DE602004010089T2

DE602004010089T2 - Antennensystem für ein kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE602004010089T2
Application number: DE602004010089T
Authority: DE
Inventors: Jaume Anguera-Pros; Enrique Martinez-Ortigosa; Carles Puente-Baliarda; Edouard Rozan
Original assignee: Advanced Automotive Antennas SL
Current assignee: Advanced Automotive Antennas SL
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: US20040119644A1; ATE378701T1; KR20060029603A; CN1816943A; EP1616368A1; KR100821453B1; EP1616368B1; JP2006524449A; US7511675B2; WO2004095635A1; JP4741466B2; DE602004010089D1; CN1816943B

Description

Gebiet
Die in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebene Technik bezieht sich auf das Gebiet von Antennen. Insbesondere beschreibt die Anmeldung ein Antennensystem eines Kraftfahrzeugs.
Aufgabe
Die vorliegende Erfindung weist ein Mehrdienst-Antennensystem auf, das zum Beispiel in ein Kunststoffgehäuse integriert werden kann, das an der Innenoberfläche der transparenten Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs befestigt ist.
Die Erfindung weist miniaturisierte Antennen für die Grunddienste auf, die aktuell in einem Automobil benötigt werden, nämlich Rundfunkempfang, vorzugsweise in den Bändern AM und FM oder DAB, Mobiltelefonie zum Senden und Empfangen in den Bändern GSM 900, GSM 1800 und UMTS sowie das GPS-Navigationssystem.
Die Antennenform und -konstruktion basieren auf kombinierten Miniaturisierungstechniken, die eine beträchtliche Größenverringerung der Antenne erlauben, wodurch es möglich wird, sie in eine Fahrzeugkomponente, wie zum Beispiel einen Rückspiegel, zu integrieren.
Hintergrund
Bis vor Kurzem waren die Telekommunikationsdienste, die in einem Automobil enthalten waren, auf wenige Systeme eingeschränkt, hauptsächlich auf den analogen Radioempfang (AM/FM-Band). Die häufigste Lösung für diese Systeme ist die typische Peitschenantenne, die auf dem Autodach montiert ist. Die aktuelle Tendenz auf dem Sektor des Automobilbaus ist die Verringerung der ästhetischen und aerodynamischen Auswirkung solcher Peitschenantennen durch Einbetten des Antennensystems in die Fahrzeugstruktur. Außerdem stellt sich auch eine größere Integration der mehreren Telekommunikationsdienste in eine einzige Antenne als besonders attraktives Konzept dar, um die Herstellungskosten oder den Schaden aufgrund von Vandalismus und Fahrzeugwaschsystemen zu verringern.
Die Antennenintegration wird aufgrund einer tiefgreifenden kulturellen Veränderung hin zu einer Informationsgesellschaft immer notwendiger. Das Internet hat ein Informationszeitalter eingeläutet, in dem Menschen auf der ganzen Erde Informationen erwarten, fordern und empfangen. Autofahrer haben die Erwartung, dass sie sicher fahren können, während sie E-Mails und Telefonanrufe bearbeiten und Richtungsanweisungen, Pläne und andere Informationen erhalten, die auf dem World Wide Web (www) verfügbar sind. Telematische Geräte können zum automatischen Mitteilen eines Unfalls bei den Behörden und zum Heranführen von Rettungsdiensten an das Fahrzeug, zum Nachverfolgen gestohlener Fahrzeuge, zum Liefern einer Navigationsunterstützung für Autofahrer, zum Rufen eines Pannendienstes und zum Vorsehen einer Fern-Motordiagnose verwendet werden.
Der Einbau hochentwickelter Telekommunikationsausrüstungen und -dienste in Automobilen und anderen Kraftfahrzeugen ist noch sehr jung und war zuerst auf sehr teure Luxusautomobile eingeschränkt. Der schnelle Preisverfall sowohl bei Ausrüstungsgegenständen als auch bei Servicekosten bringt telematische Produkte jedoch auch in den Bereich von Mittelklassewagen. Die geballte Einführung einer großen Palette solcher neuen Systeme würde jedoch zu einer Vervielfältigung von Antennen auf der Karosserie des Fahrzeugs entgegen ästhetischen und aerodynamischen Trends führen, wenn nicht eine integrierte Lösung für die Antennen eingesetzt wird.
Die internationale Anmeldung PCT/EP00/00411 schlug eine neue Familie kleiner Antennen vor, die auf einer Menge von Kurven basieren, die als raumfüllende Kurven bezeichnet werden. Eine Antenne wird als eine kleine Antenne (eine Miniaturantenne) bezeichnet, wenn sie im Vergleich zur Betriebswellenlänge in einen kleinen Raum passt. Es ist bekannt, dass eine kleine Antenne einen großen Eingangsblindwiderstand (entweder kapazitiv oder induktiv) aufweist, der üblicherweise durch eine externe Anpassungs-/Ladeschaltung bzw. -struktur ausgeglichen werden muss. Weitere Eigenschaften einer kleinen Antenne sind ihr kleiner Strahlungswiderstand, kleine Bandbreite und niedriger Wirkungsgrad. Daher ist es höchst schwierig, eine abgestimmte Antenne in einen Raum zu packen, der hinsichtlich der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz klein ist. Die raumfüllenden Kurven, die für die Konzeption und Konstruktion kleiner Antennen eingeführt wurden, erhöhen die Leistung anderer klassischer Antennen, die im Stand der Technik beschrieben sind (wie zum Beispiel lineare Monopole, Dipole und kreisförmige oder rechteckige Schleifen).
Die Integration von Antennen in Spiegeln wurde vorgeschlagen. Das US-Patent Nr. 4,123,756 ist eines der ersten, das die Verwendung von leitfähigen Platten als Antennen im Inneren von Spiegeln vorschlug. Das US-Patent Nr. 5,504,478 schlug die Verwendung von metallischen Seiten eines Spiegels als eine Antenne für eine drahtlose Automobil-Apertur vor. Weitere Konfigurationen wurden vorgeschlagen, um eine drahtlose Automobil-Apertur, einen Garagentüröffner oder einen Autoalarm ( US-Patent Nr. 5,798,688 ) innerhalb der Spiegel von Kraftfahrzeugen unterzubringen. Offensichtlich schlagen diese Systeme eine spezifische Lösung für bestimmte Systeme vor, die allgemein eine Antenne mit einer sehr schmalen Bandbreite benötigen und keine volle Integration von Basisdienstantennen bieten.
Weitere Lösungen wurden vorgeschlagen, um die AM/FM-Antenne in die Heckscheibenheizung zu integrieren (Internationale Anmeldung Nr. WO95/11530 ). Diese Konfiguration erfordert jedoch ein teures elektronisches Anpassungsnetzwerk, das HF-Verstärker und -Filter enthält, um die Funksignale von der Gleichstromquelle zu unterscheiden, und ist aufgrund ihres niedrigen Antennenwirkungsgrads zum Senden zum Beispiel von Telefonie-Signalen nicht geeignet.
Die vorliegende Erfindung kann einen Rückspiegel verwenden, um alle in einem Automobil benötigten Grunddienste, wie zum Beispiel Rundfunk, GPS und drahtlosen Zugang zu zellulären Netzwerken, zu integrieren. Die Hauptvorteile sind eine vollständige Antennenintegration ohne ästhetische oder aerodynamische Auswirkungen, zweitens ein vollständiger Schutz gegen zufällige Beschädigung oder Vandalismus sowie eine beträchtliche Kostenreduzierung.
Die Verwendung von Mikrostreifenantennen ist in Mobiltelefongeräten (siehe Vortrag von K. Virga und Y. Rahmat-Samii "Low-Profile Enhanced-Bandwidth PIFA Antennas for Wireless Communications Packaging" ("PIFA-Antennen mit niedrigem Profil und vergrößerter Bandbreite zur Verpackung drahtloser Kommunikationen"), veröffentlicht in IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Oktober 1997), insbesondere in der mit PIFA (Planar Inverted F Antennas) bezeichneten Konfiguration bekannt. Der Grund für die Verwendung von Mikrostreifen-PIFA-Antennen liegt an ihrem niedrigem Profil, ihren geringen Herstellungskosten und der einfachen Integration in die Handapparatstruktur. Diese Antennenkonfiguration wurde jedoch noch nicht zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Mehrere Antennenkonfigurationen, die von der vorliegenden Erfindung zur Integration eines Mehrdienst-Antennensystems innerhalb eines Innen-Rückspiegels beansprucht werden, beinhalten die Verwendung von PIFA-Antennen.
Eine der Miniaturisierungstechniken, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, basiert, wie oben bemerkt, auf raumfüllenden Kurven. In einem Sonderfall der Antennenkonfiguration, die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen ist, könnte die Antennenform auch als eine Mehrebenenstruktur beschrieben werden. Mehrebenentechniken wurden schon vorgeschlagen, um die physischen Abmessungen von Mikrostreifenantennen zu verringern ( PCT/ES/00296 ).
Die WO 02/35646 beschreibt eine Antenne gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die WO 01/82 410 beschreibt eine ähnliche Antenne.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Ein Antennensystem für ein Kraftfahrzeug weist eine Funkantenne auf, die in einer physischen Komponente eines Kraftfahrzeugs integriert ist. Die Radioantenne hat einen abstrahlenden Arm, wobei mindestens ein Teil des abstrahlenden Arms eine raumfüllende Kurve definiert. Die Funkantenne hat auch einen Einspeisepunkt zum Anschließen der Funkantenne an einen Funkempfänger im Kraftfahrzeug.
In einer Ausführungsform kann ein Antennensystem für ein Kraftfahrzeug eine Vielzahl von Antennenstrukturen aufweisen, die in einer physischen Komponente des Kraftfahrzeugs integriert sind. Die Vielzahl von Antennenstrukturen weist eine Radioantenne und mindestens eine Mobiltelefonieantenne und eine Satellitensignalantenne auf. Die Funkantenne hat einen abstrahlenden Arm, wobei mindestens ein Teil des abstrahlenden Arms eine raumfüllende Kurve definiert. Die Funkantenne hat einen Einspeisungspunkt zum Anschließen der Funkantenne an einen Funkempfänger im Kraftfahrzeug.
In einer zusätzlichen Ausführungsform kann die Funkantenne im Antennensystem einen abstrahlenden Arm aufweisen, der eine Rastermaßkurve definiert.
In einer weiteren Ausführungsform beschreibt die vorliegende Erfindung ein integriertes Mehrdienst-Antennensystem für ein Fahrzeug, das die folgenden Teile und Merkmale aufweist:

a) Mindestens eine erste Antenne des Antennensystems weist einen leitfähigen Streifen oder Draht auf, wobei der leitfähige Streifen oder Draht in einer raumfüllenden Kurve geformt ist, wobei die raumfüllende Kurve aus mindestens 200 verbundenen Segmenten besteht, wobei die Segmente mit jedem anschließenden Segment im Wesentlichen einen rechten Winkel bilden, wobei das Segment kleiner als ein Hundertstel der Betriebswellenlänge im freien Raum ist, und wobei die erste Antenne zum Rundfunksignalempfang der Bänder AM und FM oder DAB verwendet wird.
b) Das Antennensystem kann wahlweise miniaturisierte Antennen für drahtlose zelluläre Dienste, wie zum Beispiel GSM 900 (870–960 MHz), GSM 1800 (1710–1880 MHz), UMTS (1900–2170 MHz), CDMA 800, AMSP, CDMA 2000, KPCS, PCS, PDC-800, PDC 1.5, Bluetooth^TM und andere enthalten.
c) Das Antennensystem kann eine miniaturisierte Antenne für den GPS-Empfang (1575 MHz) enthalten.
d) Der Antennensatz ist in einem Kunststoff- oder dielektrischen Gehäuse integriert, wobei das Gehäuse an der Innenoberfläche der transparenten Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs befestigt ist.
e) Die oberen Kanten dieses Kunststoffgehäuses sind mit der Oberseite, einer Seite oder der Unterseite des Rahmens der Windschutzscheibe ausgerichtet, und ein leitfähiges Anschlusskabel ist elektrisch mit der metallischen Struktur des Kraftfahrzeugs verbunden, um den Erdungsleiter der Antennen innerhalb des Systems zu erden.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei einer der bevorzugten Ausführungsformen für das das Mehrdienst-Antennensystem einschließende Kunststoffgehäuse um das Gehäuse des Innen-Rückspiegels, das die Rückspiegelhalterung und/oder den Rückspiegel selbst beinhaltet. Diese Position stellt ein optimiertes Antennenverhalten sicher, d. h. eine gute Impedanzanpassung, ein im Wesentlichen omnidirektionales Strahlungsmuster in der waagrechten Ebene zur Abdeckung terrestrischer Kommunikationssysteme (wie zum Beispiel Rundfunk oder Mobiltelefonie) und eine große Abdeckung in der Elevation für Satellitenkommunikationssysteme, wie zum Beispiel GPS.
Die beträchtliche Größenverringerung der in der vorliegenden Erfindung eingeführten Antennen wird durch den Einsatz raumfüllender Geometrien, wie zum Beispiel einer raumfüllenden bzw. Rastermaßkurve, erzielt. Eine raumfüllende Kurve kann als eine Kurve beschrieben werden, die hinsichtlich der physischen Länge groß, jedoch hinsichtlich der Fläche, in der die Kurve enthalten sein kann, klein ist. Genauer gesagt wird für eine allgemeine raumfüllende Kurve in der vorliegenden Schrift die folgende Definition verwendet: eine Kurve, die aus mindestens zehn Segmenten zusammengesetzt ist, wobei die Segmente mit jedem anschließenden Segment einen Winkel bilden. Unabhängig von der besonderen Konstruktion einer solchen raumfüllenden Kurve kann sie sich an keinem Punkt mit sich selbst schneiden, außer am Anfangs- und am Endpunkt (das heißt, die gesamte Kurve kann als eine geschlossene Kurve bzw. Schleife angeordnet werden, jedoch kann keines der Teile der Kurve eine geschlossene Schleife werden). Eine raumfüllende Kurve kann auf einer flachen oder gekrümmten Oberfläche angeordnet werden, und aufgrund der Winkel zwischen den Segmenten ist die physische Länge der Kurve immer größer als eine gerade Linie, die in dieselbe Fläche (Oberfläche) wie die raumfüllende Kurve eingepasst werden kann. Zusätzlich müssen, um die Struktur einer erfindungsgemäßen Miniaturantenne entsprechend zu formen, die Segmente der raumfüllenden Kurven kürzer als ein Zehntel der Betriebswellenlänge im freien Raum sein.
In der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der eine raumfüllende Kurve enthaltenden Antennen durch ein einschränkenderes Merkmal gekennzeichnet: Die Kurve ist aus mindestens 200 Segmenten zusammengesetzt, wobei die Segmente mit jedem anschließenden Segment einen rechten Winkel bilden, wobei die Segmente kleiner als ein Hundertstel der mittleren Betriebswellenlänge im freien Raum sind. Eine mögliche Antennenkonfiguration kann die raumfüllende Antenne als einen Monopol verwenden, bei dem ein leitfähiger Arm des Monopols im Wesentlichen eine raumfüllende Kurve beschreibt. Die Antenne wird dann mit einer Zwei-Leiter-Struktur, wie zum Beispiel einem Koaxialkabel, gespeist, wobei einer der Leiter an der unteren Spitze der Mehrebenenstruktur und der andere Leiter an der metallischen Struktur des Automobils angeschlossen ist, die als ein Erdungs-Gegengewicht dient. Natürlich können auch andere Antennenkonfigurationen verwendet werden, die eine raumfüllende Kurve als das Hauptmerkmal aufweisen, zum Beispiel eine Dipol- oder Schleifenkonfiguration. Diese Antenne ist zum Beispiel je nach der letztendlichen Antennengröße für einen analogen (FM/AM) oder digitalen Rundfunkempfang geeignet, wie das für jeden Fachmann offensichtlich ist. Diese Antenne weist eine beträchtliche Größenverringerung unter 20% der typischen Größe einer herkömmlichen äußeren Viertelwellen-Peitschenantenne auf; dieses Merkmal zusammen mit dem kleinen Profil der Antenne, die zum Beispiel auf einem billigen dielektrischen Substrat aufgedruckt werden kann, ermöglicht eine einfache und kompakte Integrierung der Antennenstruktur in eine Automobilkomponente, wie zum Beispiel innerhalb des Rückspiegels. Durch eine entsprechende Wahl der Form der raumfüllenden Kurve kann die Antenne auch mindestens in einer bestimmten Sende- und Empfangsanwendung in den Mobiltelefoniebändern verwendet werden.
Zusätzlich zur Verringerung der Größe des Antennenelements, das die Rundfunkdienste abdeckt, ist ein weiterer wichtiger Aspekt des Integrierens des Antennensystems in eine kleine Packungsgröße oder Automobilkomponente die Verringerung der Größe der abstrahlenden Elemente, welche die drahtlosen zellulären Dienste abdecken. Dies kann zum Beispiel unter der Verwendung einer PIFA-Konfiguration (Planar Inverted F Antenna) erzielt werden, die aus zwei parallelen leitfähigen Platten besteht, die miteinander zu verbinden sind und entweder durch Luft oder durch ein Dielektrikum, ein magnetisches oder magnetodielektrisches Material voneinander getrennt sind. Die parallelen leitfähigen Platten werden über einen leitfähigen Streifen, der rechtwinklig an beiden Platten befestigt wird, in der Nähe einer der Ecken miteinander verbunden. Die Antenne wird über ein Koaxialkabel gespeist, dessen Außenleiter mit der ersten Platte verbunden ist. Die zweite Platte ist entweder über einen direkten Kontakt oder kapazitiv mit dem Innenleiter des Koaxialkabels gekoppelt. Auch wenn die Verwendung von PIFA-Antennen für Mobiltelefone und drahtlose Endgeräte bekannt ist, wird die Konfiguration in der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise zum Integrieren eines drahtlosen Dienstes in einem Fahrzeug verwendet. Der Hauptvorteil hierbei liegt darin, dass aufgrund der kleinen Größe, des niedrigen Profils und des charakteristischen Abstrahlmusters die PIFA-Antennen in einer bevorzugten Konfiguration vollständig in das Gehäuse oder die Halterung des Innenrückspiegels integriert sind, wodurch für drahtlose Netzwerke eine optimale Abdeckung erreicht wird, der ästhetische Aspekt des Fahrzeugs vollständig unberührt bleibt und der Kopf und Körper des Fahrers aufgrund des Schutzes durch die Spiegeloberfläche eine verringerte Bestrahlung erfahren.
Eine weitere Verkleinerung der PIFA-Antennen innerhalb des Mehrdienst-Antennensystems wird wahlweise in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Formen mindestens einer Kante mindestens einer Platte der Antenne mit einer raumfüllenden Kurve erzielt. Es ist bekannt, dass die Resonanzfrequenz der PIFA-Antennen von ihrem Umfang abhängt. Durch ein vorteilhaftes Formen mindestens eines Teils des Umfangs dieser PIFA-Antennen mit einer raumfüllenden Kurve wird die Resonanzfrequenz so verringert, dass die Antennen für drahtlose zelluläre Dienste in dieser bevorzugten Ausführungsform ebenfalls verkleinert werden. Die Größenverringerung, die unter der Verwendung dieser kombinierten raumfüllenden PIFA-Konfiguration erzielt werden kann, kann im Vergleich zu einer herkömmlichen, planaren Mikrostreifenantenne unter der Verwendung derselben Werkstoffe um 40% besser werden. Die Größenverringerung hängt direkt mit einer Gewichts- und Kostenverringerung zusammen, die für die Automobilindustrie relevant ist.
Die Abdeckung eines Satellitensystems, wie zum Beispiel GPS, wird durch Anbringung einer Miniaturantenne nahe an der Oberfläche des Gehäuses des Antennensystems erreicht, das am Fensterglas des Fahrzeugs befestigt ist. In der vorliegenden Erfindung wird die raumfüllende Technik oder die Mehrebenen-Antennentechnik vorteilhafterweise verwendet, um die Größe, die Kosten und das Gewicht der Satellitenantenne zu verringern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mikrostreifen-Patch-Antenne mit einem Substrat mit einer hohen dielektrischen Durchlässigkeit für die Antenne verwendet, wobei mindestens ein Teil des Patch entweder als eine raumfüllende Kurve oder eine Mehrebenenstruktur geformt ist.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Größenverringerung, die unter der Verwendung raumfüllender Techniken an gesamten Antennensystemen erreicht werden kann. Diese Größenverringerung ermöglicht es, dass Antennen für die aktuellen Anwendungen, die in heutigen und zukünftigen Fahrzeugen benötigt werden (Radio, Mobiltelefonie und Navigation) innerhalb eines Rückspiegels vollständig integriert werden können. Diese Integration stellt eine beträchtliche Verbesserung der ästhetischen und visuellen Auswirkungen der herkömmlichen Monopole dar, die beim Radio- oder Mobiltelefonempfang und -senden in der Automobilindustrie verwendet werden.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Kostenreduktion, nicht nur hinsichtlich des Materials der Antenne, sondern auch bei der Herstellung und Montage des Kraftfahrzeugs. Die Ersetzung mehrerer herkömmlicher Peitschenmonopole (jeweils einer für jede terrestrische drahtlose Verbindung) durch das Antennensystem der vorliegenden Erfindung führt zu einer Erübrigung von Anbringungsvorgängen in Produktionslinien, wie zum Beispiel die Durchlochung der Karosserie, zusammen mit dem Weglassen zusätzlicher mechanischer Teile, die eine solide und wasserdichte Befestigung herkömmlicher Peitschenantennen sicherstellen, die einem hohen Luftdruck ausgesetzt sind. Eine Anbringung des Antennensystems innerhalb des Rückspiegels im Inneren des Fahrzeugs ermöglicht das Weglassen zusätzlicher Vorgänge auf dem letzten Montageband. Außerdem wird eine Gewichtsverringerung erzielt, indem sich die herkömmlichen schweren mechanischen Befestigungselemente erübrigen.
Gemäß der aktuellen Praxis in der Automobilindustrie kann derselbe Rückspiegel über mehrere Automodelle oder sogar Autofamilien hinweg verwendet werden; deswegen liegt ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass das Antennensystem auch für derartige Automodelle und -familien standardisiert ist. Dieselbe Komponente kann unabhängig vom Fahrzeugtyp, nämlich einem standardmäßigem Auto, einem einvolumigen Fahrzeug, einem Coupé oder sogar einem dachlosen Cabriolet, eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine vollständige Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Antennensystems innerhalb eines Rückspiegels dar. Der Rückspiegel weist eine Basishalterung 1, die an der vorderen Windschutzscheibe zu befestigen ist, eine raumfüllende Antenne für den AM/FM-Empfang 5, einen Satz Miniaturantennen 6 für die zelluläre Mobiltelefonie zum Senden oder Empfangen von Signalen im GSM 900 (870–960 MHz), GSM 1800 (1710–1880 MHz) und UMTS (1900–2170 MHz) sowie eine GPS-Antenne 7 auf.
2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Rückspiegelbasishalterung 1, die an der vorderen Windschutzscheibe zu befestigen ist, weist eine raumfüllende Antenne für den AM/FM-Empfang 5, einen Satz Miniaturantennen 6 für die zelluläre Mobiltelefonie zum Senden oder Empfangen von Signalen im GSM 900 (870–960 MHz), GSM 1800 (1710–1880 MHz) und UMTS (1900–2170 MHz) sowie eine GPS-Antenne 7 auf.
3 zeigt eine Antenne mit raumfüllender Struktur zum Empfang der AM/FM-Bänder. Die Antenne wird als ein Monopol gespeist und ist innerhalb einer Rückspiegelhalterung angeordnet. Die Antenne kann sehr einfach für ein DAB-System angepasst werden, indem es proportional zur Wellenlängenverringerung skaliert wird.
4 zeigt einen beispielhaften Satz von Miniaturantennen 6 für ein zelluläres Mobiltelefoniesystem zum Senden von GSM 900 (870–960 MHz), GSM 1800 (1710–1880 MHz) und UMTS (1900–2170 MHz). In dieser Konfiguration sind die Antennen aus zwei planen leitfähigen Platten zusammengesetzt, wobei die eine kürzer als ein Viertel der Betriebswellenlänge 10 und die zweite das Erdungs-Gegengewicht 8 ist. In diesem Fall wird eine eigene leitfähige Platte 10 für die drei mobilen Systeme verwendet, während das Gegengewicht für jede der drei Antennen gemeinsam ist. Die leitfähige Platte 10 und das Gegengewicht sind über einen leitfähigen Streifen miteinander verbunden. Jede leitfähige Platte 10 wird durch einen eigenen Kontakt gespeist.
5 liefert ein Beispiel für einen raumfüllenden Umfang der leitfähigen Platte 10 zum Erzielen einer optimierten Miniaturisierung der Mobiltelefonantenne 6.
6 zeigt ein weiteres Beispiel für einen raumfüllenden Umfang der leitfähigen Platte 10 zum Erzielen einer optimierten Miniaturisierung der Mobiltelefonantenne 6.
7 zeigt ein Beispiel einer Miniaturisierung der Satelliten-GPS-Patch-Antenne unter der Verwendung einer raumfüllenden oder Mehrebenen-Antennentechnik. Die GPS-Antenne wird von zwei parallelen leitfähigen Platten gebildet, die durch ein dielektrisches Material mit hoher Durchlässigkeit auf Abstand gehalten werden, wodurch eine Mikrostreifenantenne mit einer zirkularen Polarisierung gebildet wird. Die zirkulare Polarisierung wird entweder mittels einer Zwei-Zuleitungs-Technik oder durch Störung des Umfangs des Patch bewerkstelligt. Der Umfang der oberen leitfähigen Platte 11 wird durch Einschränkung in einer raumfüllenden Kurve erhöht.
8 zeigt ein weiteres Beispiel der Miniaturisierung einer GPS-Patch-Antenne, wobei der Umfang der oberen leitfähigen Platte 11 eine raumfüllende Kurve ist.
9 zeigt ein weiteres Beispiel der Miniaturisierung einer GPS-Patch-Antenne, wobei der Umfang der oberen leitfähigen Platte 11 eine raumfüllende Kurve ist.
10 zeigt ein weiteres Beispiel der Miniaturisierung einer GPS-Patch-Antenne, wobei der Umfang des inneren Spalts der oberen leitfähigen Platte 11 eine raumfüllende Kurve ist.
11 stellt eine weitere bevorzugte Ausführungsform dar, bei der mindestens zwei raumfüllende Antennen von derselben Oberfläche getragen werden: eine raumfüllende Antenne zum Empfangen von Rundfunksignalen, vorzugsweise innerhalb der Bänder AM und FM oder DAB; und weitere raumfüllende Antennen zum Senden und Empfangen in den zellulären Telefoniebändern, wie zum Beispiel dem GSM-Band. Alle diese raumfüllenden Antennen sind an einem Ende mit einem der Drähte einer Zwei-Leiter-Übertragungsleitung, wie zum Beispiel einem Koaxialkabel, verbunden, wobei der andere Leiter der Übertragungsleitung an die metallische Automobilstruktur angeschlossen ist.
12 stellt eine alternative Position für eine GPS-Antenne 7 dar. Die Antenne ist in einer waagrechten Position innerhalb des äußeren Gehäuses 16 eines Außenrückspiegels angeordnet.
13 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für eine raumfüllende Antenne auf der Grundlage einer SZ-Kurve für den AM/FM-Empfang. Die Antenne wird als ein Monopol gespeist und ist innerhalb einer Rückspiegelhalterung angeordnet.
14 veranschaulicht eine kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
15 veranschaulicht eine alternative kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
16 veranschaulicht eine weitere alternative kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
17 veranschaulicht eine raumfüllende Schlitzantenne zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
18 veranschaulicht eine kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur mit einer induktiven Last (z).
19 veranschaulicht eine kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur mit einem kapazitiv beschwerenden Element.
20 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 80 mit zwei senkrecht gestapelten ausstrahlenden Armen.
21 veranschaulicht eine weitere beispielhafte kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
22 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur mit einer Vielzahl parallel gespeister senkrecht gestapelter ausstrahlender Arme.
23 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur mit zwei parallel gespeisten ausstrahlenden Armen.
25 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur mit einem aktiven abstrahlenden Arm und einem parasitären abstrahlenden Arm.
Die 26 bis 29 veranschaulichen eine beispielhafte zweidimensionale Antennengeometrie, die als eine Rastermaßkurve bezeichnet wird.
Die 30 und 31 veranschaulichen zwei zusätzliche Antennenstrukturen zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung weist ein integriertes Mehrdienst-Antennensystem für ein Fahrzeug auf, das mindestens eine Miniaturantenne umfasst, die durch eine raumfüllende Kurve gekennzeichnet ist. In einer weiteren Ausführungsform kann die Miniaturantenne durch eine Rastermaßkurve gekennzeichnet sein, wie unten anhand der 26 bis 29 beschrieben.
1 beschreibt eine der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Antennensystem ist innerhalb einer Innen-Rückspiegel-Basishalterung 1 und innerhalb des Rückspiegelgehäuses 2 integriert. Das System wird vom Spiegel 3 und dem Spiegelrahmen 4 eingeschlossen. In dieser Konfiguration folgt die Spiegelbasishalterung 1 einer senkrechten Erstreckung. Eine solche besondere Spiegelanordnung ist zum Verständnis der Erfindung gezeigt. Wie dem Fachmann ganz leicht ersichtlich ist, können auch andere Basishalterungsformen verwendet werden.
Das Antennensystem umfasst eine raumfüllende Antenne 5, die zum Rundfunksignalempfang in den Bändern AM und FM oder DAB geeignet ist, einen Satz von Miniaturantennen 6, die zum Senden und Empfangen von Mobiltelefonsignalen in den Bändern GSM 900, GSM 1800 und UMTS geeignet sind, sowie eine Miniatur-Patch-Antenne 7 zum GPS-Signalempfang. Es versteht sich, dass je nach dem intendierten Markt für die Antenne (z. B. USA, Japan, Europa, Korea, China usw.) dieselbe Antennenausführungsform auch für andere zelluläre Dienste, wie zum Beispiel CDMA, WCDMA, AMPS, KPCS, 3G/UMTS und andere eingestellt werden kann. Die raumfüllende Antenne 5 ist durch einen leitfähigen Streifen 9 gekennzeichnet, der eine raumfüllende Kurve definiert. Diese raumfüllende Kurve besteht aus mindestens 200 Segmenten, wobei diese Segmente mit jedem anschließenden Segment einen rechten Winkel bilden, und diese Segmente kleiner als ein Hundertstel der mittleren Betriebswellenlänge im freien Raum sind. Der leitfähige Streifen 9 kann durch eine beliebige Klasse eines dielektrischen Materials mit niedrigem Verlust, einschließlich flexiblen oder transparenten Platten, getragen werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Arm des leitfähigen Streifens mit einem ersten Leiter einer Zwei-Leiter-Übertragungsleitung und der zweite Leiter mit der metallischen Struktur des Fahrzeugs verbunden, die als ein metallisches Gegengewicht agiert. Auch wenn die raumfüllende Form der Antenne und ihre Verwendung zum Rundfunkempfang ein Teil des Wesens der vorliegenden Erfindung ist, so ist es für den Fachmann ersichtlich, dass die Länge der raumfüllenden Kurve unter der Verwendung herkömmlicher Techniken skaliert werden kann, um eine optimale Abstimmungsimpedanz im VHF-Band zu erhalten. In Abhängigkeit von dem gewählten Maßstab kann diese Antenne entweder für den FM/AM- oder den DAB/AM-Empfang angepasst werden.
Im Vergleich zur typischen Länge eines äußeren Viertel-Wellenlängen-Monopols verringert sich die Größe dieser raumfüllenden Antenne um mindestens einen Faktor 5, das heißt, dass die letztendliche Größe kleiner als 20% einer herkömmlichen Antenne beträgt. Als ein Monopol gespeist weist diese Antenne ein ähnliches Abstrahlmuster wie ein herkömmlicher Element-Monopol auf, d. h. ist ein ziemlich omnidirektionaler Monopol in einer Richtung senkrecht zur Antenne. Die Position innerhalb der Spiegelhalterung 1 bietet einen weiten offenen Raum, der einen korrekten Empfang von allen Richtungen sicherstellt. Wie bei anderen Empfangssystemen kann die Signalqualität unter der Verwendung von Diversitätstechniken auf der Grundlage der räumlichen Diversität (unter der Verwendung mehrerer ähnlicher Antennen zum Empfangen desselben Signals) oder der Polarisationsdiversität (dem Anregen orthogonaler Strommoden innerhalb derselben Antennenstruktur) verbessert werden.
Zusammen mit der raumfüllenden Antenne 5 umfasst dieses Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform des Mehrdienst-Antennensystems ein Miniaturmobiltelefon-Antennenuntersystem zum Senden und Empfangen von Mobiltelefoniesignalen in den Bändern GSM 900, GSM 1800, UMTS und anderen zellulären Bändern. Die Antennen 6 sind gekennzeichnet durch eine erste planare leitfähige Platte 10, wobei diese Platte kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge ist, sowie durch eine zweite parallele leitfähige Platte 8, die als ein Erdungsgegengewicht agiert. In der vorliegenden Ausführungsform haben die Antennen dasselbe Erdungsgegengewicht gemeinsam, wobei das Erdungsgegengewicht auf der Rückseite des Spiegels oder dem Spiegel 3 nahe ist. Die leitfähige Platte 10 und das Erdungsgegengewicht 8 sind durch einen leitfähigen Streifen miteinander verbunden. Die leitfähige Platte 10 wird mittels eines senkrechten leitfähigen Anschlusses gespeist, der entweder über einen direkten ohmschen Kontakt oder kapazitive Kopplung angeschlossen ist. Die Antennenpolarisierung ist hauptsächlich senkrecht, wodurch eine gute Penetration des Signals innerhalb des Fahrzeugs ermöglicht wird.
Die Antennen sind optional mittels eines Diplexer- oder Triplexer-Filters mit einer einzigen Übertragungsleitung kombiniert, die an den Eingang des Diplexers oder Triplexers angeschlossen ist. Dieser Diplexer oder Triplexer kann unter der Verwendung konzentrierter Elemente oder Stubs realisiert werden, wird in jedem Fall jedoch vom selben Erdungsgegengewicht 8 abgestützt. Darüber hinaus können auch noch zusätzliche elektronische Schaltungen, wie zum Beispiel ein elektrochromisches System oder ein Regendetektor, auf derselben Leiterplatte enthalten sein. Das Abstrahlungsmuster der Antenne 6 ist ähnlich demjenigen einer herkömmlichen Patch-Antenne, wodurch ein ziemlich omnidirektionales Muster in der waagrechten Ebene sichergestellt wird. Jedoch schränkt die Position der Antennen 6 bezüglich der Windschutzscheibe und mit dem auf der Rückseite des Spiegels 3 angeordneten Erdungsgegengewicht 8 die innerhalb des Kraftfahrzeugs abgestrahlte Leistung insbesondere in der Richtung des Kopfs des Fahrers ein und verringert jede mögliche Interaktion oder biologische Auswirkungen auf den menschlichen Körper zusammen mit der Interferenz von anderen elektronischen Geräten.
Das Antennensystem wird durch eine Satellitenantenne, wie zum Beispiel eine GPS-Antenne 7 vervollständigt. Diese GPS-Antenne 7 besteht aus zwei parallelen leitfähigen Platten (die durch ein dielektrisches Material mit hoher Durchlässigkeit beabstandet sind), wodurch eine Mikrostreifenantenne mit einer zirkularen Polarisierung gebildet wird. Die zirkulare Polarisierung kann entweder durch eine Zwei-Zuleitungs-Technik oder durch Störung des Umfangs der oberen leitfähigen Platte 11 der Antenne erreicht werden. Die GPS-Antenne 7 weist auch einen Vorverstärker 12 mit niedrigem Rauschen und hoher Verstärkung auf. Dieser Verstärker ist auf einem Chip enthalten, wie er zum Beispiel von Agilent oder Mini-Circuits (Serien HP58509A oder HP58509F zum Beispiel) vorgeschlagen wird. Der Chip ist neben der Mikrostreifen-GPS-Antenne auf einer Mikrostreifenschaltung montiert, so dass die Antenne und die Schaltung dieselbe leitfähige Grundebene teilen. Ein Hauptunterschied zwischen dem GPS-System und dem Rundfunk oder der Mobiltelefonie besteht darin, dass eine GPS-Antenne ein weit offenes Strahlungsmuster in der senkrechten Ebene erfordert. Eine angemessene Position für diese Antenne ist innerhalb der Spiegelhalterung 1 in einer im Wesentlichen waagrechten Position. Auch wenn die Antennenposition eine leichte Neigung bezüglich zur Waagrechten aufweist, ist das Strahlungsmuster einer solchen Mikrostreifenantenne ausreichend omnidirektional, um einen guten Empfang von einer Vielzahl von Satellitensignalen über einen großen Bereich von Positionen sicherzustellen.
Wie dem Fachmann klar ist, basiert die Neuheit des erfindungsgemäßen Antennensystems teilweise darauf, dass für den Rundfunkempfang eine sehr kleine billige, flache raumfüllende Antenne gewählt wird und diese raumfüllende Antenne mit anderen Miniaturantennen für drahtlose zelluläre Dienste und Satellitendienste kombiniert wird und sie alle in einem kleinen Kunststoff- oder dielektrischen Gehäuse untergebracht werden, das an einem Glasfenster befestigt wird. In dieser bestimmten Ausführungsform wird vorteilhafterweise der Innen-Rückspiegel als ein Gehäuse für das gesamte Antennensystem gewählt, weil es im Automobil eine privilegierte Position hat (weithin sichtbar zum Senden und Empfangen von Signalen, Position nahe am Armaturenbrett des Autos) und weil es auf das Automobildesign unbedeutende visuelle Auswirkungen hat; trotzdem ist dem Fachmann ersichtlich, dass dasselbe grundlegende Antennensystem auch in andere Automobilkomponenten, wie zum Beispiel ein hinteres Bremslicht, integriert werden kann, ohne dass dadurch im Wesentlichen die Neuheit der Erfindung beeinträchtigt wird.
In 2 ist eine weitere ähnliche Konfiguration dargestellt, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Diese Konfiguration kann zum Beispiel Folgendes enthalten: Anordnen der drahtlosen zellulären Antennen 6 innerhalb der Halterung der Spiegelstruktur 1 um die raumfüllende Hauptrundfunkantenne 9 herum; Integrieren von zwei drahtlosen zellulären Dienste in eine standardmäßige Zwei-Band-Antenne und Anordnen der Antenne entweder innerhalb des Spiegelgehäuses 2 oder der Spiegelhalterung 1; Entfernen mindestens einer der Antennenkomponenten für das Antennensystem für den Fall, dass einer oder mehrere der Dienste für ein bestimmtes Automodell oder eine Autofamilie nicht benötigt werden; oder Umkonstruieren einer zirkular polarisierten Satellitenantenne 7 für andere Frequenzen und Satellitenanwendungen als GPS (wie zum Beispiel Iridium, GlobalStar oder andere Satellitentelefon- oder drahtlosen Datendienste) unter der Verwendung herkömmlicher Skalierungstechniken.
3 beschreibt ein Beispiel einer raumfüllenden Antenne, die zum AM/FM-Signalempfang verwendet wird. In diesem Fall definiert der leitfähige Streifen 9 eine raumfüllende Kurve. Der leitfähige Streifen 9 kann zum Beispiel unter der Verwendung standardmäßiger Techniken auf ein billiges dünnes dielektrisches Material, wie zum Beispiel Glasfaser oder Polyester, aufgedruckt werden, das als Trägermaterial für die Antenne dient. Vorzugsweise wird diese Konfiguration mit einer Zwei-Leiter-Struktur, wie zum Beispiel einem Koaxialkabel, gespeist, wobei einer der Leiter 13 mit dem leitfähigen Streifen 13 der raumfüllenden Antenne und der andere Leiter 14 mit der metallischen Struktur des Automobils 15 verbunden ist, die als ein Erdungsgegengewicht dient. Die andere Seite des leitfähigen Streifens 9 kann ohne Verbindung bleiben oder kann mit einer spezifischen Last oder derselben Fahrzeugstruktur 15 verbunden werden, um ihre Impedanzabgleichungsmerkmale zu modifizieren, während dieselbe wesentliche raumfüllende Struktur beibehalten wird. Die Antenne wird in der Rückspiegelhalterung 1 parallel zur Windschutzscheibe angeordnet, um eine Ausrichtung nahe der Senkrechten sicherzustellen. Da diese Antenne im Vergleich zur Betriebswellenlänge klein ist, weist das Abstrahlungsmuster eine maximale Abstrahlung in der Ebene senkrecht zur Antennenausrichtung, in diesem Fall der waagrechten Ebene, auf, wodurch zum Empfang terrestrischer Rundfunksignale die optimale Abdeckung erzielt wird.
4 beschreibt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der der Satz Miniaturantennen für zelluläre Signale, wie zum Beispiel GSM 900, GSM 1800, UMTS und andere äquivalente Systeme, auf einem gemeinsamen leitfähigen Erdungsgegengewicht 8 verteilt sind. Die Größe und Form der leitfähigen Platte 10 ist unter der Verwendung wohlbekannter standardmäßiger Techniken konstruiert, um einen guten Impedanzabgleich innerhalb des gewünschten Bandes sicherzustellen. Jede leitfähige Platte 10 weist eine Abmessung auf, die kleiner als eine Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz ist. Diese merkliche Größenverringerung ist auf das Vorhandensein eines leitfähigen Streifens zwischen der leitfähigen Platte 10 und dem Erdungsgegengewicht 8 zurückzuführen. Diese Konfiguration wird mittels eines senkrechten leitfähigen Anschlusses gespeist, der entweder durch direkten ohmschen Kontakt oder durch eine kapazitive Kopplung mit der leitfähigen Platte 10 gekoppelt ist. Das Abstrahlungsmuster einer solchen Antenne ist ähnlich dem Abstrahlungsmuster einer herkömmlichen Patch-Antenne, das in der Richtung senkrecht zur leitfähigenPlatte 10, in diesem Fall der waagrechten Ebene, einen weit geöffneten Hauptlappen aufweist. Außerdem tritt aufgrund der verringerten Abmessung der Erdungsplatte 8 die Strahlung in der entgegengesetzten Richtung auf, wodurch ein ziemlich omnidirektionales Muster sichergestellt wird. Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, dass die relative Position der Antenne nicht wichtig ist und geändert werden kann, ohne dass dadurch die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung beeinträchtigt werden.
In 5 ist eine Verbesserung eines beliebigen der vorhergehenden Beispiele dargestellt, die durch Formen mindestens eines Teils des Umfangs der leitfähigen Platte 10 mit einer raumfüllenden Kurve erhalten werden kann. Da die Resonanzfrequenz einer derartigen Konfiguration von der Gesamtlänge des Umfangs abhängt, verringert die Verbesserung der Umfangslänge unter der Verwendung eines raumfüllenden Umfangs die Gesamtgröße der leitfähigen Platte 10. Andere raumfüllende Kurven neben der in 5 Dargestellten können verwendet werden, um die Umfangslänge zu vergrößern. Ein wichtiger Vorteil der Verwendung eines raumfüllenden Umfangs liegt darin, dass die Resonanzfrequenz geändert wird, während der Rest der Antennenparameter (wie zum Beispiel das Abstrahlungsmuster oder die Antennenverstärkung) praktisch gleich bleiben, wodurch eine Größenverringerung (zusammen mit einer Verringerung der Kosten und des Gewichts) bezüglich dem vorhergehenden Beispiel ermöglicht wird.
Wie oben erwähnt, können auch andere raumfüllende Kurven, wie in 6 gezeigt, verwendet werden.
In den 7 bis 10 sind mehrere Beispiele für eine weitere Miniaturisierung der Satellitenantenne 7 gezeigt. In diesem Fall ist der Umfang des Patch, der die Mikrostreifenantenne kennzeichnet, vorteilhafterweise in einer raumfüllenden Kurve geformt.
7 stellt ein Beispiel für eine GPS-Antenne dar, die durch ihren aus 20 Segmenten bestehenden raumfüllenden Umfang gekennzeichnet ist. Die Form kann auch als eine Mehrebenenstruktur gesehen werden, die durch fünf miteinander verbundene Quadrate gebildet wird. Bis auf die den Patch bildende leitfähige Platte 11 bleibt die Antennenkonstruktion ähnlich einer herkömmlichen rechteckigen Patchantenne. Die zirkulare Polarisation kann entweder durch eine Zwei-Zuleitungs-Technik oder durch Stören des Umfangs der oberen leitfähigen Platte 11 der Antenne unter der Verwendung derselben herkömmlichen Technik wie bei einer rechteckigen leitfähigen Platte 11 erreicht werden. Die Antenne weist auch einen Vorverstärker 12 mit niedrigem Rauschen und hoher Verstärkung auf, der auf einer Mikrostreifenschaltung neben einer Mikrostreifen-GPS-Antenne angebracht ist, so dass die Antenne und die Schaltung dieselbe leitfähige Erdungsebene teilen. Die Antenne ist in einer im Wesentlichen waagrechten Position in der Spiegelhalterung 1 angeordnet, um eine breite, fast halbkugelförmige Abdeckung für die Mehrfach-Satellitenverbindung zu ermöglichen.
Ein weiteres Beispiel ist in 8 dargestellt. In diesem Fall wird eine ähnliche raumfüllende Technik wie die im vorhergehenden Beispiel an den Ecken eines jeden der vier Quadrate verwendet. Die Größenverringerung einer solchen Antenne ist über 59%, wodurch die Antennenkosten aufgrund der Flächenverringerung des dielektrischen Materials mit hoher Durchlässigkeit, welches die Mikrostreifenantennenkonfiguration trägt, verringert werden. Das Abstrahlungsmuster einer solchen Antenne behält dieselbe grundlegende Form wie eine herkömmliche Mikrostreifenantenne, wodurch eine fast halbkugelförmige Abdeckung im oberen Halbraum ermöglicht wird.
In den 9 und 10 werden weitere raumfüllende Kurven zum Formen des Umfangs der leitförmigen Platte 11 der Satellitenantenne verwendet. Dem Fachmann wird klar sein, dass ähnliche Techniken wie die oben Beschriebenen auch auf die drahtlosen zellulären Antennen angewendet werden können.
In 9 ist der Außenumfang durch eine weitere raumfüllende Kurve geformt. In 10 ist in der Mitte der leitfähigen Platte 11 eine Öffnung angebracht. Die Länge der Öffnung wird durch eine raumfüllende Kurve vergrößert, die einem ähnlichen Muster wie demjenigen in 9 folgt. In beiden Fällen wird die Antennengröße verringert, wodurch die zirkulare Polarisation und das Abstrahlungsmuster beibehalten werden.
In 11 ist ein weiteres Beispiel vorgestellt. Das Antennensystem ist in einer im Wesentlichen senkrechten Position innerhalb der Spiegelhalterung 1 oder parallel zum Glasfenster angeordnet, um die Dicke der Halterung 1 zu minimieren. In diesem Beispiel ist eine raumfüllende Antenne durch einen leitfähigen Streifen 9 gekennzeichnet, der aus mindestens 200 Segmenten besteht. Die Segmente bilden mit jedem anschließenden Segment einen im Wesentlichen rechten Winkel und sind kleiner als ein Hundertstel der mittleren Betriebswellenlänge im freien Raum. Diese Antenne ist für den Rundfunksignalempfang, wie zum Beispiel in den Bändern AM und FM oder DAB, geeignet. Der leitfähige Streifen kann durch eine beliebige Klasse billiger dielektrischer Werkstoffe, einschließlich flexibler oder transparenter Platten, getragen werden. Das System wird durch weitere raumfüllende Antennen mit einem leitfähigen Streifen komplettiert, der ebenfalls eine raumfüllende Kurve definiert, auch wenn die Anzahl von Segmenten hinsichtlich der vorhergehenden kleiner gemacht wird. Diese anderen raumfüllenden Antennen sind zum Senden und Empfangen unter der Verwendung von GSM 900, GSM 1800, UMTS oder anderer äquivalenter zellulärer Systeme konstruiert. Bei diesem Beispiel ist ein erster Leiter einer Zwei-Leiter-Eingangsübertragungsleitung mit jedem leitfähigen Streifen 9 verbunden, während der zweite Leiter mit der leitfähigen Struktur des Fahrzeugs verbunden ist, wobei die leitfähige Struktur als ein metallisches Gegengewicht der Monopol-Konfiguration dient. Da diese Antennen im Vergleich zur Wellenlänge sehr klein sind, weisen sie ein ähnliches Strahlungsmuster wie das eines herkömmlichen Element-Monopols auf, d. h. ein im Wesentlichen omnidirektionales Muster in der waagrechten Ebene. Die Position innerhalb der Spiegelhalterung 1 bietet eine vorteilhafte weit geöffnete Sichtbarkeit, wodurch ein korrekter Empfang von im Wesentlichen jeder Azimutrichtung ermöglicht wird. Dem Fachmann ist klar, dass dieselben neuheitlichen raumfüllenden Formen, die in der vorliegenden Erfindung offenbart sind, auch vorteilhafter Weise in beliebigen Diversitätstechniken (wie zum Beispiel Raum- oder Polarisierungsdiversität) verwendet werden können, um Signalschwund aufgrund einer Mehrwege-Ausbreitungsumgebung auszugleichen. Die kleine Größe dieser raumfüllenden Antennen ermöglicht eine einfache Integrierung der Antenne in einer Vielzahl von Teilen des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel im Rück-Bremslichtgehäuse, das am Rückfenster angebracht ist, oder dem dunklen Sonnenschutzband, das Fenster in einer breiten Palette von Automodellen einrahmt. Alle diese Konfigurationen sind mit den in der vorliegenden Erfindung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen kompatibel und teilen mit ihnen dieselben wesentlichen neuheitlichen Aspekte.
Eine alternative Position für eine GPS-Antenne 7 ist in 12 gezeigt. Die wesentliche Größenverringerung, die durch Eingrenzung des Umfangs der leitfähigen Platte 11 in einer raumfüllenden Kurve erzielt wird, ermöglicht alternative Positionen zu der in 1 Vorgestellten. In 12 ist die GPS-Antenne 7 in einem Außenrückspiegelgehäuse 16 in einer im Wesentlichen waagrechten Position angeordnet. Da sie im oberen Teil des Gehäuses 16 angeordnet ist, blockiert kein Hindernis die senkrechte Sichtbarkeit der Antenne. Das Vorhandensein metallischer Teile der Automobilkarosserie in der Nähe der Antenne wirkt sich nicht auf den guten Empfang von GPS-Signalen aus, selbst wenn einige Signale reflektiert werden. Die rechte zirkulare Polarisierung der GPS-Antenne löscht alle anderen Signale, die in derselben Frequenz mit anderen Polarisierungen empfangen werden. Insbesondere leiden reflektierte Satellitensignale unter einer starken Polarisierungsänderung und stören daher die zirkular polarisierten, direkt eintreffenden Signale nicht. Zusammen mit der Antenne ist ein rauscharmer Verstärker optional auf der Mikrostreifenschaltung neben der Mikrostreifen-GPS-Antenne angebracht, so dass die Antenne und die Schaltung dieselbe leitfähige Erdungsebene teilen.
13 beschreibt ein weiteres Beispiel, das zum AM/FM-Empfang verwendet wird. In diesem Fall beschreibt der leitfähige Streifen 9 eine weitere raumfüllende Kurve. Diese Konfiguration wird ebenfalls mit einer Zwei-Leiter-Struktur, wie zum Beispiel einem Koaxialkabel, gespeist, wobei einer der Leiter 13 mit dem leitfähigen Streifen 13 der raumfüllenden Antenne und der andere Leiter 14 mit der metallischen Struktur des Automobils 15 verbunden ist, die als ein Erdungsgegengewicht dient. Die andere Seite des leitfähigen Streifens 9 kann ohne jegliche Verbindung verbleiben oder kann mit einer spezifischen Last oder mit derselben Fahrzeugstruktur 15 verbunden werden, um ihre Impedanz abstimmenden Merkmale zu modifizieren, wobei im Wesentlichen dieselbe raumfüllende Struktur jedoch beibehalten bleibt. Die Antenne wird in der Rückspiegelhalterung 1 parallel zur Windschutzscheibe angeordnet, um eine Ausrichtung nahe der Senkrechten sicherzustellen. Da diese Antenne im Vergleich zur Betriebswellenlänge klein ist, weist das Abstrahlungsmuster in der Ebene senkrecht zur Antennenausrichtung, in diesem Fall der horizontale Ebene, eine maximale Strahlung auf, was zum Empfang terrestrischer Rundfunksignale eine optimale Abdeckung ergibt.
Die 14 bis 24 veranschaulichen mehrere alternative raumfüllende Antennenstrukturen zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Jede der in den 14 bis 24 veranschaulichten Antennenstrukturen kann zum Beispiel anstelle einer beliebigen der raumfüllenden Antennen 5, 9 eingesetzt werden, die oben beschrieben sind. Zusätzlich kann jede der in den 14 bis 24 dargestellten Antennenstrukturen ähnlich der oben anhand von 1 beschriebenen raumfüllenden Antenne 5 durch ein dielektrisches Substrat bzw. durch dielektrische Substrate abgestützt werden.
14 veranschaulicht eine kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 20 zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Die raumfüllende Antenne 20 weist vier kaskadierte Abschnitte 21, 22, 23, 24 auf, die jeweils eine raumfüllende Kurve definieren und die zusammen einen rechteckig geformten abstrahlenden Arm definieren. Insbesondere weist jeder der vier kaskadierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 der raumfüllenden Antenne 20 einen Leiter auf, der sich in einer durchgehenden raumfüllenden Kurve erstreckt. Die vier Abschnitte 21, 22, 23, 24 sind zusammen kaskadiert, wobei sie von einem ersten Antennenendpunkt 25 zu einem zweiten Antennenendpunkt 26 einen durchgehenden leitfähigen Pfad bilden. Der erste Antennenendpunkt 25 kann zum Beispiel als ein Speisungspunkt für die Antenne 20 dienen, und der zweite Antennenendpunkt 26 kann zum Beispiel als ein Erdungspunkt für die Antenne 20 dienen. 15 veranschaulicht eine alternative kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 30 zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Diese Ausführungsform 30 ist ähnlich zu der kaskadierten Antennenstruktur 20 von 14, außer dass jeder kaskadierte Abschnitt 31, 32, 33, 34 eine raumfüllende Kurve einer anderen Länge definiert und eine unterschiedliche Anzahl von Segmenten aufweist. Ähnlich zur Antenne 20 von 14 sind die vier Abschnitte 31, 32, 33, 34 dieser Antennenstruktur 30 zusammen kaskadiert, wobei sie von einem ersten Antennenendpunkt 35 zu einem zweiten Antennenendpunkt 36 einen durchgehenden leitfähigen Pfad bilden. Der erste Antennenendpunkt 35 kann zum Beispiel als ein Speisungspunkt für die Antenne 30 dienen, und der zweite Antennenendpunkt 36 kann zum Beispiel als ein Erdungspunkt für die Antenne 30 dienen.
16 veranschaulicht eine weitere alternative kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 40 zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Die raumfüllende Antenne 40 weist vier kaskadierte Abschnitte 41, 42, 43, 44 auf, die jeweils eine raumfüllende Kurve definieren und die zusammen einen quadratisch geformten abstrahlenden Arm definieren. Insbesondere weist jeder der vier kaskadierenden Abschnitte 41, 42, 43, 44 einen Leiter auf, der sich in einer durchgehenden raumfüllenden Kurve erstreckt. Die zwei kaskadierenden Abschnitte 41, 44, die auf der rechten Hälfte der Antennenstruktur veranschaulicht sind, definieren jeweils eine raumfüllende Kurve, die eine erste Länge und eine erste Anzahl von Segmenten aufweist, und die zwei kaskadierten Abschnitte 42, 43, die auf der linken Hälfte der Antennenstruktur veranschaulicht sind, definieren jeweils eine raumfüllende Kurve, die eine zweite Länge und eine zweite Anzahl von Segmenten aufweist. Zusätzlich sind die vier Abschnitte 41, 42, 43, 44 an ihren Endpunkten zusammen kaskadiert, wodurch sie von einem ersten Antennenendpunkt 45 zu einem zweiten Antennenendpunkt 46 einen durchgehenden leitfähigen Pfad bilden. Der erste Antennenendpunkt 45 kann zum Beispiel als Einspeisungspunkt für die Antenne 40 dienen, und der zweite Antennenendpunkt 46 kann zum Beispiel als ein Erdungspunkt für die Antenne 40 dienen.
17 veranschaulicht eine raumfüllende Schlitzantenne 50 zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Diese Antennenausführungsform 50 weist eine leitfähige Platte 51 und eine raumfüllende Kurve 52 auf, die durch einen Schlitz durch die Oberfläche der leitfähigen Platte 51 definiert wird. Die Antenne 50 kann zum Beispiel einen Antennenspeisungspunkt auf der Oberfläche der leitfähigen Platte 51 aufweisen.
18 veranschaulicht eine kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 60, die ein induktives Element (z) 61 aufweist, das mit dem Antennenspeisungspunkt 36 in Reihe geschaltet ist. Diese Antennenausführungsform 60 ist der kaskadierten Antenne 30 von 15 ähnlich, mit der Ausnahme des induktiven Elements 61. Das induktive Element 61 ist vorzugsweise ein Induktor und kann so ausgewählt werden, dass die Impedanz der Antenne 60 abgestimmt wird.
19 veranschaulicht eine kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 70, die ein kapazitives Beschwerungselement 73 aufweist. Dieses Beispiel 70 ist der kaskadierten Antenne 20 von 14 ähnlich, außer dass zwei der kaskadierten Abschnitte durch das kapazitive Beschwerungselement 73 ersetzt werden. Die raumfüllende Antenne 70 weist zwei kaskadierte Abschnitte 71, 72 sowie das kapazitive Beschwerungselement 73 auf. Beide kaskadierte Abschnitte 71, 72 weisen einen Leiter auf, der eine raumfüllende Kurve definiert. Insbesondere sind die zwei kaskadierten Abschnitte 71, 72 zusammen kaskadiert, wodurch sie von einem ersten Endpunkt 74 zu einem zweiten Endpunkt 75 einen durchgehenden leitfähigen Pfad bilden. Der zweite Endpunkt 75 ist mit dem kapazitiven Beschwerungselement 73 gekoppelt, bei dem es sich um eine rechteckig geformte leitfähige Platte handelt. Der erste Endpunkt 74 kann zum Beispiel als ein Speisungspunkt für die Antenne 70 dienen. Der kapazitive Beschwerungsteil 73 kann zum Beispiel einen Erdungspunkt für die Antenne 70 beinhalten.
20 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 80, die zwei senkrecht gestapelte abstrahlende Arme 81, 82 aufweist. Außerdem sind die x-, die y- und die z-Achse gezeigt, um die Orientierung bei der Ausrichtung der Antenne 80 zu erleichtern. Jeder abstrahlende Arm 81, 82 ist ähnlich der kaskadierten Antennenstruktur 40 von 16. Insbesondere weist ein erster abstrahlender Arm 81 vier kaskadierte Abschnitte auf, die jeweils eine raumfüllende Kurve in der xy-Ebene bilden. In ähnlicher Weise weist ein zweiter abstrahlender Arm 82 vier kaskadierte Abschnitte auf, die jeweils eine raumfüllende Kurve parallel zur xy-Ebene bilden. Der erste abstrahlende Arm 81 bildet von einem Antennenspeisungspunkt 83 zu einem gemeinsamen Leiter 85 einen durchgehenden leitfähigen Pfad, und der zweite abstrahlende Arm 82 bildet von dem gemeinsamen Leiter 85 zu einem Erdungspunkt 84 einen durchgehenden leitfähigen Pfad. Das heißt, dass die Antenne 80 vom Antennenspeisungspunkt 83 auf dem ersten abstrahlenden Arm 81 zum Erdungspunkt 84 auf dem zweiten abstrahlenden Arm 82 einen durchgehenden leitfähigen Pfad bildet. In einer Ausführungsform können die beiden abstrahlenden Arme 83, 84 an entgegengesetzten Seiten eines dielektrischen Substrats, wie zum Beispiel einer Leiterplatte, angebracht sein.
21 veranschaulicht eine weitere beispielhafte kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 90 zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Die raumfüllende Antenne 90 weist zwei kaskadierte Abschnitte 91, 92 auf, die jeweils eine raumfüllende Kurve definieren. Die kaskadierten Abschnitte 91, 92 weisen beide einen Leiter auf, der sich in einer durchgehenden raumfüllenden Kurve erstreckt, wobei die durch einen Abschnitt 91 definierte raumfüllende Kurve ein Spiegelbild der durch den anderen Abschnitt 92 definierten raumfüllenden Kurve ist. Insbesondere erstreckt sich ein erster Abschnitt 92 der raumfüllenden Antenne 90 von einem Speisungspunkt 93 zu einem gemeinsamen Punkt 94 in einer durchgehenden raumfüllenden Kurve und ein zweiter Abschnitt 92 der raumfüllenden Antenne 90 von einem gemeinsamen Punkt 94 zu einem Erdungspunkt 95 in einer durchgehenden raumfüllenden Kurve.
22 ist eine dreidimensionale Darstellung einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 110 mit einer Vielzahl parallel gespeister senkrecht gestapelter abstrahlender Arme 111 bis 114. Diese Ausführungsform 110 ist der Antennenstruktur 80 von 20 ähnlich, außer dass diese Antenne 110 einen gemeinsamen Speisungspunkt 115 und eine Vielzahl von Abstrahlungsarmen 111 bis 114 aufweist. Jeder Abstrahlungsarm 111 bis 114 definiert vier kaskadierte raumfüllende Kurven, wobei jeder der abstrahlenden Arme 111 bis 114 in einer parallelen Ebene liegt. Die kaskadierten raumfüllenden Kurven, die von den jeweiligen parallelen abstrahlenden Armen 111 bis 114 definiert werden, erstrecken sich in ihren entsprechenden Ebenen von einem gemeinsamen Speisungspunkt 115 zu einem gemeinsamen Leiter 116 durchgehend. Der gemeinsame Leiter 116 kann zum Beispiel an ein Erdungspotential angeschlossen sein. In einer Ausführungsform können die abstrahlenden Arme 111 bis 114 durch ein dielektrisches Substrat, wie zum Beispiel Schichten in einer mehrschichtigen Leiterplatte, getrennt sein.
23 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 120, die zwei parallel gespeiste abstrahlende Arme aufweist. Die zwei abstrahlenden Arme weisen jeweils zwei kaskadierte Abschnitte 121 bis 124 auf, wobei jeder der vier kaskadierten Abschnitte 121 bis 124 der kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 40 von 16 ähnlich ist. Insbesondere erstreckt sich ein erster abstrahlender Arm 121, 122 durchgehend von einem gemeinsamen Speisungspunkt 125 zu einem ersten Endpunkt 126, wobei er eine Vielzahl raumfüllender Kurven definiert. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein zweiter abstrahlender Arm 123, 124 durchgehend vom gemeinsamen Speisungspunkt 125 zu einem zweiten Endpunkt 127, wobei er eine Vielzahl raumfüllender Kurven definiert. In einer Ausführungsform können der erste und der zweite Endpunkt 126, 127 an ein Erdungspotential angeschlossen sein, wodurch zwei parallele Pfade zwischen dem gemeinsamen Speisungspunkt 125 und der Erde geschaffen werden.
24 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 130, die im Gehäuse eines Rückspiegels 135 angebracht ist. Diese Antennenstruktur 130 weist zwei parallel gespeiste abstrahlenden Arme 131, 132 auf, von denen jeder ähnlich der kaskadierten Antennenstruktur 30 von 15 vier kaskadierte raumfüllende Kurven definiert. Insbesondere erstrecken sich beide abstrahlende Arme 131, 132 durchgehend von einem gemeinsamen Speisungspunkt 133 zu einem gemeinsamen Lade- oder Erdungspunkt 134, indem sie eine Vielzahl raumfüllender Kurven definieren. Das heißt, dass die abstrahlenden Arme 131, 132 zwei parallele leitfähige Pfade zwischen dem gemeinsamen Speisungspunkt 133 und dem gemeinsamen Lade- oder Erdungspunkt 134 schaffen. Wie gezeigt, kann die kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur 130 zum Beispiel im Gehäuse 135 des Rückspiegels in einem Kraftfahrzeug angebracht werden. Der Ladepunkt 134 der Antenne 130 kann zum Beispiel an die metallische Oberfläche 136 des Spiegels oder an eine andere leitfähige Last angeschlossen werden. Der Speisungspunkt 133 kann an eine Schaltung im Kraftfahrzeug angeschlossen werden, um eine Antenne für den AM/FM-Signalempfang, den DAB/AM-Signalempfang, einen zellulären bzw. GPS-Dienst oder andere drahtlose Anwendungen zu schaffen.
25 ist eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden Antennenstruktur 100 mit einem aktiven abstrahlenden Arm 101 und einem parasitären abstrahlenden Arm 102. Diese Ausführungsform 100 ist der in 20 gezeigten Antennenstruktur ähnlich, außer dass diese Ausführungsform 100 keinen gemeinsamen Leiter 85 aufweist, der die beiden abstrahlenden Arme miteinander verbindet. Vielmehr weist in dieser Ausführungsform 100 ein abstrahlender Arm 101 einen Speisungspunkt 103 für die Antenne 100 auf, und ist der andere abstrahlende Arm 102 an einem Erdungspunkt 104 mit einem Erdungspotential verbunden. Der aktive und der passive abstrahlende Arm 101 bzw. 102 sind durch einen Abstand (d) voneinander beabstandet, der so gewählt ist, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Antennenteilen 101, 102 ermöglicht wird.
Die 26 bis 29 veranschaulichen ein Beispiel einer zweidimensionalen Antennengeometrie 140, die als eine Rastermaßkurve bezeichnet wird. Eine Antennenstruktur, die eine Rastermaßkurve definiert, wie unten definiert, kann anstelle einer jeden der raumfüllenden Antennenstrukturen eingesetzt werden, die oben anhand der 1 bis 25 beschrieben wurden.
Das Rastermaß einer Kurve kann wie folgt berechnet werden. Ein erstes Raster mit quadratischen Zellen der Seitenlänge L1 wird über der Geometrie der Kurve positioniert, so dass das Raster die Kurve vollständig abdeckt. Die Anzahl von Zellen (N1) im ersten Raster, die mindestens einen Teil der Kurve einschließen, werden gezählt. Als Nächstes wird ein zweites Raster mit quadratischen Zellen der Seitenlänge 12 in ähnlicher Weise angeordnet, um die Geometrie der Kurve vollständig abzudecken, und die Anzahl von Zellen (N2) im zweiten Raster, die mindestens einen Teil der Kurve enthalten, wird gezählt. Zusätzlich sollten das erste und das zweite Raster in einer minimalen rechteckigen Fläche angeordnet werden, die die Kurve einschließt, so dass keine ganze Zeile oder Spalte auf dem Umfang eines der Raster nicht mindestens einen Teil der Kurve enthält. Das erste Raster sollte mindestens 25 Zellen umfassen, und das zweite Raster sollte vier Mal die Anzahl von Zellen des ersten Rasters enthalten. Auf diese Weise sollte die Seitenlänge (L2) einer jeden quadratischen Zelle im zweiten Raster die Hälfte der Seitenlänge (L1) einer jeden quadratischen Zeile im ersten Raster betragen. Das Rastermaß (D_g) kann dann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:
Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff Rastermaßkurve zum Beschreiben einer Kurvengeometrie verwendet, die ein Rastermaß aufweist, das größer als eins (1) ist. Je größer das Rastermaß, desto höher der Grad der Miniaturisierung, die durch die Rastermaßkurve hinsichtlich einer Antenne erreicht werden kann, die mit einer spezifischen Frequenz oder Wellenlänge betrieben wird. Zusätzlich kann eine Rastermaßkurve in manchen Fällen auch die Anforderungen einer raumfüllenden Kurve, wie sie oben definiert ist, erfüllen. Deshalb ist für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung eine raumfüllende Kurve eine Art Rastermaßkurve.
26 zeigt eine beispielhafte zweidimensionale Antenne 140, die eine Rastermaßkurve mit einem Rastermaß von ungefähr zwei (2) bildet. 27 zeigt die Antenne 140 von 26, die in einem ersten Raster 150 eingeschlossen ist, das zweiunddreißig (32) quadratische Zellen jeweils mit einer Seitenlänge L1 aufweist. 28 zeigt dieselbe Antenne 140, die in einem zweiten Raster 160 eingeschlossen ist, das einhundertachtundzwanzig (128) quadratische Zellen jeweils mit einer Seitenlänge 12 aufweist. Die Seitenlänge (L1) einer jeden quadratischen Zelle im ersten Raster 150 beträgt das zweifache der Seitenlänge (L2) einer jeden quadratischen Zelle im zweiten Raster 160 (L2 = 2 × L1). Eine Untersuchung der 27 und 28 ergibt, dass mindestens ein Teil der Antenne 140 in jeder quadratischen Zelle sowohl des ersten als auch des zweiten Rasters 150 bzw. 160 enthalten ist. Daher ist der Wert N1 in der oben angegebenen Gleichung für das Rastermaß (D_g) zweiunddreißig (32) (d. h. die Gesamtzahl der Zellen im ersten Raster 150) und ist der Wert von N2 einhundertachtundzwanzig (128) (d. h. die Gesamtzahl von Zellen im zweiten Raster 160). Unter der Verwendung der oben angegebenen Gleichung kann das Rastermaß der Antenne 140 wie folgt berechnet werden:
Für eine exaktere Berechnung des Rastermaßes kann die Anzahl quadratischer Zellen bis zu einer maximalen Menge vergrößert werden. Die maximale Anzahl von Zellen in einem Raster hängt von der Auflösung der Kurve ab. Je näher die Anzahl von Zellen dem Maximum kommt, desto genauer wird die Rastermaßberechnung. Wenn ein Raster mit mehr als der maximalen Anzahl von Zellen ausgewählt wird, wird jedoch die Genauigkeit der Rastermaßberechnung wieder schlechter. Typischerweise beträgt die maximale Anzahl von Zellen in einem Raster eintausend (1000).
Zum Beispiel zeigt 29 dieselbe Antenne 140, die in einem dritten Raster 170 mit fünfhundertzwölf (512) quadratischen Zellen eingeschlossen ist, von denen jede eine Seitenlänge 13 hat. Die Seitenlänge (L3) der Zellen im dritten Raster 170 beträgt die Hälfte der Seitenlänge (L2) der Zellen im zweiten Raster 160, das in 28 gezeigt ist. Wie oben erwähnt, ist ein Teil der Antenne 140 in jeder quadratischen Zelle im zweiten Raster 160 eingeschlossen, weshalb der Wert N für das zweite Raster 160 einhundertachtundzwanzig (128) ist. Eine Untersuchung von 29 ergibt jedoch, dass die Antenne 140 lediglich in fünfhundertneun (509) der fünfhundertzwölf (512) Zellen des dritten Rasters 170 eingeschlossen ist. Deshalb ist der Wert von N für das dritte Raster 170 fünfhundertneun (509). Unter der Verwendung der 28 und 29 kann ein genauerer Wert für das Ratermaß (D) der Antenne 140 wie folgt berechnet werden:
Die 30 und 31 veranschaulichen zwei zusätzliche Antennenstrukturen 180, 200 zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere veranschaulichen die 30 und 31 zwei nicht planare Antennenbeispiele 180, 200. Eine dieser Antennenstrukturen 180, 200 kann zum Beispiel anstatt einer beliebigen der raumfüllenden Antennen 5, 9 eingesetzt werden, die oben anhand der 1 bis 13 beschrieben wurden.
30 veranschaulicht eine beispielhafte nicht planare Antennenstruktur 180 mit einer Vielzahl kaskadierter gefalteter Abschnitte 182 bis 190. Die gefalteten Abschnitte 182 bis 190 der Antenne 180 definieren jeweils eine raumfüllende Kurve und sind derart kaskadiert, dass sich die Antenne 180 zwischen zwei Endpunkten in einem durchgehenden leitfähigen Pfad erstreckt. Die Abschnitte 182 bis 190 der Antennenstruktur 180 sind so gefaltet, dass jeder Abschnitt 182 bis 190 in einer Ebene liegt, die senkrecht zu einem anschließenden Abschnitt ist, und zwei Endabschnitte 182, 190 liegen in parallelen Ebenen.
31 veranschaulicht eine weitere beispielhafte nicht planare Antennenstruktur 200, die eine Vielzahl kaskadierter gefalteter Abschnitte 202 bis 210 hat. Dieses Beispiel 200 ist der in 30 gezeigten Antenne 180 ähnlich, außer dass jeder der in 31 gezeigten gefalteten Abschnitte 202 bis 210 raumfüllende Kurven mit einer anderen Länge und einer anderen Anzahl zusammenhängender Segmente bildet.
Es versteht sich, dass die kaskadierten Abschnitte 182 bis 190 und 202 bis 210 der in den 30 und 31 gezeigten Antennen 180, 200 auch Rastermaßkurven definieren können, wie sie oben anhand der 26 bis 29 beschrieben sind. Zusätzlich können die Antennenstrukturen 180, 200 alternativ auch auf einem flexiblen Substratmaterial, wie zum Beispiel einer mit Flex-Film beschichteten Leiterplatte, befestigt sein. Die gefalteten Abschnitte 182 bis 190 und 202 bis 210 der nicht planaren Antennen 180, 200, können zum Beispiel innerhalb der Basis eines Rückspiegels in einem Kraftfahrzeug umwickelt sein, können jedoch auch in anderen physischen Komponenten des Kraftfahrzeugs integriert sein.
Die vorliegende schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Art und Weise, und auch dazu, einem Fachmann die Nutzung der Erfindung zu ermöglichen. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann auch andere Beispiele enthalten, die dem Fachmann einfallen. Zum Beispiel könnte jede der in die integrierten Mehrdienst-Antennensysteme integrierte Antenne, die oben beschrieben ist, auch vereinzelt werden, während die zuvor beschriebenen Merkmale beibehalten werden, wobei diese Möglichkeit für Klein- oder Mittelklassewagen, bei denen lediglich ein Antennentyp installiert ist, besonders geeignet ist.

Claims

Radio-, Mobilfunk-Telefonie- oder Satelliten-Signal-Antenne (30) zur Integration innerhalb einer physikalischen Komponente eines Kraftfahrzeuges, wobei die Antenne einen abstrahlenden Arm und ferner einen Einspeisepunkt (35) zum Verbinden der Antenne mit einem Empfänger in dem Kraftfahrzeug umfasst, wobei der abstrahlende Arm eine Mehrzahl von kaskadierten Abschnitten (32, 32, 33, 34) umfasst, wobei jeder kaskadierte Abschnitt (31, 32, 33, 34) eine raumfüllende Kurve beschreibt, welche aus zumindest zehn Segmenten gebildet wird, wobei jeder dieser einen Winkel mit jedem benachbarten Segment bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die raumfüllenden Kurven der kaskadierten Abschnitte (31, 32, 33, 34) unterschiedliche Iterationen derselben Kurve in einem unterschiedlichen Maßstab sind und eine unterschiedliche Länge aufweisen und eine unterschiedliche Anzahl von Segmenten aufweisen.
Mehrdienst-Antennen-System (30, 40, 50, 60) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von Antennen-Strukturen, welche innerhalb einer physikalischen Komponente des Kraftfahrzeuges integriert sind, wobei die Mehrzahl von Antennen-Strukturen eine Radio-Antenne gemäß Anspruch 1 und zumindest eine Antenne von einer Mobilfunk-Telefonie-Antenne oder einer Satelliten-Signal-Antenne beinhaltet.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 2, wobei die Radio-Antenne an einem dielektrischen Substrat befestigt ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Antennen-System (30, 40, 50, 60) in einer Innen-Rückspiegel-Anordnung integriert ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 4, wobei die Radio-Antenne innerhalb einer Unterlagen-Halterung der Rückspiegel-Anordnung integriert ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Antennen-System (30, 40, 50, 60) in einer Außen-Licht-Anordnung integriert ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 6, wobei das Antennen-System (30, 40, 50, 60) in einer Rück-Bremslicht-Anordnung integriert ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Einspeisepunkt der Radio-Antenne ein Teil des abstrahlenden Armes ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Radio-Antenne einen Erdungs-Punkt zum Verbinden der Radio-Antenne mit einem Masse-Gegengewicht umfasst.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Radio-Antenne einen Last-Punkt (75) zum Verbinden der Radio-Antenne mit einer leitenden Last (73) umfasst.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 10, wobei die leitende Last ein metallischer Teil einer Rückspiegel-Anordnung ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Radio-Antenne konfiguriert ist, als eine FM-Band-Antenne zu arbeiten.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die Radio-Antenne konfiguriert ist, als eine AM-Band-Antenne zu arbeiten.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Radio-Antenne konfiguriert ist, als DAB-Band-Antenne zu arbeiten.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei die Mobilfunk-Telefonie-Antenne eine erste leitende Platte und eine zweite leitende Platte, welche mit der ersten leitenden Platte gekoppelt ist, beinhaltet, wobei die zweite leitende Platte als ein Masse-Gegengewicht für die Mobilfunk-Telefonie-Antenne arbeitet.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 15, wobei die erste leitende Platte eine Länge aufweist, die kleiner als ein Viertel der Betriebs-Wellenlänge der Mobilfunk-Telefonie-Antenne im freien Raum ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die erste leitende Platte in einer ersten Ebene liegt und die zweite leitende Platte in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene parallel zu der zweiten Ebene ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Mobilfunk-Telefonie-Antenne einen leitende Anschluss zum Koppeln der ersten leitende Platte mit einer Mobilfunk-Transceiver-Schaltung in dem Kraftfahrzeug beinhaltet.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 18, wobei der leitende Anschluss (35) durch einen direkten ohmschen Kontakt mit der ersten leitenden Platte gekoppelt wird.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 18, wobei der leitende Anschluss (35) mit der ersten leitenden Platte durch kapazitive Kopplung gekoppelt wird.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 20, wobei die Mobilfunk-Telefonie-Antenne konfiguriert ist, Mobilfunk-Telefonie-Signale in einem Mobilfunk-Band ausgewählt aus der Gruppe GSM 900, GSM 1800, UMTS, WCDMA, CDMA, PCS 1900, KPCS, AMPS, TACS und ETACS zu senden und zu empfangen.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 21, wobei das Satelliten-Signal-Antenne eine Mikrostreifen-Antenne mit zirkularer Polarisation bildet, wobei die Satelliten-Signal-Antenne eine erste leitende Platte und eine zweite leitende Platte aufweist, wobei die erste leitende Platte von der zweiten leitenden Platte durch ein dielektrisches Material separiert wird.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach Anspruch 22, ferner umfassend: einen low-noise, high-gain Verstärker, welcher zwischen der Satelliten-Signal-Antenne und dem Satelliten-Signal-Empfänger-Schaltung in dem Kraftfahrzeug verbunden ist.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei die Satelliten-Signal-Antenne konfiguriert ist, Global-Positioning-Satellite-Signale (GPS) zu empfangen.
Antennen-System (30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Satelliten-Signal-Antenne in einem Außen-Rückspiegel-Gehäuse integriert ist.