EP3853945A1 - Dachantenne mit eingebetteter mmwave-antenne - Google Patents

Dachantenne mit eingebetteter mmwave-antenne

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EP3853945A1
EP3853945A1 EP20743685.8A EP20743685A EP3853945A1 EP 3853945 A1 EP3853945 A1 EP 3853945A1 EP 20743685 A EP20743685 A EP 20743685A EP 3853945 A1 EP3853945 A1 EP 3853945A1
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EP
European Patent Office
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antenna
slot
mmwave
base body
antennas
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EP20743685.8A
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EP3853945B1 (de
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Amir Cenanovic
Lars Reichardt
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP3853945B1 publication Critical patent/EP3853945B1/de
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    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3275—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle mounted on a horizontal surface of the vehicle, e.g. on roof, hood, trunk
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    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements

Definitions

  • the present invention relates to a roof antenna for a vehicle, comprising a base body, a cover device and a printed circuit board (PCB level).
  • PCB level printed circuit board
  • the new 5G standard should enable faster data transmission, for example in the cellular network.
  • Frequencies up to 5 GHz are currently in use. However, as the frequency increases, the range of the wavelengths decreases. However, the higher frequency ranges offer the advantage that higher bandwidths are available, which are necessary for fast data transmission. For example, a 5GHz network with a data transmission rate of 10 or 20 Gbit is only possible with a frequency band of 100 MHz. However, such frequency ranges require a close-knit network of radio masts.
  • mmWave technology millimeter wave technology
  • bandwidths of up to 400 MHz and downlink transmission rates of> 2 Gbps are possible.
  • the mmW technology in the 5G cellular standard is best suited to achieve good coverage in city centers, for example.
  • the free space attenuation is proportional to 1 / f 2 , which means that in the mmW frequency range (28GHz / 39GHz) there is significantly greater attenuation of the signals.
  • a signal at 30 GHz is attenuated 20 dB (factor 100) more than a signal at 3 GHz.
  • the signal attenuation between The transmitter and receiver reduce the reception level at the receiver input and accordingly reduce the data transmission rate.
  • Antenna modules are already known in the prior art.
  • a scalable multiband antenna module with several antenna elements is known, which are arranged within a metallic or a non-conductive cavity.
  • a multifunctional antenna for a vehicle which comprises at least four antennas, a first antenna being set up to receive a satellite signal, another antenna being set up to receive a terrestrial signal, another antenna for the mobile radio area is set up and a further antenna is set up to determine a geoposition.
  • an antenna module for a vehicle which comprises an antenna device with a plurality of antennas arranged on the vehicle exterior on a first carrier plate.
  • a highly integrated multiband fin antenna for a vehicle is known from the document DE 10 2009 051 605 A1.
  • An antenna arrangement for a motor vehicle is known from the document DE 102016006975 B3, which comprises a slot antenna in the outer panel of the motor vehicle.
  • the antenna arrangement comprises a roof antenna module with a cap or housing, a base made of metal and a control circuit or printed circuit board in the housing or between them. The floor touches the roof in a support area A.
  • a slot antenna in the outer sheet of the roof is described, which is controlled by the control circuit and illuminates the passenger compartment and the surroundings.
  • An antenna module for a vehicle is known from the document EP 1 863 119 A1, which has an upper and lower part as well as antennas.
  • the antenna module has an external housing on the vehicle roof in the form of a fin with a base plate made of metal and an external printed circuit board attached to it and antennas located thereon.
  • the antenna module also has an internal housing with a printed circuit board and internal antennas arranged underneath.
  • the object of the present invention is to provide an antenna device for high frequencies which is set up to compensate for free space attenuation and at the same time has a small installation space requirement.
  • the present invention relates to a roof antenna for a vehicle, comprising a base body, a cover device and a printed circuit board.
  • the base body is set up as a carrier for the printed circuit board.
  • the covering device is usually designed as an antenna cap that covers the circuit board. The covering device closes the roof antenna and protects it from external influences.
  • the covering device is set up to close off with the base body or with a roof plane of the vehicle.
  • the base body is metallic, with at least one mmWave antenna (millimeter wave spectrum antenna) being arranged between the metallic base body and the printed circuit board.
  • mmWave antenna stands for millimeter wave spectrum antenna. These types of antennas are suitable, among other things, for 5G use in the frequency range below 6Ghz. Placing the mmWave antenna in the roof antenna has the great advantage that the mmWave antenna has an undisturbed view around the car (Bluetooth, LTE, telephone, auxiliary heating) and the sky (satellite services).
  • the arrangement of the mmWave antenna between the metallic base body and the printed circuit board means that there is no installation space between the PCB and the cover device are required for the placement of the mmWave antenna.
  • the mmWave antenna is not placed directly on the lossy circuit board PCB substrate, which does not affect the efficiency of the mmWave antenna.
  • the at least one mmWave antenna is designed to be integrated into the metallic base body.
  • the base body has a base plane which is formed centrally on the base body, the at least one mmWave antenna being designed to be integrated into the base plane of the base body.
  • the base plane is usually designed as an elevation of the base body.
  • the base plane can be oval, round or angular. Due to the integrated arrangement of the mmWave antenna in the metallic base body, no additional physical installation space is required for the placement of the mmWave antenna. By placing the mmWave antenna in the base body, both weight and costs can be saved. Another advantage is that by placing the mmWave antenna, a very good galvanic decoupling of the mmWave antenna from the circuit board can be achieved.
  • the metallic base body is designed as a zinc die-cast body.
  • the design of the base body made of zinc offers the advantage that zinc is not magnetic.
  • the metallic base body is formed from another, in particular non-magnetic, conductive material, in particular metal.
  • At least two mmWave antennas are arranged in the base body.
  • at least two, in particular at least three mmWave antennas are arranged integrated in the roof antenna, in particular in the base body.
  • the mmWave antennas are usually arranged in the direction of travel in the base body of the roof antenna.
  • the mmWave antennas are transverse to the direction of travel in the base of the Roof antenna arranged.
  • a first mmWave antenna is arranged in the direction of travel and a second mmWave antenna is arranged transversely to the direction of travel or transversely to the first mmWave antenna.
  • the at least two mmWave antennas are arranged separately from one another in the base body.
  • at least one mmWave antenna is arranged on one side of the base body, while a further mmWave antenna is arranged on an opposite side of the base body.
  • the mmWave antennas usually have a different design, in particular the mmWave antennas are usually designed for different frequency ranges.
  • a distance between a first mmWave antenna and a second mmWave antenna in the base body of the roof antenna is generally between 25 mm and 30 mm, in particular between 28 mm and 29 mm.
  • the mmWave antennas are designed as slot antennas.
  • the use of slot antennas has the advantage that they are set up in particular for high frequencies. In addition, these are set up to convert high-frequency alternating current and electromagnetic waves into one another, so that the slot antennas can be used for both sending and receiving.
  • the manufacturing effort for the roof antenna is limited to the coupling of the slot antenna or the slot antenna and the machining of the zinc die-cast body.
  • a first slot antenna is designed for a frequency of 28 GHz and a second slot antenna is designed for a frequency of 39 GHz.
  • This usually corresponds to a frequency band for high frequencies above 6 GFIz for the USA.
  • the slot antennas for a frequency between 4 GFIz and 50 are optional GHz, in particular set up between 6 GHz and 40 GHz, with the use frequencies being adjustable by adjusting the waveguide dimensions (height and width).
  • both antennas can be operated in the same frequency range. This offers the advantage that better omnidirectional characteristics can be achieved.
  • both antennas are optionally set up for a frequency range of 28 GHz.
  • a first slot antenna is designed for a frequency of 34 GHz and a second slot antenna is designed for a frequency of 38 GHz. This usually corresponds to a frequency band for Europe.
  • a first slot antenna is designed for a frequency of 25 GHz and a second slot antenna is designed for a frequency of 28 GHz.
  • a first slot antenna is designed for a frequency of 31 GHz and a second antenna is designed for a frequency of 33 GHz.
  • the slot antennas are designed as a waveguide with at least one slot, each waveguide being able to be coupled to a mmW signal (millimeter wave signal) of the mmW antenna, with at least one of the slots of the slot antennas radiating through the mmW signal is stimulable.
  • a waveguide with a low frequency is designed to be larger than a waveguide with a higher frequency.
  • the waveguides are set up so that they can be coupled to a coaxial line or a microstrip line.
  • the slots are stimulated to radiate.
  • At least two slots of a slot antenna can be combined to form a slot array.
  • the roof antenna is scalable by combining at least two slots to form a slot array.
  • a scalable antenna concept can be implemented through the use of slot arrays. The interconnection of several individual ones Slot radiators to form a slot array increases the antenna gain (directivity and efficiency of the antenna).
  • FIG. 1 shows a side view of an embodiment of a roof antenna according to the invention with an embodiment of a base body according to the invention
  • FIG. 2a shows a top view of the base body shown in FIG. 1
  • FIG. 2b shows a perspective top view of the base body shown in FIGS. 1 and 2a
  • 3a shows a curve diagram of an adaptation and directional characteristics of a 28 Ghz mmWave antenna
  • 3b shows a curve diagram of an adaptation and directional characteristics of a 39 Ghz mmWave antenna
  • FIG. 4b a simulation of an adaptation and directional characteristics of a 39 Ghz mmWave antenna
  • FIG. 5 a coupling of a slot antenna to a coaxial line
  • FIG. 6 shows a plan view of an embodiment of a base body according to the invention with two slot arrays
  • 7 shows a simulation of directional characteristics of a slot array.
  • FIG. 1 shows a side view of an embodiment of a roof antenna 10 according to the invention with a base body 11 according to the invention.
  • the roof antenna 10 is arranged on a roof plane 20 of a vehicle (not shown).
  • the roof antenna 10 is formed from a base body 11, a printed circuit board 13 resting on the base body, and a cover device 12.
  • the covering device 12 is set up to accommodate the printed circuit board 13 and the base body 11 and to close it off with respect to the roof plane 20.
  • the circuit board 13 is formed between the base body 11 and the covering device 12.
  • FIG. 2a shows a top view of the base body 11 shown in FIG. 1.
  • the base body 11 is designed as a zinc die-cast body.
  • the base body 11 has a base plane 19, two mmWave antennas 14 (millimeter wave spectrum antennas) being arranged in an integrated manner in the base plane 19 of the base body 11.
  • the two mmWave antennas 14a and 14b are arranged separately from one another, the mMWave antennas 14 being designed to be integrated into the base body 11.
  • the mmWave antennas 14a, 14b are designed as slot antennas 15a, 15b and in the present embodiment each have a slot 17.
  • the slot 17 is designed for blasting.
  • the mmWave antennas 14a, 14b extend in the direction of travel. Alternatively, the mmWave antennas 14a, 14b can also be arranged transversely to the direction of travel.
  • the first mmWave antenna 14a is designed for a frequency range of 28 GHz, while the second mmWave antenna 14b is designed for a frequency range of 39 GHz.
  • the first and second mmWave antennas 14a, 14b are designed as slot antennas 15a, 15b, the slot antennas 15a, 15b each being designed as a waveguide 16.
  • FIG. 2b shows a perspective top view of the base body 11 shown in FIGS. 1 and 2a.
  • the two mmWave antennas 14a, 14b designed as slot antennas 15a, 15b are emphasized.
  • the slot antenna 15a is designed as a waveguide 16, the waveguide 16 being rectangular in the present embodiment.
  • the waveguide 16 of the first slot antenna 15a for the frequency range 28GFIz has a height of 5 mm on the outside and 4 mm on the inside.
  • the waveguide 16 of the first slot antenna 15a thus has a wall thickness of 0.5 mm in each case in the fleas.
  • the waveguide 16 of the first slot antenna 15a has a width of 8 mm on the outside and 7 mm on the inside.
  • the waveguide 16 of the first slot antenna 15a has a wall thickness of 0.5 mm in width in each case.
  • the waveguide 16 of the second slot antenna 15b for the frequency range 39GFIz has a height of 3.30 mm on the outside and 2.30 mm on the inside.
  • the waveguide 16 of the second slot antenna 15b thus has a wall thickness of 0.5 mm in each case in the fleas.
  • the waveguide 16 of the second slot antenna 15b has a width of 5.20 mm on the outside and 4.20 mm on the inside.
  • the waveguide 16 of the second slot antenna 15b thus has a wall thickness of 0.5 mm in width in each case.
  • the dimensions of the respective waveguides 16 can be varied, as can the respective wall thickness.
  • FIG. 3a shows a curve diagram of an adaptation
  • FIG. 3b shows a curve diagram of an adaptation
  • FIG. 4a shows a simulation of an adaptation and directional characteristics of a 28 Ghz mmWave antenna. Shown is the base body 11 with the base plane 19, as well as a three-dimensional simulation of an exit of the mmWave signal that through the - not shown - slots of the Slot antennas is broadcast. The simulation shows various
  • FIG. 4b shows a simulation of an adaptation and directional characteristics of a 39 Ghz mmWave antenna.
  • the base body 11 with the base plane 19 is shown, as well as a three-dimensional simulation of the exit of the mmWave signal which is emitted through the slots of the slot antennas (not shown).
  • the simulation shows various
  • FIG. 5 shows a coupling of a slot array 21 designed as a waveguide 16 to a coaxial line 18.
  • the waveguide 16 is designed in accordance with the design of the waveguide 16 described above and shown in FIGS. 2a and 2b.
  • the slot array 21 has at least four slots 17, which are offset from one another in the waveguide 16. It is shown that the coaxial line 18 is connected or coupled to the slot array 21 via a lower side of the rectangular waveguide 16. By coupling the waveguide 16 with the mmW signal (millimeter wave signal), the slots 17 are excited to radiate.
  • the mmW signal millimeter wave signal
  • FIG. 6 shows a top view of an embodiment of a base body 11 according to the invention with two slot arrays 21.
  • two slot arrays 21 are arranged or integrated separately from one another in the base body, in particular the base plane 19 of the base body 11.
  • a slot array 21 has a length of 50 mm in each case and has at least five slots 17 which are arranged offset to one another in two rows.
  • the Slit arrays 21 are formed at a distance of at least 28.50 mm from one another in the base plane 19.
  • the present embodiment of the arrangement of the slot arrays 21 is suitable both for slot antennas for frequencies of 28 GHz and for slot antennas for frequencies of 39 GHz.
  • FIG. 7 shows two simulations of directional characteristics of a slot array 21.
  • the base body 11 with the base plane 19 is shown in each of the simulations.
  • the mmWave signal which is emitted through the slots, extends in each case from the slot arrays 21.
  • the simulations show different strengths of the mmWave signal in dBi, which are graphically represented using point clouds. The relevant dBi values for a point cloud are given in a respective legend.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dachantenne (10) für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (11), eine Abdeckvorrichtung (12) und eine Leiterplatte (PCB-Ebene) (13), wobei der Grundkörper (11) metallisch ist, wobei zumindest eine mmWave-Antenne (14) zwischen dem metallischen Grundkörper (11) und der Leiterplatte (13) angeordnet ist.

Description

Dachantenne mit eingebetteter mmWave-Antenne
BESCHREIBUNG: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dachantenne für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper, eine Abdeckvorrichtung und eine Leiterplatte (PCB-Ebene).
In Zukunft soll der neue 5G Standard eine schnellere Datenübertragung, beispielsweise im Mobilfunknetz, ermöglichen. Derzeit werden Frequenzen bis 5 GHz genutzt. Bei steigender Frequenz sinkt jedoch die Reichweite der Wellenlängen. Jedoch bieten die höheren Frequenzbereiche den Vorteil, dass höhere Bandbreiten zur Verfügung stehen, die für eine schnelle Datenübertragung notwendig sind. Ein 5GHz-Netz mit einer Datenübertragungsrate von 10 oder 20 Gbit ist beispielsweise nur bei einem Frequenzband von 100 MHz möglich. Derartige Frequenzbereiche benötigen jedoch ein engmaschiges Netz an Funkmasten.
Mit einer mmWave-Technologie (Millimeterwellen-Technologie) sind Bandbreiten bis zu 400 MHz und Downlink-Übertragungsraten von > 2 Gbps möglich. Am besten geeignet ist die mmW-Technologie im 5G Mobilfunkstandard, um eine gute Abdeckung beispielsweise in Innenstädten zu erreichen. Bei elektromagnetischen Wellen ist die Freiraumdämpfung proportional zu 1/f2, d. h., dass im mmW-Frequenzbereich (28GHz/39GHz) eine deutlich stärkere Dämpfung der Signale stattfindet.
Beispielsweise wird ein Signal bei 30 GHz gegenüber einem Signal bei 3 GHz um 20 dB (Faktor 100) stärker gedämpft. Die Signaldämpfung zwischen Sender und Empfänger mindert den Empfangspegel am Empfängereingang und mindert dementsprechend die Datenübertragungsrate.
Im Stand der Technik sind bereits Antennenmodule bekannt.
So ist aus dem Dokument DE 10 2009 038 150 B4 ein skalierbares Multiband-Antennenmodul mit mehreren Antennenelementen bekannt, die innerhalb einer metallischen oder einer nicht leitenden Kavität angeordnet sind.
Aus dem Dokument DE 10 330 087 B3 ist eine Multifunktionsantenne für ein Fahrzeug bekannt, die zumindest vier Antennen umfasst, wobei eine erste Antenne eingerichtet ist, ein Satellitensignal zu empfangen, eine weitere Antenne eingerichtet ist, ein terrestrisches Signal zu empfangen, eine weitere Antenne für den Mobilfunkbereich eingerichtet ist und eine weitere Antenne zur Ermittlung einer Geoposition eingerichtet ist.
Aus dem Dokument DE 10 2006 025 176 B4 ist ein Antennenmodul für ein Fahrzeug bekannt, das eine am Fahrzeugaußenraum auf einer ersten Trägerplatte angeordnete Antenneneinrichtung mit mehreren Antennen umfasst.
Aus dem Dokument DE 10 2009 051 605 A1 ist eine hochintegrierte Multiband-Finnenantenne für ein Fahrzeug bekannt.
Aus dem Dokument DE 102016006975 B3 ist eine Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine Schlitzantenne im Außenblech des Kraftfahrzeuges umfasst. Die Antennenanordnung umfasst ein Dachantennenmodul mit einer Kappe bzw. Gehäuse, einem Boden aus Metall und einer Steuerschaltung bzw. Leiterplatte im Gehäuse bzw. dazwischen. Der Boden berührt dabei das Dach in einem Auflagebereich A. Neben Antennen im Gehäuse wird eine Schlitzantenne im Außenblech des Dachs beschrieben, die von der Steuerschaltung angesteuert wird und Fahrgastinnenraum wie Umgebung ausleuchtet. Aus dem Dokument EP 1 863 119 A1 ist ein Antennenmodul für ein Fahrzeug bekannt, das einen oberen und unteren Teil sowie Antennen aufweist. Das Antennenmodul weist auf dem Fahrzeugdach ein externes Gehäuse in Form einer Finne mit einer Grundplatte aus Metall und einer darauf befestigten externen Leiterplatte und darauf befindlichen Antennen auf. Das Antennenmodul weist zudem ein internes Gehäuse mit einer Leiterplatte und darunter angeordneten internen Antennen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antennenvorrichtung für hohe Frequenzen bereitzustellen, die eingerichtet ist, eine Freiraumdämpfung zu kompensieren, und gleichzeitig einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Dachantenne für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper, eine Abdeckvorrichtung und eine Leiterplatte. In der Regel ist der Grundkörper als Träger für die Leiterplatte eingerichtet. Die Abdeckvorrichtung ist in der Regel als Antennenkappe ausgebildet, die die Leiterplatte abdeckt. Die Abdeckvorrichtung verschließt die Dachantenne und schützt diese vor äußeren Einflüssen. In der Regel ist die Abdeckvorrichtung eingerichtet, mit dem Grundkörper oder mit einer Dachebene des Fahrzeuges abzuschließen.
Erfindungsgemäß ist der Grundkörper metallisch, wobei zumindest eine mmWave-Antenne (Millimeterwellenspektrum-Antenne) zwischen dem metallischen Grundkörper und der Leiterplatte angeordnet ist. Dabei steht der Begriff mmWave-Antenne für Millimeterwellenspektrum-Antenne. Diese Art von Antennen sind unter anderem für die 5G-Nutzung im Frequenzbereich unter 6Ghz geeignet. Die Platzierung der mmWave- Antenne in der Dachantenne bietet dabei den großen Vorteil, dass die mmWave-Antenne eine ungestörte Sicht um das Auto (Bluetooth, LTE, Telefon, Standheizung) sowie in den Himmel (Satellitendienste) hat. Durch die Anordnung der mmWave-Antenne zwischen dem metallischen Grundkörper und der Leiterplatte wird zudem kein Bauraum zwischen der Leiterplatte und der Abdeckvorrichtung für die Platzierung der mmWave- Antenne benötigt. Durch die Platzierung der mmWave-Antenne zwischen dem Grundkörper und der Leiterplatte ist die mmWave-Antenne nicht direkt auf dem verlustbehaftetem Leiterplatten-PCB-Substrat angeordnet, wodurch die Effizienz der mmWave-Antenne nicht beeinträchtigt wird.
In einer Weiterbildung ist die zumindest eine mmWave-Antenne in den metallischen Grundkörper integriert ausgebildet ist. Optional weist der Grundkörper eine Grundebene auf, die zentral auf dem Grundkörper ausgebildet ist, wobei die zumindest eine mmWave-Antenne in die Grundebene des Grundkörpers integriert ausgebildet ist. Die Grundebene ist in der Regel als Erhebung des Grundkörpers ausgebildet. Dabei kann die Grundebene oval, rund oder eckig ausgeformt sein. Durch die integrierte Anordnung der mmWave-Antenne in dem metallischen Grundkörper wird kein zusätzlicher physikalischer Bauraum für die Platzierung der mmWave- Antenne benötigt. Durch die Platzierung der mmWave-Antenne in dem Grundkörper sind somit sowohl Gewicht als auch Kosten einsparbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Platzierung der mmWave- Antenne eine sehr gute galvanische Entkopplung der mmWave-Antenne von der Leiterplatte erreicht werden kann.
In Ausgestaltung ist der metallische Grundkörper als Zinkdruckgusskörper ausgebildet. Die Ausgestaltung des Grundkörpers aus Zink bietet den Vorteil, dass Zink nicht magnetisch ist. Optional ist der metallische Grundkörper aus einem anderen, insbesondere nicht magnetischen, leitfähigen Material, insbesondere Metall, ausgebildet.
In einer Weiterbildung sind zumindest zwei mmWave-Antennen in dem Grundkörper angeordnet. Für die Umsetzung des 5G-Standards mittels der mmWave-Antennen sind zumindest zwei, insbesondere mindestens drei mmWave-Antennen in der Dachantenne, insbesondere im Grundkörper, integriert angeordnet. Die mmWave-Antennen sind dabei in der Regel in Fahrtrichtung in dem Grundkörper der Dachantenne angeordnet. Alternativ sind die mmWave-Antennen quer zur Fahrtrichtung in dem Grundkörper der Dachantenne angeordnet. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist eine erste mmWave-Antenne in Fahrtrichtung angeordnet und eine zweite mmWave-Antenne quer zur Fahrtrichtung bzw. quer zur ersten mmWave- Antenne angeordnet.
In einer weiteren Weiterbildung sind die zumindest zwei mmWave-Antennen separat zueinander in dem Grundkörper angeordnet. In der Regel ist zumindest eine mmWave-Antenne auf einer Seite des Grundkörpers angeordnet, während eine weitere mmWave-Antenne auf einer gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers angeordnet ist. Die mmWave- Antennen weisen in der Regel eine unterschiedliche Ausgestaltung auf, insbesondere sind die mmWave-Antennen in der Regel für unterschiedliche Frequenzbereiche ausgestaltet. Ein Abstand zwischen einer ersten mmWave-Antenne und einer zweiten mmWave-Antenne in dem Grundkörper der Dachantenne beträgt in der Regel zwischen 25 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 28 mm und 29 mm.
In Ausgestaltung sind die mmWave-Antennen als Schlitzantennen ausgebildet. Die Verwendung von Schlitzantennen bietet den Vorteil, dass diese insbesondere für hohe Frequenzen eingerichtet sind. Zudem sind diese eingerichtet, hochfrequenten Wechselstrom und elektromagnetische Wellen ineinander umzuwandeln, sodass die Schlitzantennen sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt werden können. Durch die Integrierung der mindestens einen mmWave-Antenne in den Grundkörper beschränkt sich der Fertigungsaufwand der Dachantenne rein auf die Ankopplung der Schlitzantenne bzw. der Schlitzantennen und die Zinkdruckgusskörperbearbeitung.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 28 Ghz ausgelegt und eine zweite Schlitzantenne ist für eine Frequenz von 39 Ghz ausgelegt. Dies entspricht in der Regel einem Frequenzband für hohe Frequenzen über 6 GFIz für die USA. Bei der Nutzung von hohen Frequenzen über 6 GFIz, beispielsweise für die Nutzung im 5G Mobilfunkstandard, sind verschiedene Frequenzbänder verfügbar. Optional sind die Schlitzantennen für eine Frequenz zwischen 4 GFIz und 50 GHz, insbesondere zwischen 6 GHz und 40 Ghz eingerichtet, wobei durch eine Anpassung der Hohlleiter-Abmessungen (Höhe und Breite) die Einsatzfrequenzen einstellbar sind. Optional sind beide Antennen in einem gleichen Frequenzbereich betreibbar. Dies bietet den Vorteil, dass eine bessere Rundstrahlcharakteristik erzielbar ist. Beispielsweise sind beide Antennen optional für einen Frequenzbereich von 28 GHz eingerichtet.
In einer alternativen Ausgestaltung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 34 GHz ausgelegt und eine zweite Schlitzantenne für eine Frequenz von 38 GHz ausgelegt. Dies entspricht in der Regel einem Frequenzband für Europa. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 25 GHz ausgelegt und eine zweite Schlitzantenne für eine Frequenz von 28 GHz ausgelegt. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 31 GHz ausgelegt und eine zweite Antenne für eine Frequenz von 33 GHz ausgelegt.
In einer weiteren Weiterbildung sind die Schlitzantennen als Hohlleiter mit zumindest einem Schlitz ausgebildet, wobei ein Hohlleiter jeweils mit einem mmW-Signal (Millimeterwellen-Signal) der mmW-Antenne koppelbar ist, wobei zumindest einer der Schlitze der Schlitzantennen durch das mmW- Signal zum Strahlen anregbar ist. In der Regel ist ein Hohlleiter einer niedrigen Frequenz größer ausgestaltet als ein Hohlleiter einer höheren Frequenz.
In Ausgestaltung sind die Hohlleiter eingerichtet, mit einem Koaxialleitung oder einer Mikrostreifenleitung koppelbar zu sein. Durch das Ankoppeln der Hohlleiter mit dem mmWAve-Signal einer der mmWave-Antennen werden die Schlitze zum Stahlen angeregt.
In einer Weiterbildung sind zumindest zwei Schlitze einer Schlitzantenne zu einem Schlitzarray kombinierbar. Durch die Kombination mindestens zweier Schlitze zu einem Schlitzarray ist die Dachantenne skalierbar. Somit ist durch die Verwendung von Schlitzarrays ein skalierbares Antennenkonzept realisierbar. Das Zusammenschalten von mehreren einzelnen Schlitzstrahlern zu einem Schlitzarray erhöht den Antennengewinn (Richtwirkung und Wirkungsgrad der Antenne).
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben, wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dachantenne mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Grundkörpers,
Fig. 2a eine Draufsicht auf den - in Fig. 1 gezeigten - Grundkörper, Fig. 2b eine perspektivische Draufsicht auf den - in den Figuren 1 und 2a - gezeigten Grundkörper,
Fig. 3a ein Kurvendiagramm einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne,
Fig. 3b ein Kurvendiagramm einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne,
Fig. 4a eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne,
Fig. 4b eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne, Fig. 5 eine Ankopplung einer Schlitzantenne an eine Koaxialleitung,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers mit zwei Schlitzarrays, Fig. 7 eine Simulation von Richtcharakteristika eines Schlitzarrays.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dachantenne 10 mit einem erfindungsgemäßen Grundkörper 11. Die Dachantenne 10 ist auf einer Dachebene 20 eines - nicht gezeigten - Fahrzeuges angeordnet. Die Dachantenne 10 ist aus einem Grundkörper 11, eine auf dem Grundkörper aufliegenden Leiterplatte 13 und einer Abdeckungsvorrichtung 12 ausgebildet. Die Abdeckungsvorrichtung 12 ist dabei eingerichtet, die Leiterplatte 13 und den Grundkörper 11 aufzunehmen und gegenüber der Dachebene 20 abzuschließen. Die Leiterplatte 13 ist zwischen dem Grundkörper 11 und der Abdeckungsvorrichtung 12 ausgebildet.
Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf den - in Fig. 1 gezeigten - Grundkörper 11. Der Grundkörper 11 ist als Zinkdruckgusskörper ausgebildet. In der Figur 2a weist der Grundkörper 11 eine Grundebene 19 auf, wobei zwei mmWave- Antennen 14 (Millimeterwellenspektrum-Antennen) in der Grundebene 19 des Grundkörpers 11 integriert angeordnet sind. Die zwei mmWave- Antennen 14a und 14b sind separat voneinander angeordnet, wobei die mMWave-Antennen 14 in den Grundkörper 11 integriert ausgebildet sind. Die mmWave-Antennen 14a, 14b sind als Schlitzantennen 15a, 15b ausgebildet und weisen in der vorliegenden Ausführungsform jeweils einen Schlitz 17 auf. Der Schlitz 17 ist zum Strahlen ausgebildet. Die mmWave- Antennen 14a, 14b erstrecken sich in Fahrtrichtung. Alternativ können die mmWave-Antennen 14a, 14b auch quer zur Fahrtrichtung angeordnet sein.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste mmWave-Antenne 14a für einen Frequenzbereich von 28 GHz ausgelegt, während die zweite mmWave-Antenne 14b für einen Frequenzbereich von 39 GHz ausgelegt ist. Die erste und die zweite mmWave-Antenne 14a, 14b sind als Schlitzantennen 15a, 15b ausgebildet wobei die Schlitzantennen 15a, 15b, jeweils als Hohlleiter 16 ausgebildet sind. Figur 2b zeigt eine perspektivische Draufsicht auf den - in den Figuren 1 und 2a - gezeigten Grundkörper 11. Flervorgehoben sind die beiden als Schlitzantennen 15a, 15b ausgebildeten mmWave-Antennen 14a, 14b. Die Schlitzantenne 15a ist als Hohlleiter 16 ausgebildet, wobei der Hohlleiter 16 in der vorliegenden Ausführungsform rechteckig ausgebildet ist. Der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a für den Frequenzbereich 28GFIz weist eine Flöhe von 5 mm außen und 4 mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a in der Flöhe eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf. Der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a weist eine Breite von 8mm außen und 7mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a in der Breite eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf.
Der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b für den Frequenzbereich 39GFIz weist eine Flöhe von 3,30 mm außen und 2,30 mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b in der Flöhe eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf. Der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b weist eine Breite von 5,20 mm außen und 4,20mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b in der Breite eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf. Die Ausmaße der jeweiligen Hohlleiter 16 sind variierbar, ebenso wie die jeweilige Wanddicke.
Figur 3a zeigt ein Kurvendiagramm einer Anpassung und
Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne. Dargestellt ist, dass bei einer Frequenz von 28 Ghz eine Magnitude von -14 db vorherrscht.
Figur 3b zeigt ein Kurvendiagramm einer Anpassung und
Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne. Dargestellt ist, dass bei einer Frequenz von 39Ghz eine Magnitude von -90 db vorherrscht.
Figur 4a zeigt eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne. Gezeigt ist der Grundkörper 11 mit der Grundebene 19, sowie eine dreidimensionale Simulation eines Austritts des mmWave-Signals, dass durch die - nicht gezeigten - Schlitze der Schlitzantennen ausgestrahlt wird. Die Simulation zeigt verschiedene
Stärken des mmWave-Signals in dBi, die anhand von Punktwolken grafisch dargestellt sind. In einer Legende sind die zu einer jeweiligen Punktwolke maßgeblichen dBi Werte angegeben.
Figur 4b zeigt eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne. Gezeigt ist der Grundkörper 11 mit der Grundebene 19, sowie eine dreidimensionale Simulation des Austritts des mmWave-Signals, das durch die - nicht gezeigten - Schlitze der Schlitzantennen ausgestrahlt wird. Die Simulation zeigt verschiedene
Stärken des mmWave-Signals in dBi, die anhand von Punktwolken grafisch dargestellt sind. In einer Legende sind die zu einer jeweiligen Punktwolke maßgeblichen dBi Werte angegeben.
Figur 5 zeigt eine Ankopplung eines als Hohlleiter 16 ausgebildeten Schlitzarrays 21 an eine Koaxialleitung 18. Der Hohlleiter 16 ist dabei entsprechend der Ausführung der voranstehend beschriebenen - in den Figuren 2a und 2b gezeigten - Hohlleiter 16 ausgebildet.
Das Schlitzarray 21 weist in der vorliegenden Ausführungsform zumindest vier Schlitze 17 auf, die versetzt zueinander in dem Hohlleiter 16 ausgebildet sind. Gezeigt ist, dass die Koaxialleitung 18 über eine untere Seite des rechteckig ausgebildeten Hohlleiters 16 mit dem Schlitzarray 21 verbunden bzw. angekoppelt ist. Durch das Ankoppeln des Hohlleiters 16 mit dem mmW-Signal (Millimeterwellen-Signal) werden die Schlitze 17 zum Strahlen angeregt.
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers 11 mit zwei Schlitzarrays 21. In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Schlitzarrays 21 separat zueinander in dem Grundkörper, insbesondere der Grundebene 19 des Grundkörpers 11 angeordnet bzw. intergiert ausgebildet. Ein Schlitzarray 21 weist dabei jeweils eine Länge von 50 mm auf und weist zumindest fünf Schlitze 17 auf, die versetzt zueinander in zwei Reihen angeordnet sind. Die Schlitzarrays 21 sind in einem Abstand von zumindest 28,50 mm zueinander in der Grundebene 19 ausgebildet. Die vorliegende Ausführungsform der Anordnung der Schlitzarrays 21 ist sowohl für Schlitzantenne für Frequenzen von 28GHz als auch für Schlitzantennen für Frequenzen von 39 Ghz geeignet.
Figur 7 zeigt zwei Simulationen von Richtcharakteristika eines Schlitzarrays 21. In der Figur 7 ist in jeder der Simulationen jeweils der Grundkörper 11 mit der Grundebene 19 dargestellt. Ausgehend von den Schlitzarrays 21 erstreckt sich jeweils das mmWave-Signal, das durch die Schlitze ausgestrahlt wird. Die Simulationen zeigen verschiedene Stärken des mmWave-Signals in dBi, die anhand von Punktwolken grafisch dargestellt sind. In einer jeweiligen Legende sind die zu einer Punktwolke maßgeblichen dBi Werte angegeben.
BEZUGSZEICHENLISTE.
10 Dachantenne
11 Grundkörper 12 Abdeckvorrichtung
13 Leiterplatte
14 mmWave-Antenne
14a, 14b erste und zweite mmWave-Antenne 15a, 15b erst und zweite Schlitzantenne 16 Hohlleiter
17 Schlitz
18 Koaxialleitung
19 Grundebene des Grundkörpers
20 Dachebene 21 Schlitzarray

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Dachantenne (10) für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (11), eine Abdeckvorrichtung (12) und eine Leiterplatte (13), dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (11) metallisch ist, wobei zumindest eine mmWave-Antenne (14) (Millimeterwellenspektrum-Antenne) zwischen dem metallischen Grundkörper (11) und der Leiterplatte (13) angeordnet ist.
2. Dachantenne (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine mmWave-Antenne (14) in den metallischen Grundkörper (11 ) integriert ausgebildet ist.
3. Dachantenne (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (11) als
Zink-Druckgusskörper ausgebildet ist.
4. Dachantenne (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei mmWave-Antennen (14a, 14b) in dem Grundkörper (11 ) integriert angeordnet sind.
5. Dachantenne (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei mmWave-Antennen (14a, 14b) separat zueinander in dem Grundkörper (11) angeordnet sind.
6. Dachantenne (10) nach einem Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mmWave-Antennen (14a, 14b) als
Schlitzantennen (15a, 15b) ausgebildet sind.
7. Dachantenne (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schlitzantenne (15a) für eine Frequenz von 28 Ghz ausgelegt ist und eine zweite Schlitzantenne (15b) für eine Frequenz von 39 Ghz ausgelegt ist.
8. Dachantenne (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzantennen (15a, 15b) als Hohlleiter (16) mit zumindest einem Schlitz (17) ausgebildet sind, wobei ein Hohlleiter (16) jeweils mit einem mmW-Signal (Millimeterwellen-Signal) einer mmW-Antenne (14) koppelbar ist, wobei zumindest einer der Schlitze (17) der Schlitzantennen (15a, 15b) durch das mmW-Signal zum Strahlen anregbar ist.
9. Dachantenne (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiter (16) eingerichtet sind, mit einem Koaxialleitung (18) oder einer Mikrostreifenleitung koppelbar zu sein.
10. Dachantenne (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schlitze (17) bzw. Schlitzantennen (15a, 15b) zu einem Schlitzarray kombinierbar sind.
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