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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Prioritätsdatums der am 6. Mai 2016 eingereichten provisorischen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/332,692 unter dem Titel „Traveling Wave LTE Antenna for Dual Band and Beam Control“.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine flexible Dünnschichtantenne, die auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet ist, und insbesondere eine flexible Dünnschicht-Leckwellenantenne mit koplanarem Wellenleiter (CPW), die transparente Leiter umfassen kann, um ein Ankleben der Antenne an einen sichtbaren Teil von Fahrzeugglas zu ermöglichen.
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Erörterung der verwandten Technik
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Moderne Fahrzeuge setzen verschiedene und viele Arten von Antennen ein, um Signale für verschiedene Kommunikationssysteme, wie beispielsweise terrestrischen Funk (AM/FM), Mobiltelefon, Satellitenfunk, dedizierte Nahbereichskommunikationen (DSRC), GPS usw., zu empfangen und zu senden. Die für diese Systeme verwendeten Antennen sind häufig auf einem Dach des Fahrzeugs montiert, um maximale Empfangsfähigkeit bereitzustellen. Ferner sind viele dieser Antennen oft in eine gemeinsame Struktur und ein Gehäuse integriert, die auf dem Dach des Fahrzeugs montiert sind, wie beispielsweise ein auf dem Dach montiertes „Haifischflossen“-Antennenmodul. Mit zunehmender Anzahl von Antennen auf einem Fahrzeug nimmt auch die Größe der Strukturen zu, die erforderlich sind, um alle Antennen auf effiziente Weise und unter Bereitstellung maximaler Empfangsfähigkeit unterzubringen, was das Design und Styling des Fahrzeugs stört. Aus diesem Grund suchen Kraftfahrzeugingenieure und -konstrukteure nach anderen geeigneten Bereichen auf dem Fahrzeug zum Anordnen von Antennen, welche die Konstruktion und Struktur des Fahrzeugs nicht beeinträchtigen.
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Einer dieser Bereiche ist das Fahrzeugglas, wie beispielsweise die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, was Vorteile hat, da Glas typischerweise ein gutes dielektrisches Substrat für eine Antenne abgibt. Auf dem Fachgebiet ist zum Beispiel bekannt, AM- und FM-Antennen auf das Glas eines Fahrzeugs zu drucken, wobei die gedruckten Antennen innerhalb des Glases als ein einzelnes Stück gefertigt werden. Diese bekannten Systeme weisen jedoch im Allgemeinen insofern Beschränkungen auf, als sie nur in einer Windschutzscheibe oder anderen Glasflächen in Bereichen des Fahrzeugs angeordnet werden können, in welchen es nicht notwendig ist, durch das Glas durchzusehen.
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Mobilfunksysteme expandieren gegenwärtig zum Mobilfunkstandard Long Term Evolution (LTE) der vierten Generation (4G), der mehrere Antennen zum Bereitstellen von Mehrfacheingangs-Mehrfachausgangs (MIMO)-Betrieb erfordert, der größeren Datendurchsatz und größere Bandbreite als die früheren Mobilfunkkommunikationstechnologien, wie beispielsweise 2G und 3G, bereitstellt. Die LTE-4G-Mobilfunktechnologie setzt MIMO-Antennen am Sender und am Empfänger ein, die eine Erhöhung der Anzahl von Signalwegen zwischen dem Sender und dem Empfänger, einschließlich Mehrwegereflexionen von verschiedenen Objekten zwischen dem Sender und dem Empfänger, bereitstellen, was einen größeren Datendurchsatz ermöglicht. Solange der Empfänger die Daten entkoppeln kann, die bei unkorrelierten Signalen auf jedem Weg an den MIMO-Antennen, empfangen werden, können diese Wege durch den Empfänger zum Dechiffrieren von Daten verwendet werden, die bei der gleichen Frequenz und zur gleichen Zeit gesendet werden. Demnach können mehr Daten in die gleiche Frequenz komprimiert werden, wodurch eine höhere Bandbreite bereitgestellt wird.
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Kraftfahrzeughersteller sind bestrebt, die 4G-Mobilfunktechnologie in Fahrzeugen bereitzustellen, was etliche Konstruktionsprobleme aufwirft, insbesondere dann, wenn die MIMO-Antennen als Teil einer auf dem Fahrzeugdach montierten gemeinsamen Antennenstruktur integriert werden. Zum Beispiel müsste durch das Unterbringen der mindestens zwei Antennen umfassenden MIMO-Antennen im herkömmlichen Telematik-Antennenmodul, das auf dem Dach des Fahrzeugs montiert ist, aufgrund des zusätzlichen Platzbedarfs, der für die MIMO-Antennen erforderlich ist, die eine niedrige Korrelation der Empfangssignale an den Antennen benötigen, das gesamte Antennenvolumen des Moduls vergrößert werden. Mit anderen Worten muss der Abstand zwischen den Antennen in Abhängigkeit des eingesetzten Frequenzbandes ein gewisser Mindestabstand sein, da die durch die MIMO-Antennen empfangenen Signale signifikant unkorreliert sein müssen. Diese Dekorrelation zwischen den Antennenanschlüssen ist in verschiedenen Konstruktionen oft schwer zu erreichen, wenn sich die Antennenelemente an der gleichen allgemeinen Stelle befinden, da die am Anschluss empfangenen Signale sehr ähnlich wären. Dieses Problem kann dadurch behoben werden, dass die Antennen weiter auseinander bewegt werden, die Antennen beispielsweise auf dem Fahrzeugglas angeordnet werden.
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Für jene Antennen, die an die Windschutzscheibe oder Heckscheibe des Fahrzeugs geklebt werden, bewirkt die Krümmung des Fensters, dass das Strahlungsmuster der Antenne stärker nach oben als parallel zum Boden gerichtet ist. Da das Strahlungsmuster derart nach oben gerichtet ist, wird die Sende- und Empfangsrichtung der Antenne oft nicht spezifisch zum gewünschten Empfänger oder Sender gerichtet, so dass Signalverlust stattfinden kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung offenbart und beschreibt eine flexible CPW-Dünnschicht-Leckwellenantenne, die auf einem dielektrischen Substrat an einem Fahrzeug, wie beispielsweise Fahrzeugglas, montiert werden kann, wobei die Antenne Anwendung auf ein MIMO-LTE-Mobilfunksystem findet, und wobei der leitende Abschnitt der Antenne transparente Leiter einsetzen kann. Die Antenne umfasst eine Masseplatte mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Masseleitungen, die einen Spalt dazwischen definieren, und ein Antennenstrahlerelement, das sich zwischen den Masseleitungen im Spalt erstreckt. Das Antennenstrahlerelement umfasst eine Mehrzahl von Leckwellen-Abstimmstichleitungen, die das Antennenstrahlerelement in vorbestimmten Abständen kreuzen und die so wirken, dass sie das Strahlungsmuster der Antenne so ändern, dass es paralleler zum Boden ist.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine weggebrochene Vorderansicht eines Fahrzeugs, die eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs mit einer darauf ausgebildeten Dünnschichtantennenstruktur darstellt;
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2 ist eine Profilansicht eines Fahrzeugfensters, das eine flexible Dünnschichtantenne umfasst, die darauf ausgebildet ist;
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3 ist eine Draufsicht der in 1 dargestellten Antennenstruktur;
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4 ist eine Draufsicht einer Antennenspeisestruktur, die eine Koaxialkabel-Speiseleitung für die in 3 dargestellte Antennenstruktur umfasst; und
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5 ist eine Draufsicht einer Antennenstruktur, die der in 3 dargestellten Antennenstruktur ähnelt, aber für ein anderes Frequenzband ausgelegt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die eine flexible CPW-Dünnschicht-Leckwellenantennenstruktur betrifft, die zum Ankleben an eine gekrümmte dielektrische Struktur geeignet ist, ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten in keiner Weise einschränken. Zum Beispiel ist in der Erörterung hierin davon die Rede, dass die Antenne angewendet werden kann, um an Kraftfahrzeugglas geklebt zu werden. Für Fachleute ist jedoch zu erkennen, dass die Antenne auch auf andere dielektrischen Strukturen als auf Kraftfahrzeugstrukturen und auf andere als auf transparente oder durchscheinende Flächen Anwendung findet.
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Wie bereits erwähnt, ist es oft wünschenswert, Antennen auf Fahrzeugen bereitzustellen, die transparent sind und konform in die gekrümmte Windschutzscheibe oder anderes Fahrzeugglas integriert werden können. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Antennenstruktur vor, die insbesondere Anwendung auf MIMO-LTE-Mobilfunksysteme findet, die zum Beispiel im Frequenzband von 0,46 bis 3,8 GHz arbeiten, wenn sie am Fahrzeugglas montiert oder darin integriert ist. Die Antennenstruktur kann zu einem transparenten Leiter und einer koplanaren Struktur geformt und gemustert sein, wobei sowohl die Antenne als auch die Masseleiter auf die gleiche Schicht gedruckt sind. Die Antennenstruktur kann so ausgelegt sein, dass sie auf Fahrzeugglas verschiedener physischer Dicken und dielektrischer Eigenschaften funktioniert, wobei die Antennenstruktur wie beabsichtigt funktioniert, wenn sie auf dem Glas oder einem anderen Dielektrikum installiert ist, da das Glas oder das andere Dielektrikum im Konstruktionsprozess bei der Entwicklung des Antennengeometriemusters berücksichtigt wird.
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1 ist eine weggebrochene Vorderansicht eines Fahrzeugs 10, das eine Fahrzeugkarosserie 12, ein Dach 14 und eine Windschutzscheibe 16 umfasst. Eine Wanderwellen-CPW-Leckwellenantennenstruktur 40, die auf einem Dünnschichtsubtrat 18 ausgebildet ist, ist an die Windschutzscheibe 16 geklebt, wie im Folgenden genauer erörtert wird, wobei die Antennenstruktur 40 eine von zwei Antennen auf dem Fahrzeugglas für MIMO-LTE-Anwendungen sein kann.
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2 ist eine Profilansicht einer Antennenstruktur 20, die eine Windschutzscheibe 22 mit einer äußeren Glasschicht 24, einer inneren Glasschicht 26 und einer Polyvinylbutyral(PVB)-Schicht 28 dazwischen umfasst. Die Struktur 20 umfasst eine Antenne 30, wie beispielsweise die Antennenstruktur 40, die auf einem flexiblen Dünnschichtsubstrat 32, wie beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET), biaxial orientiertem Polyethylenterephthalat (BoPET), flexiblen Glassubstraten, Mylar, Kapton usw., ausgebildet und durch eine Klebeschicht 34 an eine Oberfläche der Schicht 26 geklebt ist. Die Klebeschicht 34 kann jedes geeignete Klebe- oder Transferband sein, das es auf wirksame Weise ermöglicht, das Substrat 32 an der Glasschicht 26 zu befestigen, und ferner kann das Klebe- oder Transferband, falls sich die Antenne 30 in einem sichtbaren Bereich der Glasschicht 26 befindet, transparent oder beinahe transparent sein, um minimale Auswirkungen auf das Erscheinungsbild und dadurch auf die Lichtdurchlässigkeit aufzuweisen. Die Antenne 30 kann durch eine HF-verlustarme Passivierungsschicht 36, wie beispielsweise Parylen, geschützt sein. Ein Antennensteckverbinder 38 ist mit der Antenne 30 verbunden dargestellt und kann jeder geeignete HF- oder Mikrowellen-Steckverbinder, wie beispielsweise eine direkte Pigtail- oder Koaxialkabelverbindung, sein. Obwohl die Antenne 30 so dargestellt ist, dass sie an eine Innenfläche der inneren Glasschicht 26 gekoppelt ist, kann der Leiter 30 an die Außenfläche der äußeren Glasschicht 24 oder die Oberfläche der Schichten 24 oder 26 benachbart zur PVB-Schicht 28 oder den Oberflächen der PVB-Schicht 28 geklebt sein.
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Die Antenne 30 kann durch jeden geeigneten verlustarmen Leiter, wie beispielsweise Kupfer, Gold, Silber, Silberkeramik, Metallgitter/-netz usw., ausgebildet sein. Wenn die Antenne 30 an einer Stelle auf dem Fahrzeugglas ist, die erfordert, dass der Fahrer oder ein anderer Fahrzeuginsasse durch das Glas durchsieht, dann kann der Antennenleiter jeder geeignete transparente Leiter, wie beispielsweise Indium-Zinnoxid (ITO), Silber-Nanodraht, Zinkoxid (ZnO) usw., sein. Wenn die Antenne 30 aus einem transparenten Leiter hegestellt ist, könnte ihre Leistung durch Hinzufügen eines leitenden Rahmens entlang der Kanten der Antenne 30 verbessert werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist.
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Die Dicke des Kraftfahrzeugglases kann ungefähr zwischen 2,8 mm bis 5 mm variieren und eine relative Dielektrizitätskonstante εr im Bereich von 4,5 bis 7,0 aufweisen. Die Antenne 30 umfasst einen Einschichtleiter und eine Speisestruktur eines CPW (koplanaren Wellenleiters) zum Erregen des Antennenstrahlers. Die CPW-Speisestruktur kann zum Montieren des Steckverbinders 38 in einer Weise ausgelegt sein, die für die CPW-Speiseleitung oder für ein Pigtail oder ein Koaxialkabel geeignet ist. Wenn die Verbindung des Steckverbinders 38 oder des Pigtails mit der CPW-Leitung hergestellt ist, kann die Antenne 30 mit der Passivierungsschicht 36 geschützt werden. Wenn die Antenne 30 auf dem Glas installiert ist, kann in einer Ausführung eine Trägerschicht des Transferbandes entfernt werden. Durch Bereitstellen des Antennenleiters auf der Innenfläche der Windschutzscheibe 22 des Fahrzeugs kann eine Verschlechterung der Antenne 30 durch Umwelt- und Wetterbedingungen verringert werden.
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3 ist eine Draufsicht der CPW-Antennenstruktur 40, die in 1 dargestellt ist, wobei die Antennenstruktur 40 eine längliche Masseplatte 42 mit einem Basisabschnitt 44, die einen darin ausgebildeten Schlitz 46 aufweist, und zwei gegenüberliegenden Masseleitungen 48 und 50 umfasst, die einen Spalt 52 dazwischen definieren, wobei der Spalt 52 an einem Ende 62 gegenüber dem Basisabschnitt 44 offen ist. Ein Antennenstrahlerelement 54 erstreckt sich durch den und entlang des Spalts 52 zum Ende 62 und umfasst eine Speiseleitungsabschnitt 56, der innerhalb des Schlitzes 46 positioniert ist und Teil einer CPW-Speisestruktur 58 ist, wie dargestellt. Eine Reihe von kreuzenden Sammelschienen 60, hier zehn, ist entlang des Strahlerelements 54 in vorbestimmten Abständen innerhalb des Spalts 42 vorgesehen, wie dargestellt. Das Signal, das durch das Strahlerelement 54 empfangen wird, erzeugt eine Signalwelle, die sich das Strahlerelement 54 hinab fortpflanzt und Kreisströme in den kreuzenden Sammelschienen 60 erzeugt, die bewirken, dass Energie abgestrahlt wird, wodurch der Leckwelleneffekt bereitgestellt wird, der bewirkt, dass eine bestimmte Menge von Strahlung von der Antennenstruktur 40 gerichtet wird. Während sich die Welle das Strahlerelement 54 hinab fortpflanzt und auf die kreuzenden Sammelschienen 60 stößt, ändern die spezifische Phase und Amplitude der Welle an der jeweiligen Busschiene 60 die Richtcharakteristik des Strahlungsmusters. In einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen benachbarten der Sammelschienen 60 wesentlich kleiner als die Freiraumwellenlänge der Mitte des Frequenzbandes von Interesse.
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Durch Optimieren der Länge der kreuzenden Sammelschienen 60 und des Abstands zwischen den kreuzenden Sammelschienen 60 für das jeweilige Frequenzband von Interesse kann die Richtcharakteristik der Antennenstruktur 40 so geändert werden, dass das Strahlungsmuster der Antenne, auch wenn die Antennenstruktur 40 auf gekrümmtem Fahrzeugglas, wie der Windschutzscheibe 16, montiert ist, selektiv so optimiert werden, dass es parallel zum Boden ist, wodurch ein besserer Empfang zum Empfangen von LTE-Signalen von einem Mobilfunkmast oder dergleichen ermöglicht wird.
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Zum Speisen des Antennenelements 54 kann jede geeignete Speisestruktur eingesetzt werden, die eine entsprechende Impedanzanpassung bereitstellt. 4 ist eine weggebrochene Draufsicht der CPW-Antennenspeisestruktur 58, die ein geeignetes Beispiel darstellt. In dieser Ausführungsform stellt ein Koaxialkabel 70 die Eingangssignalleitung für die Speisestruktur 58 bereit und umfasst einen inneren Leiter 72, der mit dem Speiseleitungsabschnitt 56 elektrisch gekoppelt ist, und einen äußeren Masseleiter 74, der mit dem Basisabschnitt 44 elektrisch gekoppelt ist, wobei die Leiter 72 und 74 durch einen Isolator 76 getrennt sind.
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In dieser Ausführungsform ist die Antennenstruktur 40 so ausgelegt, dass sie im unteren LTE-Frequenzband von 700 bis 1200 MHz arbeitet. Wie bereits erwähnt, müsste eine andere Antennenstruktur bereitgestellt werden, die mit der Antennenstruktur 40 nicht korreliert ist und im höheren LTE-Frequenzband von 1800 bis 2400 MHz betrieben werden kann.
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5 ist eine Draufsicht einer Leckwellen-Antennenstruktur 80 mit Wanderwellen, die so ausgelegt ist, dass sie im höheren LTE-Frequenzband von 1800 bis 2400 MHz funktioniert und an die Windschutzscheibe 16 eines Fahrzeugs geklebt werden könnte, um in Verbindung mit der Antennenstruktur 40 zu arbeiten. Die Antennenstruktur 80 umfasst eine längliche Masseplatte 82 mit einem Basisabschnitt 84, der einen darin ausgebildeten Schlitz 86 aufweist, und zwei gegenüberliegende Masseleitungen 88 und 90 umfasst, die einen Spalt 92 dazwischen definieren, wobei der Spalt 92 an einem Ende 102 offen ist. Ein Antennenstrahlerelement 94 erstreckt sich durch den und entlang des Spalts 92 zum Ende 102 und umfasst eine Speiseleitungsabschnitt 96, der innerhalb des Schlitzes 86 positioniert ist und Teil einer CPW-Speisestruktur 98 ist, wie dargestellt. Eine Reihe von kreuzenden Sammelschienen 100, hier zehn, ist entlang des Strahlerelements 94 in vorbestimmten Abständen innerhalb des Spalts 92 vorgesehen, wie dargestellt.
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In einer anderen Ausführungsform können die Antennenstrukturen 40 und 80 zu einer einzigen Antennengruppe vereinigt sein, die über das gesamte LTE-Frequenzband funktioniert, wobei ein Filter/Diplexer (nicht dargestellt) eingesetzt werden kann, um die spezifischen Frequenzbandsignale zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitzustellen.
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Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für einen Fachmann ist aus dieser Erörterung und den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht zu erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.
