DE202005017773U1

DE202005017773U1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE202005017773U1
Application number: DE200520017773
Authority: DE
Original assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2015-11-12

Abstract

Antennenanordnung für mobilen Betrieb, bestehend aus einer Grundplatte aus elektrisch leitendem Material, einem dielektrischen Trägermaterial mit Leiterbahnen und Schaltungen der Signalverarbeitung sowie Antennen für unterschiedliche Funkdienste, insbesondere im GHz-Bereich, und einer haubenartigen Abdeckung aus dielektrischem Material, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
– Die Oberfläche einer Haube (6, 7) ist mit leitenden Strukturen versehen.
– Die leitenden Strukturen sind als Strahler (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12, 13, 13.1) für unterschiedliche Frequenzen und als Anpaß-Netzwerke ausgebildet.
– Für Frequenzen des Meterwellenbereichs und tiefere Frequenzen bilden die leitenden Strukturen auf einer Haubenoberfläche den unteren Abschnitt (10.1) eines Strahlers (10), der mit einem oberen Abschnitt (10.2), der an der Haube (7) mechanisch befestigt ist, über die Außenkonturen der Haube (7) hinausragt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für mobilen Betrieb, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, für Empfang und bzw. oder Sendebetrieb in mehreren unterschiedlichen Frequenzen. Die Anordnung ist für den Anbau außen auf Karosserieelementen, wie Dach, Kofferraumhaube und Kotflügel, bestimmt.
Es ist bekannt, auf dem Dach von Personenkraftwagen Antennen für den GHz-Bereich, wie Frequenzen des Mobilfunks (GSM), für satellitengestützte Navigation (GPS) sowie Fernbedienung und die neuen digitalen Dienste, z.B. digitaler Hörrundfunk (DAB/L), anzuordnen. Soweit Strahler vom Typ Monopol Anwendung finden, wird das Maß λ/4, d.h. eines Viertels der Betriebswellenlänge, für die wirksame Länge der Antenne gewählt, so daß sich für eine niedrigere unter den erwähnten Frequenzen, wie die des Mobilfunks im 900-MHz-Bereich, eine Strahlerhöhe (geometrisches Längenmaß) von etwa 75 mm ergibt.
Sie kann in Grenzen noch verringert werden (Dachkapazität, Einsatz von Dielektrika, Faltung oder Mäandrierung).
Die Maßnahmen zur Beeinflussung des geometrischen Maßes in Relation zur elektrisch wirksamen Höhe werden durch Ausbildung der Strahler als leitende Strukturen auf dielektrischen Substraten (partielle Metallisierung) unterstützt bzw. ermöglicht. Andere Antennenarten haben eine geringere Höhe, aber größere seitliche Abmessungen (Flachantenne/Flat antenna, Patch Antenna, bestimmte Platinenanordnungen oder Formkörper mit leitenden Strukturen).
Es ist üblich, die Antennen für die unterschiedlichen Dienste nebst den zugehörigen Schaltungskomponenten auf einer gemeinsamen Grundplatte anzuordnen, die im allgemeinen auf dem Fahrzeugdach positioniert und mit einer Haube aus einem dielektrischen Material als Radom bedeckt wird. Die elektrischen Anschlüsse werden durch Öffnungen bzw. Bohrungen im Dachmaterial unterhalb der Antennen-Grundplatte in den Fahrzeug-Innenraum geführt. Die Form der Haube wird nach den Design-Vorstellungen der Fahrzeughersteller ausgebildet. Sie schützt die Antennen vor Witterungseinflüssen und dichtet die Anordnung zum Fahrzeugdach hin ab.
Die Schutz- und die Designfunktion sind die einzigen Merkmale der Antennenhauben des bekannten Stands der Technik. Die Schutz-Funktion für das elektrische „Innenleben" wird so ernst genommen, dass vielfach nach dem Zusammenbau von Grundplatte und Antennen noch ein zusätzliches dünnwandiges, aber formsteifes Formteil aus Kunststoff auf die Anordnung gesetzt wird. Ed dient speziell als Berührungs- und mechanischer Schutz für die Zeit bis zur Dachmontage. Es verbleibt dann nach der Dachmontage als ,Zwischenhaube' unterhalb der äußeren Haube.
Die einschlägigen Antennenkonzepte des Stands der Technik haben unter anderem folgende Nachteile:

– Auf der gemeinsamen Grundplatte kann nur eine begrenzte Zahl Antennen angeordnet werden, weil Restriktionen hinsichtlich der Abmessungen – Grundfläche wie auch Volumen – bestehen.
– Ebenfalls aus Platzgründen sind Mehrantennenanordnungen für einen bestimmten Frequenzbereich nur begrenzt bzw. überhaupt nicht möglich.
– Das gesetzlich vorgeschriebene (maximale) bzw. das vom Autohersteller vorgegebene Höhenmaß der Haube kann nicht voll für die Antennen genutzt werden. Die Form der Haube oder der zwei übereinander angeordneten Hauben und die nötigen Materialdicken und Abstände verringern das mögliche geometrische Maß z.B. einer als Monopol für den GHz-Bereich konzipierten Antenne. Dadurch kann die Antennen-Performance (speziell Pegel) beeinträchtigt werden.
– Mit der Anordnung der Haube oder sogar von zwei Hauben sind die Strahler von wechselnden unterschiedlichen Dielektrika umgeben (Luft und ein bzw. zwei Kunststoffe mit nochmals unterschiedlichen relativen Dielekrizitätskonstanten). Dadurch werden die Strahlungseigenschaften aller Antennen der Anordnung zusätzlich beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, qualitativ neue Möglichkeiten für die Anordnung von Antennenkombinationen für Frequenzen des GHz-Bereichs unter einer gemeinsamen Haube am Fahrzeug zu finden und dabei insbesondere die Variabilität zu erhöhen sowie die Strahlungseigenschaften einzelner Antennen zu verbessern und gleichzeitig Kosten zu senken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Lösungsdetails und Ausführungsbeispiele.
Mit der Erfindung wird das Potential, das für die Anordnung von Antennen kleiner geometrischer Abmessungen auf Flächen von Fahrzeug-Karosserien zur Verfügung steht, wesentlich erweitert, ohne dass das Volumen der Anbauteile – als die man die oben beschriebenen Hauben betrachten kann – vergrößert werden müsste und ohne dass, relativ gesehen, Mehrkosten entstehen Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Nachbildung von stabartigen und von flächigen Strahlern geeignet. Ebenso ist wichtig, dass durch die Erfindung auch problemlos mehrere Antennen für denselben Frequenzbereich vorgesehen werden können, etwa für den gleichzeitigen Betrieb von mehr als einem Mobiltelefon im selben Netz (unter Einsparung der Kosten eines Splitters) und auch für Antennen-Diversity. Auch die oben erwähnte Zwischenhaube erfährt noch eine zusätzliche Daseinsberechtigung. Man hat die Wahl zwischen der inneren und der äußeren Haube, um die Position und die Struktur eines Strahlers auf einer geeigneten Haubenoberfläche zu optimieren. Dieser Effekt kommt auch besonders vorteilhaft bei der Ausführung von parasitär wirkenden Strahlerstrukturen zum Tragen (z.B. durch Anordnung eines parasitären Elements auf einer anderen Haube als der gespeiste Strahler).
Last but not least kann auf Grund der erfindungsgemäßen Nutzung der Haubenflächen für Antennenstrukturen auf den Einsatz von Leiterplattenmaterial verzichtet werden, das bisher als Träger für Antennenstrukturen, z.B. für GSM, verwendet wurde. Das ergibt, in der Summe der Produkte gesehen, einen nicht zu unterschätzenden Einsparungseffekt.
Die Projektion der Strukturen z.B. auf die Innenfläche der äußeren Haube hat darüber hinaus den Vorteil, dass sich in aller Regel etwas größere geometrische Abmessungen realisieren lassen (z.B. auf Grund der sphärischen oder angeschrägten Formen der Haube und weil das Innenmaß der Haube etwas größer ist als das entsprechende Maß eines darunter angeordneten Funktionselements).
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung
1. Stand der Technik: Dachantennengruppe unter einer inneren und einer äußeren, aerodynamisch gestalteten Haube

a) Längsschnitt
b) Schnitt A-A

2. Stand der Technik: Hauben in perspektivischer Darstellung, Untersicht

a) Außenhaube
b) Zwischenhaube

3. Haube mit erfindungsgemäßer Ausbildung eines Strahlers für den analogen Hörrundfunk, bestehend aus zwei Abschnitten
Die 1 und 2 zeigen Anordnungen des bekannten Stands der Technik.
Dabei sind

1: Grundplatte
2: Schaltungsplatine
3: Leiterplatte mit GSM-Antennen
4: Leiterplatte mit DAB/L-Band-Antenne
5: GPS-Antenne (Patch Antenna)
6: Zwischenhaube
7: Außenhaube (Radom)

Von den in 1 gezeigten Antennen sind die Strahler auf den aufrecht angeordneten Leiterplatten 3 und 4 geeignet, gemäß der Erfindung als leitende Strukturen auf die innere Oberfläche der Außenhaube 7 oder auf die innere oder die äußere Oberfläche der Zwischenhaube 6 aufgebracht zu werden. Im einen Fall handelt es sich um die Kombination eines λ/4-Strahlers für Mobilfunk im 900-MHz-Bereich mit einem λ/4-Strahler für den 1,8-GHz-Bereich und im Falle der DAB-Antenne um einen separaten λ/4-Strahler.
Bei der bis dato üblichen Ausbildung dieser Strukturen auf den Leiterplatten 3 (GSM) und 4 (DAB/L) gibt es Probleme für den Antennenentwickler. So ist in gesetzlichen Bestimmungen festgelegt, wie hoch die Außenhaube 6 maximal sein darf (derzeitig sind es, noch im Rahmen einer Ausnahmeregelung, 70 mm). Hinzu kommen die Vorgaben des Autoherstellers hinsichtlich des Designs der Haube. Derzeitig wird vielfach eine Form ähnlich der Rückenflosse (Finne) von Walen und Haien bevorzugt – wie in 1 und 2 gezeigt.
Schon unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Haubenhöhe hat man auf Grund der Materialdicke der Außenhaube nicht ausreichend Bauraum, um z.B. die Strahler für den 900-MHz-Bereich auf der Leiterplatte 3 mit der dieser Frequenz gemäßen wirksamen Höhe von 75 mm auszuführen.
Eine Antennenstruktur für den 900-MHz-Bereich wird deshalb auf der Platine fallweise jeweils unterschiedlich gefaltet und bzw. oder mit einer Dachkapazität versehen.
Aus dem Schnitt in 1b ist ersichtlich, daß im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen die erfindungsgemäße Nutzung z.B. der gewölbten oder schräggestellten Innenfläche der Außenhaube 7 für Antennenstrukturen mehr Spielraum hinsichtlich der Abmessungen der leitenden Strukturen bietet. Das kann bis hin zu einer Ausführung in der gestreckten Länge z.B. von 75 mm gehen. Andererseits haben die Außen- und die Zwischenhaube insgesamt mehr Oberfläche als die beiden einzelnen Leiterplatten 3 und 4 gemäß Stand der Technik.
Ein weiteres Problem ist die gegenseitige Entkopplung der Antennen. Antennen für sich z.T. deckende Frequenzen bzw. für ohne Frequenzlücken benachbarte Frequenzen können sich bei zu geringem Abstand der Strahler gegenseitig beeinflussen. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung ist nun immer vergleichsweise viel Spielraum vorhanden, um ausreichende Abstände auch zwischen derartigen Antennen einzuhalten bzw. zu optimieren.
3 zeigt eine Haube mit zwei an der inneren Oberfläche angeordneten Strahlern 8, 9, 13 für GSM/900 MHz und mit einer Antenne 10 für den Hörrundfunk im UKW- (FM) und im LMK-Bereich (AM).
Der Strahler 8 könnte auf Grund der Wölbung, auf die er aufgebracht ist, mit einer gestreckten Länge von 75 mm ausgeführt werden. So würden keinerlei Maßnahmen zur Verkürzung der geometrischen Abmessungen unter gleichzeitiger Gewährleistung der nötigen wirksamen Höhe erforderlich sein. Der gespeiste Strahler 9 und der parasitäre Strahler 13 sind mit einer geringeren Höhe eingezeichnet.
Wenn erforderlich, kann eine zu geringe gestreckte Länge ausgeglichen werden, indem die Haubenoberfläche in einfacher Weise mit den Dachkapazitäten 9.1 und 13.1 genutzt wird. Gemäß der Erfindung können die Dachkapazitäten 9.1 und 13.1 sogar als aufgesetzte Flächen beliebiger Form ausgeführt sein.
Der Strahler 10 für den FM- und den AM-Empfang besteht aus einem unteren Abschnitt in Gestalt der Struktur 10.1 auf der Hauben-Oberfläche und dem zweiten, oberen Abschnitt in Gestalt des auf die Haube gesetzten Stabs 10.2. Beide sind elektrisch miteinander verbunden und bilden HF-mäßig die Antenne 10. Auch kann man eine elektrisch wirksame Höhe der beiden Abschnitte in der Summe erzielen, die größer ist als das entsprechende geometrische Maß. Das wird erfindungsgemäß erzielt durch Mäandrierung des unteren Strahlerabschnitts 10.1, die eine Verkürzung der Antenne um z. B. etwa 50 mm auf insgesamt 350 mm erlauben würde (Kurzstab-Antennen für FM/AM-Empfang haben üblicherweise eine geometrische Länge von 400 mm).
Zum anderen könnte der Abschnitt 10.1 gleichzeitig als Antenne für eine höhere Frequenz nutzbar gemacht werden, z.B. für GSM oder als Notrufantenne („back up"). Falls der Stab 10.2 abbricht, würde mit hoher Wahrscheinlichkeit die Notrufantenne innerhalb der Haube erhalten bleiben
Zur Erzeugung der Strukturen auf den Haubenoberflächen nur soviel: Nicht immer wird es möglich sein, z.B. die Techniken des MID (Moulded Interconnect Devices) anzuwenden. In Hauben mit sehr engen, schlitzartigen Innnenkonturen – wie sie sich aus der Finnenform ergeben können, ist es schwierig bzw. nicht möglich, die nötigen fotochemischen Prozesse und etwa auch die Lasertechnik für die partielle, strukturierte Metallisierung der Innenfläche anzuwenden. Auch ergeben sich aus der MID-Technik Einschränkungen hinsichtlich der Werkstoff-Auswahl.
Eine Möglichkeit – die im Prinzip auch der vorliegenden Erfindung immanent ist – ist die Verwendung einer zusätzlichen dünnen Folie als Trägermaterial für die Strukturen. Die Folie wird so geformt, dass sie genau der Form des zu metallisierenden Teils entspricht, und wird mit den gewünschten leitenden Strukturen versehen und dann ein- bzw. aufgeklebt. Dabei ist es möglich, die Folie vorab als ebene Fläche oder in geringem Maß vorgeformt zu beschichten und sie anschließend durch Tiefziehen oder direkt durch Ein- oder Aufpressen – Verprägen – mit der Haube zu verbinden. Die Verformung als separater Arbeitsgang kann auch zwischen verschiedenen Arbeitsschritten der strukturierten Metallisierung vorgenommen werden, z.B. vor der galvanischen Beschichtung.
Eine solche Folie bildet dann die innere Oberfläche einer der beiden Hauben oder die Außenfläche der Zwischenhaube. Denkbar ist weiterhin, dass nur ein Teil einer Haubenfläche mit der metallisierten Folie beschichtet wird.
Das Prinzip vereinfacht den Metallisierungsprozeß und gewährleistet die nötige Freiheit bei der Wahl der Werkstoffe für die Hauben.
Für die Ausführung der Schnittstellen zwischen den Strukturen auf der Oberfläche einer Haube und den anderen bzw. weiterführenden elektrischen Funktionsmitteln, z.B. auf der Leiterplatte 2, wird auf Mittel des bekannten Stands der Technik zurückgegriffen. Dabei ist von dem Grundsatz auszugehen, dass die Kontaktstelle mit dem Speisepunkt der Strahlerstruktur identisch ist. Gestalterische Voraussetzung kann dabei z.B. ein Absatz an der Haube 7 sein, wie er in 3 mit 12 bezeichnet ist. Die Strahler-Struktur 8, 9, 11 wird in die unmittelbare Nähe einer Leiterbahn auf der Leiterplatte 2 geführt bzw. um den Absatz 12 herum parallel zu der Leiterbahn, und es können die in den Unteransprüchen angegebenen, an sich bekannten Kontaktierungsprinzipe und mittel angewendet werden.

Claims

Antennenanordnung für mobilen Betrieb, bestehend aus einer Grundplatte aus elektrisch leitendem Material, einem dielektrischen Trägermaterial mit Leiterbahnen und Schaltungen der Signalverarbeitung sowie Antennen für unterschiedliche Funkdienste, insbesondere im GHz-Bereich, und einer haubenartigen Abdeckung aus dielektrischem Material, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – Die Oberfläche einer Haube (6, 7) ist mit leitenden Strukturen versehen. – Die leitenden Strukturen sind als Strahler (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12, 13, 13.1) für unterschiedliche Frequenzen und als Anpaß-Netzwerke ausgebildet. – Für Frequenzen des Meterwellenbereichs und tiefere Frequenzen bilden die leitenden Strukturen auf einer Haubenoberfläche den unteren Abschnitt (10.1) eines Strahlers (10), der mit einem oberen Abschnitt (10.2), der an der Haube (7) mechanisch befestigt ist, über die Außenkonturen der Haube (7) hinausragt.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haube, die mit den leitenden Strukturen (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12, 13, 13.1) versehen ist, die unter gestalterischen und aerodynamischen Gesichtspunkten geformte Außenhaube (7; Radom) der Anordnung darstellt und dass die leitenden Strukturen auf ihrer inneren Oberfläche ausgebildet sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haube, die mit den leitenden Strukturen (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12, 13, 13.1) versehen ist, als Zwischenhaube (6) unter einer Außenhaube (7) angeordnet ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Strukturen für ausgewählte Frequenzen als gespeiste (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12) und daneben auch als parasitäre Strahler (13,13.1) ausgebildet sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere auf der Oberfläche einer Haube verteilte leitende Strukturen (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12, 13, 13.1) als Strahler für eine gemeinsame Frequenz.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Anschluß mehrerer, über eine Haubenoberfläche verteilter leitender Strukturen (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12), die als Strahler für eine gemeinsame Frequenz ausgebildet sind, an eine Diversity-Schaltung.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahler (10) mit einer wirksamen Gesamthöhe für niedere Frequenzen, der durchgängig aus einem Abschnitt (10.1) auf der Oberfläche einer Haube (7) und einem auf die Haube aufgesetzten Abschnitt (10.2) besteht, als Mehrbereichsantenne ausgebildet ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haube (6, 7) in ihrem Inneren als Negativform eines in bekannter Weise aus einem Formkörper mit partieller Metallisierung bestehenden Antennengebildes konturiert ist und dass die partielle Metallisierung adäquat auf die Oberflächen der Negativform übertragen ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Foliengebilde mit einer Form, die den Innen- oder den Außenkonturen einer Haube (6, 7) entspricht, wobei das Foliengebilde mit den Strahlerstrukturen (8, 9, 9.1, 10.1, 11, 12, 13, 13.1) versehen ist und wie eine strukturierte Beschichtung mit der entsprechenden Haubenfläche verbunden ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung auf eine Fläche aus elektrisch leitendem Material gesetzt ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Positionierung und Betrieb der Anordnung auf, prinzipiell gesehen, waagerechten Karosseriebereichen von Kraftfahrzeugen, wie dem Dach und der Kofferraumklappe.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch kraft- und formschlüssige Kontakte zwischen den leitenden Strukturen (8, 9, 10.1, 11, 12) auf einer Haubenfläche und den weiterführenden Netzwerken.
Antennenkonfiguration nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen federnden Kontakt zwischen einer leitenden Struktur (8, 9, 10.1, 11, 12) auf einer Haubenfläche und einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte (2), wobei das federnde Kontaktelement mit der Leiterbahn auf der Leiterplatte (2) durch Löten verbunden ist.
Antennenkonfiguration nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kontaktierung einer leitenden Struktur (8, 9, 10.1, 11, 12) auf einer Haubenfläche und einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte (2) mittels einer Steckerverbindung.
Antennenkonfiguration nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kontaktierung einer leitenden Struktur (8, 9, 10.1, 11, 12) auf einer Haubenfläche mit einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte (2) mit Hilfe eines Rastclips mit metallisierter Oberfläche, der Teil der Haube (6, 7) ist.
Antennenkonfiguration nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kontaktierung einer leitenden Struktur (8, 9, 10.1, 11, 12) auf einer Haubenfläche mit einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte (2) mit Hilfe einer punktuellen elektrisch leitenden Klebverbindung.