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Gebiet
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Die
in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebene Technik bezieht
sich auf das Gebiet von Antennen. Insbesondere beschreibt die Anmeldung
ein Antennensystem eines Kraftfahrzeugs.
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Aufgabe
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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.
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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.
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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.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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Die
WO 02/35646 beschreibt
eine Antenne gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Die
WO 01/82
410 beschreibt eine ähnliche
Antenne.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
Die abhängigen
Ansprüche
beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
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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.
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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.
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In
einer zusätzlichen
Ausführungsform
kann die Funkantenne im Antennensystem einen abstrahlenden Arm aufweisen,
der eine Rastermaßkurve
definiert.
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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, BluetoothTM 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 liefert
ein Beispiel für
einen raumfüllenden
Umfang der leitfähigen
Platte 10 zum Erzielen einer optimierten Miniaturisierung
der Mobiltelefonantenne 6.
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6 zeigt
ein weiteres Beispiel für
einen raumfüllenden
Umfang der leitfähigen
Platte 10 zum Erzielen einer optimierten Miniaturisierung
der Mobiltelefonantenne 6.
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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.
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8 zeigt
ein weiteres Beispiel der Miniaturisierung einer GPS-Patch-Antenne, wobei der
Umfang der oberen leitfähigen
Platte 11 eine raumfüllende
Kurve ist.
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9 zeigt
ein weiteres Beispiel der Miniaturisierung einer GPS-Patch-Antenne, wobei der
Umfang der oberen leitfähigen
Platte 11 eine raumfüllende
Kurve ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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14 veranschaulicht
eine kaskadierte raumfüllende
Antennenstruktur zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
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15 veranschaulicht
eine alternative kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur
Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
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16 veranschaulicht
eine weitere alternative kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur Verwendung
in einem Antennensystem für
ein Kraftfahrzeug.
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17 veranschaulicht
eine raumfüllende Schlitzantenne
zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
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18 veranschaulicht
eine kaskadierte raumfüllende
Antennenstruktur mit einer induktiven Last (z).
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19 veranschaulicht
eine kaskadierte raumfüllende
Antennenstruktur mit einem kapazitiv beschwerenden Element.
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20 ist
eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden
Antennenstruktur 80 mit zwei senkrecht gestapelten ausstrahlenden
Armen.
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21 veranschaulicht
eine weitere beispielhafte kaskadierte raumfüllende Antennenstruktur zur
Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
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22 ist
eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden
Antennenstruktur mit einer Vielzahl parallel gespeister senkrecht
gestapelter ausstrahlender Arme.
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23 ist
eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden
Antennenstruktur mit zwei parallel gespeisten ausstrahlenden Armen.
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25 ist
eine dreidimensionale Ansicht einer kaskadierten raumfüllenden
Antennenstruktur mit einem aktiven abstrahlenden Arm und einem parasitären abstrahlenden
Arm.
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Die 26 bis 29 veranschaulichen eine
beispielhafte zweidimensionale Antennengeometrie, die als eine Rastermaßkurve bezeichnet
wird.
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Die 30 und 31 veranschaulichen zwei
zusätzliche
Antennenstrukturen zur Verwendung in einem Antennensystem für ein Kraftfahrzeug.
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Detaillierte Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie
oben erwähnt,
können
auch andere raumfüllende
Kurven, wie in 6 gezeigt, verwendet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
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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:
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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).
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.