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Der vorliegende Gegenstand bezieht sich allgemein auf Antennenelemente für eine drahtlose Kommunikation.
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Auf dem Gebiet der Fahrzeugkommunikation werden spezielle Antennenelemente für eine drahtlose Kommunikation bereitgestellt. So wurden für Anwendungen in Kraftfahrzeugen beispielsweise Fahrzeugdach-Antennenanordnungen entwickelt, die mehrere Antennenelemente für die Kommunikation bei verschiedenen Frequenzen und mit verschiedenen Geräten enthalten, wie zum Beispiel analoger und digitaler Radioempfang, Mobilfunkkommunikation, Satellitenkommunikation und Fahrzeug-zu-Umwelt-Kommunikation (V2X), WIFI-Kommunikation, Bluetooth-Kommunikation und dergleichen. Es ist wünschenswert, die verschiedenen Antennenelemente in eine Fahrzeugdach-Antennenanordnung einzubauen. Die Positionierung der verschiedenen Antennenelemente in derselben Fahrzeugdach-Antennenanordnung kann jedoch die Funktionalität der verschiedenen Antennenelemente beeinträchtigen. Die Größe und Positionierung der Antennenelemente kann begrenzt sein, um geometrisch in das Gehäuse der Fahrzeugdach-Antennenanordnung zu passen.
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Es besteht weiterhin der Bedarf für ein Antennenelement, das für eine drahtlose Kommunikation in mehreren Frequenzbändern eingesetzt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist ein Antennenelement vorgesehen, das ein Substrat mit mindestens einer ersten Seitenfläche aufweist. Ein erster Leiter ist auf der ersten Seitenfläche vorgesehen. Der erste Leiter weist einen Zuleitungsabschnitt und einen Monopolabschnitt auf. Der Monopolabschnitt weist einen Hals auf, der sich von dem Zuleitungsabschnitt erstreckt, und einen Kopf an einem distalen Ende des Halses. Der Kopf hat eine Breite, die größer ist als die Breite des Halses und größer ist als die Breite des Zuleitungsabschnitts. Der Kopf hat einen Schlitz, um die Bandbreite des ersten Leiters auf mindestens ein erstes Frequenzband und ein zweites Frequenzband zu erweitern. Ein zweiter Leiter ist zumindest teilweise auf der gleichen, ersten Seitenfläche vorgesehen. Der zweite Leiter weist eine erste Masseplatte und eine erste Stichleitung auf, die sich von der ersten Masseplatte aus erstreckt. Der zweite Leiter weist eine zweite Masseplatte und eine zweite Stichleitung auf, die sich von der zweiten Masseplatte aus erstreckt. Die erste und die zweite Masseplatte sind auf der ersten Seitenfläche neben dem Zuleitungsabschnitt des ersten Leiters an dessen gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die erste und die zweite Stichleitung sind auf der ersten seitlichen Oberfläche an gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen ersten und zweiten Masseplatte angeordnet. Die ersten und zweiten Stichleitungen erstrecken sich in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu dem Zuleitungsabschnitt des ersten Leiters verläuft. Die erste und die zweite Masseplatte sowie die erste und die zweite Stichleitung des zweiten Leiters sind relativ zum ersten Leiter angeordnet, um einen koplanaren Wellenleiter zu bilden.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 eine Antennenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
- 2 eine schematische Ansicht eines Antennenelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
- 3 eine Vorderansicht des Antennenelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
- 4 Analyseergebnisse zeigt, die für ein beispielhaftes Antennenelement gemessen wurden, wie das in den 2-3 dargestellte Antennenelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 5 Analyseergebnisse zeigt, die für ein beispielhaftes Antennenelement gemessen wurden, wie das in den 2-3 dargestellte Antennenelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 6 Analyseergebnisse zeigt, die für ein beispielhaftes Antennenelement gemessen wurden, wie das in den 2-3 dargestellte Antennenelement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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1 zeigt eine Antennenanordnung 100 in einer beispielhaften Ausführungsform. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Antennenanordnung 100 eine Multiband-Fahrzeugdach-Antennenanordnung. Die Antennenanordnung 100 kann zum Beispiel auf dem Dach 102 eines Fahrzeugs 104 installiert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform integriert die Antennenanordnung 100 mehrere Antennenelemente 106 in einer gemeinsamen Struktur, die am Fahrzeug 104 für ein Multiband-Antennen-Fahrzeugsystem angebracht ist. Beispielsweise kann die Antennenanordnung 100 Standleitung-Kurzstrecken-Datenübertragung (Dedicated Short Range Communication (DSRC)), Mobiltelefon- und/oder Satelliten-Antennenelemente aufweisen, um eine vielseitige Kommunikation für das Fahrzeug 104 zu ermöglichen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Antennenanordnung 100 über DSRC-Frequenzen für die „Fahrzeug-zu-Umwelt“-Kommunikation‟ betreibbar. Zum Beispiel kann eines oder mehrere der Antennenelemente 106 in einem Bluetooth-Frequenzband und/oder einem niedrigen WIFI-Frequenzband und/oder einem hohen WIFI-Frequenzband und/oder einem V2X-DSRC-Frequenzband betrieben werden. Eines oder mehrere der Antennenelemente 106 können über eine oder mehrere Mobilfunkfrequenzen betrieben werden (zum Beispiel 5G, Long Term Evolution (LTE) und dergleichen). Eines oder mehrere der Antennenelemente 106 können über ein oder mehrere Satellitensignale (zum Beispiel: Satelliten Digital Audio Radio (SDARS), Globales Navigations Satelliten System (GNSS) und ähnliches) betrieben werden. Die Antennenanordnung 100 kann Antennenelemente aufweisen, die mit anderen Frequenzen betrieben werden können, zum Beispiel Amplitudenmodulation (AM), Frequenzmodulation (FM) und dergleichen.
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Die Antennenanordnung 100 weist ein Antennengehäuse 110 auf, in dem die Antennenelemente 106 untergebracht sind. Das Antennengehäuse 110 weist eine Abdeckung oder eine Radarkuppel 114 auf, die eine innere Umhüllung zur Aufnahme der Antennenelemente 106 ausbildet. Die Antennenelemente 106 werden von der Radarkuppel 114 abgedeckt. Optional kann die Radarkuppel 114 aerodynamisch gestaltet sein, zum Beispiel in Form einer Haifischflosse. In alternativen Ausführungsformen kann die Radarkuppel 114 auch andere Formen haben, wie zum Beispiel scheibenförmig, schalenförmig oder als ein Panel des Fahrzeugs geformt sein, um sich an das Äußere des Fahrzeugs anzupassen. Optional kann die Antennenanordnung 100 in das Dach 102 eingelassen werden, so dass die Außenfläche der Radarkuppel 114 im Allgemeinen mit dem Dach 102 bündig ist.
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In einer beispielhaften Ausführungsform weisen die Antennenelemente 106 der Antennenanordnung 100 eine erste oder primäre Mobilfunkantenne 120 auf, die so konfiguriert ist, dass sie über eine oder mehrere Mobilfunkfrequenzen betrieben werden kann, eine zweite oder sekundäre Mobilfunkantenne 122, die so konfiguriert ist, dass sie über eine oder mehrere Mobilfunkfrequenzen betrieben werden kann, eine erste Satellitenantenne 124, die so konfiguriert ist, dass sie über eine oder mehrere Satellitenfrequenzen betrieben werden kann, eine zweite Satellitenantenne 126, die so konfiguriert ist, dass sie über eine oder mehrere Satellitenfrequenzen betrieben werden kann, und eine V2X-Antenne 128, die so konfiguriert ist, dass sie über DSRC-Frequenzen, wie Bluetooth-Frequenzen, WIFI-Frequenzen und/oder V2X-DSRC-Frequenzen betrieben werden kann. In einer beispielhaften Ausführungsform können die erste und die zweite Mobilfunkantenne 120, 122 Monopolantennen sein. Die ersten und zweiten Satellitenantennen 124, 126 können Patchantennen sein. Die V2X-Antenne 128 kann eine Monopolantenne sein, beispielsweise eine Dualband-Monopolantenne.
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In einer beispielhaften Ausführungsform decken die erste und die zweite Mobilfunkantenne 120, 122 einen breiten Frequenzbereich ab, um die Bandbreitenanforderungen des 5G-Mobilfunknetzes zu erfüllen. Zum Beispiel können die erste und die zweite Mobilfunkantenne 120, 122 einen Frequenzbereich von etwa 617 MHz bis 5 GHz abdecken. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die erste Satellitenantenne 124 zur Satellitenortung verwendet, beispielsweise zur Verwendung mit einem GPS-System des Fahrzeugs. Beispielsweise ist die erste Satellitenantenne 124 so konfiguriert, dass sie für den Empfang von Signalen des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) geeignet ist. Die erste Satellitenantenne 124 kann ein Dualband-Antennenelement (L1 und L5) sein. Die erste Satellitenantenne 124 kann ein niedriges Achsenverhältnis haben, um eine hochpräzise Positionierung für das assistierte und selbstfahrende Fahren zu ermöglichen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die zweite Satellitenantenne 126 für Satellitenradio verwendet. Die zweite Satellitenantenne 126 kann für den Empfang von SDARS-Signalen (zum Beispiel Sirius XM, Telematics Control Unit (TCU) und dergleichen) verwendet werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform wird die V2X-Antenne 128 für die Kommunikation mit der Umgebung verwendet, zum Beispiel Fahrzeug-zu-FahrzeugKommunikation, Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation, Fahrzeug-zu-Fußgänger-Kommunikation und dergleichen. In einer beispielhaften Ausführungsform sendet und/oder empfängt die V2X-Antenne 128 DSRC-Signale zur Kommunikation mit der Umgebung oder zur Interaktion mit anderen Fahrzeugen, Fußgängern, der Straßeninfrastruktur oder anderen Netzwerken. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die V2X-Antenne 128 eine Monopolantenne, die so konfiguriert ist, dass sie Signale ungerichtet sendet und empfängt. Die V2X-Antenne 128 kann für den Empfang von Bluetooth-Signalen im 2,4-GHz-Frequenzbereich ausgelegt sein. Die V2X-Antenne 128 kann für den Empfang von WIFI-Signalen, zum Beispiel im 2,5-GHz-Frequenzbereich und/oder im 5-GHz-Frequenzbereich, betrieben werden. Die V2X-Antenne 128 kann für den Empfang von V2X-DSRC-Signalen, zum Beispiel im 5,9-GHz-Frequenzbereich, eingesetzt werden.
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2 ist eine schematische Ansicht eines Antennenelements 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Antennenelement 200 kann als ein Antennenelement 106 der Antennenanordnung 100 (dargestellt in 1) verwendet werden. Das Antennenelement 200 kann zum Beispiel die V2X-Antenne 128 (in 1 dargestellt) darstellen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Antennenelement 200 an einem Sockel 150 befestigt. Der Sockel kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Leiterplatte sein. Der Sockel 150 weist eine Masseplatte auf, um einen Massebezug für das Antennenelement 200 herzustellen. Der Sockel 150 kann Versorgungsschaltungen aufweisen, um das Antennenelement 200 zu versorgen. Beispielsweise kann das Antennenelement 200 mit Schaltungen oder Leitern des Sockels 150 verlötet werden, zum Beispiel mit der Masseplatte verbunden sein. Alternativ kann, wie in der dargestellten Ausführungsform, die Versorgung des Antennenelements 200 durch ein Kabel 160, zum Beispiel ein Koaxialkabel, erfolgen. Das Kabel 160 kann sich entlang des Sockels 150 erstrecken, zum Beispiel parallel zum Antennenelement 200. Das Kabel 160 kann an anderen Stellen angeschlossen sein, zum Beispiel an der Unterseite des Sockels 150, und sich von der Unterseite des Sockels 150 erstrecken.
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Das Antennenelement 200 weist ein Substrat 210 als Strukturelement auf, auf dem ein erster Leiter 220 und ein zweiter Leiter 250 angeordnet sind. Das Substrat 210 weist eine erste Seitenfläche 212 auf. Der erste und der zweite Leiter 220, 250 können auf der ersten Seitenfläche 212 angeordnet sein. Optional kann die erste Seitenfläche eben (zum Beispiel flach) ausgebildet sein. In alternativen Ausführungsformen kann die erste Seitenfläche 212 uneben sein (zum Beispiel gekrümmt). In verschiedenen Ausführungsformen weist das Substrat 210 eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 213 auf. Die zweite Seitenfläche 213 kann in verschiedenen Ausführungsformen parallel zur ersten Seitenfläche 212 sein. Die ersten und zweiten Seitenflächen 212, 213 können Vorder- und Rückflächen des Substrats 210 sein. Optional kann das Substrat 210 so ausgerichtet sein, dass die erste Seitenfläche 212 im Allgemeinen vertikal ausgerichtet ist (zum Beispiel mit einer vertikal ausgerichteten Längsachse des Substrats 210).
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Das Substrat 210 wird aus einem dielektrischen Material hergestellt, um einen Kurzschluss zwischen dem ersten Leiter 220 und dem zweiten Leiter 250 zu verhindern. Das Substrat 210 kann aus einem Material hergestellt werden, das bei den gewünschten Frequenzen niedrige Verluste in Form eines Qualitätsfaktors oder eines Verlustfaktors für eine bestimmte Permittivität oder Dielektrizitätskonstante aufweist. Das Substrat 210 kann zum Beispiel aus Materialien auf Epoxid- oder Polyamidbasis hergestellt sein. Andere beispielhafte Materialien, die für das Substrat 210 verwendet werden können, sind FR4, PC (Polycarbonat) oder ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Das Substrat 210 bietet eine strukturelle Unterstützung und trennt dadurch den ersten Leiter 220 vom zweiten Leiter 250, so dass beide Leiter 220 und 250 unterschiedliche Formen des leitfähigen Materials aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Substrat 210 eine Leiterplatte und die Leiter 220, 250 können Schaltungen der Leiterplatte auf einer oder mehreren Schichten der Leiterplatte sein.
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Der erste Leiter 220 weist einen Zuleitungsabschnitt 222 und einen Monopolabschnitt 224 auf, der sich von dem Zuleitungsabschnitt 222 aus erstreckt. Der Monopolabschnitt 224 kann beispielsweise oberhalb des Zuleitungsabschnitts 222 angeordnet sein. Der erste Leiter 220 ist auf der ersten Seitenfläche 212, beispielsweise an einer Vorderseite, des Substrats 210 angeordnet. In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Antennenelement 200 einen Widerstand 225 zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und dem zweiten Leiter 250 auf.
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Der Widerstand 225 kann auf dem Substrat 210, beispielsweise auf der ersten Seitenfläche 212, vorgesehen sein. Eine Unterscheidung zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und dem Monopolabschnitt 224 des ersten Leiters 220 erfolgt im Hinblick auf dessen Funktionalität in Kombination mit dem zweiten Leiter 250, wie im Folgenden näher erläutert wird. Der Schnittpunkt zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und dem Monopolabschnitt wird als Antennenspeisepunkt F bezeichnet.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Monopolabschnitt 224 nichtlinear. Der Monopolabschnitt 224 weist einen Hals 226 und einen Kopf 228 an einem distalen Ende des Halses 226 auf. Der Kopf 228 befindet sich zum Beispiel oberhalb des Halses 226. Der Hals 226 erstreckt sich zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und dem Kopf 228. Der Hals 226 kann eine Verlängerung des Zuleitungsabschnitts 222 sein (zum Beispiel die gleiche Breite haben und sich in eine gemeinsame Richtung erstrecken). Der Kopf 228 ist breiter als der Hals 226. In einer beispielhaften Ausführungsform weist der Kopf 228 einen Schlitz 230 auf, der von einer Vielzahl von Kopfsegmenten umgeben ist. Die Kopfsegmente können eine rechteckige Antennenstruktur bilden. Zum Beispiel weist der Kopf 228 ein unteres Segment 232, ein oberes Segment 234 und Seitensegmente 236, 238 auf, die sich zwischen dem unteren Segment 232 und dem oberen Segment 234 erstrecken. Optional können die oberen und unteren Segmente 232, 234 parallel zueinander ausgerichtet sein. Wahlweise können die Seitensegmente 236, 238 senkrecht zu den oberen und unteren Segmenten 232, 234 ausgerichtet sein. Es können mehr oder weniger Kopfsegmente vorgesehen werden, um die Form des Kopfes 228 und die Form des Schlitzes 230 zu verändern, zum Beispiel zur Abstimmung des Antennenelements 200 auf eine Zielfrequenz.
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Der Schlitz 230 ist zwischen den oberen und unteren Segmenten 232, 234 und zwischen den ersten und zweiten Seitensegmenten 236, 238 offen (zum Beispiel frei von Leitern). Der Schlitz 230 hat eine Schlitzhöhe 240 zwischen dem oberen und unteren Segment 232, 234 und eine Schlitzbreite 242 zwischen dem ersten und zweiten Seitensegment 236, 238. Die Schlitzhöhe 240 und die Schlitzbreite 242 können anhand der Breiten und Höhen der Kopfsegmente gesteuert werden. Der Schlitz 230 erhöht die Bandbreite des ersten Leiters 220, um Bluetooth und niedrige WiFi-Frequenzbänder abzudecken. Der Schlitz 230 erhöht die Leistung im WiFi Hochfrequenzband und im DSRC-Frequenzband.
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Der zweite Leiter 250 ist zumindest teilweise auf der ersten Seitenfläche 212 des Substrats 210 angeordnet. Der zweite Leiter 250 weist eine erste Masseplatte 251 und eine zweite Masseplatte 252 auf, die den ersten Leiter 220 flankieren. In einer beispielhaften Ausführungsform weist der zweite Leiter 250 eine erste Stichleitung 253 auf, der sich von der ersten Masseplatte erstreckt, und eine zweite Stichleitung 254, der sich von der zweiten Masseplatte 252 erstreckt. Der zweite Leiter 250 kann in alternativen Ausführungsformen zusätzliche Stichleitungen aufweisen. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die ersten und zweiten Stichleitungen 253, 254 mit der ersten und zweiten Masseplatte 251, 252 über erste bzw. zweite Verbindungen 255, 256 elektrisch verbunden.
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Die Masseplatten 251, 252 sind auf der ersten Seitenfläche 212 angrenzend an den Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 an dessen gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Zum Beispiel ist die erste Masseplatte 251 auf einer rechten Seite des Zuleitungsabschnitts 222 und die zweite Masseplatte 252 auf einer linken Seite des Zuleitungsabschnitts 222 des ersten Leiters 220 angeordnet. Die Begriffe „linke Seite“ und „rechte Seite“ beziehen sich auf eine Ausrichtung des ersten Leiters 220 mit der Vorderseite nach oben. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Masseplatten 251 und 252 äquidistant an gegenüberliegenden Seiten des Zuleitungsabschnitts 222 des ersten Leiters 220 vorgesehen. Mit anderen Worten, der Abstand zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 und den Masseplatten 251 und 252 des zweiten Leiters 250 ist auf beiden gegenüberliegenden Seiten gleich. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die erste Masseplatte 251 von dem Zuleitungsabschnitt 222 durch einen ersten Spalt und die zweite Masseplatte 252 von dem Zuleitungsabschnitt 222 durch einen zweiten Spalt getrennt. In einer beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich der Widerstand 225 über den ersten Spalt zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und der ersten Masseplatte 251; der Widerstand 225 kann sich jedoch zusätzlich oder alternativ auch über den zweiten Spalt zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und der zweiten Masseplatte 252 erstrecken.
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In der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Verbindungen 255, 256 von den distalen Enden der Masseplatten 251, 252. So sind die Stichleitungen 253, 254 mit den Masseplatten 251, 252 in der Nähe des Antenneneinspeisepunkts F gekoppelt, nämlich in der Nähe des Schnittpunkts zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 und dem Monopolabschnitt 224. In einer beispielhaften Ausführungsform verlaufen die ersten und zweiten Stichleitungen 253, 254 im Allgemeinen parallel zu den ersten und zweiten Masseplatten 251, 252. Die Stichleitungen 253, 254 befinden sich außerhalb der Masseplatten 251, 252. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die ersten und zweiten Stichleitungen 253, 254 von den ersten und zweiten Verbindungen 255, 256 nach unten gerichtet und erstrecken sich in Richtung des Sockels 150. Die ersten und zweiten Verbindungen 255, 256 erstrecken sich dazwischen und definieren den Abstand zwischen den Stichleitungen 253, 254 und den Grundflächen 251, 252. Beispielsweise definiert die erste Verbindung 255 einen ersten Abstand 258 zwischen der ersten Masseplatte 251 und der ersten Stichleitung 253 und das zweite Verbindungsglied 256 definiert einen zweiten Abstand 259 zwischen der zweiten Masseplatte 252 und der zweiten Stichleitung 254. Die erste und die zweite Stichleitung 253, 254 reichen nicht in Bereiche neben (d.h. angrenzend an) dem Monopolteil 224 des ersten Leiters 220. Dementsprechend bewahrt die Ausgestaltung des Antennenelements 200 einen offenen Raum auf gegenüberliegenden Seiten des Monopolabschnitts 224 des ersten Leiters 220. Die ersten und zweiten Stichleitungen 253, 254 erstrecken sich in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zum Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 ist. Da der Monopolabschnitt 224 in einer Linie mit dem Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 liegt, erstrecken sich die Stichleitungen 253 und 254 ebenfalls in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zum Monopolabschnitt 224 verläuft.
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Die Masseplatten 251, 252 und die Stichleitungen 253, 254 bilden zusammen einen koplanaren Wellenleiter. Im Zusammenhang mit der Beschreibung soll der Begriff „koplanar“ oder „planar“ die Erfindung nicht auf eine ebene Fläche (d.h. Ebene) beschränken, sondern in dem Sinne ausgelegt werden, dass er sich auf beliebige Flächen bezieht, beispielsweise auch auf gekrümmte Flächen. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck „Massenflächen und Stichleitungen bilden zusammen einen koplanaren Wellenleiter“ auf die Tatsache, dass beide gemeinsam auf derselben (entweder ebenen oder gekrümmten) Fläche angeordnet sind und dadurch einen Wellenleiter bilden.
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Der erste Leiter 220 weist ferner einen HF-Eingang 260 zur Einspeisung eines HF-Signals auf, das über den Monopolabschnitt 224 des ersten Leiters 220 übertragen werden soll. Mit anderen Worten, das HF-Signal wird über den HF-Eingang 260 an einem proximalen Ende des Zuleitungsabschnitts 222 des ersten Leiters 220 eingeleitet, um von dem Monopolabschnitt 224 des ersten Leiters 220 abgestrahlt zu werden. Das HF-Signal kann dem HF-Eingang 260 über den Mittelleiter des Koaxialkabels 160 oder eine Übertragungsleitung einer Leiterplatte, wie dem Sockel 150, zugeführt werden. Der zweite Leiter 250 weist ferner eine Masseverbindung 262 zur Zuführung eines GND-Signals zu den ersten und zweiten Masseplatten 251, 252 des zweiten Leiters 250 auf. Mit anderen Worten, das GND-Signal wird über den Masseanschluss 262 an einem proximalen Ende einer der Masseplatten 251, 252 eingeleitet, um eine Referenzspannung für den ersten Leiter 220 bereitzustellen. Die Masseplatten 251, 252 können über den Sockel 150 elektrisch miteinander verbunden sein, zum Beispiel über Durchkontaktierungen, Leiterbahnen und dergleichen, die sich auf einer oder mehreren Schichten des Sockels 150 befinden können. Das GND-Signal kann über den Außenleiter des Koaxialkabels 160 oder eine Übertragungsleitung des Sockels 150, beispielsweise eine Masseschicht der Leiterplatte des Sockels 150, zugeführt werden.
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3 ist eine Vorderansicht des Antennenelements 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, die die Leiter 220, 250 mit Größen und Formen zeigt, die für den Dualbandeinsatz bei Frequenzen von etwa 2,4 GHz und 5,9 GHz konfiguriert sind. Änderungen der Größen und Formen der Leiter 220, 250 können das Antennenelement 200 für die Verwendung bei anderen Zielfrequenzen ausgestalten.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 rechteckig und hat eine Länge 300 von etwa 16 mm und eine Breite 302 von etwa 1 mm. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Zuleitungsabschnitt 222 vertikal ausgerichtet, so dass die Länge 300 eine Höhe des Zuleitungsabschnitts 222 definiert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform weist der Monopolabschnitt 224 des ersten Leiters 220 rechteckige Abschnitte auf. Zum Beispiel ist der Hals 226 rechteckig und hat eine Länge 310 (zum Beispiel eine Höhe) von ungefähr 2 mm und eine Breite 312 von ungefähr 1 mm. Die Breite 312 kann dieselbe sein wie die Breite 302 des Zuleitungsabschnitts 222. Der Kopf 228 ist rechteckig und hat eine Länge 314 (zum Beispiel eine Höhe) von ungefähr 5 mm und eine Breite 316 von ungefähr 12 mm. Die Länge 314 und die Breite 316 sind ausreichend, um die Kopfsegmente und den Schlitz 230 unterzubringen. So sind beispielsweise die Schlitzbreite 242 und die Schlitzhöhe 244 geringer als die Breite 316 und die Länge 314. In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Schlitzbreite 242 etwa 10 mm und die Schlitzhöhe 244 etwa 2 mm. Die Kopfsegmente haben Höhen und Breiten, die zusammen mit der Höhe und der Breite des Schlitzes 230 die Länge 314 und die Breite 316 des Kopfes 228 bestimmen. Die Höhen und Breiten der verschiedenen Kopfsegmente können unterschiedlich sein. In der gezeigten Ausführungsform weist das obere Segment 232 eine Höhe von ca. 1 mm und eine Breite von ca. 12 mm auf (es überspannt zum Beispiel die gesamte Breite 316 des Kopfes 228). In der dargestellten Ausführungsform hat das untere Segment 234 eine Höhe von ca. 2 mm und eine Breite von ca. 12 mm (es überspannt zum Beispiel über die gesamte Breite 316 des Kopfes 228). In der dargestellten Ausführungsform haben die Seitensegmente 236, 238 eine Höhe von ca. 2 mm (es überspannt zum Beispiel die gesamte Schlitzhöhe 244) und eine Breite von ca. 1 mm. Andere Höhen und Breiten sind in alternativen Ausführungsformen möglich, um die Größe und Form des Monopolteils 224 relativ zum zweiten Leiter 250 zu ändern, um die Antenneneigenschaften zu verändern, wie zum Beispiel die Zielfrequenzen, die Rückflussdämpfung, die Antennenverstärkung und dergleichen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Masseplatte 251, 252 in Größe und Form ähnlich. Beispielsweise können die erste und die zweite Masseplatte 251, 252 spiegelbildliche Versionen voneinander auf gegenüberliegenden Seiten des Zuleitungsabschnitts 222 sein. Die hier beschriebenen Abmessungen beziehen sich auf die erste Masseplatte 251, können aber mit der zweiten Masseplatte 252 identisch sein. In alternativen Ausführungsformen können die erste und die zweite Masseplatte 251, 252 unterschiedliche Formen aufweisen. Die erste Masseplatte 251 ist rechteckig und hat eine Länge 330 (zum Beispiel eine Höhe) von etwa 15 mm und eine Breite 332 von etwa 3 mm. Der erste Spalt kann eine Spaltbreite 334 von etwa 0,5 mm zwischen der ersten Masseplatte 251 und dem Zuleitungsabschnitt 222 aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform kann das Antennenelement 200 eine Außenkantenbreite 336 von etwa 8 mm von der Außenkante der ersten Masseplatte 251 bis zur Außenkante der zweiten Masseplatte 252 aufweisen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sind die ersten und zweiten Stichleitungen 253, 254 in Größe und Form ähnlich. Zum Beispiel können die ersten und zweiten Stichleitungen 253, 254 spiegelbildlich zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Zuleitungsabschnitts 222 angeordnet sein. Die hier beschriebenen Abmessungen beziehen sich auf die erste Stichleitung 253, können aber mit der zweiten Stichleitung 254 identisch sein. In alternativen Ausführungsformen können die erste und die zweite Stichleitung 253, 254 voneinander abweichende Formen haben. Der erste Zapfen 253 ist rechteckig und hat eine Länge 340 (zum Beispiel eine Höhe) von etwa 8,5 mm und eine Breite 342 von etwa 1 mm. Der erste Abstand 258 kann eine Abstandsbreite 344 von etwa 2 mm zwischen der ersten Masseplatte 251 und der ersten Stichleitung 253 aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform kann das Antennenelement 200 eine Außenkantenbreite 346 von etwa 14 mm von der Außenkante der ersten Stichleitung 253 bis zur Außenkante der zweiten Stichleitung 254 aufweisen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Verbindung 255, 256 in Größe und Form ähnlich. Beispielsweise können die ersten und zweiten Verbindungen 255, 256 spiegelbildliche Versionen voneinander auf gegenüberliegenden Seiten des Zuleitungsabschnitts 222 sein. Die hier beschriebenen Abmessungen beziehen sich auf die erste Verbindung 255, können aber mit der zweiten Verbindung 256 identisch sein. In alternativen Ausführungsformen können die erste und die zweite Verbindung 255, 256 voneinander abweichende Formen haben. Die erste Verbindung 255 ist rechteckig und hat eine Länge 350 (zum Beispiel eine Höhe) von etwa 1 mm und eine Breite 352 von etwa 2 mm. Die Breite 352 kann den ersten Abstand 258 zwischen der ersten Masseplatte 251 und der ersten Stichleitung 253 definieren. Optional kann die Breite 352 der ersten Verbindung 255 und damit der erste Abstand 258 der Länge 310 (zum Beispiel der Höhe) des Halses 226 entsprechen (zum Beispiel ungefähr gleich sein). So kann ein Abstand 358 zwischen dem Kopf 228 und dem zweiten Leiter 250 dem Abstand zwischen der Masseplatte 251 und der Stichleitung 253 entsprechen.
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Der Sendebetrieb eines HF-Signals durch das Antennenelement 200 wird hier noch ausführlicher beschrieben. Der Betrieb des Antennenelements 200 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann das Antennenelement 200 auch für den Empfangsbetrieb verwendet werden, bei dem das Antennenelement durch ein extern abgestrahltes Signal angeregt wird. Ein HF-Signal wird in den HF-Eingang 260 des ersten Leiters 220 und ein GND-Signal in den Masseanschluss 262 des zweiten Leiters 250 eingeleitet. Aufgrund der Masseplatten 251, 252 des zweiten Leiters 250 arbeitet der Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 als koplanare Übertragungsleitung, um das am HF-Eingang 260 empfangene HF-Signal zum Antennenspeisepunkt F zu leiten. Eine Spannung an der Lücke zwischen dem Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 und den beiden Masseplatten 251, 252 des zweiten Leiters 250 am Antennenspeisepunkt F, die durch das HF-Signal erzeugt wird, bewirkt, dass ein HF-Strom in dem Monopolabschnitt 224 des ersten Leiters 220 fließt. Der im Zuleitungsabschnitt 222 des ersten Leiters 220 geführte Differenzstrom kehrt entlang der Oberflächen der Masseplatte 251, 252 des zweiten Leiters 250, welche dem Zuleitungsabschnitt 222 am nächsten ist, zum HF-Eingang 260 zurück. Die vom Monopolteil 224 des ersten Leiters 220 abgestrahlte Energie kann auch einen Gleichtaktstrom induzieren, der entlang der Oberflächen der beiden Masseplatten 251, 252 des Leiters, welche dem Zuleitungsabschnitt 222 am nächsten ist, vom Antennenspeisepunkt F wegfließt. Aufgrund der begrenzten Breite und Länge der beiden Masseplatten 251 und 252 im Verhältnis zur Betriebsfrequenz kann es zu Problemen kommen, zum Beispiel zu unerwünschter HF-Strahlung von den beiden Masseplatten.
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Um unerwünschte HF-Strahlung von den beiden Masseplatten 251, 252 zu eliminieren oder zu reduzieren, werden die Stichleitungen 253, 254 eingesetzt. Der Gleichtaktstrom kann dazu neigen, auf der anderen Seite der beiden Stichleitungen 253, 254 zu fließen (d.h. zu der Oberfläche der Stichleitungen, die am weitesten vom Zuleitungsabschnitt 222 entfernt ist) und zu den distalen Enden der Stichleitungen 253, 254 zurückzukehren. Beim Design eines Antennenelements können die Längen der beiden Stichleitungen 253 und 254 so gewählt werden, dass ein Gleichtaktstromfluss zurück zum HF-Eingang 260 verhindert wird. Dieser Impedanzeffekt lässt sich erklären, wenn man davon ausgeht, dass die beiden Masseplatten 251, 252 und die beiden Stichleitungen 253, 254 eine Übertragungsleitung als koplanarer Wellenleiter (CPW) ausbilden. Nach diesem Modell bilden die beiden Masseplatten 251 und 252 den Mittelleiter des CPW, und die beiden Stichleitungen 253 und 254 bilden die Außenleiter des CPW. Der Hohlleiter ist an seinem distalen Ende durch die Verbindungen 255, 256 kurzgeschlossen. Wenn die effektive Länge des CPW etwa eine Viertelwellenlänge beträgt (zum Beispiel bei der Mittenfrequenz eines gewünschten Frequenzbandes), dann kann die Impedanz am offenen Ende des CPW (zum Beispiel an den proximalen Enden der beiden Stichleitungen 253, 254) bei der Betriebszielfrequenz nahezu unbegrenzt sein. Diese Impedanz widersteht dem Fluss von Gleichtaktstrom zurück zur Quelle entlang der beiden Masseplatten 251, 252, was dazu führt, dass das Antennenelement 200 tendenziell ausgeglichener ist in dem Sinne, dass die Strahlung durch den Zuleitungsabsch 222 bei der Zielfrequenz, die den Längen der Stichleitungen 253, 254 entspricht, reduziert oder eliminiert wird. In einem solchen Fall kann es wünschenswert sein, dass der Monopolteil 224 des ersten Leiters 220 eine effektive Länge von etwa einer Viertelwellenlänge hat, die ebenfalls der Frequenz entspricht, für die die Länge der Stichleitungen gewählt wurde. Die effektiven Längen des Monopolabschnitts 224 und des Zuleitungsabschnitts 222 können jedoch ein Vielfaches von einem Viertel der Wellenlänge der gewünschten Frequenz sein. Zusätzlich zu der Resonanz, die einem Viertel der Wellenlänge der Stichleitung und des Monopolteils entspricht, kann eine weitere Resonanz durch die richtige Wahl der Höhe der Masseplatte im Verhältnis zur Größe des Monopolteils und der Stichleitung erzeugt werden. Eine sorgfältige Auswahl der Abmessungen ermöglicht einen Zweifrequenzbetrieb, bei dem die Auswirkungen der Stichleitung und der Masseplatte auf das zweite Frequenzband minimal sind. Der Zweifrequenzbetrieb wird verbessert, wenn die zweite Resonanz in einem ausreichenden Abstand liegt und die Abmessungen der Stichleitungen im Verhältnis zur Wellenlänge im zweiten Frequenzband klein sind (zum Beispiel 2,4 GHz und 5,8 GHz, wobei die Länge der Stichleitungen für 5,8 GHz optimiert ist). Zum Beispiel sind die Viertelwellen-Stichleitungen und das Kopfteil des Monopolteils für ein Hochfrequenzband von 5,8 GHz optimiert. Es versteht sich, dass jede Beschreibung des Betriebs eines Antennenelements gemäß einer Ausführungsform hier nur zu Erklärungszwecken dargestellt wird. Insbesondere stellt eine solche Erklärung selbst keine Einschränkung einer Ausgestaltung dar, wie sie in den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungen dargelegt ist.
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Das Antennenelement 200 hat derartige Abmessungen und eine Form, die geometrisch in eine Dachantennenanordnung passt. Die Konstruktion des Antennenelements 200 ermöglicht ein schmales proximales Ende des Substrats 210. Die Bereiche auf beiden Seiten des Monopolteils 224 des Antennenelements 200 sind frei, so dass kein Teil des zweiten Leiters 250 (d.h. die Stichleitungen 253, 254) in unmittelbarer Nähe des Monopolteils 224 angeordnet ist. Gleichzeitig können die Stichleitungen 253, 254 mit der gleichen Länge wie der Monopolabschnitt 224, nämlich λ/4, ausgeführt werden. Dementsprechend kann das Antennenelement 200 vorteilhaft in eine Dachantennenanordnung eingebaut werden. In einer beispielhaften Ausführungsform verwirklicht das Antennenelement 200 ebenfalls den Vorteil eines omnidirektionalen Strahlungsdiagramms. Insbesondere weist die Konstruktion des Antennenelements 200 einschließlich des Monopolteils 224, der aus dem zweiten Leiter 250 herausragt, eine verbesserte Fähigkeit auf, eine gleiche Leistung in alle Richtungen senkrecht zur Ausdehnung des Antennenelements 200 abzustrahlen.
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Die 4-6 zeigen Analyseergebnisse, die für ein beispielhaftes Antennenelement, wie das in den 2-3 dargestellte Antennenelement, gemessen wurden. Die Leistungsverluste werden auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten, während ein funktionsfähiger Betrieb in mehreren Bändern gewährleistet wird, zum Beispiel um Bluetooth-Kommunikation und/oder WIFI-Kommunikation und/oder V2X-DSRC-Kommunikation für ein Fahrzeug zu ermöglichen. Die in den 4 bis 6 dargestellten Analyseergebnisse dienen der Veranschaulichung und stellen keine Einschränkung dar. Alternative Ausführungsformen des Antennenelements können anders konfiguriert sein und andere Betriebs- oder Leistungsparameter aufweisen, als die in den 4 bis 6 gezeigten.
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4 zeigt ein Diagramm, das die Impedanzanpassung (S11) für das Antennenelement 200 in Dezibel gegenüber der Frequenz in Gigahertz darstellt. Die Eigenschaften des Antennenelements 200 erfüllen die Anforderungen an eine Fahrzeugantenne, wie zum Beispiel unter -5 dB, für den Betrieb in den gewünschten Frequenzbereichen von 2,4 - 2,6 GHz und 5 - 6 GHz. Beispielsweise liegen die gemessenen Reflexionen 400, 402, 404 und 406 im Bluetooth-Frequenzbereich (2,4 GHz), im niedrigen WIFI-Frequenzbereich (2,5 GHz), im hohen WIFI-Frequenzbereich (5,15 GHz) und im V2X-DSRC-Frequenzbereich (5,85 GHz) alle unter -5 dB, in der dargestellten Ausführungsform sogar unter -10 dB, um die Betriebsanforderungen zu erfüllen. Das Antennenelement 200 hat vorteilhafterweise eine ausreichende Impedanzanpassung in mehreren Frequenzbändern. Das einzelne Antennenelement 200 kann für Bluetooth-Kommunikation, WIFI-Kommunikation und DSRC-Kommunikation verwendet werden. Dies ermöglicht den Einsatz des Antennenelements 200 im Bereich der Fahrzeugkommunikation, zum Beispiel für die Fahrzeug-zu-Umwelt Kommunikation, bei der es auf die drahtlose Kommunikation mit verschiedenen Gerätetypen auf verschiedenen Frequenzen ankommt.
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5 zeigt ein Diagramm, das ein Richtstrahlungsdiagramm des Antennenelements 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. Das Antennenelement 200 ist omnidirektional und hat eine Verstärkung in alle Richtungen. Die Darstellung zeigt die realisierte Verstärkung in einer horizontalen Ebene bei verschiedenen Frequenzen, wie der Bluetooth-Frequenz (2,4 GHz), der niedrigen WIFI-Frequenz (2,5 GHz), der hohen WIFI-Frequenz (5,15 GHz) und der V2X DSRC-Frequenz (5,85 GHz). Die realisierte Verstärkung liegt in allen Richtungen zwischen etwa 5 dB und 7,5 dB, was eine gute Leistungsfähigkeit des Antennenelements 200 in allen Richtungen zeigt. 5 zeigt, dass die Antennenverstärkung des Antennenelements 200 in der horizontalen Ebene einem Azimutmuster ähnelt, das am Horizont ein omnidirektionales Muster mit einer Abweichung von weniger als etwa 2,5 dB ergibt. Das Antennenelement 200 hat vorteilhafterweise ein omnidirektionales Strahlungsdiagramm in der horizontalen Ebene. Dadurch kann das Antennenelement 200 im Bereich der Fahrzeug-zu Fahrzeug Kommunikation eingesetzt werden, wo es wichtig ist, dass die drahtlose Kommunikation in jeder horizontalen Richtung funktioniert.
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6 zeigt ein Diagramm, das die realisierte Fernfeldverstärkung bei verschiedenen Elevationswinkeln mit festen Azimutwinkeln (0° und 90°) für das Antennenelement 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. 6 zeigt die Antennenverstärkung in einer vertikalen Ebene. 6 zeigt, dass das Antennenelement 200 bei den relevanten vertikalen Winkeln eine angemessene Antennenverstärkung aufweist. So erreicht das Antennenelement 200 beispielsweise zwischen 30° und 90° noch eine ausreichende Leistung. Noch wichtiger ist, dass das Antennenelement 200 zwischen 60° und 90° sowohl bei der Bluetooth-Frequenz (2,4 GHz) als auch bei der V2X-DSRC-Frequenz (5,85 GHz) eine realisierte positive Verstärkung aufweist.
