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Die Erfindung betrifft eine Richtantenne,
ein Richtantennen-Empfangssystem
sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Richtantennen-Empfangssystems,
insbesondere zum mobilen Einsatz, beispielsweise zum Einsatz in
Kraftfahrzeugen.
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Zum normgerechten terrestrischen
Fernsehempfang sind Antennen mit starker Richtwirkung, typischerweise
mit einem Öffnungswinkel < 50° und einem
Gewinn > 10 dB, vorteilhaft.
Diese Antennen werden so auf einen Sender ausgerichtet, dass ein eindeutiges
Bildsignal mit genügend
hohem Pegel empfangen wird (Signal-Rausch-Verhältnis S/N ca. 40 dB). Für Stationär-Betrieb in Gebäuden kommen dafür üblicherweise
Yagi-Strahler zum Einsatz, die wegen ihres großen Volumens und hohen Gewichts jedoch
zum Verbau in Kraftfahrzeugen ungeeignet sind.
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Im Gegensatz zum stationären Gebäude-Empfang ändern sich
bei einem Einsatz von Antennen im Fahrzeug die Feldstärkeverhältnisse
am Ort des Fahrzeugs ständig
in Abhängigkeit
von der Fahrzeugbewegung. Aufgrund von Umgebungs-Reflexionen kann
es zusätzlich
zum direkten Signalweg vom Fernsehsender zum Fahrzeug noch weitere
bewegungsabhängige
Signalwege geben. Diese Wege können
unterschiedliche Längen
und damit Laufzeiten haben, so dass störende Interferenzen bis hin
zu Signal-Auslöschungen
auftreten, eine sogenannte dynamische Multipath-Situation.
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Bei herkömmlichen Systemen besteht daher bisher
das Problem, dass durch "Multipath" beim Fernsehempfang
in Kraftfahrzeugen eine Bildüberlagerung
auftritt. Aufgrund dessen treten trotz hohen Empfangspegels instabile,
mehrdeutige bis unkenntliche Darstellungen auf.
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Das bei Kraftfahrzeugen übliche Antennen-Prinzip
für Fernsehempfang
ist der Stab-Strahler, der z.B. als Leiterbahn in der Heckscheibe
realisiert wird, ähnlich
den Drähten
des Heizfeldes. Derartige Strahler haben jedoch keine hohe Richtwirkung,
so dass sie hauptsächlich
das Gesamtfeld am Ort des Fahrzeugs detektieren, d.h. es erfolgt
eine Überlagerung
aller Signalwege. Daraus resultieren folgende Nachteile gegenüber einer
Yagi-Richtantenne für
Stationärempfang:
- – Der
Empfangspegel im Hauptsignalweg ist um einen Faktor < 0,1 geringer.
- – Es
erfolgen bewegungsabhängige
Signaleinbrüche.
- – Es
tritt eine Überlagerung
mehrerer zeitlich versetzter Bilder auf.
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Aufgrund des vorstehend erwähnten geringen
Hauptsignalweg-Empfangspegels
werden in Kraftfahrzeugen um bis zu einem Faktor 100 empfindlichere
Tuner eingesetzt als beim Gebäude-Empfang. Außerdem werden
mehrere Antennen, typischerweise 2 bis 4 verwendet, die an unterschiedlichen
Orten positioniert sind, so dass sie unterschiedliche Signale empfangen.
Mit Hilfe einer Umschalt-Technik (Diversity) wird immer das beste
Signal dieser Antennen ausgewählt,
wobei der Empfangspegel das Haupt-Auswahlkriterium ist. Damit wird
der Multipath-Problematik
jedoch nur unzureichend Rechnung getragen. Typisch sind nämlich dennoch
Situationen, in denen das Bild trotz eines kräftigen Empfangspegels aufgrund
von positiv interferierenden Signalwegen mit (leicht) unterschiedlichen
Laufzeiten stark instabil und mehrdeutig ist, wodurch "Geisterbilder" auftreten.
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In 3 sind
Signalverläufe
gezeigt, die zu Bildstörungen
beim herkömmlichen
Multipath-Empfang führen.
Aufgrund verschieden langer Signalwege kommt es beim Empfang zu
einem Zeitversatz. In 3 ist
beispielhaft ein Signal mit kurzem und ein Signal mit langem Signalweg
gezeigt. Aufgrund dieses durch die unterschiedlichen Signalwege
bedingten Zeitversatzes entstehen trotz eines hohen Empfangspegels
zwangsläufig
instabile, mehrdeutige bis unkenntliche Darstellungen.
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Die Beherrschung der Multipath-Empfangsproblematik
setzt daher die Verwendung von Richtantennen voraus. Diese Richtantennen
müssen
so auf den Sender ausgerichtet werden, dass nur ein Haupt-Signalweg
stark empfangen wird. Signale aus anderen Richtungen liefern dann
keinen wesentlichen Leistungsbeitrag.
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Antennen mit starker Richtwirkung
können als
Gruppenstrahler aus einzelnen wenig gerichteten Strahlern aufgebaut
werden. Je größer die
gewünschte
Richtwirkung ist, desto größer muss
die effektive Empfangsfläche
der Gruppe sein, um entsprechend viel Leistung aus dem senkrecht
dazu einfallenden Wellenfeld aufzunehmen. Deshalb sind Richtantennen
deutlich voluminöser
als ungerichtete Einzelstrahler. Dies äußert sich entweder in großer Länge, wie
z.B. bei der Yagi-Antenne, oder in großer Fläche, wie z.B. bei Patch-Array.
Es sind auch kombinierte Bauformen für Richtantennen möglich.
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Im Kraftfahrzeug steht jedoch der
für konventionelle
Richtantennen erforderliche große
Bauraum naturgemäß nicht
zur Verfügung.
Darüber
hinaus ist es bei wärmeverglasten
Fahrzeugscheiben, bei denen die Wärmeverglasung beispielsweise
aus einer reflektierenden Infrarotschicht besteht, die zwischen zwei
Scheiben Glas lamelliert ist, nicht möglich, funktionsfähige konventionelle
Antennen auf der Scheibenoberfläche
aufzubringen.
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Aus "Unsichtbares AM/FM/TV-Scheibenantennensystem
mit wärmetransmissionsmindernder Schicht" von L.Reiter, H.
Lindenmei er, J.Hopf, R. Kronberger, ITG Diskussionssitzung "Antennen für mobile
Systeme 2000", Seiten
101 bis 104, Starnberg, 12./13. Oktober 2000 ist beispielsweise
eine Kraftfahrzeugscheibe bekannt, bei der im Verbundglas eine Folie
mit begrenzt leitfähiger
Schicht oder eine auf das Glas aufgedampfte Schicht enthalten ist. Im
Randbereich der Scheibe ist eine Überdeckung der Schicht mit
der leitenden Karosserie vermieden, eine längliche "Sammelelektrode" ist in das Verbundglas im Zusammenwirken
mit der überdeckenden Schicht
derart beigelegt, dass eine Empfangsfläche gestaltet ist, dass ein
Antennensignal galvanisch oder kapazitiv an einer Sammelelektrode
ausgekoppelt werden kann. Mit im Randbereich der Innenscheibe aufgedruckte
koplanare HF-Leitungen dienen zur Zufuhr von mehreren, an den Sammelelektroden
abgegriffenen Antennensignalen zu Antennenverstärkern, deren Ausgangssignale
zu einer Zentraleinheit mit FM- und TV-Diversityprozessoren geleitet werden.
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Aus der
DE 3904676 A1 ist eine Fahrzeugantenne
in Form einer Schlitzantenne bekannt. Hierbei sind an der Fahrzeugkarosserie
zwei oder mehrere Schlitzantennen verteilt angeordnet. Jede Schlitzantenne
ist über
ein n·λ/2 langes
Antennenkabel mit einem zentralen Einspeisepunkt verbunden. Mindestens
eine Schlitzantenne kann dabei als Fahrzeug-Scheibenantenne ausgebildet
sein.
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Die
EP 0 760 537 B1 offenbart eine Glasantenne
für eine
Fahrzeugscheibe. Die Antennenscheibe besteht aus einer Innenscheibe,
einer Außenscheibe,
einer Verbundschicht und einer optisch transparenten, elektrisch
leitfähigen
Sonnenschutzbeschichtung. Im Bereich von zumindest einem Rand der
Antennenscheibe weist die Sonnenschutzbeschichtung zum entsprechenden
Rand der Fensteröffnung
hin einen streifenförmigen
Schlitzbereich auf, ansonsten ist sie bis zum Rand der Antennenscheibe geführt und überlappt
den entsprechenden Randbereich der Fensteröffnung. Die den Randbereich
der Fensteröffnung überlappende
Sonnenschutzbeschichtung ist mit der Karosserie hochfrequenzleitend
verbunden, während
der Schlitzbereich zwischen der Sonnenschutzbeschichtung und dem
entsprechenden Rand der Fensteröffnung
als Schlitzantenne in der Kraftfahrzeugkarosserie geschaltet ist.
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Jedoch weisen diese aus dem Stand
der Technik bekannten Scheibenantennen keine hohe Richtwirkung auf,
so dass keine wesentliche Verbesserung der (Fernseh-)Empfangsqualität möglich ist. Zudem
ist es zur Realisierung einer derartigen Antennen erforderlich,
eine reflektierende Sonnenschutzbeschichtung im Anntennenbereich
auszusparen, um eine funktionstüchtige
Antenne zu erhalten. Außerdem
benötigen
bekannte Richtantennen viel Platz.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Richtantenne, ein Richtantennen-Empfangssystem sowie
ein Verfahren zum Betrieb dieses Richtantennen-Empfangssystems auszubilden,
mit dem eine deutliche Verbesserung der (Fernseh-)Empfangsqualität, beispielsweise
in Kraftfahrzeugen möglich
ist, wobei die Richtantenne bzw. das Richtantennen-Empfangssystem
zusätzlich
nur wenig Platz benötigt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Richtantenne mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Richtantennen-Empfangssystem mit
den Merkmalen von Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines
Richtantennen-Empfangssystems nach einem der Ansprüche 7 bis
11 mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Durch die erfindungsgemäße Richtantenne sowie
das erfindungsgemäße Richtantennen-Empfangssystem
und das erfindungsgemäße Verfahren zum
Betreiben dieses Richtantennen-Empfangssystems kann durch Ausrichtung
auf einen Hauptsignalweg und eine Ausblendung störender zusätzlicher Empfangswege (Multipath)
ein stabiles und eindeutiges Bild erhalten werden. Darüber hinaus
ist eine Beherrschung von "Feldstärke-Einbrüchen am
Ort des Fahrzeugs" durch
eine große
räumliche
Diversity-Effizienz der Einzel-Antennen verwirklichen. Außerdem erfolgt
durch das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb dieses Richtantennen-Empfangssystems eine
Echtzeit-Synthese eines stabilen und rauscharmen Bilds durch digitale
Analyse und Nachbearbeitung der Antennen-Empfangssignale.
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Diese und weitere Aufgaben, Vorteile
und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
in Verbindung mit der Zeichnung ersichtlich.
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Dabei zeigen:
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1 mit
den 1A und 1B die Schichtreihenfolge
einer erfindungsgemäßen Richtantenne
sowie eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Richtantenne,
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2 eine
bevorzugte Anordnung von erfindungsgemäßen Richtantennen gemäß 1 in einem erfindungsgemäßen Richtantennen-Empfangssystem
bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug und
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3 Signalverläufe, die
beim herkömmlichen
Multipath-Empfang
zu Bildstörungen
führen.
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Die erfindungsgemäße Richtantenne sowie das erfindungsgemäße Richtantennen-Empfangssystem
und das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb dieses Richtantennen-Empfangssystems, insbesondere für mobilen
Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen sind darauf gerichtet,
die im Stand der Technik vorhandenen Probleme mit instabilen, verrauschten
Bildern und/oder Geisterbildern aufgrund der Multipath-Empfangsproblematik
zu vermeiden.
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Daher werden bei der erfindungsgemäßen Richtantenne
metallisierte Flächen
von Infrarot-reflektierenden Wärmeschutz-Verglasungen, beispielsweise
in Kraftfahrzeugen, als Strahler-Strukturen gestaltet. Hierzu ist
erfindungsgemäß eine elektrisch leitende
Metallisierungsschicht der Wärmeschutzverglasung
mit feinen Laserschnitten versehen, so dass gerichtete Antennengruppen
beispielsweise auf der Basis der Prinzipien Schlitz-Strahler und
Koplanar-Strahler ausgebildet sind. Die elektrisch leitende Metallisierungsschicht
kann mit feinen Schnitten, mit beispielsweise einer Schnittbreite
von 100 μm
ohne störende
optische Effekte unterbrochen werden.
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Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Richtantenne
zusätzlich
zur elektrisch leitenden Metallisierungsschicht der Wärmeschutzverglasung
eine zweite Metallisierungs-Schicht eingesetzt wird, werden bei
der erfindungsgemäßen Richtantenne
auch Streifenleitungs-Strahler, d.h. Patch-Arrays möglich.
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1 zeigt
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Richtantenne
am Beispiel der Integration in eine metallisierte Wärmeschutzverglasung,
wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, wobei
zusätzlich
zur üblichen
Metallisierung der Wärmeschutzverglasung
eine weitere Metallisierungsschicht verwendet wird. Hierbei ist
aus 1A die Schichtreihenfolge
ersichtlich und in 1B die erfindungsgemäße Richtantenne
in Draufsicht gezeigt.
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In 1A ist
gezeigt, dass bei einer Fahrzeugscheibe mit integrierter, erfindungsgemäßer Richtantenne
auf eine erste Glasschicht 1 eine erste Metallisierungsschicht 2 aufgebracht
ist. In. dieser ersten Metallisierungsschicht 2 sind Speiseleitungen 2a, 2b, 2c und 2d zur
Versorgung der erfindungsgemäßen Richtantenne
ausgebildet.
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Auf dieser ersten Metallisierungsschicht 2 ist wiederum
eine PVB-Schicht 3 und darauf eine zweite Metallisierungsschicht 4 ausgebildet.
In dieser zweiten Metallisierungsschicht sind mehrere, im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
vier Schlitze 4a, 4b, 4c und 4d ausgebildet.
Die letzte Schicht bildet eine zweite Glasschicht 5.
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Die in der ersten Metallisierungsschicht 2 ausgebildeten
Speiseleitungen 2a, 2b, 2c und 2d sowie
die in der zweiten Metallisierungsschicht 4 ausgebildeten
Schlitze 4a, 4b, 4c und 4d sind
aus der Draufsicht in 1B besser
ersichtlich.
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Die Abmessungen von Fahrzeugscheiben sind
dabei groß genug,
dass darin Gruppenstrahler im TV-Frequenzband mit der benötigten Richtwirkung
in der Größenordnung
von 10 dB untergebracht werden können.
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Aufgrund der erforderlichen optischen
Transparenz liegt die Dichte der Infrarot-reflektierenden Metallisierungsschicht
im nm-Bereich. Dementsprechend gering ist die elektrische Leitfähigkeit;
der Flächenwiderstand
beträgt
dabei typischerweise 5 bis 10 Ω/⧠.
Somit wird der Strahler-Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Richtantenne
geringer als bei konventionellen Fahrzeugantennen. Wegen der großen Richtwirkung
ist der Empfangspegel in der Regel trotzdem höher. Beispielsweise wird mit
10 dB Richtwirkung bei einem Wirkungsgrad von 10% noch gleich viel
Leistung empfangen wie bei einer Rundstrahl-Antenne.
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In horizontaler Richtung muss das
erfindungsgemäße Richtantennen-Empfangssystem,
das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Richtantennen verwendet,
eine Rundum-Abdeckung bieten, um beispielsweise bei Anwendung in
einem Fahrzeug bei beliebiger Fahrzeug-Position ein Signal von einem
Fernsehsender zu empfangen. Entsprechend ihrer Richtwirkung ist
die Keulenbreite von starken Richtantennen, wie den erfindungsge mäßen Richtantennen
deutlich geringer als 360°.
Daher müssen
mehrere erfindungsgemäße Richtantennen eingesetzt
werden, um die benötigte
360°-Abdeckung
zu erreichen, oder eine erfindungsgemäße Richtantenne müsste über 360° nachführbar sein.
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Als Bauräume für die erfindungsgemäße Richtantenne
bei Anwendung des Richtantennen-Empfangssystems in einem Fahrzeug
bieten sich vor allem die Heck- und Frontscheiben an, bei Kombi-Fahrzeugen auch die
hinteren feststehenden Seitenscheiben.
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2 zeigt
eine bevorzugte Anordnung von erfindungsgemäßen Richtantennen gemäß 1 in einem erfindungsgemäßen Richtantennen-Empfangssystem
bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Hierbei sind beispielsweise
jeweils zwei Richtantennen A1 bis A4 an der Front- und der Heckpartie des
Fahrzeugs, beispielsweise in der Front- bzw. Heckscheibe derart
nebeneinander angeordnet, dass sie Strahlung direkt von der Front- bzw. Heckseite sowie
entsprechend ihrer Keulenbreite von der Seite empfangen können. Zur
Vervollständigung
des Empfangsbereichs ist auf jeder Fahrzeugseite zusätzlich eine
Richtantenne A5, A6 in einer der Seitenscheiben, bevorzugt den hinteren
feststehenden Seitenscheiben ausgebildet, so dass alle Einstrahlungsrichtungen
abgedeckt sind. Durch die Ausbildung in den hinteren feststehenden
Seitenscheiben wird vermieden, dass Teile des Richtantennen-Empfangssystems
beim Öffnen
der Scheiben nicht mehr funktionstüchtig sind.
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Wenn die Einzel-Richtantennen in
ihrer Ausrichtung auf den Sender entsprechend der Fahrzeug-Bewegung
etwas nachgeführt
werden, beispielsweise 10° Nachführung bei
50° Keulenbreite, dann
lässt sich
die Gesamt-Richtantennenanzahl gegenüber starrer Ausrichtung reduzieren.
Durch die große
räumliche
Trennung (vorne, hinten, seitlich) wird mit dem erfindungsgemäßen Richtantennen-Empfangssystem
eine wesentlich bessere Diversity-Wirkung erreicht als bei herkömmlichen Heckscheiben-Antennensystemen.
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Ein erfindungsgemäßes Richtantennen-Empfangssystem
weist zusätzlich
zu diesen beispielsweise rund um das Fahrzeug angeordneten erfindungsgemäßen Richtantennen
A1 bis A6 eine Auswerte- und Umschalteinrichtung auf, die eine Umschaltung
des Richtantennen-Empfangssystems auf die jeweils beste Richtantenne
sowie im Fall von nachführbaren
Richtantennen eine Strahl-Nachführung
entsprechend Auswerteergebnissen durchführt.
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Die Auswerte- und Umschalteinrichtung
verwendet zur Auswertung entsprechend der eine Empfänger-Umschaltung
auf die jeweils beste Richtantenne sowie die Strahl-Nachführung erfolgt
nicht nur den Empfangspegel, da dieser als Entscheidungskriterium
nicht ausreichend ist. Vielmehr werden durch die Auswerte- und Umschalteinrichtung
auch zeitliche Kriterien angesetzt, die der Multipath-Situation Rechnung
tragen. Dies erfolgt beim erfindungsgemäßen Richtantennen-Empfangssystem
sowie beim erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb dieses Richtantennen-Empfangssystems, indem zusätzlich zum
Empfangspegel Kriterien aus einer Analyse der Zeilen- und Bildwechsel-Synchronimpulse
abgeleitet werden. Hierfür
werden Startzeitpunkt, Impulsdauer und Impulsform verwendet.
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Möglich
ist es auch, die von allen, beispielsweise 6, Richtantennen A1 bis
A6 zur Verfügung
stehenden Signale gleichzeitig zu digitalisieren und abzuspeichern.
Dann können
die einzelnen Bildzeilen detailliert auf Zeitversatz, usw. untersucht
und nachbearbeitet werden, um anschließend ein neues Gesamtbild zeilenweise
zusammenzusetzen, das stabiler und rauschärmer ist als die Einzelbilder
der Richtantennen.
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Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung
eine Richtantenne, ein Richtantennen-Empfangssystem und ein Verfahren
zum Betreiben dieses Richtantennen-Empfangssystems insbesondere
für mobilen
Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, durch die beim Empfang
von beispielsweise TV-Bildern
eine Anzeige von Geisterbildern aufgrund einer Multi path-Empfangsproblematik
vermieden werden kann. Dazu wird in einer Infrarot-reflektierenden
Wärmeschutzverglasung
eine Infrarot-reflektierende Metallisierungsschicht (4)
mit zumindest einem feinen Schnitt (4a, 4b, 4c, 4d)
in zumindest einem Bereich unterbrochen, dessen Schnittbreite derart
ausgelegt ist, dass keine störenden
optischen Effekte auftreten. Auf diese Weise kann ein Schlitz-Strahler
oder ein Koplanar-Strahler erhalten
werden. Zusätzlich
kann eine weitere Metallisierungsschicht (2) ausgebildet
sein, in für
jede der Richtantennen (4a, 4b, 4c, 4d)
zumindest eine Speiseleitung (2a, 2b, 2c, 2d)
ausgebildet ist. Auf diese Weise können Streifenleitungs-Strahler
ausgebildet werden. So können
kostengünstig
und mit geringem Platzbedarf gerichtete Antennengruppen gebildet werden.