DE19610783A1 - Antennenanordnung zur Anbringung einer planaren Antenne auf der Innenseite einer Sichtscheibe eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Anbringung einer planaren Antenne auf der Innenseite einer Sichtscheibe eines Kraftfahrzeugs zum Zwecke der drahtlosen Kommunikation zwischen einem Fahrzeuggerät und einem Sende- und/oder Empfangs­ gerät außerhalb des Fahrzeugs, insbesondere auf Frequenzen im GHz-Bereich.

Derartige Antennenanordnungen werden beispielsweise in Systemen der Verkehrsleittechnik zur digitalen Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einer Infrastruktur entlang der Fahrstrecke benötigt. In diesem Fall besteht die Infrastruktur aus ortsfe­ sten Baken entlang der Straße. Zur Kommunikation mit diesen Baken weisen die Fahrzeuge Fahrzeuggeräte auf (OBU - on board units), die als Massenprodukte mit möglichst geringen Kosten ausführbar sein sollen. Im einfachsten Fall besteht das Fahr­ zeuggerät aus einem passiven Transponder, der keinerlei unge­ dämpfte Schwingungen auf der Trägerfrequenz erzeugt. Die not­ wendige Sendeleistung wird aus dem Bakensignal gewonnen, das Fahrzeuggerät nimmt nur eine Modulation des empfangenen Signals vor. Die digitale Kommunikation erfolgt durch eine Übertragung von der Bake zum Fahrzeuggerät ("Downlink") und einer anschließen­ den Antwortkommunikation vom Fahrzeuggerät zur Bake ("Uplink").

Da die Fahrzeugkarosserie eine nicht vermeidbare Abschirmung für elektromagnetische Wellen bewirkt, ist es zweckmäßig, zumindest die Antenne des Fahrzeuggeräts an einer Sichtscheibe des Kraft­ fahrzeugs, vorzugsweise der Windschutzscheibe, zu befestigen. Hieraus resultieren allerdings Probleme für die Funktion des An­ tennenelements. Durch das Vorhandensein der üblicherweise aus Glas bestehenden Sichtscheibe, also einer Scheibe mit einer rela­ tiv hohen Dielektrizitätskonstanten (im Bereich von 7), entstehen Reflexionen an der Grenzfläche zwischen Sichtscheibe und Antenne bzw. dem dazwischen liegenden Luftspalt, durch die der Zwischen­ raum zwischen Antenne und Sichtscheibe wie ein Resonator wirkt. Es ist daher zweckmäßig, den Abstand zwischen Sichtscheibe und Antenne auf die halbe Wellenlänge einzustellen. Bei einer vorge­ schlagenen Trägerfrequenz von 5,8 GHz entsteht somit ein Abstand von ca. 25 mm, der zu einer minimalen Transmissionsdämpfung führt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die dabei entstehende Richtcharakteristik zur Seite hin stark eingeengt wird, daß somit also eine schmale Hauptkeule entsteht. Dadurch können die Aus­ richtverluste bei Schrägfahrten des Kraftfahrzeuges oder bei ex­ tremen Neigungen der Windschutzscheibe stark ansteigen.

Die Sichtscheibe führt darüber hinaus zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der Antenne. Für zirkularpolarisierte Anten­ nen kann eine signifikante Verschlechterung der sogenannten Kreuzpolarisationsentkopplung auftreten.

Bekannt ist ferner, daß ein Fahrzeuggerät mit zwei Antennen versehen ist, von denen die eine zum Empfang und die andere zum Wiederaussenden des empfangenen Signals dient. Durch die an der Scheibe entstehenden Reflexionen kann eine gegensei­ tige Verkopplung der beiden Antennen entstehen, wodurch ggfs. sogar ein Oszillieren des aktiven Teils des Fahrzeuggeräts auf­ treten kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung besteht somit darin, die Antennenanordnung hinsichtlich der Sicherheit der Kommunikation mit einem Sende- und/oder Empfangs gerät außer­ halb des Fahrzeugs zu verbessern.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß eine Antennenanordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Antenne und der Sichtscheibe ein dielektrisches Zwischenstück mit einer zwischen der Dielek­ trizitätskonstante der Sichtscheibe und der von Luft liegenden Dielektrizitätskonstante zur Beeinflussung der Richtcharakte­ ristik der Antenne eingesetzt ist.

Mit dem zwischen Sichtscheibe und Antenne eingesetzten Zwi­ schenstück werden einerseits die auftretenden Reflexions­ anteile beim Übergang zwischen Sichtscheibe und Antenne bzw. Sichtscheibe und Luft einerseits und Luft und Antenne anderer­ seits erheblich verringert, da die Sprünge der Dielektrizitäts­ zahlen zwischen den verschiedenen Schichten verringert werden. Darüber hinaus sorgt das dielektrische Zwischenstück aufgrund seiner seitlichen Begrenzung für eine Beeinflussung der Richtcha­ rakteristik der Antenne. Es hat sich gezeigt, daß es durch den Einsatz eines scheibenförmigen Zwischenstücks möglich ist, die durch die Sichtscheibe eintretende Verschmalerung der Richtcharak­ teristik nahezu vollständig wieder aufzuheben, so daß die Kommuni­ kation mit der Antenne wie ohne Zwischenschaltung einer Sicht­ scheibe möglich ist. Durch den Einsatz des Zwischenstücks ist es ferner möglich, den erforderlichen Abstand der Antenne von der Sichtscheibe zu verringern, da der gleiche elektrische Abstand wegen der Dielektrizitätskonstanten des Zwischenstücks bei einem geringeren mechanischen Abstand erreicht wird.

Vorzugsweise wird der elektrisch wirksame Abstand zwischen Sicht­ scheibe und Antenne auf ein Vielfaches der halben Wellenlänge eingestellt, wobei in der Praxis im allgemeinen der minimale Ab­ stand von der halben Wellenlänge angestrebt werden wird.

Dabei ist es ohne weiteres denkbar, zwischen dem Zwischenstück und der Scheibe und/oder der Antenne auch einen Luftspalt vor­ zusehen, wenn dies aus konstruktiven Gründen sinnvoll erscheint.

Es ist auch denkbar, das Zwischenstück mehrteilig aus verschie­ denen Lagen mit größenordnungsmäßig gleichen Dielektrizitätskon­ stanten auszubilden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine dünne Gehäusewand des Fahrzeuggeräts zwischen Antenne und Sicht­ scheibe eingesetzt werden, wobei eine seitliche Begrenzung dann nur durch den verbleibenden Teil des Zwischenstücks bewirkt wird.

Vorzugsweise besteht das Zwischenstück aus Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 3 und 5, vorzugsweise um 4.

Das Zwischenstück wird zweckmäßigerweise in Form einer Scheibe ausgebildet sein, wobei die Form des Zwischenstücks vorzugs­ weise der Form der planaren Antenne entspricht. Dabei ist es jedoch regelmäßig vorteilhaft, wenn das zweckmäßigerweise zylin­ derscheibenförmige Zwischenstück so dimensioniert ist, daß seine zur Antenne zeigende Oberfläche etwas größer als die der Antenne ist. Dabei sollte die Oberfläche des Zwischenstücks nicht größer als doppelt so groß wie die Oberfläche der Antenne sein.

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung läßt sich auch bei mehre­ ren Antennen eines Fahrzeuggeräts realisieren, indem jeder An­ tenne ein Zwischenstück zugeordnet ist. Dabei sind die Antennen zweckmäßigerweise auf einer gemeinsam Trägerplatte angeordnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Antennenanordnung;

Fig. 2 der Richtcharakteristik der erfindungsgemäßen Antennenanordnung im Vergleich zu einer herkömm­ lichen Anordnung und einer Antennenanordnung ohne Sichtscheibe.

Fig. 1 läßt eine Trägerplatte 1 erkennen, auf die eine planare Antenne 2, beispielsweise als im wesentlichen kreisförmiges An­ tennenelement aufgebracht ist. Zwischen der Antenne 2 und einer Sichtscheibe 3 eines Kraftfahrzeugs ist ein Zwischenstück 4 ein­ gesetzt, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als kreiszylin­ drische Kunststoffscheibe mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 4 ausgeführt ist. Die Dicke des Zwischenstücks 4 ist so ge­ wählt, daß der Abstand zwischen Antenne 2 und Sichtscheibe 3 elek­ trisch der halben Wellenlänge entspricht. Aufgrund der Dielektri­ zitätskonstanten von etwa 4 beträgt die Dicke für eine Trägerfre­ quenz von 5,8 GHz somit etwa 12 mm.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist der Durchmesser des Zwischenstücks 4 etwas größer als der Durchmesser der Antenne 2. Dabei ist die zur Antenne 2 zeigende Anlagefläche des Zwischenstücks 4 jedoch nicht größer als doppelt so groß wie die Oberfläche der Antenne 2.

Fig. 2 zeigt drei Richtcharakteristiken A, B, C.

Die Richtcharakteristik A gilt für die planare Antenne 2 ohne Zwischenschaltung-einer Sichtscheibe 3. Es ist erkennbar, daß auch für schräg einfallende elektromagnetische Wellen ein gutes Empfangs- und Sendeergebnis erzielt wird, da eine erhebliche Dämpfung erst bei sehr spitzen Einfallswinkeln auf die Ober­ fläche der planaren Antenne 2 auftreten.

Ist hingegen die planare Antenne 2 hinter der Sichtscheibe 3, beispielsweise in einem Abstand von der halben Wellenlänge ange­ bracht, ergibt sich die Richtcharakteristik gemäß der Kurve B. Diese Kurve verdeutlicht, daß schon bei relativ geringen Abwei­ chungen von der senkrechten Einfallsrichtung erhebliche Dämpfungen auftreten, so daß bereits relativ schräg stehende Windschutzschei­ ben oder aus anderen Gründen schräg einfallende Signale zu nach­ haltigen Störungen der Kommunikation führen können.

Ist hingegen zwischen der Antenne 2 und der Sichtscheibe 3 das dielektrische Zwischenstück 4 eingesetzt, ergibt sich die Kurve C, die qualitativ im wesentlichen der Kurve A entspricht. Die durch das Vorhandensein der Sichtscheibe 3 eintretende Verschlechterung der Richtcharakteristik (Übergang von Kurve A auf Kurve B) wird somit durch das Einsetzten des dielektrischen Zwischenstücks 4 kompensiert.

Claims (11)

1. Antennenanordnung zur Anbringung einer planaren An­ tenne (2) auf der Innenseite einer Sichtscheibe (3) eines Kraftfahrzeugs zum Zwecke der drahtlosen Kommu­ nikation zwischen einem Fahrzeuggerät und einem Sende­ und/oder Empfangsgerät außerhalb des Fahrzeugs, insbe­ sondere auf Frequenzen im GHz-Bereich, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Antenne (2) und der Sicht­ scheibe (3) ein dielektrisches Zwischenstück (4) mit einer zwischen der Dielektrizitätskonstanten der Sicht­ scheibe (3) und der von Luft liegenden Dielektrizitäts­ konstanten zur Beeinflussung der Richtcharakteristik der Antenne (2) eingesetzt ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch wirksame Abstand zwischen der Sichtschei­ be (3) und der Antenne (2) auf etwa n·1/2 der Wellenlänge eingestellt ist, wobei n eine natürliche Zahl 0 ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Luftspalt zwischen dem Zwischenstück (4) und der Sichtscheibe (3) und/oder der Antenne (2).

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (4) mehrteilig aus ver­ schiedenen Lagen mit größenordnungsmäßig gleichen Dielektri­ zitätskonstanten gebildet ist.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (4) aus Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 3 und 5 besteht.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante etwa 4 beträgt.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (4) in Form einer Scheibe ausgebildet ist.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Zwischenstücks (4) der Form der planaren Antenne (2) entspricht.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Antenne (2) zeigende Oberfläche des Zwischenstücks (4) etwas größer als die der Antenne (2) ist.

19. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch wenigstens zwei an der Sichtscheibe (3) je­ weils über ein Zwischenstück (4) angeordnete Antennen (2).

11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (2) auf einer gemeinsamen Trägerplatte (1) angeordnet sind.