DE19858299A1 - Antennensystem für eine Datenkommunikationseinrichtung in einem Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem für eine satellitengestützte Navigationseinrichtung in einem Fahrzeug, wobei das System einen außenseitig an einer Montagefläche der Fahrzeugkarosserie anzuordnenden Systemteil, der ein Antennenbauteil beinhaltet, einen innenseitig anzuordnenden Systemteil und Kopplungsmittel zur Antennensignalkopplung und/oder Stromversorgungskopplung von außenseitigem und innenseitigem Systemteil umfaßt. DOLLAR A Erfindungsgemäß bestehen die Kopplungsmittel aus Signalübertragungsmitteln, welche Stromversorgungssignale und bei Bedarf auch Datensignale drahtlos durch die Montagefläche hindurch zwischen außenseitigem und innenseitigem Systemteil übertragen. DOLLAR A Verwendung beispielsweise für Navigationseinrichtungen von Automobilen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Antennensysteme dieser Art dienen z. B. zur Kommunikation fahrzeugseitiger Navigationssysteme mit Satel­ liten zwecks Bestimmung der Fahrzeugposition, häufig in Form des sogenannten GPS (Global Positioning System).

Bei diesen Antennensystemen ist das Antennenbauteil selbst, das für den vorliegenden Anwendungszweck häufig als sogenannte Patch-Antenne ausgeführt ist, zur außenseitigen Anbringung an eine vorgegebene Montagefläche vorgesehen, z. B. an einer Fahr­ zeugheckscheibe. Zur optimalen Kommunikation mit den oberhalb des Horizonts befindlichen Satelliten ist die Wahl eines mög­ lichst waagrecht verlaufenden Karosserieteils des Fahrzeugs als Montagefläche bevorzugt. Die vorliegende außenseitige Montage des Antennenbauteils hat gegenüber alternativ gebräuchlichen Sy­ stemen mit innenseitig an einem Fahrzeugkarosserieteil ange­ brachtem Antennenbauteil den Vorteil, daß sie keine so präzise Abstimmung der Antenne und keine so exakte Montage derselben er­ fordert. Sie ist daher gut für Nachrüstungen geeignet, und in Serienanwendungen entfällt die Notwendigkeit einer eigenen An­ tennenabstimmung auf die jeweilige Material- und Geometriesitua­ tion der Montagefläche für verschiedene Fahrzeugtypen.

Meist beinhalten die Antennensysteme, z. B. für das GPS, einen Antennenverstärker zum Ausgleich von Leitungsverlusten und zur Impedanzanpassung, der üblicherweise mit dem Antennenbauteil ei­ ne gemeinsame Baueinheit bildet und von einer Gleichspannungs­ versorgung gespeist wird. Des weiteren weist das Antennensystem eine Signalverarbeitungseinheit auf, z. B. in Form einer Empfän­ ger- und Auswerteeinheit, d. h. eines Receivers, welche von den Satelliten über das Antennenbauteil empfangene HF-Ortungssignale demoduliert, decodiert und daraus die aktuelle Fahrzeugposition bestimmt, die sie dann als Positionsdatensignal mit einem stan­ dardisierten seriellen Datenprotokoll an ein Navigationsgerät weiterleitet.

Herkömmliche Antennensysteme der eingangs genannten Art, die ne­ ben der satellitengestützten Fahrzeugpositionsbestimmung auch noch andere Funkübertragungsfunktionen haben können, z. B. für ein Mobiltelefon und/oder ein Autoradio, sind in den Aufsätzen "Dynamische Verkehrsleitsysteme", Funkschau 13/1997, S. 26 und "Microstrip-Antennen", Funkschau 6/1998, Arbeitsblätter Anten­ nen, Teil 10 sowie G. Splitt, H. Forster "Mehrelemente- Satelliten-Mobilfunk Antennen für GPS- und Kommunikationsanwen­ dung in Microstrip-Technologie, Fachausschuß "Antennen" der ITG, Diskussionssitzung am 1. 4. 1992 beschrieben. Diese und weitere derartige, auf dem Markt angebotene Antennensysteme benötigen einen Durchbruch durch die Montagefläche, um die Gleichspan­ nungsversorgungsleitung für den Antennenverstärker und/oder die Signalleitung durchzuführen, mit dem das Verstärkerausgangs­ signal zur innenseitigen Signalverarbeitungseinheit geführt wird. Hierzu ist es bekannt, ein einziges Koaxialkabel zu ver­ wenden und über dieses Signalkabel die Stromversorgung als soge­ nannte Phantomspeisung zu bewerkstelligen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Antennensystems der eingangs genannten Art zugrunde, das keine Durchbrüche in der Montagefläche benötigt und weitgehend unabhängig von Material und Geometrie der Montagefläche ist und sich daher auch gut zur Nachrüstung eignet.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Antennensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem System bestehen die Kopplungsmittel zwischen außenseitigem und innenseitigem Systemteil aus Signalübertragungsmitteln, welche die Stromversorgung und vorzugsweise auch die Datenkommunikation durch die Montagefläche hindurch drahtlos und daher ohne Notwen­ digkeit von Durchbrüchen in der Montagefläche bewerkstelligen. Im Fall der Stromversorgung erfolgt dies vorzugsweise induktiv. Das Antennensystem eignet sich zur Montage auf Glas und allen anderen nichtleitenden Montageflächen. Wegen der außenseitigen Anordnung des Antennenbauteils treten nicht die z. B. einer Hin­ terglasmontage inhärenten Schwierigkeiten hinsichtlich Dämpfung, Abschaltung und Verstimmung der Antenne auf. Die Auslegung des Antennensystems bleibt weitestgehend unabhängig von Material und Geometrie der Montagefläche und damit vom jeweiligen Fahrzeug­ typ.

Die Übertragung der über das Antennensystem empfangenen oder ge­ sendeten Datensignale, nachfolgend auch Antennen- oder Nutzsi­ gnale bezeichnet, durch die Montagefläche hindurch erfolgt in Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 kapazitiv, d. h. mit­ tels elektrischer Felder, oder induktiv oder optisch, d. h. mit­ tels entsprechender elektromagnetischer Wellen.

Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Antennensystem er­ folgt eine induktive Stromversorgung mittels primärer und sekun­ därer, induktiver Offenfeld- oder Geschlossenfeld-Spiralpfad­ strukturen, die sich in flacher Form realisieren lassen und die Übertragung ausreichender Energie auch beispielsweise zum Senden von Daten ermöglichen.

In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme sind gemäß Anspruch 4 diese induktive Spiralpfadstrukturen, in der Geschlossenfeld- Ausführung mit wenigstens einmal die Umlaufrichtung wechselndem Verlauf realisiert und/oder auf ihrer Primär- und/oder Sekundär­ seite mit einer umschließenden Kurzschlußmaske versehen. Dies erlaubt die Übertragung vergleichsweise hoher Energien ohne stö­ rende Fernfeldbeeinflussung. In einer Weiterbildung der Erfin­ dung nach Anspruch 5 ist die Kurzschlußmaske gleichzeitig als Heizelement ausgebildet, wodurch sich der außenseitige System­ teil stets auf einer gewissen Mindesttemperatur halten läßt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist gemäß Anspruch 6 die primäre und/oder die sekundäre induktive Geschlossenfeld-Struktur rück­ seitig mit einer abdeckenden, magnetisch leitfähigen Feldfüh­ rungsschicht versehen, in der das oder die übertragenden Magnet­ felder geführt werden können. In einer Weiterbildung dieser Maß­ nahme ist gemäß Anspruch 7 die magnetisch leitfähige Feldführungsschicht auf ihrer strukturabseitigen Oberfläche elektrisch hochleitend beschichtet, so daß eine magnetische Sperrfläche gebildet wird, wodurch sich z. B. außenseitige Sende- und/oder Empfangskomponenten für Datensignale gegenüber einem elektromagnetischem Energieübertragungsfeld entkoppeln lassen.

Bei einem nach Anspruch 8 weitergebildeten Antennensystem er­ folgt ein optischer Transfer der Datensignale mit separaten Lichtübertragungsstrecken für empfangene und zu sendende Daten­ signale.

Bei einem nach Anspruch 9 weitergebildeten Antennensystem ist dem Antennenbauteil außenseitig ein Antennenverstärker zugeord­ net, zu dessen Stromversorgung entsprechende Wechselspannungs­ signale von einer Koppelspuleneinheit drahtlos von innen durch die Montagefläche hindurch zugeführt werden. Zudem ist eine ka­ pazitive Koppeleinheit vorgesehen, mit der die verstärkten An­ tennensignale übertragen werden. In weiterer Ausgestaltung sind gemäß Anspruch 10 das Antennenbauteil, der Antennenverstärker und eine außenseitige Koppelfäche der kapazitiven Koppeleinheit neben oder innerhalb einer außenseitigen Koppelspule der Koppel­ spuleneinheit angeordnet. Die letztgenannte Variante einer kon­ zentrischen Anordnung der außenseitigen Systemkomponenten im In­ neren der außenseitigen Koppelspule minimiert den Flächenbedarf des Antennenaufbaus.

Bei einem nach Anspruch 11 weitergebildeten Antennensystem ist dem Antennenbauteil außenseitig eine Signalverarbeitungseinheit zugeordnet, die insbesondere einen geeigneten Empfangs- und/oder Sendeteil und einen zugehörigen Signalaufbereitungsteil, gegebe­ nenfalls mit Signalauswertefunktion, umfaßt. Zu deren Spannungs­ versorgung werden entsprechende Wechselspannungssignale über ei­ ne Koppelspuleneinheit durch die Montagefläche hindurch von in­ nen drahtlos zugeführt. Gleichzeitig dient die Koppelspulen­ einheit zur Übertragung der von der Signalverarbeitungseinheit verarbeiteten Antennensignale. In weiterer Ausgestaltung sind gemäß Anspruch 12 das Antennenbauteil und die Signalverarbei­ tungseinheit neben oder innerhalb einer außenseitigen Koppelspu­ le der Koppelspuleneinheit auf der Montageflächenaußenseite po­ sitioniert. Die Variante mit konzentrischer Anordnung der außen­ seitigen Systemkomponenten im Inneren der außenseitigen Koppelspule ist wiederum besonders zur Erzielung eines minimalen Flächenbedarfs geeignet.

Bei einem nach Anspruch 13 weitergebildeten Antennensystem sind ein Antennenverstärker und/oder eine Signalverarbeitungseinheit zur innenseitigen Anordnung, d. h. im Inneren des Fahrzeugs und nicht an der Fahrzeugaußenseite, vorgesehen. Die Antennensigna­ le, d. h. die vom Antennenbautsil gelieferten oder ihm zugeführ­ ten Signale, werden mittels einer kapazitiven Koppeleinheit drahtlos durch die Montagefläche hindurch zwischen dem Antennen­ bauteil und dem Verstärker bzw. der Signalverarbeitungseinheit übertragen.

In Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 14 beinhaltet der innenseitige Systemteil eine Koaxialleitung, über die sowohl die Antennensignale als auch die Stromversorgungs-Wechselspannungs­ signale geführt werden, wozu die beiden Signaltypen in vorzugs­ weise stark verschiedenen Frequenzbereichen liegen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht des Aufbaus eines ersten montierten GPS-Antennensystems in nebeneinander­ liegender Anordnung mit außenliegendem Verstärker,

Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht des Aufbaus eines funktionell dem ersten entsprechenden zweiten Antennen­ systems in konzentrischer Anordnung,

Fig. 3 eine schematische Längsschnittansicht des Aufbaus eines dritten montierten GPS-Antennensystems in nebeneinander­ liegender Anordnung mit außenliegendem Receiver,

Fig. 4 eine schematische Längsschnittansicht des Aufbaus eines dem dritten funktionell entsprechenden vierten Antennen­ systems in konzentrischer Anordnung,

Fig. 5 eine schematische Längsschnittansicht des Aufbaus eines fünften montierten GPS-Antennensystems mit innenliegen­ dem Verstärker,

Fig. 6 eine schematische Längsschnittansicht des Aufbaus eines Antennensystems mit Geschlossenfeld-Struktur,

Fig. 7 eine schematische Perspektivansicht auf einen innensei­ tigen Systemteil eines Antennensystems mit induktiver Geschlossenfeld-Spiralstruktur,

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf einen innenseitigen Sy­ stemteil eines Antennensystems mit induktiver Geschlos­ senfeld-Stromversorgungskopplung und optoelektronischer Datensignalkopplung,

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht eines außenseitigen Mehrschicht-Systemteils eines weiteren Antennensystems und

Fig. 10 eine schematische, blockdiagrammatische Schnittansicht des Aufbaus eines z. B. für ein Telekommunikationssystem geeigneten Antennensystems.

In den Fig. 1 bis 5 sind verschiedene Realisierungen von Anten­ nensystemen für ein GPS-Navigationssystem in einem Automobil ge­ zeigt, wobei jeweils funktionell entsprechende Elemente mit den­ selben Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Antennenaufbauten sind jeweils im oberen Bereich einer als Montagefläche fungierenden Fahrzeugheckscheibe 1 montiert. Dabei ist ein außenseitiger An­ tennensystemteil außen an der Heckscheibe 1 angeordnet, während sich Komponenten eines innenseitigen Systemteils an der Heck­ scheibeninnenseite befinden. Von dort führen Leitungsverbindun­ gen zu weiter entfernt im Fahrzeuginneren angeordneten Antennen- und/oder Navigationssystemkomponenten, wie ein GPS-Receiver und/oder ein Navitationsgerät. Den gezeigten Realisierungen ist gemeinsam, daß die Signalübertragung zwischen außenseitigem und innenseitigem Systemteil drahtlos durch die Heckscheibe 1 hin­ durch erfolgt, ohne daß hierfür Durchbrüche in die Heckscheibe 1 eingebracht werden müssen. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich hauptsächlich in der Plazierung der diver­ sen Systemkomponenten, worauf im folgenden näher eingegangen wird.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beinhaltet der außenseitige Systemteil ebenso wie bei allen anderen Beispielen ein auf die Heckscheibenaußenseite aufgebrachtes Antennenbauteil in Form ei­ ner GPS-Antenne 2, vorzugsweise vom herkömmlichen Typ einer Patch-Antenne. Zwischen Antenne 2 und Heckscheibe 1 ist eine Massefläche 3 als Bezugserdung eingefügt. Des weiteren umfaßt im Beispiel von Fig. 1 der außenseitige Systemteil einen neben der Antenne 2 positionierten Antennenverstärker 4, der die von der Antenne 2 empfangenen GPS-Satellitensignale abgreift und ver­ stärkt. Zur Weiterleitung der verstärkten Antennensignale durch die Heckscheibe 1 hindurch nach innen ist eine kapazitive Kop­ peleinheit vorgesehen, die aus einer außenseitigen Koppelfläche 5a und einer innenseitigen Koppelfläche 5b besteht. Die außen­ seitige Koppelfläche 5a ist auf die Heckscheibenaußenseite unter dem Aufbau des Antennenverstärkers 4 aufgebracht und mit letzte­ rem leitungsverbunden. Die innenseitige Koppelfläche 5b ist der außenseitigen Koppelfläche 5a gegenüberliegend an der Heckschei­ beninnenseite plaziert. Von dort führt eine Antennensignallei­ tung 6 zu nicht gezeigten, nachgeschalteten Komponenten, wie z. B. einem herkömmlichen GPS-Receiver, der als Empfangs- und Auswerteeinheit fungiert, indem er die zugeführten, hochfrequen­ ten GPS-Signale demoduliert, decodiert und die momentane Fahr­ zeugposition daraus bestimmt. Diese Positionsinformation gibt er dann als entsprechendes Positionsdatensignal mit standardisier­ tem, seriellem Datenprotokoll an ein angeschlossenes Navigati­ onsgerät des Automobils ab.

Um auch die nötige Stromversorgung des außenseitig angeordneten Antennenverstärkers 4 ohne Heckscheibendurchbruch zu bewerkstel­ ligen, wird die elektrische Energie in Form eines entsprechenden Wechselspannungssignals von einer nicht gezeigten Wechselstrom­ quelle über eine Stromversorgungsleitung 7 einer Koppelspulen­ einheit in Form eines lose gekoppelten Übertragers zugeführt, der aus einer außenseitigen Koppelspule 8a und einer innenseiti­ gen Koppelspule 8b besteht. Die außenseitige Koppelspule 8a ist auf die Heckscheibenaußenseite auf der der Antenne 2 gegenüber­ liegenden Seite neben dem Verstärker 4 aufgebracht und mit letz­ terem leitungsverbunden. Die innenseitige Koppelspule 8b ist an der Heckscheibeninnenseite det außenliegenden Koppelspule 8a ge­ genüberliegend positioniert. Die beiden Koppelspulen 8a, 8b des Übertragers können als gedruckte Spulen ausgeführt sein und übertragen die innenseitig zugeführte elektrische Energie draht­ los durch die Heckscheibe 1 hindurch zur Speisung des Verstär­ kers 4.

Für das Stromversorgungs-Wechselspannungssignal wird eine vom hochfrequenten GPS-Signal, dessen Frequenz typisch bei 1,575 GHz liegt, ausreichend verschiedene Frequenz, z. B. 100 kHz, gewählt, so daß keine gegenseitigen Störungen der von außen nach innen erfolgenden Antennensignalübertragung einerseits und der in Ge­ genrichtung erfolgenden Stromversorgungssignalübertragung ande­ rerseits auftreten. Wegen des deutlichen Frequenzunterschiedes können zudem bei Bedarf die Antennensignalleitung 6 und die Stromversorgungsleitung 7 statt als getrennte Leitungen gemein­ sam in ein Koaxialkabel integriert sein. Die Antenne 2 ist so ausgeführt, daß sie durch entsprechende Abschirmmaßnahmen von der kapazitiven Koppeleinheit 5a, 5b hinreichend entkoppelt ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die an der Heckscheibeninnen­ seite angeordneten Systemkomponenten, d. h. die innenseitige Kop­ pelfläche 5b und die innenseitige Koppelspule 8b mit ihren Lei­ tungsverbindungen, sichtgeschützt hinter einer Innenverkleidung 9 angeordnet, wobei die Antennensignalleitung 6 und die Strom­ versorgungsleitung 7 zwischen Innenverkleidung 9 und einem die Heckscheibe 1 einfassenden Karosserieflansch weitergeführt sind.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht funktio­ nell demjenigen von Fig. 1 und unterscheidet sich von diesem nur durch eine konzentrische statt der nebeneinanderliegenden Kompo­ nentenplazierung von Fig. 1. Speziell ist im Beispiel von Fig. 2 der Verstärker 4 unterhalb des Aufbaus der GPS-Antenne 2 ange­ ordnet, wobei die außenseitige Koppelfläche 5a innerhalb des Verstärkers 4 auf der Heckscheibe 1 liegt, und zwar im Innern einer insoweit zu einer Ringform modifizierten außenseitigen Massefläche 3a, der eine entsprechende innenseitige Massefläche 3b gegenüberliegt, in deren Innerem sich die innenseitige Kop­ pelfläche 5b befindet. Alle diese genannten Komponenten werden konzentrisch von der außenseitigen bzw. der innenseitigen Kop­ pelspule 8a, 8b umgeben. Wie leicht erkennbar, läßt sich mit dieser konzentrischen Anordnung der Flächenbedarf minimieren, wobei sich der gesamte Aufbau in dem von der Innenverkleidung 9 ohnehin abgedeckten Heckscheibenbereich unterbringen läßt. Zur Bezugserdung ist die innenseitige Massefläche 3b an eine Masse­ leitung 11 angeschlossen.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist ein schon erwähnter GPS- Receiver 12 nicht im Fahrzeuginneren, sonderen neben der GPS- Antenne 2 an der Außenseite der Heckscheibe 1 angeordnet. Der Antennenverstärker 4 der Fig. 1 und 2, der ansonsten zum Aus­ gleich von Leitungsverlusten und zur Impedanzanpassung dient, kann hierbei entfallen oder in den GPS-Receiver 12 integriert sein. Die Koppelspuleneinheit 8a, 8b dient in diesem Fall zur Stromversorgung des GPS-Receivers 12, wozu dieser mit der außen­ seitigen Koppelspule 8a leitungsverbunden ist. Gleichzeitig dient die Koppelspuleneinheit 8a, 8b in diesem Beispiel zur An­ tennensignalübertragung, genauer gesagt zur Übertragung des vom GPS-Receiver 12, der als Empfangs- und Auswerteeinheit fungiert, abgegebenen Positionssignals mit seriellem Datenprotokoll. Dazu wird nur in bestimmten Zeitanteilen, z. B. nur für eine Dauer von 500 ms während einer Sekunde, das Stromversorgungs-Wechsel­ spannungssignal an die innenseitige Koppelspule 8b angelegt, während in den Stromversorgungspausen das serielle Datenproto­ koll mit der Ortungsinformation über denselben Signalpfad, je­ doch in Gegenrichtung übertragen wird, indem es an die außensei­ tige Koppelspule 8a angelegt wird.

Zur Weiterleitung beider Signalarten kann ein gemeinsames Koa­ xialkabel 7a verwendet werden ohne daß spezielle Abschirmmaßnah­ men erforderlich sind. Die kapazitive Koppeleinheit kann in die­ sem Beispiel entfallen. Eine insoweit modifizierte außenseitige Massefläche 3c erstreckt sich nicht nur unter der Antenne 2, sondern zusätzlich unter dem Receiver 12. Antenne 2, Receiver 12 und außenseitige Koppelspule 8a liegen nebeneinander auf der Heckscheibenaußenseite, und die verbleibende innenseitige Sy­ stemkomponente, d. h. die innenseitige Koppelspule 8b, ist sicht­ geschützt von der Innenverkleidung verdeckt. Von dort führt das Koaxialkabel 7a zwischen Innenverkleidung 9 und Karosserie­ flansch 10 zu einem nicht gezeigten Navigationsgerät.

Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht funktio­ nell demjenigen von Fig. 3, beinhaltet demgegenüber jedoch statt einer nebeneinanderliegenden eine konzentrische Komponentenan­ ordnung analog zu Fig. 2. Speziell ist im Beispiel von Fig. 4 der GPS-Receiver 12 auf einer insoweit modifizierten außenseiti­ gen Massefläche 3d unter dem Aufbau der GPS-Antenne 2 positio­ niert. Die genannten Komponenten liegen konzentrisch innerhalb der außenseitigen Koppelspule 8a, welcher die innenseitige Kop­ pelspule 8b von der Innenverkleidung 9 sichtgeschützt gegenüber­ liegt. Ersichtlich minimiert diese konzentrische Anordnung wie­ derum den Bedarf an Heckscheiben-Montagefläche, und das Anten­ nensystem läßt sich insgesamt in dem von der Innenverkleidung 9 eingefaßten Heckscheibenbereich unterbringen.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur der passive Teil des Antennensystems, d. h. das GPS-Antennenbauteil 2, außen­ seitig an der Heckscheibe 1 angebracht ist. Der Antenne 2 gegen­ überliegend ist der Antennenverstärker 4, optional zusätzlich oder stattdessen der GPS-Receiver, an der Heckscheibeninnenseite angeordnet. Das von der Antenne 2 abgegriffene Signal wird in diesem Fall direkt drahtlos durch die Heckscheibe 1 hindurch zum Verstärker 4 bzw. Receiver übertragen, wozu die entsprechende kapazitive Koppeleinheit 5a, 5b dient, deren außenseitige Kop­ pelfläche 5a sich hierbei unter dem Aufbau der Antenne 2 befin­ det, während ihre innenseitige Koppelfläche 5b unter dem Aufbau des Verstärkers 4 bzw. Receivers liegt. Da keine Stromversorgung außenseitiger Systemkomponenten benötigt wird, kann die Koppel­ spuleneinheit hier entfallen. Eine zwischen Innenverkleidung 9 und Karosserieflansch 10 weiterführende Leitung 13 dient somit allein zur Weiterleitung des verstärkten Antennensignals zu ei­ nem nachgeschalteten GPS-Receiver bzw. bei an der Heckscheiben­ innenseite plaziertem Receiver des von diesem abgegebenen Posi­ tionsdatensignals zu einem nachgeschalteten Naviationsgerät. Zwecks Bezugserdung sind wiederum geeignete innenseitige und au­ ßenseitige Masseflächen 3e, 3f vorgesehen.

Wie aus Fig. 5 zu erkennen, läßt sich auch in diesem Beispiel der gesamte Antennensystemaufbau mit sehr geringem Flächenbedarf an der Heckscheibe 1 innerhalb des von der Innenverkleidung 9 eingefaßten Scheibenbereichs anordnen. Im übrigen besitzt dieses Ausführungsbeispiel analoge Eigenschaften und Funktionen, wie sie oben zum Beispiel von Fig. 1 angegeben sind, was auch für die Beispiele der Fig. 2 bis 4 gilt.

Die Fig. 6 bis 10 zeigen erfindungsgemäße Beispiele vorteilhaf­ ter drahtloser Übertragungsstrukturen zur Kopplung zwischen in­ nen- und außenseitigem Systemteil eines jeweiligen Fahrzeug- Antennensystems mit Energieübertragung von innen nach außen und uni- oder bidirektionaler Datensignalübertragung, jeweils durch eine Montagefläche hindurch, wie eine Fahrzeugscheibenfläche. Dabei ist insbesondere die Verwendung von Kopplungsstrukturen, die von elektrischen und/oder elektromagnetischen Feldern und/oder Wellen Gebrauch machen, in sogenannter Geschlossenfeld- Ausführung veranschaulicht, bei der durch entsprechenden Aufbau die elektrischen und/oder magnetischen Feldlinien in einem be­ grenzten Bereich gehalten werden und sich dadurch nicht wesent­ lich in einen Fernfeldbereich erstrecken. Dies hat den Vorteil, daß solche Kopplungsstrukturen gegenüber Fernfeldeinkopplung und -auskopplung unempfindlich und daher eine entsprechende EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Sicherheit bieten, bei­ spielsweise gegen Abstrahlung und gegen andere strahlungssensi­ tive oder strahlungsemittierende Komponenten im Fahrzeug. Solche induktiven Geschlossenfeld-Strukturen lassen sich z. B. durch ge­ gensinnige, übereinander- oder nebeneinanderliegende, strom­ durchflossene elektrische Leiterwindungen und/oder durch eine die induktive Windungsstruktur umgebende Kurzschlußwindung, so­ genannte Kurzschlußmaske, erzielen. Diese Strukturen können pri­ märseitig, d. h. auf der Sendeseite, und/oder sekundärseitig, d. h. auf der Empfangsseite, vorgesehen sein, wobei je nach An­ wendungsfall der Sendeteil am inneren oder äußeren Antennensy­ stemteil und der Empfangsteil am jeweils anderen Antennensystem­ teil angeordnet ist. Mögliche induktive Windungsstrukturen für eine Kopplung durch eine Fahrzeugscheibe hindurch sind z. B. Strukturen mit einer oder mehreren, achterförmigen Windungen, mäanderförmige Windungsstrukturen mit einer oder mehreren Mäan­ derwindungen und spiralförmige Windungsstrukturen.

Fig. 6 zeigt eine derartige induktive Geschlossenfeld-Struktur zwischen einem inneren Systemteil 14 und einem äußeren System­ teil 15, die zur drahtlosen Übertragung von Stromversorgungs­ signalen vom inneren Systemteil 14 zum äußeren Systemteil 15 durch eine Glasscheibe 16 hindurch nutzbar ist. Der äußere Sy­ stemteil 15 kann hierbei den Fuß einer im übrigen nicht gezeig­ ten Antenne bilden. Beide Antennensystemteile 14, 15 weisen an ihrer scheibenzugewandten Seite je eine induktive Geschlossen­ feld-Struktur 17, 18 auf, die zueinander passend angeordnet sind und z. B. jeweils aus einer kombinierten Spiral-Mäander- Windungsstruktur bestehen. An den scheibenabgewandten Seiten der induktiven Kopplungsstrukturen 17, 18 ist jeweils eine magne­ tisch leitfähige Feldführungsschicht in Form einer Ferritfolie 19, 20 angeordnet, die wiederum auf ihrer der Kopplungsstruktur abgewandten Seite mit einer elektrisch hochleitenden Beschich­ tung 21, 22 versehen ist. Die so aufgebaute Kopplungsstruktur erlaubt eine elektromagnetische Energieübertragung zwischen den beiden Systemteilen 14, 15, bei der die Magnetfeldlinien 23 praktisch vollständig auf den Bereich zwischen den elektrisch hochleitenden Beschichtungen 21, 22 beschränkt bleiben, ohne sich darüber hinaus in einen Fernfeldbereich zu erstrecken. Op­ tional kann für jeden Systemteil eine die zugehörige induktive Kopplungsstruktur 17, 18 umgebende Kurzschlußmaske vorgesehen sein.

Fig. 7 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht auf einen in­ neren Systemteil 24 eine an dessen Kopplungsseite vorgesehene induktive Kopplungsstruktur in Form zweier Spiralen 25a, 25b, wie sie auch für das Beispiel von Fig. 6 geeignet sind. Die üb­ rigen Komponenten des inneren Systemteils 24 sind in nicht ge­ zeigter Weise im Gehäuse desselben untergebracht. Die Kopp­ lungsstruktur 25a, 25b wird von einer Kontaktfläche 26 getragen. Durch eine Haftbeschichtung 27 kann der innere Systemteil 24 z. B. an einer Fahrzeugscheibe festgelegt werden. Bei Bedarf kann die strukturtragende Kontaktfläche 26, wenn die zugehörige Mon­ tagefläche gewölbt ist, mit einer Ausgleichsschicht versehen sein, die nach Anbringen des Antennensystemteils in einer die Montageflächenwölbung ausgleichenden Form verbleibt. Optional ist die Kopplungsstruktur 25a, 25b von einer nur gestrichelt teilweise angedeuteten Kurzschlußwindung 28 umgeben.

Um eine genaue Justierung der Kopplungsstruktur 25a, 25b des in­ neren Systemteils mit derjenigen des nicht gezeigten äußeren Sy­ stemteils auf einfache Weise zu ermöglichen, ist randseitig an einer Stelle eine Justiermarkierung 29 am Gehäuse des inneren Systemteils 24 ausgebildet, zu welcher eine entsprechende Ju­ stiermarkierung am äußeren Systemteil fluchtend ausgerichtet wird, so daß dann die zusammenwirkenden Kopplungsstrukturen ex­ akt justiert sind. Ein Anschlußkabel 30 dient der Zuführung und Weiterleitung von Stromversorgungs- und Datensignalen.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite, d. h. Kontakt­ seite, eines inneren Systemteils eines Antennensystems mit opti­ scher Datensignalübertragung. Die hier zur drahtlosen Übertra­ gung von Stromversorgungs- und Datensignalen vorgesehene Kopp­ lungsstruktur beinhaltet eine induktive Geschlossenfeld-Struktur 31 zur Energieübertragung vom inneren Systemteil 32 auf einen korrespondierenden, nicht gezeigten äußeren Systemteil, eine Empfangs-LED 33, eine Sende-LED 34 und eine Status-LED 35. Die Kopplungsstruktur ist von einer Massemaske 36 umgeben. Der Trä­ ger der Kopplungsstruktur kann analog zu dem Beispiel von Fig. 6 eine Ferritfolie mit außenseitiger Metallisierung beinhalten, wobei die Folie auf ein PCB-Laminat aufgebracht sein kann. Mit­ tels einer Klebekontaktfolie kann der innere Systemteil 32 z. B. an einer Fahrzeugscheibe angebracht werden, wobei die Klebekon­ taktfolie zwischen Scheibe und induktiver Struktur 31 spaltfül­ lend wirkt. Die Ferritfolie ist an den Stellen der LEDs mit ent­ sprechenden Öffnungen zwecks Lichttransfer versehen. Über die Sende- und Empfangs-LEDs 33, 34 des inneren Systemteils 32, de­ nen entsprechende Empfangs- und Sende-LEDs am äußeren Systemteil gegenüberstehen, lassen sich Datensignale bidirektional zwischen innerem und äußerem Systemteil drahtlos optisch übertragen. Über die Status-LED kann eine Statusinformation optisch zwischen den Systemteilen übertragen werden.

Die in den Fig. 6 bis 8 gezeigten induktiven Koppelstrukturen erlauben die Übertragung der gesamten, zum Betrieb des äußeren Systemteils notwendigen Energie, auch wenn das zugehörige Anten­ nenbauteil als Sendeantenne fungiert und hierfür Sendeenergien von z. B. 5 W erfordert.

Fig. 9 zeigt schematisch einen weiteren, vorteilhaften Aufbau der für einen äußeren, z. B. außen an einer Fahrzeugscheibe 37 anbringbaren, Systemteil eines Antennensystems. Hier ist der äu­ ßere Systemteil als Schichtlaminat mit einer äußeren Antennen­ trägerschicht 38, einer darunterliegenden Datenempfangs- und/oder Datensendeschicht 39, einer darunterliegenden Energie­ wandlungs- und Frequenzaufbereitungsschicht 40 und einer schei­ benseitigen Koppelschicht 41 aufgebaut. Die einzelnen Schichten 38 bis 41 besitzen beispielsweise eine kreisförmige Gestalt mit von der Scheibe 37 nach außen abnehmendem Durchmesser und sind über streifenförmige Faltzonen 42a, 42b, 42c miteinander verbun­ den. Zwischen je zwei Schichten sind Isolierlagen 43a, 43b, 43c eingebracht. Die an die Koppelschicht 41 angrenzende Zwischenla­ ge 43c kann als Ferritfolienpackung ausgebildet sein, die auf ihrer koppelschichtabgewandten Seite mit einer Metallschicht 44 versehen ist. Die einstückige Bildung dieser äußeren Systemteil­ struktur über die Faltzonen 42a, 42b, 42c macht eine Mehr­ schichtrealisierung möglich, die keine separaten Kontaktierungen zwischen den einzelnen Schichten 38, bis 41 erfordert, diese können vielmehr über die Faltzonen 42, 42b, 42c geführt werden. Dies erleichtert die Außenmontage und erhöht die Funktionszuver­ lässigkeit.

Fig. 10 zeigt schematisch ein Antennensystem, das sich für bidi­ rektionalen Datentransfer z. B. als Komponente eines Telekommuni­ kationssystems im Fahrzeug eignet.

Dieses Antennensystem beinhaltet einen innneren Systemteil 45 und einen äußeren Systemteil 46, die innen bzw. außen an einer Fahrzeugscheibe 47 angebracht sind und einen Koppelteil umfas­ sen, der sowohl einen Energietransfer von innen nach außen als auch einen bidirektionalen Datentransfer erlaubt. Hierzu bein­ haltet der innere Systemteil einen Stromversorgungssignalgenera­ tor 48, einen Datensendeteil 49 und einen Datenempfangsteil 50, und diese drei Komponenten an einer Sende-/Empfangssteuereinheit 51 mit geeigneter Datenschnittstelle angeschlossen sind und die­ se Steuereinheit 51 von einer zugeführten Spannung +U_B versorgt wird und an eine bidirektionale Datenleitung 52 angeschlossen ist. Der äußere Systemteil 46 beinhaltet passend zu den Trans­ ferkomponenten des inneren Systemteils 45 einen Stromversor­ gungssignalempfänger 53, einen Datensendeteil 54 und einen Da­ tenempfangsteil 55. Diese drei Komponenten 53, 54, 55 sind an eine Sende-/Empfangs-Duplexweiche 56 angeschlossen, mit der ein Antennenbauteil 57 verbunden ist. Die Datensignalkopplungen 58, 59 zwischen jeweiligem Sende- und Empfangsteil 49, 54 bzw. 50, 55 können je nach Bedarf kapazitiv, induktiv oder optisch reali­ siert sein. Dabei kann die Glasscheibe 47 an beliebiger Stelle im Signalverarbeitungspfad des jeweils aus einem Sende- und ei­ nem Empfangsteil gebildeten Datenübertragungsteils 60, 61 als Trennstelle wirken, wobei der eine Übertragungsteil 61 als Sen­ deübertragungsteil, d. h. zur Übertragung von vom Antennensystem zu sendenden Daten, und der andere Übertragungsteil 60 entspre­ chend als Empfangsübertragungsteil zum Übertragen von vom Anten­ nensystem empfangenen Daten fungiert. Dies bedeutet, daß im je­ weiligen Übertragungsteil 60, 61 die Komponenten in beliebiger, je nach Anwendungsfall günstigster Weise auf den inneren und den äußeren Systemteil 45, 46 aufgeteilt werden können.

Besonders auch bei Verwendung flacher Patch-Antennenbauteil ist es günstig, Vereisungserscheinungen verhindern, d. h. gegebenen­ falls ein schnelles Enteisen bewirken zu können. Hierzu kann op­ tional eine Beheizung des äußeren Systemteils in Form eines Heiz­ elementes vorgesehen sein, das ausschließlich von der vom inneren Systembauteil übertragenen Energie gespeist wird, so daß keine Fremdenergie zu Heizzwecken extern zugeführt werden muß. Dazu ist am äußeren Systemteil vorzugsweise ein ohmsches Heizwider­ standselement ausgebildet, das zwecks EMV-Gewährleistung vor­ zugsweise mit Gleichstrom betrieben wird, der durch Gleichrich­ tung des erforderlichen Anteils an den übertragenen Stromversor­ gungssignalen bereitgestellt wird. Als Heizelement kann insbesondere eine vorhandene Kurzschlußmaske dienen, welche eine induktive Geschlossenfeld-Struktur z. B. spiralförmig umgibt. Bei Realisierung einer mit Gleichstrom beheizbaren Kurzschlußmaske kann letztere in feine Heizwindungen aufgelöst sein, die hoch­ frequenzmäßig kapazitiv kurzgeschlossen sind. Im Ausführungsbei­ spiel von Fig. 9 kann zu Heizzwecken beispielsweise der jeweili­ ge Rand einer jeden Schicht 38 bis 41 als ohmsche Heizzone aus­ gebildet sein. Dadurch läßt sich eine große wärmeabgebende Flä­ che erzielen, die mit geeignet mäanderförmigen Heizpfaden belegbar ist. Je größer die wärmeabgebende Fläche, um so niedri­ ger ist die erforderliche Temperaturanhebung und damit der er­ forderliche Heizstrom. Ein solches Heizelement kann in einfacher Weise mit einem PCB-Laminat integriert realisiert sein, ohne problematische separate Kontaktierstellen und daher mit hoher Funktionszuverlässigkeit.

Wie die obige Beschreibung einiger Beispiele zeigt, hat das er­ findungsgemäße Antennensystem den Vorteil, daß zu seiner Anbrin­ gung an einer Fahrzeugheckscheibe oder einer beliebigen anderen Montagefläche ausreichend geringer Leitfähigkeit keine Durchbrü­ che in der Montagefläche benötigt werden, selbst wenn eine Stromversorgung außenseitig montierter Komponenten erforderlich ist. Die außenseitige Montage des Antennenbauteils vermeidet Probleme bezüglich Dämpfung, Abschattung und Verstimmung der An­ tenne aufgrund der Montagefläche. Die Montagefläche kann viel­ mehr in ihren geometrischen und Materialeigenschaften in weiten Grenzen variieren, solange ihre elektrische Leitfähigkeit genü­ gend klein bleibt. Daraus folgt, daß das erfindungsgemäße Anten­ nensystem gut zur Nachrüstung geeignet ist und sich zudem in gleichbleibender Bauart für unterschiedliche Fahrzeugtypen ein­ setzen läßt.

Claims (14)

1. Antennensystem für eine Datenkommunikationseinheit in einem Fahrzeug, insbesondere für eine satellitengestützte Navigations­ einrichtung, mit

• - einem außenseitig an einer Montagefläche (1) der Fahrzeugka­ rosserie anzuordnenden Systemteil, der ein Antennenbauteil (2) beinhaltet,
• - einem innenseitig anzuordnenden Systemteil und
• - Kopplungsmitteln zur Signalkoppelung von außenseitigem und in­ nenseitigem Systemteil,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der außenseitig an der Montagefläche (1) anzuordnende System­ teil wenigstens eine energieverbrauchende Systemkomponente aufweist und
• - die Kopplungsmittel aus Signalübertragungsmitteln (5a, 5b, 8a, 8b) bestehen, welche Stromversorgungssignale drahtlos durch die Montagefläche (1) hindurch vom innenseitigen zum außensei­ tigen Systemteil übertragen.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragungsmittel Stromversorgungssignale induktiv und Datensignale kapazitiv, induktiv oder optisch mittels elek­ trischer und/oder elektromagnetischer Felder und/oder Wellen durch die Montagefläche (1) hindurch übertragen.

3. Antennensystem nach Anpruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragungsmittel eine induktive Offenfeld- oder Ge­ schlossenfeld-Spiralpfadstruktur (17, 18) am inneren und am äu­ ßeren Systemteil (14, 15) aufweisen.

4. Antennensystem nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Geschlossenfeld-Struktur mehrere gegenläufige Strompfadwindungen und/oder eine strukturumschließende Kurzsschlußmaske umfaßt.

5. Antennensystem nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußmaske gleichzeitig als ohmsches Heizelement fun­ giert, das mit Energie der vom innenseitigen zum außenseitigen Systemteil übertragenen Stromversorgungssignale gespeist wird.

6. Antennensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Geschlossenfeld-Struktur auf ihrer von der Monta­ gefläche abgewandten Seite von einer magnetisch leitfähigen Feldführungsschicht (19, 20) abgedeckt ist.

7. Antennensystem nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Feldführungschicht (19, 20) auf ihrer von der induktiven Ge­ schlossenfeld-Struktur abgewandten Seite mit einer elektrisch hochleitenden Beschichtung (21, 22) versehen ist.

8. Antennensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Signalübertragungsmittel separate Lichtsignalübertragungs­ strecken (33, 34) für empfangene und zu sendende Daten aufwei­ sen.

9. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - der außenseitige Systemteil einen Antennenverstärker (4) bein­ haltet und
• - die Signalübertragungsmittel eine kapazitive Koppeleinheit (5a, 5b) zur Übertragung von Datensignalen vom Antennenbauteil (2) und eine Koppelspuleneinheit (8a, 8b) zur Übertragung von innenseitig zugeführten Stromversorgungs-Wechselspannungs­ signalen aufweisen.

10. Antennensystem nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Antennenbauteil (2), der Antennenverstärker (4) und eine außenseitige Koppelfläche (5a) der kapazitiven Koppeleinheit ne­ ben oder innerhalb einer außenseitigen Koppelspule (8a) der Kop­ pelspuleneinheit angeordnet sind.

11. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - der außenseitige Systemteil eine Signalverarbeitungseinheit (12) beinhaltet und
• - die Signalübertragungsmittel eine Koppelspuleneinheit (8a, 8b) zur Übertragung sowohl von Datensignalen als auch von Strom­ versorgungs-Wechselspannungssignalen zwischen der Signalverar­ beitungseinheit und dem innenseitigen Systemteil aufweisen.

12. Antennensystem nach Anspruch 11, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenbauteil (2) und die Signalverarbeitungseinheit (12) neben oder innerhalb einer außenseitigen Koppelspule (8a) der Koppelspuleneinheit angeordnet sind.

13. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - der innenseitige Systemteil einen Antennenverstärker (4) und/oder eine Signalverarbeitungseinheit (12) beinhaltet und
• - die Signalübertragungsmittel eine kapazitive Koppeleinheit (5a, 5b) zur Übertragung der Antennensignale zwischen dem An­ tennenbauteil (2) einerseits und dem Antennenverstärker bzw. der Signalverarbeitungseinheit andererseits aufweisen.

14. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der innenseitige Systemteil eine Koaxialleitung beinhaltet, über die sowohl die Antennensignale als auch die Stromversorgungs- Wechselspannungssignale geführt werden.