist.
In 5 ist oben wiederum dieselbe Ausgangssituation mit dem Gehäuse 16, der Antenne 15, dem Metallstab 17 und dem daraus resultierenden Richtdiagramm 18 gezeigt. In einem zweiten Prozess zur Optimierung der Richtstrahlcharakteristik 23 (ORC 2) wird für die Gegebenheiten des Gehäuses 16, der Antenne 15 und des Metallstabs 17 eine Gruppenanordnung 24 parasitärer Metallstäbe 24a, 24b, 24c und 24d nach der folgenden Regel bestimmt:
wobei
N die Anzahl der parasitären Elemente,
ϑ, φ die jeweiligen Raumwinkel,
i eine laufende Nummer für die parasitären Metallstäbe und des störenden Metallstabs,
r →_i der jeweilige Ortsvektor zum (parasitären) Metallelement,
k → die Wellenzahl,
α_i die Amplitudenbelegung (abhängig vom Koppelfaktor mit dem aktiven Element),
ψ_i die Phasenbelegung (abhängig vom Koppelfaktor mit dem aktiven Element) und
j die imaginäre Zahl

bedeuten.
Dadurch bildet sich das optimierte Richtdiagramm 24 (C') für die Antenne 15 aus.
Ein Antennensystem insbesondere entsprechend der 4 kann beispielsweise hergestellt werden indem ein dreidimensionales Gehäuse in 1-Komponenten Spritzguss-Technologie aus einem Kunststoff, z. B. aus einem Thermoplast oder aus einem flüssigkristallinen Polymer, gespritzt wird. Das Gehäuse kann dann mittels Laseraktivierung eines 3D Laserstrukturierungsverfahrens strukturiert und mittels Steuerungsdaten gezielt mit leitenden Flächen beschichtet werden, so dass sich zumindest die Struktur eines elektromagnetisch wirksamen Elements ausgebildet wird und auch eine Antennenstruktur ausgebildet werden kann. Die Metallisierung kann auf Basis eines oder verschiedener Metalle und insbesondere mittels einer Kombination verschiedener Metalle bzw. Metallschichten erfolgen, beispielsweise mittels Kupfer, Nickel und/oder Gold. Anschließend kann das Gehäuse mit weiteren elektronischen Bausteinen, insbesondere mit SMD-Bausteinen bestückt werden. Das Antennensystem kann auch ganz oder teilweise mit einem der anderen, eingangs beschriebenen Verfahren gefertigt werden wie dem Zweikomponenten-Spritzguss-, dem Aerosol-Jet-Druck-, dem Heißpräge-Verfahren oder dem Foliendruck-Verfahren.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem am Fahrzeugdach montierten Antennensystem beschrieben wurde, ist klar, dass das Antennensystem auch an anderen Karosserieteilen des Fahrzeugs befestigt sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009041166 A1 [0003, 0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard IEEE 802.11x [0004]
IEEE 802.11x [0039]

Claims

Antennensystem für ein Fahrzeug (7), umfassend eine erste Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) und ein Gehäuse (2, 8, 12), das die erste Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) zumindest teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Element (13, 14, 20, 24) des Gehäuses, außerhalb des Gehäuses, am Gehäuse und/oder innerhalb des Gehäuses (2, 8, 12) derart elektromagnetisch wirksam ausgebildet ist, dass es die Richtcharakteristik der Abstrahlung der ersten Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) homogenisiert und/oder einen durch eine zweite, auf das Antennensystem einwirkenden Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) bewirkten Koppeleffekt beim Empfang elektromagnetischer Strahlung zumindest teilweise kompensiert.
Antennensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere, von dem Gehäuse (2, 8, 12) ganz oder teilweise umschlossene Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15), wobei das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) auch die Richtcharakteristik der Abstrahlung der weiteren Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) homogenisiert und/oder einen auf den Empfang der weiteren Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) einwirkenden Koppeleffekt zumindest teilweise kompensiert.
Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) die zweite Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) ist und dass durch das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) ein Koppeleffekt zwischen erster Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) und zweiter Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) beim Empfang elektromagnetischer Strahlung zumindest teilweise kompensiert wird.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine Vielzahl von Einzelantennen (3, 4, 5, 6, 14, 15) für denselben Funkstandard, die als Diversity- oder Multiple-Input Multiple-Output Antennenkonfiguration verwendet werden, wobei das Antennensystem einem volumetrischen Antennenentwurf entspricht und eine derart hohe Volumenausnutzung aufweist, dass Einzelelemente der Einzelantennen (3, 4, 5, 6, 14, 15) untereinander eine derart hohe Entkopplung zueinander aufweisen, dass ihre Funkübertragungseigenschaften optimiert sind.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zumindest einen elektromagnetisch wirksamen Elements (13, 14, 20, 24) eine periodische, elektromagnetisch wirksame Strukturierung in dem von dem Gehäuse (2, 8, 12) gebildeten und/oder umschlossenen Volumen erfolgt.
Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Strukturierung durch bereichsweise unterschiedliche Permittivität des elektromagnetisch wirksamen Elements (13, 14, 20, 24) gebildet wird.
Antennensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Strukturierung durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen erfolgt: – periodische Metallisierung von Kunststoff-Substratmaterialien, – Ausbildung als mindestens eine Feld-Drossel, – Vorsehen von geometrisch verteilten Induktivitäts- und/oder Kapazitätsbelägen.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Gehäuseoberfläche (13) und/oder im Gehäusevolumen (20) das mindestens eine elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) angebracht ist und/oder Antennen-Funktionselemente angebracht sind.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) ein Dielektrikum ist.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) ein zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildetes Element des Gehäuses (2, 8, 12) ist.
Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) das gesamte Gehäuse (2, 8, 12) umfasst.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) ein Bauteil ist, dessen Dicke zumindest teilweise moduliert ist.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) ein Körper ist, der zumindest teilweise einen Hohlraum ausbildet.
Antennensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer den Hohlraum umgebenden Wand des elektromagnetisch wirksamen Elements (13, 14, 20, 24) zumindest teilweise moduliert ist.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) zumindest die erste Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) zumindest teilweise umgibt.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) eine Linsenwirkung hinsichtlich vom Antennensystem (1) ausgesandter und/oder empfangener elektromagnetischer Strahlung aufweist.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) eine die Richtcharakteristik mitbestimmende, konturierte und insbesondere zumindest in zwei Achsen unsymmetrische Form aufweist.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetisch wirksame Elemente (13, 14, 20, 24) mehrere Metallelemente (24a, 24b, 24c, 24d) vorgesehen sind.
Antennensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Antennen (3, 4, 5, 6, 14, 15) aktiv erregbar ist und die Metallelemente (24a, 24b, 24c, 24d) derart im Nahfeld der aktiv erregbaren Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) angeordnet sind, dass sie sich mit der Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) durch Strahlungsfeldkopplung anregen lassen.
Antennensystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelemente (24a, 24b, 24c, 24d) ein Gruppenfeld (24) bilden und die Position der Metallelemente (24a, 24b, 24c, 24d) und/oder des Gruppenfelds (24) relativ zu den Antennen (3, 4, 5, 6, 14, 15) und die elektrische Länge und Orientierung der Metallelemente (24a, 24b, 24c, 24d) derart gewählt sind, dass die homogenisierte Richtcharakteristik bewirkt wird.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Dachantennensystem zur Montage auf dem Dach der Karosserie des Fahrzeugs (7) ausgebildet ist.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) einer Funktechnologie aus der folgenden Gruppe entspricht: – Mobilfunk, insbesondere für einen der Mobilfunkstandards GMS, UMTS, ETSI ITS G5 und/oder LTE, – Satellitenempfang, insbesondere für Satelliten-TV/Radioempfang oder für Navigationssignalempfang, – terrestrischer TV- und/oder Radioempfang, – drahtlose Netzwerk-Kommunikation, insbesondere für den WLAN-Standard IEEE 802.11x.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungswirkung und/oder die Kompensationswirkung des elektromagnetisch wirksamen Elements (13, 14, 20, 24) durch eine geeignete, insbesondere durch die Koppeleffekte geprägte geometrische Form erzielt wird.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungswirkung und/oder die Kompensationswirkung des elektromagnetisch wirksamen Elements (13, 14, 20, 24) durch eine geeignete Materialstruktur erzielt wird.
Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) Bestandteil einer Antenne (3, 4, 5, 6, 14, 15) ist.
Fahrzeug umfassend ein Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Antennensystems für ein Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektromagnetisch wirksame Element (13, 14, 20, 24) und/oder mindestens ein Antennen-Funktionselement nach zumindest einem der folgenden Fertigungsverfahren gemeinsam mit dem Gehäuse (2, 8, 12) in mindestens einem Fertigungsschritt hergestellt und/oder mit dem Gehäuse (2, 8, 12) verbunden wird: – 3D Laser-Direktstrukturierung, – Zweikomponenten-Spritzguss, – Aerosol-Jet-Druck, – Heißpräge-Verfahren, – Folien-Druckverfahren.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei in mindestens einem dem Fertigungsschritt vorgeschalteten Datenverarbeitungs-Schritt aus gegebenen Rahmendaten der zwei Antennen (3, 4, 5, 6, 14, 15), insbesondere aus Rahmendaten ihres Materials, ihrer Form und/oder ihrer Position Steuerungs-Daten gewonnen werden, mit denen der mindestens eine Fertigungsschritt gesteuert wird.