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HINTERGRUND
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Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen Antennen, die auf Glasstrukturen eingebettet sind. Genauer gesagt, lehrt die Anwendung eine auf einer Oberfläche angebrachte Antenne, die auf einem dichten dielektrischen Material, wie z. B. einer Glaswindschutzscheibe, so angebracht ist, dass die Strahlung auf einen niedrigeren Elevationswinkel gelenkt wird
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Hintergrundinformationen
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Glasstrukturen sind eine geeignete Stelle, um Antennen und andere Leiter anzubringen. Glasstrukturen sind nicht leitfähig und ermöglichen eine größere Vielfalt an Strahlungsdiagrammen und Richtwirkung für Konstrukteure. Funkfrequenz-(HF)-Anwendungen, die in Automobilen verwendet werden, haben in den letzten Jahrzehnten zugenommen und beinhalten heute AM/FM Funksysteme, GNSS, 4G/LTE, Satellitenradio, Remote Keyless Entry, Funksysteme mit dedizierter Nahbereichskommunikation (DSRC), WiFi, Reifendrucküberwachungssysteme und Automobilradare. Obwohl sich einige wenige HF-Systeme eine Antenne teilen können, wird im Allgemeinen für jedes HF-System eine separate Antenne benötigt. Einige HF-Dienste benötigen mehr als eine Antenne, wie z. B. 4G mit mindestens zwei MIMO-Antennen, DSRC, die mehrere Antennendiversitäten benötigen kann, und einem Fahrzeugradar, von dem mehrere erforderlich sind, um alle Seiten eines Fahrzeugs abzudecken. Das Dilemma, mit dem Automobilkonstrukteure konfrontiert sind, besteht darin, sämtliche Antennen unterzubringen ohne das Design des Automobils zu beeinträchtigen.
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Fensterglas ist ein gutes HF-Substrat und Autos weisen viele Fenster auf. AM- und FM-Antennen auf Glas sind seit über 20 Jahren erhältlich und erscheinen als dünne (1 mm) bedruckte Drähte an den Heck- oder Seitenscheiben vieler Fahrzeuge. Diese gedruckten Drahtantennen sind jedoch zu verlustbehaftet für die höheren Betriebsfrequenzen für 4G/LTE (700-3800 MHz), GNSS (1150 MHz - 1610 MHz über mehrere Bänder), WiFi und DSRC (2400 MHz - 6000 MHz über mehrere Bänder), ganz zu schweigen von einem Fahrzeugradar bei 77 GHz. Darüber hinaus wird das Autoglas oft in einer nicht senkrechten Position montiert, um die Aerodynamik zu berücksichtigen. Wenn eine Antenne beispielsweise auf einer abgewinkelten Windschutzscheibe montiert wird, weist sie mit breitseitiger Abstrahlung ein Strahlungsmuster auf, dessen Maximum von der Horizontalen angehoben ist, und eine horizontale Richtwirkung von weniger als dem Maximum. Es wäre wünschenswert, diese Nachteile zu überwinden, während eine Antenne noch auf einer Glasfahrzeugoberfläche angebracht ist.
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KURZDARSTELLUNG
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung stellen eine Reihe von Vorteilen bereit. So können beispielsweise Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung Strahlungsmuster mit größerer Richtwirkung in horizontaler Richtung erleichtern, wenn eine Antenne auf einer geneigten dielektrischen Oberfläche, wie beispielsweise einer Windschutzscheibe, angebracht ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung eine Antenne mit einem strahlenden Element auf einer ersten Seite und einer Grundebene auf einer zweiten Seite, wobei sich die Grundebene über das strahlende Element hinaus in eine erste Richtung erstreckt, und ein dielektrisches Material mit einer ersten Dicke, wobei die erste Seite der Antenne in der Nähe des dielektrischen Materials positioniert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Fahrzeugantennenstruktur ein dielektrisches Merkmal mit einer ersten Dicke und eine Antenne mit einem strahlenden Element auf einer ersten Seite und einer Grundebene auf einer zweiten Seite, wobei sich die Grundebene über das strahlende Element hinaus in eine erste Richtung erstreckt und wobei die Antenne eine erste Seite ist, die am dielektrischen Merkmal befestigt ist.
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Die vorstehenden Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Die zuvor genannten sowie weitere Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung und die Art und Weise, diese zu erzielen, werden augenscheinlicher, und die Erfindung wird besser verstanden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, wobei gilt:
- 1 veranschaulicht eine exemplarische Anwendung der fahrzeugintegrierten Antenne mit verbesserter Strahllenkung in einer Automobilumgebung gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist ein exemplarisches Antennendesign gemäß einer Ausführungsform.
- 3 ist ein alternatives exemplarisches Antennendesign gemäß einer Ausführungsform.
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Die hierin dargestellten Beispiele zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und solche Beispiele sollen in keiner Weise als einschränkend für den Umfang der Erfindung ausgelegt werden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und soll die Offenbarung oder die Anwendung und Verwendungen derselben in keiner Weise einschränken. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien. So sind beispielsweise die Schaltungen, Übertragungsleitungen und Antennen der vorliegenden Erfindung für den Einsatz in einem Fahrzeug besonders geeignet. Jedoch kann die Erfindung, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, auch andere Anwendungsmöglichkeiten besitzen.
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1 veranschaulicht eine exemplarische Anwendung der fahrzeugintegrierten Antenne mit verbesserter Strahllenkung in einer Automobilumgebung 100. Die exemplarische Anwendung zeigt ein Fahrzeug 110 mit Windschutzscheibe, ein exemplarisches Strahlungsmuster 120 einer herkömmlichen vertikal polarisierten Monopolantenne, die an einer geneigten Windschutzscheibe angebracht ist, und eine Anzeige einer gewünschten Ausbreitungsrichtung 130. Wenn vertikal polarisierte Strahlung bei niedrigen Elevationswinkeln zum Horizont gewünscht wird, könnte der Yagi- oder Dipoltyp von Antennen mit vertikal polarisierten Antennenelementen die Strahlungsanforderungen erfüllen. Aufgrund der Größe der ~ λ/2 Dipole und der Notwendigkeit eines Baluns für die dipolbasierten Antennen werden monopolbasierte Alternativen mit einer Grundebene bevorzugt. Die endliche Größe der Grundebene der Antenne begrenzt jedoch den Strahlneigungswinkel. Um die gewünschten zusätzlichen 10° Strahlneigung zu erreichen, muss die Grundebene um mindestens eine Wellenlänge länger sein. Dies könnte sie für die Verwendung in Fahrzeuganwendungen, bei denen die Größe und der Einbauraum von Antennen von hoher Priorität sind, möglicherweise ungeeignet machen.
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Ein zusätzlicher Strahlneigungswinkel kann durch die Verwendung der elektrisch dicken und dichteren dielektrischen passiven Struktur, wie der des Glases oder der Windschutzscheibe bestehender Komponenten des Fahrzeugs erreicht werden. Die Neigung des unteren Strahls kann durch die Oberflächenwellen entlang der passiven Struktur unterstützt werden, ohne die Grundebenengröße der Antenne zu vergrößern. Darüber hinaus kann eine schmalere Strahlbreite im Elevationswinkel erreicht werden, ohne die Anzahl der Antennenelemente in der Anordnung zu erhöhen, da die Oberflächenwellen als mehrere Quellen wirken, wenn sie langsam abstrahlen während sie sich entlang der passiven Substratstruktur ausbreiten. Wenn die Antenne sachgemäß auf eine Windschutzscheibe des Automobils 110 integriert ist, kann sie die Strahlneigung aufgrund der natürlichen Neigung der Windschutzscheibe bis zum und unterhalb des Horizonts erreichen, ohne ein viel Volumen im Einbauraum zu beanspruchen.
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Die vorgeschlagenen exemplarischen Antennen nutzen eine vorhandene Fahrzeugkomponente als integralen Bestandteil der Antennen, um gewünschte Strahlungseigenschaften zu erzeugen und/oder die Strahllenkeigenschaften zu verbessern. Die Antennen können in einem bestimmten Abstand zu einem elektrisch dicken und dichteren dielektrischen Medium (d. h. relative Dielektrizitätskonstante, εr > 1) einer bestehenden Fahrzeugkomponente, die unter anderem die Windschutzscheibe und Glasscheiben beinhaltet, sachgemäß integriert oder versetzt werden. Die Dicke einer Windschutzscheibe eines Automobils variiert zwischen etwa 4 mm bis 5 mm, die mit zunehmender HF-Frequenz elektrisch dick wird und bei 5,8-6 GHz (λg) größer als 0,1 Leitwellenlänge ist (die WiFi- und DSRC-Bänder abdeckt). Wenn elektromagnetische Felder entweder im oder in der Nähe des dichteren und elektrisch dicken dielektrischen Mediums gestartet werden, breiten sich die Felder teilweise entlang der Nähe der Luft und der dielektrischen Schnittstelle aus. Diese Oberflächenwelle ist eng mit der Schnittstelle verbunden, bis sich die Randbedingung ändert oder unterbrochen wird. Die Offenbarung bezieht sich auf Antennen, die die Windschutzscheibe und/oder das Glas als integralen Bestandteil der Antennen verwenden, indem sie die Oberflächenwelle nutzen, um die Neigungsleistung des Hauptstrahls der Antenne zu verbessern, wenn die Antennen mit hohen Frequenzen (z.B. 5,8 GHz ~ 6 GHz) betrieben werden, bei denen die Windschutzscheibe oder das Glas elektrisch dick ist. Die in der Offenbarung beschriebenen Antennen eignen sich insbesondere als Zusatzantenne zum Abdecken des Azimut-Sichtfeldes (FOV) bei niedrigen Elevationswinkeln, die von der Hauptantenne nicht abgedeckt werden konnten, wie beispielsweise der Sharkfm-Antenne in der hinteren Dachmitte. Durch die Integration der Sekundärantenne auf oder in der Nähe der Windschutzscheibefläche zur Verwendung als Diversity-Antenne kann zusätzlich zur Hauptantenne eine vollständige 360°-Sichtfeldabdeckung im Azimut erreicht werden.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 wird ein exemplarisches Antennendesign 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. In dieser exemplarischen Ausführungsform ist die Antenne 210 eine gekoppelte Patch-Antenne, die dazu konzipiert ist, eine Oberflächenwelle mit dem dielektrischen Medium zu koppeln, um den gewünschten geneigten Strahl zu erreichen. In dieser exemplarischen Ausführungsform weist die gekoppelte Patch-Array-Antenne ein angetriebenes Patch 240 und zwei gekoppelte Patches 220 auf. Das angetriebene Patch 240 wird durch eine koaxiale Zulaufsonde (die nicht dargestellt ist) zugeführt, und der Reflektor 230, der auf der Hinterkante des Substrats gedruckt wird, wirkt auch als Abstimmungsstummel. In dieser exemplarischen Ausführungsform hat die Grundebene der gekoppelten Patch-Antenne eine Gesamtabmessung von etwa 20 mm x 50 mm, die auf der Unterseite eines 1,2 mm dicken Dielektrikums für den Betrieb bei etwa 5,8 GHz ~ 6 GHz angebracht ist.
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Die gekoppelte Patch-Anordnungsantenne 210 mit einer endlichen Grundebene kann aufgrund der endlichen Länge der Grundebene einen begrenzten geneigten Strahl erzeugen. Wenn die identische Antenne als eine Strahlungsquelle angeordnet ist, die dem elektrisch dicken und dichteren dielektrischen Medium, beispielsweise der Windschutzscheibe oder dem Glas, entspricht oder sich in dessen unmittelbarer Nähe befindet, kann ein Teil des elektromagnetischen Feldes von der Antenne sich durch die luftdielektrische Schnittstelle beugen und ausbreiten und sich dann schließlich mit bestimmten Phasenverzögerungen ausbreiten, die von der elektrischen Dicke und einer Ausbreitungskonstante des dielektrischen Mediums des Überstrats zusätzlich zum Abstand zwischen der Strahlquelle und dem dielektrischen Überstratmedium abhängig sein können. Die gebeugten Felder und die Oberflächenwellen mit optimalen phasengesteuerten Verzögerungen werden zu einer verbesserten Strahlneigung (52°) kombiniert. Es ist auch erwähnenswert, dass die gekoppelte Patch-Anordnung eine beschichtete Kante aufweist, die am Seitenende des Substrats in der Nähe des angetriebenen Patch-Elements angeordnet ist, das als integrierter Frequenzabstimmmechanismus wirkt. Durch Verringern der Breite des Abstimmelements nimmt die Resonanzfrequenz der Antenne durch Verringerung der Antennenkapazität zu. Dieses eingebaute Merkmal ist nützlich, um Unsicherheit hinsichtlich der HF-Eigenschaften und der physikalischen Abmessungen des dielektrischen Mediums (d. h. Glas und Windschutzscheibe) zu berücksichtigen.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 wird ein zweites exemplarisches Antennendesign 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. In dieser exemplarischen Ausführungsform wird eine Yagi-Uda-Monopolanordnung mit den Strahlungseigenschaften der Endzündung verwendet. Obwohl es sich um die Endzündungsart der Antenne handelt, weist das Yagi-Uda-Monopolal eine Strahlneigung auf, die zusätzlich zu der Anzahl der Direktionselemente durch die endliche Größe der Grundebene begrenzt ist. Endzündungsart der Antenne kann auch die Neigungsleistung des Strahls verbessern. Die Antenne ist an einer Windschutzscheibe 310 angebracht. Die Antenne weist ein Reflektorelement 340, ein strahlendes Element 350 und ein Direktionselement 330 auf. Diese Elemente sind auf einer Grundebene 320 angebracht, die in die gewünschte Strahlungsrichtung verlängert wird, um den gewünschten Neigungswinkel zu erreichen.
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Die Strahlungsquellantenne kann ihre relative Entfernung zur Oberfläche zur Oberfläche des Oberflächenwellen erzeugenden dielektrischen Mediums, wie beispielsweise einer Windschutzscheibe oder eines Glases, aufrechterhalten, indem sie die Antenne in eine Halterung oder Vorrichtung integriert, die an der Oberfläche der Windschutzscheibe/Glas befestigt werden kann. Die Verwendung eines elektrisch dicken und dichteren dielektrischen Mediums als integralen Bestandteil der Antenne hilft, einen verbesserten gelenkten Strahl zu erzeugen, ohne eine technisch konstruierte Oberfläche wie die hochohmige Oberfläche oder die Metamaterialoberfläche zu verwenden. Die Antenne oder Anordnungsantenne wird als eine Strahlungsquelle verwendet, um Oberflächenwellen in das dielektrische Medium in unmittelbarer Nähe der Strahlungsquellenantenne zu senden, die sich mit den gebeugten Wellen kombinieren, um die Strahlneigung zu bewirken. Um die Anzahl der gebeugten und Oberflächenwellen zu steuern, kann die Nähe der Strahlungsquellenantenne relativ zur Oberfläche des dielektrischen Mediums eingestellt werden. Zusätzlich kann die Strahlneigung durch Optimierung der HF-Eigenschaften und der elektrischen Dicke der (d.h. der dielektrische Konstante) des dielektrischen Mediums gesteuert werden. Die Verwendung vorhandener Fahrzeugkomponenten wie der Windschutzscheibe oder Glas als integralen Bestandteil der Antenne kann zur Verbesserung der Strahlungseigenschaften der Antenne verwendet werden.
