WO2002011240A1 - Kombiniertes empfänger- und transpondermodul - Google Patents

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WO2002011240A1
WO2002011240A1 PCT/DE2001/002283 DE0102283W WO0211240A1 WO 2002011240 A1 WO2002011240 A1 WO 2002011240A1 DE 0102283 W DE0102283 W DE 0102283W WO 0211240 A1 WO0211240 A1 WO 0211240A1
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antenna
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patch
signals
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PCT/DE2001/002283
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Thomas Wixforth
Wolfgang Detlefsen
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/35—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain
    • G01S19/36—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain relating to the receiver frond end

Definitions

  • the invention relates to a vehicle navigation receiver module with a first planar antenna for receiving navigation radio signals and a signal processing circuit connected to the antenna.
  • Such receiver modules are e.g. known for receiving GPS navigation radio signals.
  • the navigation radio service GPS Global Positioning System
  • GPS Global Positioning System
  • Active patch antennas more precisely microstrip antennas with remote-fed low-noise amplifiers, are usually used to receive the signals of this service.
  • Such a receiver module can be arranged in a space-saving manner in the area of the vehicle outer skin; the actual GPS receiver, in which the radio signals are evaluated and position information is ascertained, can be connected to this module via a longer cable and can therefore be attached essentially anywhere in the vehicle.
  • the DSRC system (Dedicated Short Range Communication for Road Transport Telematics) is known as a telematics service for use on vehicles. It operates on a frequency of 5.8 GHz. For example used for the automated recording or electronic payment of road tolls.
  • DSRC transponders so-called OBUs (On Board Units) are currently mainly small retrofit devices that are attached to the windshield in the interior of a motor vehicle.
  • OBUs On Board Units
  • these transponders are generally fitted in the upper edge area of the windshield in their area covered by the interior mirror.
  • this area is small and not suitable to accommodate antennas for several radio services with different frequencies.
  • the options for attaching antennas are also limited at other locations on the motor vehicle, since attachment below the metallic outer skin of the vehicle is eliminated from the outset.
  • the present invention allows the use of a vehicle navigation radio service and a telematics radio service while economically utilizing the space available for attaching antennas to the vehicle surface.
  • a second planar antenna for receiving a tele atik radio signal is at least partially overlapping with the first antenna and is arranged on a second signal processing circuit.
  • the antennas and associated signal processing circuits are thus combined to form a combined module whose space requirement on the vehicle surface is not, or at most only insignificantly, greater than that of the larger of the individual antennas.
  • the two planar antennas in particular microstrip antennas, preferably have patches which are separated from one another by a first dielectric and from a common ground plane by a second dielectric, the dielectric constants of the dielectrics being chosen differently and the patch for the radio signal with the higher frequency adjacent to the dielectric with the lower and the patch for the radio signal with the lower frequency adjacent to the dielectric with the higher constant.
  • the resonance frequency is due to the against the microstrip antenna itself and on the other hand determined by the dielectric constant of a material which separates the microstrip antenna from an opposite ground plane.
  • the higher this dielectric constant the smaller the microstrip antenna can be at the same resonance frequency.
  • the proposed assignment of the dielectrics to the antennas allows the dimensions of the antenna intended for the lower-frequency signal to be reduced and to be approximated to that of the other antenna, as a result of which a particularly compact structure of the antenna arrangement is ultimately achieved.
  • the patches of the two antennas are arranged in parallel planes.
  • each patch is connected to the associated processing circuit by its own feed line.
  • the two planar antennas each have different main beam directions.
  • Such a differentiation of the main beam directions takes into account the respective application situation of the two radio signals.
  • GPS radio signals come on average from the central direction
  • telematics signals are usually received from an angular range centered around the direction of travel of the vehicle with changing elevation angles. It is therefore advantageous if the antenna intended for the navigation signal is oriented towards the vertical, while the antenna for the telematics signal is oriented more towards the direction of travel of the vehicle.
  • Such a differentiation can be achieved in a simple manner in that the centroids of the patches of the two antennas projected onto the ground surface are offset from one another.
  • the installation position is oriented in such a way that the connection of the projected centroids essentially runs in the direction of the greatest gradient of the ground plane, in other words, the orientation of the patches chosen so that their surface normals lie between the expected mean directions of incidence of the navigation radio signal and the telematics radio signal.
  • the patch of the second planar antenna assigned to the telematics radio signal is arranged in a plane between the patch of the first planar antenna and the ground plane.
  • the telematics radio signal is therefore received with high dynamics anyway, and a possibly deficient reception level can be compensated for much more easily than in the case of the navigation radio signal due to a slightly increased transmission power.
  • a common connector is advantageously used to connect the module to motor vehicle electronics, via which navigation and telematics signals are transmitted in different frequency ranges. This particularly simplifies the integrated processing of telematics and navigation signals, e.g. the calculation of toll charges based on data from the navigation system.
  • Control signals for switching the processing circuit of the telematics radio signal between end and receive operation can advantageously be carried out in a further frequency range via this connector.
  • a DC voltage component of a signal applied to the connector from the outside is suitable for supplying power to the signal processing circuits of the module.
  • the connector is preferably designed as a coaxial connector.
  • figure 1 is a schematic 'section through a inven- tion according combined GPS receiver DSRC transponder module
  • Figure 2 shows an analog section through a module installed in a vehicle according to a preferred embodiment
  • Figure 3 is a block diagram of the functional components of a module that provides an analog output signal
  • FIG. 4 shows the frequency spectrum of the output signal of the module from FIG. 3; and
  • Figure 5 is a block diagram of a module that provides a digital output signal.
  • the receiver / transponder module shown in FIG. 1 comprises a printed circuit board 1, which has signal processing circuits 2, 3 for GPS or DSRC radio signals on its side lying in the figure below. These signal processing circuits 2, 3 each only preamplify the received signals and, in the case of the DSRC signal, convert them to baseband. The signal processing circuits 2, 3 thus essentially serve only to process the received signals to such an extent that they can be transmitted to one another without a mutually influencing effect and without disturbing attenuation via a common cable to a final processing circuit which is not the subject of the invention and is also not shown in the figures. Connectors 5 for leading out the signals preprocessed in this way are provided on a housing 4 of the module.
  • a metallic ground surface 6 is provided, which covers the circuit board 1 over practically its entire extent, with the exception of two openings 7.
  • a first plate 8 made of dielectric material is fastened on the ground surface 6 and carries a first patch 13 on its surface facing away from the ground surface 6, said patch 13 having the ground surface 6 and the dielectric 8 forms a first planar antenna, more precisely a microstrip antenna 9.
  • the first patch 13 delivers a reception signal to the signal processing circuit 3 via a feed 10, which runs through one of the openings 7 of the ground surface 6, or, if the signal processing circuit 3 is part of a transponder for telematics radio signals, the patch 13 delivers either a received signal or it is supplied by the signal processing circuit 3 with the corresponding response signals.
  • the first microstrip antenna 9 is covered by a second plate 11 made of dielectric material, on the outer surface of which a second patch 14 is arranged. This is connected to the preprocessing circuit 2 via a feed line that runs through the second opening 7 of the ground surface 6 and a corresponding opening in the first patch 13. Together with the ground surface 6 and the dielectrics 8, 11, it forms a second planar antenna or microstrip antenna 12.
  • the second microstrip antenna 12 is provided for receiving a GPS signal with a frequency of 1.57542 GHz, while the antenna 9, whose patch 13 is closer to the ground surface, for receiving and transmitting a DSRC radio signal from 5.8 GHz.
  • the dielectric constant of the second dielectric plate 11 is significantly higher than that of the first plate 8, it can be achieved that both antennas are resonant at the frequencies for which they are intended to be received, although the measurements of the first antenna are even larger than those of the second.
  • This arrangement has the advantage that the second antenna 12 is exposed to the GPS signal essentially directly and without intermediate damping elements, whereas a certain damping of the DSRC signals received or transmitted by the first antenna 8 can be tolerated relatively easily.
  • a module with external DSRC antenna and internal GPS antenna is therefore more compact and also be built cheaper than one in 'which lies the GPS antenna outside.
  • FIG. 2 shows an inventive receiver / transponder module installed in a motor vehicle in a section parallel to the direction of movement of the vehicle.
  • the radome can be painted in the same way as the surrounding outer skin 26, so that the The position of the antennas on the vehicle cannot be seen from the outside.
  • the normal direction of travel of the vehicle is indicated by an arrow 20.
  • the module is installed obliquely in the vehicle, e.g. on a surface parallel to the windshield, so that the antennas and the ground surface 6 are each inclined in the direction of travel 20.
  • the structure of the module from FIG. 2 largely corresponds to that from FIG. 1, so that what has been said above for the module of FIG. 1 also applies to that of FIG.
  • An essential difference between the two modules is that in the case of FIG. 2, the second microstrip antenna 12 is arranged laterally offset, so that the projections 27, 28 of the centroids 21, 22 of the two microstrip antennas 9, 12 do not coincide with the ground surface 6 but lie in a row in relation to the direction of travel 20.
  • the superimposition - of the magnetic currents which are induced on the one hand between patch 13 and the ground plane 6 and on the other hand between the two patches 13 and 14 - leads to a shift in the main beam direction shown here as a dash-dotted outline 24 from the surface normal , towards the lower elevation angle.
  • the antenna 12 is therefore particularly suitable for the reception of vertically incident GPS radio signals, whereas the main beam direction of the antenna 9 is better adapted to communication with ground-based transmitters, such as those for DSRC radio signals, which, if the vehicle is not in the immediate vicinity Neighboring the transmitter is located, reach the vehicle at low elevation angles.
  • the module shown in FIG. 2 it is also possible to install the module shown in FIG. 2 on a vehicle in a position rotated by 180 ° about a surface normal of one of the antennas.
  • the main beam direction of the outer, second microstrip antenna 12 would be shifted in the direction of the horizontal and that of the first microstrip antenna 9 lying between the outer antenna 12 and the ground surface 6 would be shifted to the vertical.
  • Such an arrangement would be suitable if the second antenna 12 for DSRC communication and the first one for GPS reception.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the module with its functional components.
  • the arrangement of the antennas is the same as shown in Figure 1 or 2; only for the sake of clarity, the antennas are shown separately.
  • the “signal processing circuit 2 for the GP” signal comprises a preamplifier, more precisely a remote-fed low-noise amplifier, and possibly a filter.
  • the high-frequency received signal preprocessed by circuit 2 is fed via a crossover (diplexer) 30 into a coaxial cable, via which it can reach an external device 31 with a suitable receiver.
  • the signal processing circuit 3 of the DSRC signal comprises a transponder which converts a received signal into a baseband signal free of DC components, which is likewise fed via the crossover 30 to the external device 3 via the coaxial cable 32 for evaluation.
  • a response signal is transmitted in the opposite direction from the external device 31 via the crossover 30 to the transponder and emitted via the latter.
  • the input and output signals of the transponder are bandwidth-limited, i.e. they have a lower and an upper cut-off frequency and they are equally free.
  • FIG. 4 shows the use of the different frequency ranges on the coaxial line 32 between the crossover 30 and the external device 31.
  • a block in the frequency range 100 kHz to 5 MHz represents the transponder baseband signal; the radio frequency signal of the GPS receiver is centered around 1575 MHz. Signals in the low frequency range up to 5 kHz are used to control the transponder, and there is also a DC voltage component fed in from a voltage supply (not shown), which is separated from the crossover 30 and for the energy supply of the signal processing circuits 2, 3 via a line DC serves.
  • the upper limit frequency of the transpondex baseband signal is significantly lower than the operating frequency of the receiver.
  • the lower limit frequency is significantly greater than half the maximum frequency of the control signals which determine the change between the receive and answer modes of the transponder.
  • the circuit 2 comprises a complete GPS receiver which is capable of carrying out a complete evaluation of the received GPS radio signals.
  • This receiver is connected to an interface controller 50 via a digital interface. Evaluated received data are transmitted from the receiver to the interface controller 50 and control instructions from the interface controller 50 to the receiver of the circuit 2 via the interface.
  • the transponder of the circuit 3 is also connected to the interface controller 50 via a digital interface. In receive mode (downlink), the received signals detected by the transponder are transmitted to the interface controller via the interface. wear. In the response mode (uplink), the response signals to be sent out by the transponder or the response signals from the interface controller 50 are transmitted to the transponder via the interface.
  • the interface also ensures that the interface controller 50 can signal the transponder the current operating mode - receive or reply - so that it can adjust its operation accordingly.
  • circuit 3 in FIG. 5 contains a complete (DSRC) transponder mode, which contains the entire protocol stack and telematics applications
  • the interface controller connects the signal processing circuits 2 and 3 via a further digital interface, e.g. of the type RS422, RS485, MOST or Firewire, with a communication bus or external device and carries out any necessary protocol adjustments.
  • a further digital interface e.g. of the type RS422, RS485, MOST or Firewire
  • Such a fully digital module is particularly suitable for a combined use of navigation and telematics services.
  • Such an integration makes it possible, for example, not only to record the passing of the vehicle alone at a DSRC beacon station, but also to query the route it has traveled and thus, for example, to charge a fee that is dependent on the actual mileage instead of a flat rate.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Ein Fahrzeugnavigations-Empfängermodul umfaßt eine erste planare Antenne (12) zum Empfang von Navigations-Funksignalen und einer an die Antenne angeschlossenen Signalverarbeitungsschaltung (2) sowie eine Massefläche (6). Ferner ist eine zweite planare Antenne (9) zum Empfang eines Telematik-Funksignals wenigstens teilweise überlappend mit der ersten planaren Antenne (12) angeordnet und an eine zweite Signalverarbeitungsschaltung (3) angeschlossen.

Description

Kombiniertes Empfänger- und Transpondermodul
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugnavigations- Errtpfängermodul mit einer ersten planaren Antenne zum Empfangen von Navigationsfunksignalen und einer an die Antenne angeschlossenen Signalverarbeitungs- schaltung. Derartige Empfängermodule sind z.B. zum Empfangen von GPS-Navigationsfunksignalen bekannt.
Die Anzahl der in Kraftfahrzeugen genutzten Funkdienste steigt stetig, und das Spektrum der von diesen Diensten genutzten Funkfrequenzen wird immer breiter. Die unterschiedlichen Frequenzen der Dienste erfordern Antennen in unterschiedlichen Bauformen und Abmessungen, deren Anbringung an einem Fahrzeug zunehmend problematisch wird.
Der Navigations-Funkdienst GPS (Global Positioning System) arbeitet bei einer Frequenz von 1,57542 GHz; zum Empfang der Signale dieses Dienstes werden üblicherweise aktive Patch-Antennen, genauer gesagt Mikrostreifenantennen mit ferngespeistem Low-Noise- Verstärker eingesetzt. Ein solches Empfängermodul kann platzsparend im Bereich der Fahrzeugaußenhaut angeordnet werden; der eigentliche GPS-Empfänger, in dem die Funksignale ausgewertet und eine Positi- onsinformation ermittelt wird, kann an dieses Modul über ein längeres Kabel angeschlossen sein und kann somit im Fahrzeug im wesentlichen an beliebiger Stelle angebracht werden.
Als Telematikdienst zur Anwendung an Fahrzeugen ist das DSRC-System (Dedicated Short Range Communicati- on for Road Transport Telematics) bekannt. Es ax- beitet auf einer Frequenz von 5,8 GHz. Es wird z.B. eingesetzt für die automatisierte Erfassung bzw. die elektronische Entrichtung von Straßenbemrt- zungsgebühren.
DSRC-Transponder, sogenannte OBUs (On Board Units) sind derzeit überwiegend kleine Nachrüstgeräte, die im Innenraum eines Kraftfahrzeugs an der Windschutzscheibe angebracht werden. Um den freien Blick durch die Windschutzscheibe nicht zu beein- trächtigen, werden diese Transponder in der Regel im oberen Randbereich der Windschutzscheibe in ihrem durch den Innenraumspiegel verdeckten Bereich angebracht. Dieser Bereich ist allerdings klein und nicht geeignet, um dort Antennen für mehrere Funk- dienste mit unterschiedlichen Frequenzen unterzubringen. Aber auch an anderen Stellen des Kraftfahrzeugs sind die Möglichkeiten zur Anbringung von Antennen begrenzt, da eine Anbringung unterhalb der metallischen Außenhaut des Fahrzeuges von vornher- ein ausscheidet. Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Nutzung eines Fahrzeugnavigations-Funkdienstes und eines Tele a- tik-Funkdienstes unter ökonomischer Nutzung des für die Anbringung von Antennen an der Fahrzeugoberfläche zur Verfügung stehenden Platzes.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine zweite planare Antenne zum Empfang eines Tele atik-Funksignals wenigstens teilweise überlappend mit der ersten Antenne angeordnet und an eine zweite Signalverarbeitungsschaltung angeordnet ist. Die Antennen und zugehörigen Signalverarbeitungs- Schaltungen sind so zu einem kombinierten Modul zusammengefaßt, dessen Platzbedarf an der Fahrzeugoberfläche nicht oder allenfalls nur unwesentlic größer ist als der der jeweils größeren der einzelnen Antennen.
Vorzugsweise weisen die zwei planaren Antennen, insbesondere Mikrostreifenantennen, Patches auf, die voneinander durch ein erstes Dielektrikum und von einer gemeinsamen Massefläche durch ein zweites Dielektrium getrennt sind, wobei die Dielektrizitätskonstanten der Dielektrika unterschiedlich gewählt sind und wobei der Patch für das Funksignal mit der höheren Frequenz an das Dielektrikum mit der niedrigeren und der Patch für das Funksignal mit der niedrigeren Frequenz an das Dielektrikum mit der höheren Konstante angrenzt .
Bei herkömmlichen Mikrostreifenantennen ist nämlich die Resonanzfrequenz zum einen durch die Ab essun- gen der Mikrostreifenantenne selbst und zum anderen durch die Dielektrizitätskonstante eines Materials bestimmt, das die Mikrostreifenantenne von einer gegenüberliegenden Massefläche trennt. Je höher diese Dielektrizitätskonstante ist, desto kleiner kann bei gleicher Resonanzfrequenz die Mikrostreifenantenne sein. Die vorgeschlagene Zuordnung der Dielektrika zu den Antennen erlaubt es, die Abmessungen der für das niedrigerfrequente Signal be- stimmten Antenne zu reduzieren und an die der jeweils anderen Antenne anzunähern, wodurch letztlich ein besonders kompakter Aufbau der Antennenanordnung erreicht wird.
Insbesondere im Interesse einer einfachen Fertigung ist es zweckmäßig, daß die Patches der zwei Antennen in parallelen Ebenen angeordnet sind.
Aufgrund der Verschiedenheit der Arbeitsfrequenzen • der betrachteten Funkdienste und der zwei Antennen ist es möglich, die Verarbeitungsschaltungen durch eine gemeinsame Zuleitung mit den Patches zu verbinden.
Um Überkopplungen zwischen den Signalen der verschiedenen Funkdienste zu vermeiden, ist es jedoch bevorzugt, daß jeder Patch mit der zugeordneten Verarbeitungsschaltung durch eine eigene Zuleitung verbunden ist.
Dies kann in einfacher Weise insbesondere dadurch erfolgen, daß die Zuleitung des äußeren der zwei Patches durch eine Öffnung des anderen, zwischen dem äußeren und der Massefläche liegenden, geführt ist.
Einer besonders bevorzugten Ausgestaltung zufolge weisen die zwei planaren Antennen jeweils unterschiedliche Hauptstrahlrichtungen auf. Eine solche Differenzierung der Hauptstrahlrichtungen trägt der jeweiligen AnwendungsSituation der zwei Funksignale Rechnung. Während GPS-Funksignale im Mittel aus ze- nitaler Richtung kommen, werden Telematiksignale meist aus einem um die Fahrtrichtung des Fahrzeugs zentrierten Winkelbereich mit wechselnden Elevati- onswinkeln empfangen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die für das Navigationssignal bestimmte Anten- ne zur Vertikalen, die Antenne für die Telematiksi- gnal hingegen eher zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs hin ausgerichtet ist.
Eine solche Differenzierung kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die auf die Massefläche projizierten Flächenschwerpunkte der Patches der zwei Antennen gegeneinander versetzt sind.
Um die gewünschte Ausrichtung der Hauptstrahlrich- tungen zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn die Einbaulage so orientiert ist, daß die Verbindung der projizierten Flächenschwerpunkte im wesentlichen in Richtung des stärksten Gefälles der Massefläche verläuft, mit anderen Worten, die Orientie- rung der Patches ist so gewählt, daß ihre Oberflächennormalen zwischen den erwarteten mittleren Ein— fallsrichtungen des Navigations-Funksignals und des Telematik-Funksignals liegen. Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Patch der dem Tele atik-Funksignal zugeordneten zweiten planaren Antenne in einer Ebene zwischen dem Patch der ersten planaren Antenne und der Massefläche angeord- net ist. Dadurch wird eine Beeinträchtigung des Empfangs der Navigationssignale, die von weit entfernten Satelliten mit begrenzter Sendeleistung stammen, durch die Antenne für das Telematik- Funksignal vermieden; eine Dämpfung des Empfangs dieses Signals durch die erste planare Antenne kann wesentlich besser toleriert werden, weil bei den meisten Telerαatik-Anwendungen das Fahrzeug an einem Sender des Telematik-Funksignals in geringem Abstand vorbeikommt. Das Telematik-Funksignal wird daher ohnehin mit einer hohen Dynamik empfangen, und ein eventuell defizitärer Empfangspegel ist durch eine geringfügig erhöhte Sendeleistung wesentlich leichter ausgleichbar als im Falle des Na- vigations-Funksignals .
Zum Anschließen des Moduls an eine Kraftfahrzeugelektronik dient vorteilhafterweise ein gemeinsamer Verbinder, über den Navigations- und Telematiksi— gnale in verschiedenen Frequenzbereichen übertragen werden. Dies vereinfacht insbesondere die integrierte Verarbeitung von Telematik- und Navigati— onssignalen, z.B. die Berechnung von Mautgebühren anhand von Daten des Navigationssystems.
Steuersignale zum Umschalten der Verarbeitungsschaltung des Telematik-Funksignals zwischen Ξende- und Empfangsbetrieb können vorteilhaft in einem weiteren Frequenzbereich über diesen Verbinder geführt werden. Schließlich eignet sich ein Gleichspannungsanteil eines von außen an den Verbinder angelegten Signals zur Energieversorgung der Signalverarbeitungsschal- tungen des Moduls.
Alle diese Signale können bequem über ein einzelnes Koaxialkabel geführt werden, weswegen der Verbinder vorzugsweise als Koaxialverbinder ausgelegt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh- rungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
Figuren
Es zeigen:
•Figur 1 einen schematischen 'Schnitt durch ein er- findungsgemäßes kombiniertes GPS-Empfänger-DSRC- Transpondermodul;
Figur 2 einen analogen Schnitt durch ein in einem Fahrzeug eingebautes Modul gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
Figur 3 ein Blockdiagramm der funktionalen Komponenten eines Moduls, das ein analoges Ausgangssignal liefert;
Figur 4 das Frequenzspektrum des Ausgangssignals des Moduls aus Figur 3; und Figur 5 ein Blockdiagramm eines Moduls, das ein digitales Ausgangssignal liefert.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in Figur 1 dargestellte Empfänger- /Transpondermodul umfaßt eine Leiterplatte 1, die an ihrer in der Figur unten liegenden Seite Signalverarbeitungsschaltungen 2, 3 für GPS- bzw. DSRC- Funksignale aufweist. Diese Signalverarbeitungsschaltungen 2, 3 bewirken jeweils lediglich eine Vorverstärkung der Empfangssignale und im Falle des DSRC-Signals eine Umsetzung ins Basisband. Die Signalverarbeitungsschaltungen 2, 3 dienen somit im wesentlichen lediglich dazu, die Empfangssignale so weit zu verarbeiten, daß sie ohne sich gegenseitig zu beeinflussen und ohne störende Dämpfung über ein gemeinsames Kabel zu einer Endverarbeitungsschal- tung übertragen werden können, die nicht Gegenstand der Erfindung ist und in den Figuren auch nicht dargestellt ist. Steckverbinder 5 zum Herausführen der solcherart vorverarbeiteten Signale sind an einem Gehäuse 4 des Moduls vorgesehen.
An der von den Signalverarbeitungsschaltungen 2, 3 abgewandten Seite der Leiterplatte 1 ist eine metallische Massefläche 6 vorgesehen, die die Leiterplatte 1 auf praktisch ihrer gesamten Ausdehnung bedeckt, mit Ausnahme von zwei Öffnungen 7.
Auf der Massefläche 6 ist eine erste Platte 8 aus dielektrischem Material befestigt, die an ihrer von der Massefläche 6 abgewandten Oberfläche einen ersten Patch 13 trägt, der mit der Massefläche 6 und dem Dielektrikum 8 eine erste planare Antenne, genauer gesagt eine Mikrostreifenantenne 9 bildet. Der erste Patch 13 liefert über eine Zuführung 10, die durch eine der Öffnungen 7 der Massefläche 6 verläuft, ein Empfangssignal an die Signalverarbei- tungsschaltung 3 oder, falls die Signalverarbeitungsschaltung 3 Teil eines Transponders für Tele- atik-Funksignale ist, liefert der Patch 13 wahlweise ein Empfangssignal oder er wird von der Si- gnalverarbeitungsschaltung 3 mit den entsprechenden Antwortsignalen versorgt.
Die erste Mikrostreifenantenne 9 ist durch eine zweite Platte 11 aus dielektrischem Material ver- deckt, an deren Außenfläche ein zweiter Patch 14 angeordnet ist. Dieser ist über eine Zuleitung, die durch die zweite Öffnung 7 der Massefläche 6 und eine entsprechende Öffnung in dem ersten Patch 13 verläuft, mit der Vorverarbeitungsschaltung 2 ver- bunden. Er bildet mit der Massefläche 6 und den Dielektrika 8, 11 eine zweite planare Antenne bzw. Mikrostreifenantenne 12.
Im hier gezeigten Fall ist die zweite Mikrostrei- fenantenne 12 zum Empfang eines GPS-Signals mit einer Frequenz von 1,57542 GHz vorgesehen, während die Antenne 9, deren Patch 13 näher zur Massefläche liegt, zum Empfang und zum Senden eines DSRC- Funksignals von ca. 5,8 GHz dient. Indem die Die- lektrizitätskonstante der zweiten dielektrischen Platte 11 deutlich höher gewählt wird als die der ersten Platte 8, läßt sich erreichen, daß beide Antennen jeweils bei den Frequenzen, zu deren Empfang sie vorgesehen sind, resonant sind, obwohl die Ab- messungen der ersten Antenne sogar größer als die der zweiten sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die zweite Antenne 12 dem GPS-Signal im wesentlichen direkt und ohne dazwischenliegende dämpfende Elemente ausgesetzt ist, wohingegen eine gewisse Dämpfung der von der ersten Antenne 8 empfangenen bzw. gesendeten DSRC-Signale relativ leicht toleriert werden kann.
Es ist selbstverständlich auch möglich, bei dem in Figur 1 gezeigten Aufbau die außenliegende zweite Antenne 12 mit den geringeren Abmessungen zum Empfang des höher frequenten DSRC-Signals und die darunterliegende, größere Antenne zum Empfang des GPS-Signals einzusetzen. In diesem Fall ist zu einer Abstimmung der Antennen auf die Resonanzfrequenzen von GPS- und DSRC-Signal nur eine geringexe Differenz der Dielektrizitätskonstanten erforderlich, als bei der zuvor beschriebenen Ausgestal- tung.
Ein Modul mit außenliegender DSRC-Antenne und innenliegender GPS-Antenne kann daher etwas kompakter und auch preiswerter gebaut werden als eines, bei' dem die GPS-Antenne außen liegt.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Empfänge r- /Transpondermodul eingebaut in ein Kraftfahrzeug in einem zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs paralle- len Schnitt. Ein Radom 25, d.h. eine für die GPS- und DSRC-Funksignale transparente Abdeckung, schließt mit der umgebenden Fahrzeugaußenhaut 26 bündig ab. Der Radom kann in gleicher Weise wie die umgebende Außenhaut 26 lackiert sein, so daß die Lage der Antennen am Fahrzeug von außen nicht zu erkennen ist.
Die normale Fahrtrichtung des Fahrzeugs ist durch einen Pfeil 20 angedeutet. Das Modul ist im Fahrzeug schräg orientiert eingebaut, z.B. an einer zur Windschutzscheibe parallelen Oberfläche, so daß die Antennen und die Massefläche 6 jeweils in Fahrtrichtung 20 geneigt sind.
Der Aufbau des Moduls aus Figur 2 entspricht weitgehend dem aus Figur 1, so daß das oben für das Modul der Figur 1 gesagte auch für das der Figur 2 gilt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den zwei Modulen ist, daß bei dem aus Figur 2 die zweite Mikrostreifenantenne 12 seitlich versetzt angeordnet ist, so daß die Projektionen 27, 28 der Flächenschwerpunkte 21, 22 der zwei Mikrostreifenantennen 9, 12 auf die Massefläche 6 nicht zusammen- fallen sondern bezogen auf die Fahrtrichtung 20 hintereinanderliegen .
Die Folge einer solchen Anordnung ist, "daß es im Randbereich der zweiten Mikrostreifenantenne 12 Re- gionen in der dielektrischen Platte 11 gibt, wo die elektrischen Feldlinien des Sende- und/oder Empfangssignals nicht senkrecht zu den Oberflächen der zwei' Antennen sondern unter einem schiefen Winkel verlaufen. Dies hat die Wirkung, daß der durch das Senden oder Empfangen in dem Dielektrikum 11 induzierte magnetische Fluß nicht mehr parallel zu den Seitenflächen des Dielektrikums 11 orientiert ist, sondern unter einem Winkel hierzu. Infolgedessen ist die Hauptstrahlrichtung der Antenne 12, in der Figur dargestellt als 'gestrichelte Kontur 23, nicht um deren Flächennormale zentriert, sondern weist einen höheren Elevationswinkel als die Flächennormale auf.
Komplementär dazu führt bei der ersten Mikrostreifenantenne 9 die Überlagerung - der magnetischen Ströme, die einerseits zwischem Patch 13 und der Massefläche 6 und andererseits zwischen den zwei Patches 13 und 14 induziert werden, zu einer Verschiebung der hier als strichpunktierter Umriß 24 dargestellten Hauptstrahlrichtung von der Flächennormalen, in Richtung niedriger Elevationswinkel. Die Antenne 12 ist daher besonders geeignet zum Empfang von im Mittel vertikal einfallenden GPS- Funksignalen, wohingegen die Hauptstrahlrichtung der Antenne 9 besser an die Kommunikation mit erdgebundenen Sendern wie etwa solchen für DSRC- Funksignale angepaßt ist, welche, sofern sich das Fahrzeug nicht in unmittelbarer Nachbarschaft der Sender befindet, unter geringen Elevationswinkeln das Fahrzeug erreichen.
Einer nicht in einer Figur dargestellten Alternati- ve zu Folge ist es auch möglich, das in Figur 2 dargestellte Modul in einer um 180° um eine Flächennormale einer der Antennen verdrehten Stellung an einem Fahrzeug einzubauen. In diesem Fall wäre die HauptStrahlrichtung der äußeren, zweiten Mi- krostreifenantenne 12 in Richtung der Horizontalen verschoben und die der zwischen der äußeren Antenne 12 und der Massefläche 6 liegenden ersten Mikrostreifenantenne 9 zur Vertikalen. Eine solche Anordnung wäre geeignet, wenn die zweite Antenne 12 für die DSRC-Kom unikation und die erste für den GPS-Empfang eingesetzt wird.
Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm des Moduls mit sei- nen funktionalen Komponenten. Die Anordnungen der Antennen ist die gleiche wie in Figur 1 oder 2 gezeigt; lediglich der Übersichtlichkeit halber sind die Antennen getrennt dargestellt. Die Ξignalverar- beitungsschaltung 2 für das GPΞ-Signal umfaßt einen Vorverstärker, genauer gesagt einen ferngespeisten rauscharmen Verstärker, und gegebenenfalls ein Filter. Das von der Schaltung 2 vorverarbeitete, hochfrequente Empfangssignal wird über eine Frequenzweiche (Diplexer) 30 in ein Koaxialkabel einge- speist, über das es zu einer externen Vorrichtung 31, mit geeignetem Empfänger gelangen kann.
Die Signalverarbeitungsschaltung 3 des DSRC-Ξignals umfaßt einen Tr nsponder, der ein empfangenes Si- gnal in ein gleichanteilsfreies Basisbandsignal umsetzt, welches ebenfalls über die Frequenzweiche 30 der externen Vorrichtung 3 über das Koaxialkabel 32 zur Auswertung zugeführt wird. Ein Antwortsignal wird in Gegenrichtung von der externen Vorrichtung 31 über die Frequenzweiche 30 an den Transponder übertragen und über diesen abgestrahlt. Die Eingangs- und Ausgangssignale des Transponders sind bandbreitenbegrenzt, d.h. sie haben eine untere und eine obere Grenzfrequenz, und sie sind gleichan- teilsfrei.
Figur 4 zeigt die Nutzung der verschiedenen Frequenzbereiche auf der koaxialen Leitung 32 zwischen der Frequenzweiche 30 und der externen Vorrichtung 31. Ein Block im Frequenzbereich 100 kHz bis 5 MHz stellt das Transponder-Basisbandsignal dar; das Hochfrequenzsignal des GPS-Empf ngers ist um 1575 MHz zentriert. Signale im niedrigen Frequenzbereich bis 5 kHz dienen der Steuerung des Transponders, außerdem ist ein von einer (nicht gezeigten) Span- nungsversorgung eingespeister Gleichspannungsanteil vorhanden, der von der Frequenzweiche 30 abgetrennt wird und zur Energieversorgung der Signalverarbei- tungsschaltungen 2, 3 über eine Leitung DC dient. Die obere Grenzfrequenz des Transpondex- Basisbandsignals ist deutlich niedriger als die Betriebsfrequenz des Empfängers. Die untere Grenzfrequenz ist deutlich größer als die halbe maximale Frequenz der Steuersignale, die den Wechsel zwischen Empfangs- und Antwortmodus des Transponders bestimmen.
Bei dem in Figur 5 gezeigten 'Blockdiagramm des Mo- duls umfaßt die Schaltung 2 einen vollständigen GPS-Empf nger, der in der Lage ist, eine vollständige Auswertung der empfangenen GPS-Fuhksignale vorzunehmen. Dieser Empfänger ist über eine digitale Schnittstelle mit einem Schnittstellencontroller' 50 verbunden. Über die Schnittstelle werden ausgewertete Empfangsdaten vom Empfänger zum Schnittstellencontroller 50 und Steueranweisungen vom Schnittstellencontroller 50 an den Empfänger der Schaltung 2 übertragen. Der Transponder der Schal- tung 3 ist ebenfalls über eine digitale Schnittstelle mit dem Schnittstellencontroller 50 verbunden. Über die Schnittstelle werden im Empfangsmodus (Downlink) die vom Transponder detektierten E p- fangssignale an den Schnittstellencontroller über- tragen. Im Antwortmodus (Uplink) werden die vom Transponder auszusendenden bzw. die AntwortSignale vom Schnittstellencontroller 50 in den Transponder über die Schnittstelle übertragen. Die Schnittstelle sorgt weiterhin dafür, daß der Schnittstellen- Controller 50 dem Transponder den aktuellen Betriebsmodus - empfangen oder antworten - signalisieren kann, so daß dieser seinen Betrieb entsprechend einstellen kann.
Alternativ enthält die Schaltung 3 in Figur 5 ein komplettes (DSRC-) Transponder-Mode , welches den gesamten Protokoll-Stack und Telematikapplikationen
(wie z.B. elektronische Gebührenerhebung, Zufahrts- berechtigung \ .. ) abwickelt.
Der Schnittstellencontroller verbindet die Signalverarbeitungsschaltungen 2 und 3 über eine weitere digitale Schnittstelle, z.B. vom Typ RS422, RS485, MOST oder Firewire, mit einem Kommunikationsbus oder externen Gerät und führt gegebenenfalls erforderliche Protokollanpassungen durch.
Ein solches, voll digital arbeitendes Modul eignet sich besonders für eine kombinierte Nutzung von Na- vigations- und Telematikdiensten. Eine solche Integration ermöglicht es z.B., an einer DSRC- Bakenstation nicht nur allein das Vorbeikommen des Fahrzeugs zu erfassen, sondern auch dessen gefahre- ne Route abzufragen und so beispielsweise anstelle einer pauschalierten eine von der tatsächlichen Fahrleistung abhängige Gebühr zu erheben.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugnavigations-Empfängermodul mit einer ersten planaren Antenne (12) zum Empfang von Navigations-Funksignalen und einer an die Antenne (12) angeschlossenen Signalverarbei- tungsschaltung (2) , dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite planare Antenne (9) für ein
Telematik-Funksignal wenigstens teilweise überlappend mit der ersten planaren Antenne
(12) angeordnet und an eine zweite Signalver- arbeitungsschaltung (3) angeschlossen ist.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (12, 9) jeweils einen Patch (14, 13) und eine gemeinsame Massefläche (6) aufweisen, wobei der Patch (13) einer Antenne zwischen dem (14) der anderen Antenne und der Massefl che (6) angeordnet ist.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die zwei Patches (13, 14) voneinander durch ein erstes Dielektrikum (11) und von der Massefläche (6) durch ein zweites Dielektrikum (8) getrennt sind, wobei die Dielektrizitätskonstanten der plattenförmigen Dielektrika (11, 8) unterschiedlich gewählt sind, und wobei der Patch (13) der Antenne (9) für das Funksignal mit der höheren Frequenz an das Dielektrikum (8) mit der niedrigeren und der Patch (14) der Antenne (12) für das Funksignal mit der niedrigeren Frequenz an das Dielektrikum (11) mit der höheren Konstante angrenzt .
4. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Patches (13, 14) in parallelen Ebenen angeordnet sind.
5. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Patch (13, 14) mit der zugeordneten Verarbeitungsschaltung (2, 3) durch eine eigene Zuleitung (10) verbunden ist.
6. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei planare Antennen (9, 12) unterschiedliche Hauptstrahl— richtungen aufweisen.
7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es für eine schräge Einbaulage am Fahrzeug vorgesehen ist, wobei die Hauptstrahlrichtung der für das Navigationssignal bestimmten ersten planaren Antenne (12) zenital ausgerich— tet ist und die der für das Telematik- Funksignal bestimmten zweiten planaren Antenne- (9) im wesentlichen in Fahrtrichtung ausgerichtet ist.
8. Modul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Massefläche (6) projizierten Flächenschwerpunkte (27, 28) der zwei Patches (13, 14) gegeneinander versetzt sind.
9. Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der projizierten Flächenschwerpunkte (27, 28) im wesentlichen in Rich- tung des stärksten Gefälles der Massefläche (6) verläuft.
10. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Verarbei- tungsschaltungen (2, 3) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (1) angeordnet sind.
11. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (10) des äußeren (14) der zwei Patches durch eine Öffnung des anderen Patch (13) hindurchgeführt ist.
12. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen gemeinsamen Verbinder (5) als Ausgang für Navigationssignale und Ein/Ausgang für Telematiksignale aufweist, über den Navigationssignale und Telematiksignale in unterschiedlichen Frequenz— bereichen übertragen werden.
13. Modul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuersignal zum Umschalten der
' Signalverarbeitungsschaltung (3) des Telema- tiksignals zwischen Sende- und Empfangsmodus in einem weiteren Frequenzbereich über den Verbinder (5) übertragen wird.
14. Modul nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichspannungsanteil eines an den Verbinder (5) angelegten Signals zur Energieversorgung der Signalverarbeitungs- Schaltungen dient.
15. Modul nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbinder (5) zum Anschließen eines Koaxialkabels ausgelegt ist.
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