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QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/332,649 mit dem Titel „Wideband Transparent Elliptical Antenna for Applique for Attachment to Glass“, eingereicht am 6. Mai 2016.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine flexible Dünnfilm-Breitbandantenne, die auf einem dielektrischen Substrat konfiguriert ist und insbesondere eine flexible Breitbandantenne mit koplanarem Wellenleiter (CPW), die ein speziell konfiguriertes Antennen-Ausstrahlungselement beinhaltet, das in einem elliptischen Schlitz positioniert ist, der für MIMO-(Multiple-Input Multiple-Output)-LTE-(Long Term Evolution)-4G-Mobilfunkanwendungen sorgt, wobei die Antenne transparente Leiter beinhalten kann, so dass das Anheften der Antenne an Fahrzeugglas ermöglicht wird.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Moderne Fahrzeuge verwenden verschiedene und viele Arten von Antennen, um Signale für verschiedene Kommunikationssysteme zu empfangen und zu senden, wie zum Beispiel terrestrischer Rundfunk (AM/FM), Mobiltelefon, Satellitenradio, DSRC, GPS usw. Die für diese Systeme verwendeten Antennen sind oft auf das Dach eines Fahrzeugs montiert, so dass die maximale Empfangsleistung bereitgestellt ist. Ferner sind viele dieser Antennen oft in eine gemeinsame Struktur und ein gemeinsames Gehäuse integriert, die auf das Dach des Fahrzeugs montiert sind, wie beispielsweise ein auf das Dach montiertes „Haifischflossen“-Antennenmodul. Da die Anzahl an Antennen an einem Fahrzeug zunimmt, nimmt auch die Größe der Strukturen zu, die erforderlich sind, um alle Antennen in einer effizienten Weise unterzubringen und die maximale Empfangsleistung bereitzustellen, was bei der Gestaltung und Formgebung stören kann. Deshalb suchen Kraftfahrzeugingenieure und -designers nach anderen geeigneten Bereichen am Fahrzeug, um Antennen zu platzieren, die die Fahrzeuggestaltung und Struktur nicht beeinträchtigen.
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Einer dieser Bereiche ist das Fahrzeugglas, wie beispielsweise die Windschutzscheibe des Fahrzeugs, die Vorteile aufweist, da Glas typischerweise ein gutes dielektrisches Substrat für eine Antenne ist. Zum Beispiel ist es auf dem Fachgebiet bekannt, AM- und FM-Antennen auf das Glas eines Fahrzeugs zu drucken, wobei die gedruckten Antennen einstückig im Glas gefertigt werden. Diese bekannten Antennen sind jedoch im Allgemeinen dadurch beschränkt, dass sie nur in Bereichen auf einer Windschutzscheibe oder einer anderen Glasfläche des Fahrzeugs platziert werden können, bei denen kein Hindurchschauen durch das Glas erforderlich ist.
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Mobilfunksysteme erweitern sich gegenwärtig zu 4G-LTE (Long Term Evolution), was mehrere Antennen erfordert, um MIMO-(Multiple-Input Multiple-Output)-Betrieb bereitzustellen, der einen größeren Datendurchsatz und eine größere Bandbreite als vorherige Mobilfunk-Kommunikationstechnologien, wie beispielsweise 2G und 3G, bereitstellt. Die LTE-4G-Mobilfunktechnologie verwendet MIMO-Antennen am Sender und am Empfänger, die einen Zuwachs bei der Anzahl von Signalwegen zwischen dem Sender und dem Empfänger bereitstellen, einschließlich Mehrwegereflexionen von verschiedenen Objekten zwischen dem Sender und dem Empfänger, was einen höheren Datendurchsatz ermöglicht. Solange der Empfänger die Daten entkoppeln kann, die bei unkorrelierten Signalen auf jedem Weg an der MIMO-Antenne empfangen werden, können diese Wege vom Empfänger verwendet werden, um Daten zu entschlüsseln, die auf der gleichen Frequenz und zur gleichen Zeit gesendet werden. Folglich können mehr Daten in die gleiche Frequenz komprimiert werden, was eine höhere Bandbreite bereitstellt.
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Automobilhersteller versuchen, in Fahrzeugen 4G-Mobilfunktechnologien bereitzustellen, was eine Anzahl designtechnischer Herausforderungen darstellt, insbesondere wenn die MIMO-Antennen als Teil einer gemeinsamen Antennenstruktur eingebunden sind, welche auf das Dach eines Fahrzeugs montiert ist. Zum Beispiel müsste beim Einhausen der MIMO-Antennen, die mindestens zwei Antennen beinhalten, in das herkömmliche Telematikantennenmodul, das auf das Dach des Fahrzeugs montiert ist, das gesamte Antennenvolumen des Moduls zunehmen, wegen der zusätzlichen Fläche, die für die MIMO-Antennen erforderlich ist, die eine geringe Korrelation der an den Antennen empfangenen Signale erfordern. Anders ausgedrückt muss der Abstand zwischen den Antennen, abhängig vom verwendeten Frequenzband, ein Mindestabstand sein, da die von den MIMO-Antennen empfangenen Signale deutlich unkorreliert sein müssen. Diese Dekorrelierung zwischen den Antennenanschlüssen ist bei verschiedenen Gestaltungen häufig schwer zu erreichen, wenn die Antennenelemente an der gleichen allgemeinen Stelle angeordnet sind, weil die Signale, die am Anschluss empfangen werden, sehr ähnlich wären. Dieses Problem kann überwunden werden, indem die Antennen weiter auseinander bewegt werden.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung offenbart und beschreibt eine flexible Dünnfilmantennenstruktur mit koplanarem Wellenleiter (CPW), die geeignet ist, an Fahrzeugglas montiert zu werden, und die besondere Anwendungsmöglichkeiten für MIMO-LTE-Applikationen aufweist, zum Beispiel im Frequenzband von 0,46 bis 3,8 GHz. Die Antennenstruktur beinhaltet eine Planarantenne, die auf einem Substrat gebildet ist, das eine Massefläche (Groundplane) mit einem elliptischen ausgeschnittenen Schlitzabschnitt, der in einem äußeren Umfangsabschnitt der Massefläche definiert ist, und ein Antennenausstrahlungselement beinhaltet, das sich vom Umfangsabschnitt in den Schlitz hinein erstreckt.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Vorderansicht eines Fahrzeugs, die eine Windschutzscheibe des Fahrzeugs zeigt,
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2 ist eine Rückansicht des Fahrzeugs, die eine Heckscheibe des Fahrzeugs zeigt,
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3 ist eine Profilansicht eines Fahrzeugfensters, das eine darauf gebildete dünne, flexible CPW-Antennenstruktur zeigt,
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4 ist eine Draufsicht auf eine CPW-Dünnfilm-Antenne, die einen elliptischen Schlitz und ein sechseckig geformtes Antennenausstrahlungselement, das darin positioniert ist, beinhaltet.
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5 ist eine isometrische Ansicht der in 4 gezeigten Antennenstruktur, die an ein gewölbtes Fahrzeugglas montiert ist,
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6 ist eine Darstellung einer CPW-Antennen-Einspeisungsstruktur für das in 4 gezeigte Antennenausstrahlungselement,
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7 ist eine Draufsicht auf eine CPW-Dünnfilm-Antenne, die einen elliptischen Schlitz und ein U-förmiges Antennenausstrahlungselement darin beinhaltet, und
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8 ist eine Draufsicht auf eine CPW-Dünnfilm-Antenne, die einen elliptischen Schlitz und ein kreisförmiges Antennenausstrahlungselement darin beinhaltet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine flexible CPW-Dünnfilm-Antenne gerichtet ist, die einen elliptischen Schlitz beinhaltet, der für ein MIMO-LTE-Mobilfunksystem verwendbar ist, und die dafür geeignet ist, an eine gewölbte dielektrische Struktur angeheftet zu werden, ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendungs- oder Verwendungsmöglichkeiten keinesfalls beschränken. Zum Beispiel wird in der vorliegenden Beschreibung davon gesprochen, dass die Antennenstruktur dafür verwendbar ist, an Fahrzeugglas angeheftet zu werden. Wie Fachleute jedoch erkennen werden, kann die Antennenstruktur bei anderen dielektrischen Strukturen als Fahrzeugstrukturen und anderen als transparenten oder durchscheinenden Flächen Anwendung finden.
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1 ist eine Vorderansicht eines Fahrzeugs 10, das eine Fahrzeugkarosserie 12, ein Dach 14 und eine Windschutzscheibe 16 beinhaltet und 2 eine Rückansicht des Fahrzeugs 10, die ein Heckfenster 18 zeigt.
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Wie oben beschrieben, ist es oft wünschenswert, Antennen an Fahrzeugen bereitzustellen, die transparent sind, und in konformer Weise in die gewölbte Windschutzscheibe oder gewölbtes Fahrzeugglas integriert werden können. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Antennenstruktur vor, die eine spezielle Anwendungsmöglichkeit für MIMO-LTE-Mobilfunksysteme aufweist, die zum Beispiel im Frequenzband von 0,46 bis 3,8 GHz arbeiten, wenn sie auf das Fahrzeugglas montiert oder in dieses integriert sind. Die Antennenstruktur kann zu einem transparenten Leiter und einer koplanaren Struktur geformt und strukturiert sein, bei der sowohl die Antenne als auch die Masseleiter auf dieselbe Schicht gedruckt sind. Die Antennenstruktur kann dafür gestaltet sein, auf Fahrzeugglas verschiedener physischer Dicken und dielektrischer Eigenschaften zu arbeiten, wobei die Antennenstruktur wie vorgesehen arbeitet, wenn sie auf dem Glas oder einem anderen Dielektrikum angebracht ist, da im Gestaltungsprozess das Glas oder das andere Dielektrikum bei der Entwicklung der Antennenaufbaustruktur berücksichtigt wird.
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3 ist eine Profilansicht einer Antennenstruktur 20, die ein Glassubstrat 22, wie beispielsweise eine Windschutzscheibe, mit einer äußeren Glasschicht 24, einer inneren Glasschicht 26 und einer Polyvinylbutyral-(PVB)-Schicht 28 dazwischen aufweist. Die Struktur 20 beinhaltet eine gedruckte CPW-Antenne 30, die auf einem dünnen flexiblen Foliensubstrat 32 wie beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET), biaxial gestrecktes Polyethylenterephthalat (BoPET), flexible Glassubstrate, Mylar, Kapton usw. gebildet und mit Hilfe einer Klebstoffschicht 34 an einer Oberfläche der Schicht 26 angeheftet ist. Die Klebstoffschicht 34 kann jeder geeignete Klebstoff oder jedes geeignete Klebeband sein, der/das ein effektives Befestigen des Substrats 32 an der Glasschicht 26 ermöglicht, und ferner kann der Klebstoff oder das Klebeband transparent oder nahezu transparent sein, wenn die Antenne 30 in einem Sichtbereich der Glasschicht 26 angeordnet ist, so dass ein minimaler Einfluss auf das Aussehen und die Lichtdurchlässigkeit besteht. Die Antenne 30 kann durch eine Passivierungsschicht 36 mit geringem Funkverlust geschützt sein, wie beispielsweise Parylen. Ein Antennenverbindungsstück 38 ist als mit der Antenne 30 verbunden gezeigt und kann jedes geeignete Funk- oder Mikrowellenverbindungsstück sein, wie beispielsweise eine direkte Pigtail- oder Koaxialkabelverbindung. Obwohl die Antenne 30 an eine innere Oberfläche der inneren Glasschicht 26 gekoppelt gezeigt ist, kann die Antenne 30 an die äußere Oberfläche der äußeren Glasschicht 24 oder die an die PVB-Schicht 28 angrenzende Oberfläche der Schichten 24 oder 26, oder die Oberflächen der PVB-Schicht 28 angeheftet werden.
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Die Antenne 30 kann aus einem geeigneten verlustarmen Leiter gebildet werden, wie beispielsweise Kupfer, Gold, Silber, Silberkeramik, ein Metallgitter/netz usw. Wenn sich die Antenne 30 an einer Stelle auf dem Fahrzeugglas befindet, an der der Fahrer oder ein anderer Fahrzeuginsasse durch das Glas hindurchsehen können muss, kann der Leiter ein geeigneter transparenter Leiter sein, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO), Silbernanodraht, Zinkoxid (ZnO) usw. Das Leistungsvermögen der Antenne 30 kann, wenn sie aus einem transparenten Leiter besteht, verstärkt werden, indem entlang der Ränder der Antenne 30 ein leitender Rahmen hinzugefügt wird, wie es auf dem Fachgebiet bekannt ist
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Die Dicke des Fahrzeugglases kann zwischen 2,8 und 5 mm variieren und eine relative dielektrische Konstante εr im Bereich von 4,5 bis 7,0 aufweisen. Die Antenne 30 beinhaltet einen Einzelschichtleiter und eine Einspeisungsstruktur mit koplanarem Wellenleiter (CPW), um den Antennenradiator anzuregen. Die CPW-Einspeisungsstruktur kann dafür konfiguriert sein, das Verbindungsstück 38 in einer Weise zu montieren, die für die CPW-Einspeisungsleitung oder für ein Pigtail- oder Koaxialkabel geeignet ist. Wenn das Verbindungsstück 38 oder die Pigtailverbindung zur CPW-Leitung fertiggestellt ist, kann die Antenne 30 mit der Passivierungsschicht 36 geschützt werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Trägerschicht des Klebebandes entfernt werden, wenn die Antenne 30 an der Glasschicht 26 angebracht ist. Durch das Bereitstellen des Antennenleiters auf der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe 22 des Fahrzeugs kann ein Verschleiß der Antenne 30 durch Umgebungs- und Witterungsbedingungen vermindert werden.
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4 ist eine Draufsicht auf eine Breitband-CPW-Dünnfilm-Antennenstruktur 40, die als die Antenne 30 verwendet werden kann und die die Anwendungsmöglichkeit aufweist, im LTE-Frequenzband zu arbeiten, wobei die Antennenstruktur 40 von der hier beschriebenen Art ist, die an Fahrzeugglas befestigt werden kann. Zum Beispiel ist 5 eine isometrische Darstellung 42 der Antennenstruktur 40, die mit Hilfe einer Klebstoffschicht 48 an einer Oberfläche 44 eines gewölbten Fahrzeugglases 46 befestigt ist. Es sei angemerkt, dass die Antennenstruktur 40 eine von mindestens zwei Antennen wäre, die für den MIMO-LTE-Betrieb notwendig sind. Die Antennenstruktur 40 beinhaltet eine leitende Massefläche 50 als äußeren Umfang, die in sich einen ausgeschnittenen elliptischen Schlitz 52 aufweist, wobei die Massefläche 50 zum Beispiel auf einem Dünnfilm-Mylarsubstrat (nicht dargestellt) strukturiert ist. Ein sechseckig geformtes Antennenausstrahlungselement 60 erstreckt sich in den elliptischen Schlitz 52 und beinhaltet eine Signalleitung 62. Die Massefläche 50 beinhaltet einen Schlitz 64, der zum elliptischen Schlitz 52 offen ist, wobei sich die Signalleitung 62 in den Schlitz 64 erstreckt und mit der Massefläche 50 kombiniert, um eine Antennenelement-Einspeisungsstruktur 66 zu bilden. Von der Massefläche 50 empfangene Signale erzeugen Ströme darin, die mit dem Antennenausstrahlungselement 60 für das Frequenzband von Interesse gekoppelt sind.
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Um das Antennenelement 60 zu speisen, kann jede geeignete Einspeisungsstruktur verwendet werden. 6 ist eine Draufsicht auf die CPW-Antennen-Einspeisungsstruktur 66 im Teilschnitt, die nur ein geeignetes Beispiel zeigt. Bei dieser Ausführungsform stellt ein Koaxialkabel 70 die eingehende Signalleitung für die Einspeisungsstruktur 66 bereit und beinhaltet einen inneren Leiter 72, der elektrisch an die Signalleitung 62 gekoppelt ist, und einen äußeren Masseleiter 74, der elektrisch mit der Massefläche 50 gekoppelt ist, wobei die Leiter 72 und 74 durch einen Isolator 76 getrennt sind.
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7 ist eine Draufsicht auf eine Breitband-CPW-Dünnfilm-Antennenstruktur 80, die ebenfalls die Anwendungsmöglichkeit aufweist, im LTE-Frequenzband zu arbeiten, und die von der hier beschriebenen Art ist, die am Fahrzeugglas befestigt werden kann. Die Antennenstruktur 80 beinhaltet eine leitende Außenumfangs-Massefläche 82, die in sich einen ausgeschnittenen elliptischen Schlitz 84 definiert, wobei die Massefläche 82 auf zum Beispiel einem Dünnfilm-Mylarsubstrat (nicht dargestellt) strukturiert ist. Ein U-förmiges elliptisches Antennenausstrahlungselement 86 erstreckt sich in den elliptischen Schlitz 84 und beinhaltet eine Signalleitung 88. Die Massefläche 82 beinhaltet einen Schlitz 90, der zum elliptischen Schlitz 84 offen ist, wobei sich die Signalleitung 88 in den Schlitz 90 erstreckt und mit der Massefläche 82 kombiniert, um eine Antennenelement-Einspeisungsstruktur 92 zu bilden.
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8 ist eine Draufsicht auf eine Breitband-CPW-Dünnfilm-Antennenstruktur 100, die ebenfalls die Anwendungsmöglichkeit aufweist, im LTE-Frequenzband zu arbeiten, und die von der hier beschriebenen Art ist, die am Fahrzeugglas befestigt werden kann. Die Antennenstruktur 100 beinhaltet eine leitende Außenumfangs-Massefläche 102, die in sich einen ausgeschnittenen elliptischen Schlitz 104 definiert, wobei die Massefläche 102 auf zum Beispiel einem Dünnfilm-Mylarsubstrat (nicht dargestellt) strukturiert ist. Ein kreisförmiges Antennenausstrahlungselement 106 erstreckt sich in den elliptischen Schlitz 104 und beinhaltet eine Signalleitung 108. Die Massefläche 102 beinhaltet einen Schlitz 110, der zum elliptischen Schlitz 104 offen ist, wobei sich die Signalleitung 108 in den Schlitz 110 erstreckt und mit der Massefläche 102 kombiniert, um eine Antennenelement-Einspeisungsstruktur 112 zu bilden.
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Jedes der Antennenausstrahlungselemente 60, 86 und 106 ist für Breitband und für den Betrieb im LTE-Frequenzband von 700 bis 2400 MHz gestaltet. Es ist ersichtlich, dass die elliptischen Schlitze 52, 84 und 104 für jede der Antennenstrukturen 40, 80 und 100 unterschiedliche Größen und Formen aufweisen. Die Konfiguration der Schlitze 52, 84 und 104 wäre spezifisch für die Form des Ausstrahlungselements 60, 86 beziehungsweise 106 für die Breitbandverwendung, die durch Simulations- oder andere Techniken bestimmt wird. Wie oben beschrieben, erfordern MIMO-Systeme für LTE-Dienste im Allgemeinen zwei Antennenelemente, die derart voneinander beabstandet sind, dass die Signalanschlüsse der Antennenelemente nicht korreliert sind. Bei den im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen stellen die äußeren Masseflächen 50, 82 und 102 eine Signalisolierung zwischen den Antennenstrukturen bereit. Zwei oder mehr der Antennenstrukturen 40, 80 und 100 können an verschiedenen Stellen auf dem Fensterglas platziert sein und empfangen die gleichen Frequenzsignale, um den MIMO-Signalempfang bereitzustellen, wobei die Antennenstrukturen 40, 80 und 100 für verschiedene Anwendungen zusammengestellt und angepasst werden.
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Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleuten wird aus der Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen und Ansprüchen ersichtlich, dass verschiedenartige Veränderungen, Modifizierungen und Varianten erzeugt werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
