EP3853945B1 - Dachantenne mit eingebetteter mmwave-antenne - Google Patents

Dachantenne mit eingebetteter mmwave-antenne Download PDF

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EP3853945B1
EP3853945B1 EP20743685.8A EP20743685A EP3853945B1 EP 3853945 B1 EP3853945 B1 EP 3853945B1 EP 20743685 A EP20743685 A EP 20743685A EP 3853945 B1 EP3853945 B1 EP 3853945B1
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EP
European Patent Office
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antenna
mmwave
slot
antennas
main body
Prior art date
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EP20743685.8A
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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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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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    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
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    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H01Q21/0043—Slotted waveguides
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H01Q21/0043—Slotted waveguides
    • H01Q21/005—Slotted waveguides arrays
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • 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 covering 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 mobile network.
  • Frequencies up to 5 GHz are currently used. 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 5 GHz 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 dense network of radio masts.
  • Bandwidths of up to 400 MHz and downlink transmission rates of > 2 Gbps are possible with mmWave technology.
  • the mmW technology in the 5G mobile radio standard is best suited to achieve good coverage in inner cities, for example.
  • the free space attenuation is proportional to 1/f 2 , ie the signals are significantly more attenuated in the mmW frequency range (28GHz/39GHz).
  • a signal at 30 GHz is attenuated 20 dB (factor 100) more than a signal at 3 GHz.
  • the signal attenuation between Sender and receiver reduces the reception level at the receiver input and accordingly reduces 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 multifunction antenna for a vehicle which comprises at least four antennas, a first antenna being set up to receive a satellite signal, a further antenna being set up to receive a terrestrial signal, a further antenna being set up for the mobile radio range and a further antenna is set up to determine a geoposition.
  • An antenna module for a vehicle which includes an antenna device with a plurality of antennas arranged on the vehicle exterior on a first carrier plate.
  • the antenna arrangement comprises a first antenna module adapted for communication in a first higher frequency range.
  • 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 subject matter of the present invention is a roof antenna for a vehicle, comprising a base body, a covering device and a printed circuit board (PCB level), the base body being metallic, with at least one mmWave antenna being arranged between the metallic base body and the printed circuit board, with at least two mmWave antennas are arranged in the base body, with the mmWave antennas being designed as slot antennas, with the slot antennas being designed as waveguides with at least one slot, and with a waveguide being able to be coupled with a mmW signal of a mmW antenna, with at least one of the slots of the slot antennas can be excited to radiate by the mmW signal, the base body having a base plane which is formed centrally on the base body, the base plane being formed as an elevation of the base body, the at least one mmWave antenna in the base plane is integrated.
  • PCB level 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 printed circuit board.
  • the covering device closes the roof antenna and protects it from external influences.
  • the covering device is designed to end with the base body or with a roof plane of the vehicle.
  • the base body is metallic, with at least one mmWave antenna being arranged between the metallic base body and the printed circuit board.
  • the term mmWave antenna stands for millimeter wave spectrum antenna. This type of antenna is suitable, among other things, for 5G use in the frequency range below 6Ghz. Placing the mmWave antenna in the roof antenna offers the great advantage that the mmWave antenna has an uninterrupted view around the car (Bluetooth, LTE, telephone, parking heater) and in the sky (satellite services).
  • the arrangement of the mmWave antenna between the metallic base body and the printed circuit board also means that no space is required between the printed circuit board and the covering device for placing the mmWave antenna. By placing the mmWave antenna between the main body and the PCB, 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 integrated into the metallic base body.
  • the metallic base body is designed as a die-cast zinc body and the waveguides are designed to be able to be coupled to a coaxial line or a microstrip line, with a distance between a first mmWave antenna and a second mmWave antenna in the base body of the roof antenna of between 25 mm and 30 mm, in particular between 28 mm and 29 mm, the first mmWave antenna being arranged in the direction of travel and the second mmWave antenna being arranged transversely to the direction of travel or transversely to the first mmWave antenna.
  • the basic level is usually designed as an elevation of the base body.
  • the base plane can be oval, round or square in shape.
  • the mmWave antenna Due to the integrated arrangement of the mmWave antenna in the metal base, no additional physical space is required to place the mmWave antenna. By placing the mmWave antenna in the base body, both weight and costs can be saved. Another advantage is that the placement of the mmWave antenna allows for very good galvanic decoupling of the mmWave antenna from the printed circuit board.
  • the metallic base body is designed as a die-cast zinc body. Designing the base body from zinc offers the advantage that zinc is not magnetic.
  • At least two mmWave antennas are arranged in the base body.
  • at least two, in particular at least three mmWave antennas are integrated in the roof antenna, in particular in the base body.
  • 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 another mmWave antenna is arranged on an opposite side of the base body.
  • the mmWave antennas generally have a different design, in particular the mmWave antennas are generally 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 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 offers the advantage that these are set up in particular for high frequencies.
  • these set up to convert high-frequency alternating current and electromagnetic waves into one another, so that the slot antennas can be used for both transmitting and receiving.
  • the manufacturing effort of the roof antenna is limited to the coupling of the slot antenna or the slot antennas and the processing of the die-cast zinc 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.
  • Various frequency bands are available when using high frequencies above 6 GHz, for example for use in the 5G mobile radio standard.
  • the slot antennas are optionally set up for a frequency between 4 GHz and 50 GHz, in particular 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 a better omnidirectional characteristic 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 waveguides with at least one slot, with a waveguide each having a mmW signal of the mmW antenna can be coupled, with at least one of the slots of the Slot antennas can be excited by the mmW signal to radiate.
  • a waveguide with a low frequency is made larger than a waveguide with a higher frequency.
  • the waveguides are designed to be able to be coupled to a coaxial line or a microstrip line.
  • the waveguides are designed to be able to be coupled to a coaxial line or a microstrip line.
  • At least two slots of a slot antenna can be combined to form a slot array.
  • the roof antenna is scalable.
  • a scalable antenna concept can thus be implemented by using slot arrays. The interconnection of several individual 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 10 according to the invention with a base body 11 according to the invention.
  • the roof antenna 10 is 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 covering device 12.
  • the covering device 12 is set up to accommodate the printed circuit board 13 and the base body 11 and to close them off from the roof plane 20 .
  • the circuit board 13 is formed between the base body 11 and the cover device 12 .
  • FIG 2a shows a plan view of the - in 1 shown - base body 11.
  • the base body 11 is designed as a die-cast zinc body.
  • the base body 11 has a base plane 19 , with two mmWave antennas 14 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, with the mmWave antennas 14 being integrated into the base body 11 .
  • the mmWave antennas 14a, 14b are designed as slot antennas 15a, 15b and each have a slot 17 in the present embodiment.
  • the slit 17 is designed for blasting.
  • a mmWave antenna 14a, 14b extends in the direction of travel.
  • Another mmWave antenna 14a, 14b is 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 the second mmWave antenna 14a, 14b are in the form of slot antennas 15a, 15b, with the slot antennas 15a, 15b being in the form of waveguides 16 in each case.
  • FIG 2b shows a perspective top view of the - in the Figures 1 and 2a - Main body 11 shown.
  • the two mmwave antennas 14a, 14b designed as slot antennas 15a, 15b are emphasized.
  • the slot antenna 15a is formed as a waveguide 16, the waveguide 16 being rectangular in the present embodiment.
  • the waveguide 16 of the first slot antenna 15a for the 28 GHz frequency range has a height of 5 mm on the outside and 4 mm on the inside.
  • the waveguide 16 of the first slot antenna 15a has a wall thickness of 0.5 mm in height.
  • 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.
  • the waveguide 16 of the second slot antenna 15b for the 39 GHz frequency range 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 has a wall thickness of 0.5 mm in height.
  • 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 has a wall thickness of 0.5 mm in width.
  • the dimensions of the respective waveguides 16 can be varied, as can the respective wall thickness.
  • Figure 3a shows a curve diagram of matching and directivity characteristics of a 28 Ghz mmWave antenna. It is shown that a magnitude of -14 db prevails at a frequency of 28 Ghz.
  • Figure 3b shows a curve diagram of matching and directivity characteristics of a 39 Ghz mmWave antenna. It is shown that a magnitude of -90 db prevails at a frequency of 39Ghz.
  • Figure 4a shows a simulation of a matching and directional characteristics of a 28 Ghz mmWave antenna. Shown is the base body 11 with the ground 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 emitted.
  • the simulation shows different strengths of the mmWave signal in dBi, graphically represented using point clouds. The relevant dBi values for each point cloud are given in a legend.
  • Figure 4b shows a simulation of a matching and directional characteristics of a 39 Ghz mmWave antenna. Shown is the base body 11 with the ground plane 19, as well as a three-dimensional simulation of the emergence of the mmWave signal, which is emitted through the slots of the slot antennas (not shown). The simulation shows different strengths of the mmWave signal in dBi, graphically represented using point clouds. The relevant dBi values for each point cloud are given in a legend.
  • figure 5 shows a coupling of a designed as a waveguide 16 slot array 21 to a coaxial line 18.
  • the waveguide 16 is in accordance with the embodiment of the above-described - in the Figures 2a and 2b shown - waveguide 16 formed.
  • the slot array 21 has at least four slots 17 which are offset in relation to one another in the waveguide 16 are. It shows 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, the slots 17 are excited to radiate.
  • 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 separately from one another in the base body, in particular the base plane 19 of the base body 11 or are integrated.
  • a slit array 21 has a length of 50 mm and has at least five slits 17 which are arranged offset to one another in two rows.
  • the slot arrays 21 are formed in the base plane 19 at a distance of at least 28.50 mm from one another.
  • 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.
  • figure 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 that is emitted through the slots extends from the slot arrays 21 in each case.
  • 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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Description

  • 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 039 150 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 US 2015 / 222 021 A1 ist eine rekonfigurierbare holographische Antenne bekannt, die eine Metamaterialschicht und einen Wellenleiter mit mindestens einem Grat umfasst.
  • Aus dem Dokument US 2008 / 198 077 A1 ist eine Breitbandantennenanordnung mit einem geprägten Monopolantennenmast mit zwei oder mehr Leitern bekannt, die zu einer einzigen Einspeisung kombiniert sind.
  • Aus dem Dokument DE 10 2016 219 164 A1 ist eine Antennenanordnung für ein Fahrzeug bekannt. Die Antennenanordnung umfasst ein erstes Antennenmodul, angepasst zur Kommunikation in einem ersten höheren Frequenzbereich.
  • Aus dem Dokument US 5 519 409 A ist eine Planarray-Antenne zum Empfangen von Satellitenübertragungen bekannt.
  • 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 (PCB-Ebene), wobei der Grundkörper metallisch ist, wobei zumindest eine mmWave-Antenne zwischen dem metallischen Grundkörper und der Leiterplatte angeordnet ist, wobei zumindest zwei mmWave-Antennen in dem Grundkörper angeordnet sind, wobei die mmWave-Antennen als Schlitzantennen ausgebildet sind, wobei die Schlitzantennen als Hohlleiter mit zumindest einem Schlitz ausgebildet sind, und wobei ein Hohlleiter jeweils mit einem mmW-Signal einer mMW-Antenne koppelbar ist, wobei zumindest einer der Schlitze der Schlitzantennen durch das mmW-Signal zum Strahlen anregbar ist, wobei der Grundkörper eine Grundebene aufweist, die zentral auf dem Grundkörper ausgebildet ist, wobei die Grundebene als Erhebung des Grundkörpers ausgebildet ist, wobei die zumindest eine mmWave Antenne in die Grundebene integriert ausgebildet ist. 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.
  • Der Grundkörper ist metallisch, wobei zumindest eine mmWave-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.
  • Erfindungsgemäß ist der metallische Grundkörper als Zink-Druckgusskörper ausgebildet und die Hohlleiter sind eingerichtet, mit einer Koaxialleitung oder einer Mikrostreifenleitung koppelbar zu sein, wobei ein Abstand zwischen einer ersten mmWave-Antenne und einer zweiten mmWave-Antenne in dem Grundkörper der Dachantenne zwischen 25 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 28 mm und 29 mm beträgt, wobei die erste mmWave_Antenne in Fahrtrichtung angeordnet ist und die zweite mmWave-Antenne quer zur Fahrtrichtung bzw. quer zur ersten mmWave-Antenne angeordnet 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.
  • Der metallische Grundkörper ist als Zinkdruckgusskörper ausgebildet. Die Ausgestaltung des Grundkörpers aus Zink bietet den Vorteil, dass Zink nicht magnetisch ist.
  • Zumindest zwei mmWave-Antennen sind 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. Erfindungsgemäß 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. Erfindungsgemäß beträgt ein Abstand zwischen einer ersten mmWave-Antenne und einer zweiten mmWave-Antenne in dem Grundkörper der Dachantenne zwischen 25 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 28 mm und 29 mm.
  • Die mmWave-Antennen sind 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 GHz für die USA. Bei der Nutzung von hohen Frequenzen über 6 GHz, beispielsweise für die Nutzung im 5G Mobilfunkstandard, sind verschiedene Frequenzbänder verfügbar. Optional sind die Schlitzantennen für eine Frequenz zwischen 4 GHz 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.
  • Die Schlitzantennen sind als Hohlleiter mit zumindest einem Schlitz ausgebildet, wobei ein Hohlleiter jeweils mit einem mmW-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.
  • Erfindungsgemäß 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 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. Eine mmWave-Antenne 14a, 14b erstreckt sich in Fahrtrichtung. Andere mmWave-Antenne 14a, 14b ist quer zur Fahrtrichtung angeordnet.
  • 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. Hervorgehoben 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 28GHz weist eine Höhe von 5 mm außen und 4 mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a in der Höhe 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 39GHz weist eine Höhe von 3,30 mm außen und 2,30 mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b in der Höhe 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 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 (5)

  1. 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, wobei zumindest zwei mmWave-Antennen (14a, 14b) in dem Grundkörper (11) angeordnet sind, wobei die mmWave-Antennen (14a, 14b) als Schlitzantennen (15a, 15b) ausgebildet sind, wobei die Schlitzantennen (15a, 15b) als Hohlleiter (16) mit zumindest einem Schlitz (17) ausgebildet sind, und wobei ein Hohlleiter (16) jeweils mit einem mmW-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, wobei der Grundkörper (11) eine Grundebene (19) aufweist, die zentral auf dem Grundkörper (11) ausgebildet ist, wobei die Grundebene (19) als Erhebung des Grundkörpers (11) ausgebildet ist, wobei die zumindest eine mmWave Antenne (14a, 14b) in die Grundebene (19) integriert ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (11) als Zink-Druckgusskörper ausgebildet ist und die Hohlleiter (16) eingerichtet sind, mit einer Koaxialleitung (18) oder einer Mikrostreifenleitung koppelbar zu sein, wobei ein Abstand zwischen einer ersten mmWave-Antenne (14a) und einer zweiten mmWave-Antenne (14b) in dem Grundkörper (11) der Dachantenne zwischen 25 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 28 mm und 29 mm beträgt, wobei die erste mmWave_Antenne (14a) in Fahrtrichtung angeordnet ist und die zweite mmWave-Antenne (14b) quer zur Fahrtrichtung bzw. quer zur ersten mmWave-Antenne (14a) 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 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei mmWave-Antennen (14a, 14b) separat zueinander in dem Grundkörper (11) angeordnet sind.
  4. Dachantenne (10) nach Anspruch 1 oder 3, 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.
  5. Dachantenne (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schlitze (17) bzw. Schlitzantennen zu einem Schlitzarray kombinierbar sind.
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