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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne für ein Fahrzeug, mit einem omnidirektionalen Strahlungsmuster und die für V2X-Kommunikation ausgestaltet ist, und ein Antennensystem für ein Fahrzeug, das für V2X-Kommunikation ausgestaltet ist, wobei das System wenigstens eine erste und eine zweite erfindungsgemäße Antenne umfasst.
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STAND DER TECHNIK
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V2X-Technologien, wie beispielsweise Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V-) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur- (V2I-) Kommunikation, können dazu verwendet werden, eine Kollisionsvermeidung zu verbessern, und erhöhen die Verkehrseffizienz durch Bereitstellen von Warnungen für bevorstehende Verkehrsstauungen, Vorschlagen alternativer Routen und Sicherstellen von umweltfreundlichem Fahren usw.
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Da diese Technologie oftmals eine hohe Trägerfrequenz verwendet, beispielsweise im lizensierten ITS-Band von 5,9 GHz (5,85 - 5,925 GHz) gemäß dem ITS-G5-Standard, benötigt sie eine höchst zuverlässige und leistungsfähige Antenne. Ferner hat die Platzierung der Antenne erheblichen Einfluss auf die Qualität der Datenübertragung.
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Eine herkömmliche Antenne ist oftmals eine Dipol- oder eine Monopol-Antenne. Gewinnanforderungen führen oftmals zu einer relativ großen Antenne oder zur Verwendung eines Antennenarrays. Wenn die Größe ein Problem darstellt, kann eine Patch-Antenne verwendet werden, die einen höheren Gewinn, eine größere Reichweite und eine flachere Bauart verglichen mit der herkömmlichen Stabantenne vorsieht. Die Antenne wird oftmals auf der Oberseite des Fahrzeugs positioniert, wo das Fahrzeug selbst nicht das erwünschte Strahlungsmuster der Antenne beeinträchtigt.
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Die Erfindung konzentriert sich hauptsächlich auf Fahrzeuge, bei welchen bestimmte Probleme aufgrund ihrer Größe und Form auftreten, wobei jedoch zu verstehen ist, dass die Erfindung ohne weiteres bei jeder Art von Fahrzeug oder Objekt von Interesse angewandt werden kann.
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Bei der Fahrzeugkommunikation ist es wichtig, dass die verwendeten Antennen so platziert sind, dass sie die bestmöglichen Bedingungen für ein klares „Sichtfeld“ zu anderen Fahrzeugen oder Objekten vor oder hinter dem Fahrzeug unabhängig von der Art des Fahrzeugs bieten, wie beispielsweise bei Fahrzeugen mit unregelmäßiger Karosserieform und/oder Fahrzeugen mit einem großen Anhänger und bei Fahrzeugen in bestimmten Situationen, wo eine Fahrzeugkommunikation wesentlich ist, wie bei der Kolonnenfahrt.
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Die Veröffentlichung
EP 2 833 479 A1 zeigt ein Antennensystem für ein Fahrzeug, das sowohl eine Kommunikation nach vorne als auch nach hinten für das Fahrzeug sicherstellt.
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Zu diesem Zweck umfasst das Antennensystem eine Anordnung, die von zwei Antennenvorrichtungen gebildet ist, von welchen eine speziell dafür konzipiert wurde, in eine erste Strahlungsrichtung zu strahlen, und die andere, in eine zweite Strahlungsrichtung zu strahlen, wobei die zweite Strahlungsrichtung eine entgegengesetzte Richtung zur ersten Strahlungsrichtung ist. Das Strahlungsmuster des Antennensystems bietet eine omnidirektionale Abdeckung. Die offenbarte Antenne ist eine Dipol-Antenne, die auf einer Massefläche positioniert ist, um eine Strahlungsrichtung zu erhalten. Sie ist dazu ausgestaltet, an der Oberseite eines Fahrzeugs montiert zu werden.
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Die Veröffentlichung
US 7 554 489 B2 zeigt eine geneigte Dipol-Antenne, die innerhalb einer Hülle verborgen ist und die geeignet ist, ein omnidirektionales Strahlungsmuster zu bilden.
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Die Veröffentlichung
WO 2017/205551 A1 zeigt Antennen (Patch- oder Schlitzantennen), die für eine V2X-Kommunikation verwendet werden, und wie die Antennen an der Frontscheibe, der Heckscheibe oder an einem Seitenfenster eines Fahrzeugs platziert werden können.
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Die Veröffentlichung „Studie über eine in ein Fahrzeug integrierte Patch-Antenne für einen 5,8 GHz-Frequenzbereich für DSRC-Automobilanwendungen“ von Gatsinzi M I, Jouvie F, Bunion X und Azoulay A von der „2007 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications 2007 IEEE Piscataway“, NJ,
USA, 548 - 551 , zeigt eine in ein Fahrzeug integrierte Patch-Antenne für DSRC-Automobilanwendungen. Die Veröffentlichung betrifft ein Werkzeug zur Simulation eines herkömmlichen Patch-Antennenarrays, wenn sie an einem Auto montiert ist.
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KURZZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Probleme
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Ein technisches Problem besteht darin, eine Antenne mit einem omnidirektionalen Strahlungsmuster bereitzustellen, und ein besonderes technisches Problem besteht darin, ein Antennensystem bereitzustellen, das ein bi-omnidirektionales horizontales Strahlungsmuster für ein Fahrzeug bereitstellt.
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Wenn es aus irgendeinem Grund nicht möglich ist, dass ein Fahrzeug die Antenne auf der Oberseite des Fahrzeugs aufweist, wie beispielsweise bei Fahrzeugen ohne Dach, an welchem die Antenne montiert werden kann, Rettungsfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen, bei welchen eine Ausrüstung auf dem Dach des Fahrzeugs das Strahlungsmuster der Antenne stört, Fahrzeugen mit einer komplexen oder unregelmäßigen Karosserieform, die das Strahlungsmuster des Fahrzeugs stört und/oder Fahrzeugen mit Anhängern, die das Strahlungsmuster des Fahrzeugs stören, besteht ein Problem darin, eine Antennenlösung für V2X-Kommunikation bereitzustellen. Die Oberseite eines Personenwagens ist nicht flach, sondern oftmals abgerundet, weshalb die horizontale Ebene eines Strahlungsmusters für eine flache Antenne, die vorne oder hinten an der Oberseite eines Personenwagens platziert ist, durch das abgerundete Profil der Autooberseite gestört ist.
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Die zuvor genannte Veröffentlichung
WO 2017/205551 A1 zeigt, dass die Antenne am Seitenfenster eines Fahrzeugs montiert werden kann, erwähnt jedoch keine Lösung für bestimmte Probleme bezüglich der Antennenausgestaltung, um erwünschte Strahlungsmuster für eine an der Seite montierte Antenne zu erzielen.
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Die zuvor genannte Veröffentlichung
US 7 554 489 B2 zeigt eine Dipol-Antenne, die dazu ausgestaltet ist, an der Oberseite eines Fahrzeugs montiert zu werden, wo das Strahlungsmuster in der horizontalen Ebene durch das Fahrzeug gestört werden würde, wenn sie an der Seite des Fahrzeugs montiert wäre.
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Lösung
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Um eines oder mehrere der zuvor genannten Probleme zu lösen, und auf Basis des Stands der Technik, wie er zuvor gezeigt wurde, und des angegebenen technischen Gebiets, schlägt die vorliegende Erfindung eine Antenne vor, bei welcher eine x-y-Ebene als horizontale Ebene in Bezug auf das Fahrzeug definiert ist, eine x-z-Ebene als Ebene definiert ist, die parallel zu einer Seite des Fahrzeugs ist, an welcher die Antenne positioniert ist, und eine y-z-Ebene als Höhenebene in Bezug auf das Fahrzeug definiert ist.
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Die vorliegende Erfindung lehrt insbesondere, dass eine Antenne, die dazu ausgestaltet ist, ein Strahlungsmuster von im Wesentlichen einem Halbkreis in der horizontalen Ebene und ein Strahlungsmuster von im Wesentlichen einem Sektor in der Höhenebene des Fahrzeugs bereitzustellen, durch eine Antenne erzielt wird, die eine erste Patch-Antenne, ein Einspeisenetzwerk und einen Leistungsteiler, eine zweite Patch-Antenne und einen Reflektor umfasst, wobei die erste Patch-Antenne in eine erste Richtung entlang der x-Achse gerichtet ist, die zweite Patch-Antenne in eine zweite und entgegengesetzte Richtung entlang der x-Achse gerichtet ist und der Reflektor in einer Ebene positioniert ist, die parallel zur x-z-Ebene ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass der Reflektor dazu ausgestaltet ist, die Ausrichtung des Strahlungsmusters der Antenne durch Steuern der Ausrichtungen der Strahlungsmuster für die erste und die zweite Patch-Antenne zu steuern.
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Um eine Hochgewinn-Breitbandantenne bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Patch-Antenne eine direkt über eine Sonde gespeiste Patch-Antenne ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass eine erste elektrisch leitende Struktur zur Bildung der ersten und zweiten Patch-Antenne verwendet wird, und dass eine zweite elektrisch leitende Struktur zur Bildung des Einspeisenetzwerks und Leistungsteilers verwendet wird. Unterschiedliche elektrisch leitende Strukturen können verwendet werden, wie beispielsweise ein Metallblech oder eine gedruckte Leiterplatte (PCB), und sie können unabhängig voneinander ausgewählt werden. Es ist auch möglich, dass diskrete Bauelemente zur Bildung des Leistungsteilers unabhängig davon verwendet werden, welche Struktur zur Bildung des Einspeisenetzwerks verwendet wird.
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Eine sehr kompakte und kosteneffiziente Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne wäre eine Antenne, die in einer mehrlagigen Leiterplatte gebildet ist, wobei:
- - ein erster Patch-Strahler, der zur ersten Patch-Antenne gehört, in einer ersten elektrisch leitenden Schicht in der mehrlagigen Leiterplatte gebildet ist,
- - eine erste Massefläche, die zur ersten Patch-Antenne gehört, in einer zweiten elektrisch leitenden Schicht in der mehrlagigen Leiterplatte gebildet ist,
- - Einspeisenetzwerk und Leistungsteiler in einer dritten elektrisch leitenden Schicht in der mehrlagigen Leiterplatte gebildet sind,
- - eine zweite Massefläche, die zur zweiten Patch-Antenne gehört, in einer vierten elektrisch leitenden Schicht in der mehrlagigen Leiterplatte gebildet ist,
- - ein zweiter Patch-Strahler, der zur zweiten Patch-Antenne gehört, in einer fünften elektrisch leitenden Schicht in der mehrlagigen Leiterplatte gebildet ist, und
- - jede elektrisch leitende Schicht durch ein Substrat in der mehrlagigen Leiterplatte getrennt ist.
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Nachfolgend werden die erste und die zweite elektrisch leitende Struktur durch eine Leiterplatte veranschaulicht, und gemäß einer möglichen Ausgestaltung für eine direkt über eine Sonde gespeiste Patch-Antenne wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte mit ihrem Einspeisenetzwerk parallel zu und zwischen der ersten und zweiten Patch-Antenne positioniert ist, und dass der Leistungsteiler ein 3dB gleichphasiger Mikrostreifenleitungs-Leistungsteiler ist, der dazu konzipiert ist, die erste und die zweite Patch-Antenne zu kombinieren.
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Es wird auch vorgeschlagen, dass ein verlustarmes dielektrisches Material mit einer Stärke, die an seinen DK-Wert angepasst ist, wie beispielsweise Rogers RO4350 mit DK=3,656, DF=0,0037 und einer Stärke von 0,76 oder 1,5 mm, als Substrat für das Einspeisenetzwerk und die Patch-Antennen verwendet wird.
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Vorgeschlagene Abmessungen für die Antennenbauteile sind, dass
- - die erste und die zweite Patch-Antenne einen kreisförmigen Patch-Strahler mit einer rechteckigen Massefläche aufweisen,
- - die Größe der Massefläche typischerweise λ/2 × λ /2 × 0,76 mm beträgt,
- - der Metallreflektor einen Durchmesser von typischerweise 0,65 bis 0,75 λ aufweist,
- - der Reflektor in einem Abstand von 0,3 bis 0,4 λ von der Kante der ersten und der zweiten Patch-Antenne positioniert ist,
- - die Antenneneinspeisung der ersten Patch-Antenne auf der -y-Achse platziert ist, und
- - die Antenneneinspeisung der zweiten Patch-Antenne auf der +y-Achse platziert ist,
so dass Patch-Antennen gleichphasig auf der Ebene Phi=90 bereitgestellt werden, und so dass der Reflektor, der in der x-z-Ebene positioniert ist, die Phase nicht beeinträchtigt.
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Es ist zu verstehen, dass die Form des Patches, der Massefläche oder des Reflektors anders als in dieser Ausführungsform vorgeschlagen gewählt werden kann, wo diese Formen kreisförmig, rechteckig oder oval abhängig von der Ausgestaltung sein können, und wobei die Erfindung nicht auf Formen und Abmessungen beschränkt ist, die in dieser vorgeschlagenen Ausführungsform gezeigt sind.
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Es ist auch zu verstehen, dass die Patch-Antenne auf einer anderen Einspeisestruktur, wie beispielsweise einem koplanaren Streifen, näherungsgekoppelt oder aperturgekoppelt, basieren kann.
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Um eine Antenne mit einem höheren Gewinn zu erhalten, ist es vorgeschlagen, dass die Patch-Antenne ein Antennenarray oder eine gestapelte Patch-Antenne ist.
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Es ist zu verstehen, dass Parameter bezüglich der Ausgestaltung der Antenne, wie beispielsweise
- - Position(en) der Antenneneinspeisesonde,
- - Teilerabmessungen,
- - Antennenabstand zu Positionen des Einspeisenetzwerks,
- - Reflektorgröße und -abstand zu Antennenelement(en),
sorgfältig konzipiert sind, um jegliche Art einer Fehlanpassung und von Phasenfehlern zu beseitigen.
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Die erfindungsgemäße Antenne kann dazu ausgestaltet sein, im Frequenzbereich von 5850 bis 5925 MHz zu arbeiten, und die Antenne kann dazu ausgestaltet sein, einen Antennengewinn im Bereich von 2 dBi bis 5 dBi mit einem Durchschnitt von 3,5 dBi in der horizontalen Ebene, oder bi-omni-Richtungen, und VSWR: < 2,0:1 bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Antennensystem für ein Fahrzeug, das für V2X-Kommunikation ausgestaltet ist, und um ein System mit einem bi-omni-direktionalen Strahlungsmuster bereitzustellen, ist es vorgeschlagen, dass das System wenigstens eine erste und eine zweite erfindungsgemäße Antenne umfasst, wobei die erste Antenne an einer entgegengesetzten Position zur zweiten Antenne an dem Fahrzeug positioniert ist, wobei die y-Achse der ersten Antenne in eine erste Richtung gerichtet ist, und wobei die y-Achse der zweiten Antenne in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung gerichtet ist.
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Die Positionierung der ersten und zweiten Antenne kann an die Ausgestaltung oder Form des Fahrzeugs angepasst sein.
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Eine vorgeschlagene Ausführungsform lehrt, dass die erste und die zweite Antenne an den Seiten des Fahrzeugs positioniert sind, wobei die erste Richtung der entsprechenden ersten Patch-Antenne die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs ist, und die zweite Richtung der entsprechenden zweiten Patch-Antenne die Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs ist.
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Um eine vollständige Abdeckung des Strahlungsmusters des Antennensystems um das Fahrzeug herum bereitzustellen, ist es vorgeschlagen, dass das Antennensystem wenigstens eine dritte Antenne umfassen kann, die an der Vorderseite des Fahrzeugs positioniert ist, wobei die erste Richtung der ersten Patch-Antenne, die zur dritten Antenne gehört, die rechte Richtung des Fahrzeugs ist, und wobei die zweite Richtung der zweiten Patch-Antenne, die zur dritten Antenne gehört, die linke Richtung des Fahrzeugs ist.
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Es ist auch möglich, dass das Antennensystem wenigstens eine vierte Antenne umfasst, die an der Rückseite des Fahrzeugs positioniert ist, wobei die erste Richtung der ersten Patch-Antenne, die zur vierten Antenne gehört, die rechte Richtung des Fahrzeugs ist, und wobei die zweite Richtung der zweiten Patch-Antenne, die zur vierten Antenne gehört, die linke Richtung des Fahrzeugs ist.
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Abhängig von der Form und Ausgestaltung des Fahrzeugs lehrt eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dass die erste und die zweite Antenne an der Vorderseite und der Rückseite des Fahrzeugs positioniert sind, wobei die erste Richtung der entsprechenden ersten Patch-Antenne die rechte Richtung des Fahrzeugs ist, und die zweite Richtung der entsprechenden zweiten Patch-Antenne die linke Richtung des Fahrzeugs ist.
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Um ein klares Sichtfeld von dem Fahrzeug zu anderen Fahrzeugen oder Objekten um das Fahrzeug herum bereitzustellen, ist es vorgeschlagen, dass das Antennensystem eine mechanische Abstützung für eine Antenne umfasst, und dass sich die mechanische Abstützung von dem Fahrzeug zur Positionierung der abgestützten Antenne in einem klaren Sichtfeld zu anderen Objekten oder Fahrzeugen erstreckt.
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Es ist auch vorgeschlagen, dass ein mechanischer und umgebungsbedingter Schutz für jede Antenne, die einen derartigen Schutz benötigt, mithilfe eines Radoms für eine jede derartige Antenne bereitgestellt ist, um sie zu schützen und zu umgeben.
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Vorteile
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Die Vorteile, die in erster Linie mit einer Antenne und einem Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung stehen, sind, dass die Erfindung die Ausgestaltung von Antennensystemen für Fahrzeuge ermöglicht, bei welchen ein omnidirektionales Strahlungsmuster, und insbesondere ein bi-omnidirektionales horizontales Strahlungsmuster für das Fahrzeug verfügbar ist.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders dafür konzipiert, dieses Strahlungsmuster für ein Fahrzeug bereitzustellen, das die Antenne nicht auf der Oberseite des Fahrzeugs aufweisen kann, wie beispielsweise für Bagger, Planierraupen, Straßenwartungsfahrzeuge und andere Fahrzeuge ohne eine Oberseite, an welcher die Antenne montiert werden kann, Fahrzeuge mit Windabweisern oder Leuchtbaken, Einsatzfahrzeuge oder andere Fahrzeuge, bei welchen eine Ausrüstung auf der Oberseite des Fahrzeugs das Strahlungsmuster der Antenne stört oder die Positionierung einer Antenne auf der Oberseite des Fahrzeugs verhindert, Fahrzeuge mit komplexen oder unregelmäßigen Karosserieformen, die das Strahlungsmuster des Fahrzeugs stören, und/oder Fahrzeuge mit Anhängern, die das Strahlungsmuster des Fahrzeugs stören.
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Die Erfindung lehrt die Verwendung einer Patch-Antenne, die einen höheren Gewinn, eine größere Reichweite und eine flachere Ausgestaltung verglichen mit einer herkömmlichen Stabantenne bereitstellt.
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Die erfindungsgemäße Antennenausgestaltung ist kompakt und mechanisch stabil, sie kann in der Nähe von Metall hinter dem Reflektor positioniert werden, wodurch ermöglicht wird, dass sie an vielen verschiedenen Positionen an Fahrzeugen angebracht werden kann, wo andere Antennenausgestaltungen Probleme sowohl bezüglich Umgebungsanforderungen als auch bezüglich ihrer Strahlungsmuster haben.
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Die erfindungsgemäße Antenne ist einfach herzustellen mit großen Toleranzen, da das Stanzen von Metallblechen oder Leiterplatten ein relativ kostengünstiges Verfahren ist, das mit einer Reproduzierbarkeit mit hoher Präzision durchgeführt werden kann.
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Figurenliste
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Eine Antenne und ein Antennensystem, die die Eigenschaften in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung aufweisen, werden nun detaillierter beschrieben, um die Erfindung zu veranschaulichen, wobei Bezug auf die anliegenden Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:
- 1a und 1b schematisch und stark vereinfacht eine Antenne, ihre Position an einem Fahrzeug und das Strahlungsmuster der Antenne, die an dem Fahrzeug positioniert ist, wobei 1a eine Draufsicht des Fahrzeugs zeigt und 1b eine Vorderansicht des Fahrzeugs zeigt,
- 2 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Antenne,
- 3a und 3b Diagramme, die das Strahlungsmuster einer erfindungsgemäßen Antenne zeigen,
- 4 eine schematische und vereinfachte Seitenansicht einer Antenne, die in einer mehrlagigen Leiterplatte gebildet ist,
- 5 ein Diagramm, das das Spannungs-Stehwellenverhältnis einer erfindungsgemäßen Antenne zeigt,
- 6 bis 11 schematische und vereinfachte Darstellungen unterschiedlicher Antennensysteme, bei welchen Antennen an unterschiedlichen Positionen an einem Fahrzeug platziert sind,
- 12 eine Explosionsansicht einer Antenne mit einem Radom, und
- 13 eine Darstellung einer Antenne in ihrem Radom, positioniert auf einer mechanischen Abstützung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf die 1a und 1b beschrieben, die eine Antenne A für ein Fahrzeug B zeigen, wobei 1a eine Draufsicht auf das Fahrzeug und 1b eine Vorderansicht des Fahrzeugs ist. Die Antenne A weist ein omnidirektionales Strahlungsmuster Ar auf und ist für V2X-Kommunikation ausgestaltet.
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2 zeigt eine Explosionsansicht der Antenne A, die eine erste Patch-Antenne 1, ein Einspeisenetzwerk und einen Leistungsteiler 21, eine zweite Patch-Antenne 3 und einen Reflektor 4 umfasst.
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Eine x-y-Ebene ist als horizontale Ebene in Bezug auf das Fahrzeug definiert, eine x-z-Ebene ist als Ebene definiert, die parallel zu einer Seite des Fahrzeugs ist, an welcher die Antenne A positioniert ist, und eine y-z-Ebene ist als Höhenebene in Bezug auf das Fahrzeug definiert.
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2 zeigt, dass die erste Patch-Antenne 1 in eine erste Richtung a entlang der x-Achse gerichtet ist, dass die zweite Patch-Antenne 3 in eine zweite und entgegengesetzte Richtung b entlang der x-Achse gerichtet ist und dass der Reflektor 4 in einer Ebene positioniert ist, die parallel zur x-z-Ebene ist, wodurch die Antenne A ein Strahlungsmuster von im Wesentlichen einem Halbkreis in der horizontalen Ebene, wie schematisch in 1a gezeigt ist und wie in 3a gezeigt ist, und ein Strahlungsmuster von im Wesentlichen einem Sektor in der Höhenebene, wie schematisch in 1b gezeigt ist und wie in 3b gezeigt ist, des Fahrzeugs B bereitstellt.
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3a und 3b zeigen Strahlungsmuster einer beispielhaften erfindungsgemäßen Antenne, wobei 3a ein Diagramm ist, das einen 2D-Schnitt in der horizontalen Ebene mit einem Fernfeld-Gewinn Abs (Phi = 90) in der Frequenz von 5,8875 GHz und einer Hauptkeulengröße von 4,4 dB zeigt, und wobei 3b ein Diagramm ist, das einen 2D-Schnitt in der vertikalen Ebene mit einem Fernfeld-Gewinn Abs (Theta = 90) in der Frequenz von 5,8875 GHz und einer Hauptkeulengröße von 3,6 dB zeigt.
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Der Reflektor 4 ist dazu ausgestaltet, die Strahlungsmusterausrichtungen für die erste und die zweite Patch-Antenne 1, 3 zu steuern, und somit für die Antenne A als Ganzes.
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Es wird vorgeschlagen, dass die erste und zweite Patch-Antenne 1, 3 eine direkt über eine Sonde gespeiste Patch-Antenne ist.
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Eine erste elektrisch leitende Struktur kann dazu verwendet werden, die Patch-Antennen 1, 3 zu bilden, und eine zweite elektrisch leitende Struktur kann dazu verwendet werden, das Einspeisenetzwerk und den Leistungsteiler 21 zu bilden. Das Material für die erste und die zweite elektrisch leitende Struktur kann unabhängig voneinander ausgewählt werden.
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Beispiele für mögliche leitende Strukturen sind Metallblech und Leiterplatte. Es gibt viele andere Möglichkeiten, eine leitende Struktur zu bilden, wie beispielsweise die Bildung einer Struktur durch Spritzgießen, die metallisiert ist, um die erwünschte leitende Struktur zu bilden.
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Es ist auch möglich, dass diskrete Bauteile dazu verwendet werden können, den Leistungsteiler zu bilden, unabhängig davon, welche Struktur verwendet wird, um das Einspeisenetzwerk zu bilden.
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Der Einfachheit halber wird eine Leiterplatte 2 in der nachfolgenden Beschreibung verwendet, um sowohl die erste als auch die zweite elektrisch leitende Struktur darzustellen. Wenn die Materialien Metallblech und/oder Leiterplatte gewählt werden, dann ist klar, dass:
- - Metallblech für sowohl die erste als auch die zweite elektrisch leitende Struktur verwendet werden kann,
- - Leiterplatte für sowohl die erste als auch die zweite elektrisch leitende Struktur verwendet werden kann,
- - Metallblech für die erste elektrisch leitende Struktur verwendet werden kann und Leiterplatte für die zweite elektrisch leitende Struktur verwendet werden kann, oder
- - Metallblech für die erste elektrisch leitende Struktur verwendet werden kann und Leiterplatte für die zweite elektrisch leitende Struktur verwendet werden kann.
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4 zeigt eine vorgeschlagene Ausführungsform, bei welcher eine erfindungsgemäße Antenne A in einer mehrlagigen Leiterplatte 2' gebildet ist, wobei:
- - ein erster Patch-Strahler 11, der zur ersten Patch-Antenne 1 gehört, in einer ersten elektrisch leitenden Schicht 2'a in der mehrlagigen Leiterplatte 2' gebildet ist,
- - eine erste Massefläche 12, die zur ersten Patch-Antenne 1 gehört, in einer zweiten elektrisch leitenden Schicht 2'b in der mehrlagigen Leiterplatte 2' gebildet ist,
- - das Einspeisenetzwerk und der Leistungsteiler 21 in einer dritten elektrisch leitenden Schicht 2'c in der mehrlagigen Leiterplatte 2' gebildet sind,
- - eine zweite Massefläche 32, die zur zweiten Patch-Antenne 3 gehört, in einer vierten elektrisch leitenden Schicht 2'd in der mehrlagigen Leiterplatte 2' gebildet ist,
- - ein zweiter Patch-Strahler 31, der zur zweiten Patch-Antenne 3 gehört, in einer fünften elektrisch leitenden Schicht 2'e in der mehrlagigen Leiterplatte 2' gebildet ist, und
- - jede elektrisch leitende Schicht 2'a, 2'b, 2'c, 2'd, 2'e durch eine Substratschicht 2'f, 2'g, 2'h, 2'i in der mehrlagigen Leiterplatte 2' getrennt ist.
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Die Antenneneinspeisung 13 von dem Einspeisenetzwerk und Leistungsteiler 21
- - von dem Einspeisenetzwerk und Leistungsteiler 21 in der dritten elektrisch leitenden Schicht 2'c durch die Substratschicht 2'g, die die dritte elektrisch leitende Schicht 2'c von der zweiten elektrisch leitenden Schicht 2'b trennt,
- - durch die erste Massefläche 12 in der zweiten elektrisch leitenden Schicht 2'b, und
- - durch die Substratschicht 2'f, die die erste elektrisch leitende Schicht 2'a von der zweiten elektrisch leitenden Schicht 2'b trennt, und
- - in Kontakt mit dem ersten Patch-Strahler 11 in der ersten elektrisch leitenden Schicht 2'a
geleitet wird.
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Gleichsam wird die andere Antenneneinspeisung 33 von dem Einspeisenetzwerk und Leistungsteiler 21
- - von dem Einspeisenetzwerk und Leistungsteiler 21 in der dritten elektrisch leitenden Schicht 2'c durch die Substratschicht 2'h, die die dritte elektrisch leitende Schicht 2'c von der vierten elektrisch leitenden Schicht 2'd trennt,
- - durch die zweite Massefläche 32 in der vierten elektrisch leitenden Schicht 2'd, und
- - durch die Substratschicht 2'i, die die vierte elektrisch leitende Schicht 2'd von der fünften elektrisch leitenden Schicht 2'e trennt, und
- - in Kontakt mit dem zweiten Patch-Strahler 31 in der fünften elektrisch leitenden Schicht 2'e
geleitet.
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Es ist zu verstehen, dass 4 lediglich eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne zeigt, und dass die unterschiedliche Stärken der unterschiedlichen elektrisch leitenden Schichten und Substratschichten individuell an die Antennenausgestaltung einer entsprechenden Patch-Antenne und an die Antenne als Ganzes in einer echten Umsetzung der Erfindung angepasst sind.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist die Leiterplatte 2 mit ihrem Einspeisenetzwerk 21 parallel zu und zwischen der ersten und der zweiten Patch-Antenne 1, 3 positioniert, und es wird vorgeschlagen, dass der Leistungsteiler ein 3dB gleichphasiger Mikrostreifenleitungs-Leistungsteiler ist, der dazu konzipiert ist, die erste und die zweite Patch-Antenne 1, 3 zu kombinieren.
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Eine vorgeschlagene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lehrt, dass ein verlustarmes dielektrisches Material mit einer Stärke, die an seinen DK-Wert angepasst ist, wie beispielsweise Rogers RO4350 mit DK=3,656, DF=0,0037 und einer Stärke von 0,76 mm, als Substrat für das Einspeisenetzwerk und die Patch-Antennen 1, 3 verwendet wird.
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Vorgeschlagene Materialeigenschaften sind lediglich ein Beispiel für eine Leiterplatte, die verwendet werden kann, wobei die Stärke von 0,76 mm eine Standardstärke für eine Leiterplatte ist, und es ist zu verstehen, dass eine Leiterplatte mit einer anderen Stärke, DK und DF verwendet werden kann.
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Die Bauteile einer Patch-Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung können unterschiedlich bemessen und geformt sein. Der Abstand und die Größe des Reflektors spielen eine bedeutende Rolle für die Strahlungsrichteigenschaft der Antenne. Es ist auch wichtig, in welcher Ebene der Reflektor platziert ist, in unserem Fall in der x-y-Ebene, da die x-y-Ebene die Horizontebene in Bezug auf die Antenne definiert, die an dem Fahrzeug B platziert ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, bei welcher die berechneten Abmessungen darauf basieren, dass die Frequenz, für welche die Antenne ausgestaltet ist, 5,8 GHz beträgt, wird vorgeschlagen, dass
- - die erste und die zweite Patch-Antenne 1, 3 einen kreisförmigen Patch-Strahler 11 mit einer rechteckigen Massefläche 12, 32 aufweisen,
- - die Größe der Massefläche 12, 32 typischerweise ?/2 × ?/2 × 0,76 mm beträgt, was in diesem Beispiel ungefähr 25 mm × 25 mm × 0,76 mm ergeben würde,
- - der Metallreflektor 4 einen Durchmesser von typischerweise 0,65 bis 0,75 ? aufweist, was ungefähr 40 mm ergeben würde,
- - der Reflektor in einem Abstand d von 0,3 bis 0,4 ? von der Kante der Patch-Antennen 1, 3 positioniert ist, was ungefähr 20 mm ergeben würde,
- - die Antenneneinspeisung 13 der ersten Patch-Antenne 1 auf der -y-Achse platziert ist, und
- - die Antenneneinspeisung 33 der zweiten Patch-Antenne 3 auf der +y-Achse platziert ist,
um Patch-Antennen gleichphasig auf der Phi=90-Ebene bereitzustellen, und so dass der Reflektor, der in der x-z-Ebene positioniert ist, die Phase nicht beeinträchtigt.
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Es ist zu verstehen, dass die dargestellte Ausführungsform lediglich ein Beispiel für eine mögliche Antennenausgestaltung ist. Die Form des Patches, der Massefläche oder des Reflektors kann unterschiedlich davon ausgewählt werden, was in dieser Ausführungsform vorgeschlagen wird, wo diese Formen abhängig von der Ausgestaltung kreisförmig, rechteckig oder oval sein können, und die Erfindung ist nicht auf in dieser vorgeschlagenen Ausführungsform gezeigte Formen und Abmessungen beschränkt.
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Es wird auch vorgeschlagen, dass die Patch-Antenne 1, 3 eine Einspeisestruktur, wie beispielsweise einen koplanaren Streifen, näherungsgekoppelt oder aperturgekoppelt, aufweist.
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Es ist möglich, unterschiedliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Kapazität der Antenne zu verwenden, wie beispielsweise die Verwendung eines Antennenarrays oder einer gestapelten Patch-Antenne, basierend auf der erfindungsgemäßen Patch-Antenne.
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Um jegliche Art einer Fehlanpassung und von Phasenfehlern von der Antenne zu beseitigen, wird vorgeschlagen, dass Parameter bezüglich der Ausgestaltung der Antenne, wie beispielsweise
- - Position(en) der Antenneneinspeisesonde,
- - Teilerabmessungen,
- - Antennenabstand zu Positionen des Einspeisenetzwerks,
- - Reflektorgröße und -abstand zu Antennenelement(en),
sorgfältig konzipiert sind.
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Die Antenne kann dafür konzipiert und optimiert werden, in unterschiedlichen Frequenzbereichen zu arbeiten, und die beispielhafte Ausführungsform zeigt eine Antenne, die dazu ausgestaltet ist, im Frequenzbereich von 5850 bis 5925 MHz zu arbeiten, um die Antenne an das lizenzierte ITS-Band von 5,9 GHz (5,85 - 5,925 GHz) gemäß dem ITS-G5-Standard anzupassen. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Antennenausgestaltung für andere Systeme und Frequenzen, wie beispielsweise 2,4 GHz oder 5 GHz für WiFi oder 868/915 MHz, optimiert sein kann.
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Es wird auch vorgeschlagen, dass die Antenne dazu ausgestaltet ist, einen Antennengewinn im Bereich von 2 dBi bis 5 dBi mit einem Durchschnitt von 3,5 dBi in der horizontalen Ebene oder bi-omnidirektional und einem Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR): < 2,0:1 bereitzustellen. 5 zeigt ein Diagramm der Antennenleistung VSWR für eine Antenne gemäß dieser Ausgestaltung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Antennensystem für ein Fahrzeug, wobei das System für V2X-Kommunikation ausgestaltet ist. Das System wird in 6 dargestellt, wo gezeigt wird, dass das System wenigstens eine erste Antenne A1 und eine zweite Antenne A2 gemäß einer beliebigen beispielhaften Ausführungsform der zuvor genannten erfindungsgemäßen Antenne A umfasst.
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Die 6 bis 10 zeigen schematisch die Draufsicht auf ein Fahrzeug B, wobei die Richtung des Fahrzeugs B durch einen Pfeil auf dem Fahrzeug angegeben ist.
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6 zeigt, dass die erste Antenne A1 an einer entgegengesetzten Position zur zweiten Antenne A2 an dem Fahrzeug B positioniert ist, dass die y-Achse der ersten Antenne A1 in eine erste Richtung c1 gerichtet ist, und dass die y-Achse der zweiten Antenne A2 in eine zweite Richtung c2 entgegengesetzt zur ersten Richtung c1 gerichtet ist.
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6 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher die erste und die zweite Antenne A1, A2 an den Seiten des Fahrzeugs B positioniert sind, in welchem Fall die erste Richtung a1 der ersten Patch-Antenne, die zur ersten Antenne A1 gehört, die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs B ist, die zweite Richtung b1 der zweiten Patch-Antenne, die zur ersten Antenne A1 gehört, die Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs B ist, und in welchem Fall die erste Richtung a2 der ersten Patch-Antenne, die zur zweiten Antenne A2 gehört, die Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs B ist, die zweite Richtung b2 der zweiten Patch-Antenne, die zur zweiten Antenne A2 gehört, die Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs B ist.
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7 stellt eine vorgeschlagene Ausführungsform dar, die zeigt, dass es mit Antennen A1, A2 an den Seiten des Fahrzeugs B auch möglich ist, wenigstens eine dritte Antenne A3 im Antennensystem zu umfassen, welche dritte Antenne A3 an der Vorderseite des Fahrzeugs B positioniert ist, wobei die erste Richtung a3 der ersten Patch-Antenne, die zur dritten Antenne A3 gehört, die rechte Richtung des Fahrzeugs B ist, und die zweite Richtung d3 der zweiten Patch-Antenne, die zur dritten Antenne A3 gehört, die linke Richtung des Fahrzeugs B ist.
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8 zeigt, dass es auf dieselbe Art auch möglich ist, wenigstens eine vierte Antenne A4 aufzuweisen, die an der Rückseite des Fahrzeugs B positioniert ist, wobei die erste Richtung a4 der ersten Patch-Antenne, die zur vierten Antenne A4 gehört, die rechte Richtung des Fahrzeugs B ist, und die zweite Richtung b4 der zweiten Patch-Antenne, die zur vierten Antenne A4 gehört, die linke Richtung des Fahrzeugs B ist. Diese erste, zweite, dritte und vierte Antenne A1, A2, A3, A4 stellen eine Möglichkeit bereit, ein Systemstrahlungsmuster aufzuweisen, das die vollen 360 Grad um das Fahrzeug abdeckt, sogar bei Fahrzeugen mit sehr komplexer Form und Ausgestaltung.
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9 stellt eine mögliche Ausführungsform mit lediglich zwei Antennen A1, A2 dar, wobei eine erste Antenne A1 an der Vorderseite des Fahrzeugs B positioniert ist und die zweite Antenne A2 an der Rückseite des Fahrzeugs B positioniert ist, in welchem Fall die erste Richtung a1 der ersten Patch-Antenne, die zur ersten Antenne A1 gehört, die rechte Richtung des Fahrzeugs B ist, die zweite Richtung b1 der zweiten Patch-Antenne, die zur ersten Antenne A1 gehört, die linke Richtung des Fahrzeugs B ist, und in welchem Fall die erste Richtung a2 der ersten Patch-Antenne, die zur zweiten Antenne A2 gehört, die rechte Richtung des Fahrzeugs B ist, die zweite Richtung b2 der zweiten Patch-Antenne, die zur zweiten Antenne A2 gehört, die linke Richtung des Fahrzeugs B ist.
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10 stellt eine vorgeschlagene Ausführungsform dar, bei welcher mehrere Antennen an einem Fahrzeug B und einem Anhänger B1, der zum Fahrzeug gehört, positioniert wurden. Ein Anhänger oder etwas anderes, das mit dem Fahrzeug B verbunden ist, stellt Möglichkeiten bereit, Antennen an anderen Plätzen als am eigentlichen Fahrzeug zu positionieren. Hier ist zu sehen, dass das Fahrzeug B drei Antennen A11, A21 und A3 aufweist, während der Anhänger B1 5 Antennen A12, A13, A22, A23 und A4 in verschiedenen Richtungen um den Anhänger B1 aufweist. Antennen, die an einem Anhänger positioniert sind, können mit dem Fahrzeug über eine beliebige Verbindungsvorrichtung verbunden sein, die eine Signalübertragung zwischen dem Fahrzeug B und dem Anhänger B1 bereitstellt.
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11 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher eine erste Antenne A1 und eine zweite Antenne A2 auf der Oberseite eines Fahrzeugs B positioniert wurden. In 11 ist die Richtung des Fahrzeugs B durch einen Pfeil auf dem Fahrzeuganhänger B1 hinter dem Fahrzeug B angegeben. Eines der Probleme, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, ist die Bereitstellung einer Antenne an einem Fahrzeug, bei welchem es nicht möglich ist, die Antenne auf der Oberseite des Fahrzeugs zu platzieren. Die vorliegende Erfindung stellt eine Antenne bereit, die dieses Problem löst. Dies verhindert jedoch nicht, dass eine erfindungsgemäße Antenne auf der Oberseite eines Fahrzeugs positioniert werden kann, wenn diese Position möglich und verfügbar ist, wie in 11 dargestellt.
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12 zeigt, dass das Antennensystem einen mechanischen und umgebungsbedingten Schutz für eine Antenne A durch ein Radom 5 für jede Antenne bereitstellen kann, die einen solchen Schutz benötigt, um eine derartige Antenne zu schützen und zu umgeben, wobei das Radom 5 auch in den 3a und 3b gezeigt ist.
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Jede Antenne in dem System erfordert ein klares Sichtfeld von dem Fahrzeug zu anderen Objekten oder Fahrzeugen um das Fahrzeug herum. Dies kann erreicht werden, wenn es möglich ist, die Antenne an Teilen des Fahrzeugs zu positionieren, die sich von dem Fahrzeug nach außen erstrecken, wie beispielsweise einem Außenspiegel an dem Fahrzeug, oder wenn möglich auf der Oberseite des Fahrzeugs.
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Es kann Situationen geben, in welchen es keine derartigen Teile an dem Fahrzeug gibt, und 13 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Antennensystem eine mechanische Abstützung 6 für eine Antenne umfasst, wobei sich die mechanische Abstützung von dem Fahrzeug zur Positionierung der abgestützten Antenne in eine Position mit klarem Sichtfeld von dem Fahrzeug zu anderen Objekten oder Fahrzeugen um das Fahrzeug herum erstreckt.
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Die Längenerstreckung einer Abstützung 6 variiert abhängig davon, wie weit außerhalb des Fahrzeugs die Antenne positioniert werden muss, und manche Antenne in dem System benötigen eine derartige Abstützung eventuell nicht, sondern können direkt am Fahrzeug montiert werden.
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Ein Fachmann versteht, dass Antennen gemäß der Erfindung zu einem Antennensystem gemäß der Erfindung auf viele verschiedene Arten kombiniert werden können, wo vorgeschlagene Ausführungsformen einige dieser möglichen Antennenausgestaltungen offenbaren, wodurch klar ist, dass die Erfindung nicht auf die zuvor als Beispiele genannten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern Modifikationen an ihr innerhalb des Umfangs der allgemeinen Idee der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert und gezeigt ist, vorgenommen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2833479 A1 [0007]
- US 7554489 B2 [0009, 0015]
- WO 2017/205551 A1 [0010, 0014]
- US 548551 A [0011]
