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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung mit einer Antenneneinheit und einer Verbindereinheit zum elektrischen Verbinden der Antenneneinheit mit einer zugehörigen Gegenverbindereinheit.
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Derartige Antennen sind vor allem im Automobilbereich weit verbreitet und dienen der Übertragung der verschiedensten Signale. Insbesondere für Multimediaanwendungen mit hohen Datenraten werden heutzutage häufig Monopolantennen verwendet. Eine derartige Monopolantenne besteht in ihrer einfachsten Form aus einem geraden zylindrischen Leiter, der an einem Fußpunkt gegen Erde erregt wird. Die elektrischen Eigenschaften solcher Antennen hängen von der Geometrie sowohl des Monopolelements wie auch der Massefläche ab. Die Länge des Monopols ist etwa ein Viertel der Wellenlänge, die übertragen werden soll.
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Allgemein werden zum Beispiel für eine Kommunikation zwischen Fahrzeugen spezielle Antennenelemente verwendet, die eine Drahtloskommunikation zwischen solchen Fahrzeugen ermöglichen, die mit sogenannten Onboardeinheiten ausgestattet sind. Eine derartige Onboardeinheit kann beispielsweise Information bezüglich aktueller Verkehrssituationen (z. B. Staus, vereiste Straßen oder Bauarbeiten) ebenso wie fahrzeugspezifische Parameter (wie die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung, die Beschleunigung, die Außentemperatur oder den Betriebszustand der Scheibenwischer) erfassen. Diese Information kann dann über eine Sendeeinrichtung an andere Fahrzeuge in der gleichen geografischen Region übertragen werden, sofern diese mit entsprechenden Onboardeinheiten ausgestattet sind. Eine Empfängereinheit einer solchen Onboardeinheit kann danach die Information von mehr als einem Fahrzeug auswerten, um die Verkehrssicherheit und die Effizienz eines jeden Fahrzeugs zu erhöhen. Daher sind Antennen, wie sie für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen eingesetzt werden, besonderen Anforderungen unterworfen.
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Zum einen muss das Abstrahlungsmuster genau definierte Eigenschaften besitzen, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Antennenelement eine ungerichtete Abstrahlung besitzt. Dabei bedeutet ungerichtet, dass das Antennenelement eine Rundstrahlcharakteristik in der horizontalen Ebene hat, d. h., dass es gleichmäßige Leistung in alle Richtungen senkrecht zur Erstreckungslinie des Antennenelements abstrahlt.
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Auf der anderen Seite werden an eine Fahrzeugantenne strenge Anforderungen bezüglich der Dimensionen und der Form des Antennenelements gestellt, und insbesondere muss die Baugröße möglichst gering sein. Insbesondere ist es meist erforderlich, dass das Antennenelement in bestehende Autodachantennengehäuse eingepasst werden kann.
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Weiterhin besteht bei derartigen Antennenanordnungen meist das Bedürfnis, diese über eine Verbinderanordnung mit einem bereits vorhandenen Gegenverbinder, insbesondere einen koaxialen Steckverbinder, zu verbinden.
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Es besteht daher das Bedürfnis, eine Antennenanordnung anzugeben, die über eine Verbinderanordnung kontaktierbar ist, möglichst einfach herstellbar ist und darüber hinaus möglichst weitgehend miniaturisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, eine Verbindereinheit, die mit der Antenneneinheit fest verbunden ist, so auszugestalten, dass Teile der Antenneneinheit von dem elektrisch isolierenden Verbindergehäuse getragen werden. Dadurch verkürzt sich die Baulänge der gesamten Antenneneinheit entsprechend.
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Insbesondere weist die Antenneneinheit einen Leiterstab und ein Sperrtopfelement auf, und die Verbindereinheit hat einen Koaxialsteckverbinder mit einem Innenleiter, einem Außenleiter und einem elektrisch isolierenden Gehäuse.
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Erfindungsgemäß ist der Leiterstab mit dem Innenleiter des Koaxialsteckverbinders verbunden und das Sperrtopfelement ist durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung des elektrisch isolierenden Gehäuses gebildet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besitzt die Antennenanordnung weiterhin eine Dachkapazität, die mit dem Leiterstab an einen der Verbindereinheit abgewandten Ende leitend verbunden ist. Diese Dachkapazität ist flächenhaft und im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Wie dies allgemein bekannt ist, kann eine solche Dachkapazität dazu verwendet werden, die elektrisch wirksame Länge der Antenneneinheit zu beeinflussen. Die Dachkapazität kann dabei als rotationssymmetrische Scheibe, aber auch als eine Anordnung aus einer Vielzahl von Ringen um eine derartige Scheibe gemäß der
EP 1445828 A2 -
ausgestaltet sein. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Dachkapazität lässt sich beispielsweise eine Betreibbarkeit mit verschiedenen Frequenzen erreichen.
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Auf besonders einfache Art und Weise kann die Dachkapazität realisiert werden, wenn sie als elektrisch leitfähige Beschichtung auf einer den Leiterstab wenigstens teilweise umgebenden elektrisch isolierenden Schutzumhüllung aufgebracht ist. Da die Schutzumhüllung die mechanische Stabilität sicherstellt, können beliebige Strukturen für die Dachkapazität gewählt werden.
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Eine besonders effiziente Art und Weise sowohl die Gehäusestruktur mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung als auch die Dachkapazität auf der elektrisch isolierenden Schutzumhüllung herzustellen, ist die Fabrikation als Molded Interconnect Device (MID).
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Ein Molded Interconnect Device ist üblicherweise ein vorzugsweise spritzgegossenes Kunststoffteil, das sowohl elektrische wie auch mechanische Funktionalitäten in einem einzelnen Bauteil vereint. Die Herstellung von MIDs ist ein relativ neues Gebiet mit einem äußerst großen Potential für industrielle Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie. Beispielsweise können mit Hilfe von Ein- oder Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren und anschließender selektiver Metallisierung beinahe beliebige Strukturen hergestellt werden. MID-Techniken bieten insbesondere den Vorteil einer weitgehenden Miniaturisierung und deutlichen Reduktion von Produktionskosten im Vergleich zu vielen existierenden Verfahren. Darüber hinaus bietet die MID-Technologie auch die Möglichkeit vollkommen neuartige Produktdesigns zu realisieren. Für die Herstellung von MIDs gibt es eine Vielzahl von Prozessfolgen und die Technologie ist immer noch in rasanter Entwicklung begriffen.
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Eine Möglichkeit, ein MID herzustellen, besteht darin, ein thermoplastisches gegossenes Teil, das Metallpartikel enthält, mit Laserstrahlung zu bearbeiten und anschließend eine stromlose Metallabscheidung vorzunehmen. Diesen Prozess nennt man üblicherweise Laser Direct Structuring (LDS). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das gesamte Kunststoffsubstrat mit Hilfe von physikalischer Dampfabscheidung (PVD) mit Metall zu beschichten und anschließend das Metall mit Hilfe einer Laserbearbeitung dort zu entfernen, wo es nicht benötigt wird. Weiterhin können metallische Strukturen auch direkt unter Wärmeeinwirkungen auf die dreidimensionale Oberfläche eines spritzgegossenen Plastikteils aufgepresst werden. Bei sogenannten zweidimensionalen Spritzgussverfahren werden beschichtbare und nicht beschichtbare Polymere in einem Spritzgussverfahren kombiniert und die Metallisierung haftet nur auf dem beschichtbaren Polymer.
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Weiterhin kann auch ein laserempfindliches Polymer mit einem nichtbeschichtbaren Polymer kombiniert werden, und anschließend wird das lasersensitive Polymer vor der Metallisierung strukturiert. Auf diese Weise kann z. B. teures LDS-Material eingespart werden, wenn nur geringe Teile des gesamten MID mit Metall versehen werden sollen. Schließlich können die gewünschten metallischen Strukturen auch als vorgefertigte Teile in die Spritzgussform eingelegt und während des Spritzgussvorgangs in das Kunststoffteil eingebettet werden. Insbesondere können auch flexible Polymerfolien mit gedruckten Metallisierungen als sogenannten Inserts umspritzt werden.
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Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft in Zusammenhang mit WiFi-Anwendungen eingesetzt werden und es ist hier beispielsweise vorteilhaft, die Antennenanordnung zum Empfang von Frequenzen von 2,4 GHz zu dimensionieren.
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Selbstverständlich können aber alle anderen erforderlichen Frequenzen und auch mehrere Frequenzen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung übertragen werden.
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Auf dem Gebiet der Hochfrequenzverbinderanordnungen, insbesondere bei Koaxialkabelverbindern, werden zum Standardisieren der verschiedenen Verbinderanordnungstypen, insbesondere der Schnittstellen für solche Verbinderanorndungen, diverse Industrienormen verwendet. Eine dieser Normen ist unter der Bezeichnung FAKRA (Fachkreis Automobil) bekannt. Bei FAKRA handelt es sich um den Fachkreis Automobil des deutschen Instituts für Normung, der internationale Standardisierungsinteressen im Automobilsektor vertritt. Der FAKRA-Standard schafft ein auf mechanische Codierung und Farbcodierung basierendes System für die korrekte Anbringung von Verbindern. Bei FAKRA-Verbindern können gleiche Buchsenerhebungen nur mit gleichen Steckeraussparungen verbunden werden. Eine sichere Positionierung von Verriegelung von Verbindergehäusen wird durch eine Arretierung gemäß FAKRA-Norm an dem Buchsengehäuse und eine damit zusammenwirkende Verriegelung an dem Steckergehäuse erleichtert.
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Ein Beispiel für einen Steckverbinder, der in einer Antennenanordnung gemäß der vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, ist in der
DE 10 2012 201565 A1 , insbesondere mit Bezug auf die
1 und
3 sowie
5 im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung basiert dabei auf der Idee, ein solches bekanntes Gehäuse, und zwar insbesondere die Steckeranordnung, mit Hilfe einer geeigneten Metallisierungstechnologie so anzupassen, dass Elemente der Antenneneinheit auf dem Verbindergehäuse realisiert sind. Wie bereits erwähnt, kann dies insbesondere mit Hilfe einer MID-Technologie während des Spritzgussprozesses realisiert werden.
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Schaltungstechnisch gesehen kann die auf dem Steckverbindergehäuse aufgebrachte Metallisierung zum einen als Bezugsmasse fungieren, zum anderen können damit auch Balunfunktionen realisiert werden.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei können einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Es zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung;
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2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung;
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3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung sowie ein zugehöriges elektrisches Ersatzschaltbild.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgenden mit Bezug auf die Figuren im Detail erläutert. 1 zeigt in Form einer Explosionsdarstellung eine Antennenanordnung 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Antennenanordnung
100 umfasst eine Antenneneinheit mit einem Leiterstab
102 und einem Sperrtopfelement
104. Der Leiterstab
102 ist ein vorzugsweise zylindrisches Metallteil und ist beispielsweise über eine Crimpverbindung mit dem Innenleiter
106 des FAKRA-Koaxialsteckverbinders verbunden. Der Koaxialsteckverbinder hat, wie dies aus
DE 10 2012 201565 A1 hervorgeht, ein den Innenleiter
106 umgebendes Dielektrikum
108 und einen Außenleiter
110, der über das Dielektrikum
108 von dem Innenleiter
106 elektrisch isoliert ist.
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Erfindungsgemäß besitzt die Verbindereinheit ein elektrisch isolierendes Gehäuse 112, das wenigstens teilweise von einer Außenmetallisierung, die als Sperrtopfelement 104 wirkt, umgeben ist. In der Darstellung der 1 ist die Metallbeschichtung mit einer Schraffur angedeutet. Um den Herstellungsprozess zu vereinfachen, ist beispielsweise im Bereich der Verriegelungseinrichtung 114 sowie der Verriegelung 116 keine Metallbeschichtung vorgesehen. Selbstverständlich können diese Bereiche aber auch metallisiert werden, wenn dies erforderlich sein sollte.
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In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der Verbindereinheit um einen Koaxialsteckverbinder mit Steckerstift, während der nicht gezeigte Gegensteckverbinder das entsprechende Buchsenelement darstellt. Es ist jedoch für einen Fachmann klar, dass der Leiterstab 102 auch mit einem Buchsenelement verbunden werden könnte. Weiterhin wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nur von einer lösbaren Steckverbindung ausgegangen. Alternativ können aber auch andere Verbindergehäuse mit der erfindungsgemäßen Metallisierung versehen werden, beispielsweise in Kombination mit Pressfit- oder Lötverbindungen.
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Zum Sicherstellen einer ausreichenden mechanischen Stabilität besitzt die Antennenanordnung weiterhin eine vorzugsweise elektrisch isolierende Schutzumhüllung 118. Diese kann beispielsweise als Spritzgussteil aus Kunststoff hergestellt sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Antennenanordnung 100 ist auf der elektrisch isolierenden Schutzumhüllung 118 eine metallische Struktur aufgebracht, die als Dachkapazität 120 wirkt.
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Durch die zusätzliche Verwendung einer Dachkapazität 120 eröffnet sich die Möglichkeit, die Antenne elektrisch zu verlängern. Dabei ist grundsätzlich bekannt, dass die Resonanzfrequenz eines Monopols indirekt proportional zu seiner Länge ist. Eine elektrische Verlängerung der Antenne bedeutet, dass die Länge der Antenne kürzer ist als es die gewünschte Resonanzfrequenz erfordern würde. Durch spezielle Anordnung wird dann dafür gesorgt, dass die Antenne trotzdem bei der gewünschten Frequenz in Resonanz ist. Dies wird unter einer "elektrischen Verlängerung" an einer Antenne verstanden.
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Die Dachkapazität 120 kann beispielsweise durch ein MID-Verfahren auf der Schutzumhüllung 118 hergestellt werden und mittels einer Lötverbindung mit dem Leiterstab 102 elektrisch leitend verbunden werden. In 1 ist die Dachkapazität 120 als kreisrunde durchgehende leitfähige Scheibe ausgeführt. Es ist für einen Fachmann aber klar, dass die Vorteile des MID-Verfahrens gerade darin beruhen, dass beliebige metallische Strukturen auch auf einem komplizierter gestalteten dreidimensionalen Schutzumhüllungskörper realisiert werden können.
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Wie bereits erwähnt, können das Sperrtopfelement 104 wie auch die Dachkapazität 120 gemäß aller bekannter MID-Metallisierungstechnologien an dem jeweils zugehörigen Kunststoffteil, also dem Gehäuse 112 und der Schutzumhüllung 118, realisiert werden.
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2 zeigt die vollständig montierte Antennenanordnung 100 in einer gedrehten Ansicht. Durch die Einbeziehung des Verbinders in die Konstruktion der Antenneneinheit kann eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden. Beispielsweise hat die Anordnung aus 2 eine Gesamtlänge von nur wenig mehr als 5 cm.
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3 zeigt in schematischer Form ein elektrisches Ersatzschaltbild der Antennenanordnung 100. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 122 der 50 Ω-Einspeisepunkt gekennzeichnet. Zu beachten ist, dass das Sperrtopfelement 104 (das im Englischen aus als "sleeve" bezeichnet wird) nicht elektrisch leitend mit der Antenne verbunden ist, sondern nur kapazitiv sowohl mit dem Außenleiter 110 wie auch mit der Dachkapazität 120 gekoppelt ist. Wesentliche Parameter des Antennenkreises sind somit neben dem Ohmschen Widerstand der Antenne und der Induktivität LAntenna, die Kapazität der Dachkapazität CRoof und die Kapazität des Sperrtopfelements CSleeve.
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Ri und Ui bezeichnen die Speisespannung und den Innenwiderstand der angeschlossenen Signalquelle.
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Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, eine Antenne mit verringerter Größe herzustellen, die keine Verschlechterung des Gewinns oder der Leistung bewirkt, aber dennoch einfach und kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kunststoffverbindergehäuse mit einer entsprechenden Metallisierung beispielsweise mittels eines MID-Prozesses, versehen. Diese Metallstruktur ist Teil der Antennenstruktur und nimmt keinen zusätzlichen Raum mehr ein.
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In der gezeigten Ausführungsform sind sowohl die Dachkapazität für den Monopol, wie auch die erforderliche Massereferenz mit Hilfe eines MID-Verfahrens hergestellt. Insbesondere kann die Gesamtlänge um ca. 20 % im Vergleich zu einer getrennten Ausführung von Referenzmasse und Steckverbinder reduziert werden. Insbesondere in den vorgegebenen Antennenbauräumen ist daher die Unterbringung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung leichter möglich. BEZUGSZEICHEN
| 100 | Antennenanordnung |
| 102 | Leiterstab |
| 104 | Sperrtopfelement |
| 106 | Innenleiter |
| 108 | Dielektrikum |
| 110 | Außenleiter |
| 112 | elektrisch isolierendes Gehäuse |
| 114 | Verriegelungsvorrichtung |
| 116 | Verriegelung |
| 118 | elektrisch isolierende Schutzumhüllung |
| 120 | Dachkapazität |
| 122 | 50 Ω-Einspeisepunkt |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1445828 A2 [0011]
- DE 102012201565 A1 [0021, 0029]
