DE102010004470A1

DE102010004470A1 - Antennenstruktur für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010004470A1
Application number: DE102010004470A
Authority: DE
Inventors: Guy-Aymar Dr. 93049 Chakam
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: US9184510B2; US20130027258A1; DE102010004470B4; WO2011086107A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur (1) für ein Fahrzeug. Die Antennenstruktur (17) weist eine elektrisch leitende Struktur (5) auf, die auf zwei rechtwinklig zueinander angeordneten und sich kreuzenden isolierenden Substratplatten (6, 7) angeordnet ist. Auf der elektrisch leitenden Struktur ist jeweils ein Dipol (8, 9) vorgesehen. Die Dipole (8, 9) bilden jeweils eine erste U-förmige Dipolstruktur (10) auf beiden Substratplatten (6, 7). Die Dipolstruktur (10) weist auf einem oberen Randbereich (11) der Substratplatte (6, 7) jeweils ein Leitungselement (27) und auf Seitenbereichen (14, 15) der Substratplatte (6, 7) elektrisch leitende Schenkel (12, 13) auf. Die elektrisch leitende Struktur (5) weist jeweils einen asymmetrisch zu der Dipolstruktur (10) angeordneten Monopol (16) zum jeweiligen Einspeisen des Dipols auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur für ein Fahrzeug. Die Antennenstruktur weist eine elektrisch leitende Struktur auf, die auf zwei rechtwinklig zueinander angeordneten und sich kreuzenden isolierenden Substratplatten angeordnet ist. Auf der elektrisch leitenden Struktur ist jeweils ein Dipol vorgesehen. Die Dipole bilden jeweils eine erste U-förmige Dipolstruktur auf beiden Substratplatten. Die Dipolstruktur weist auf einem oberen Randbereich der Substratplatte jeweils ein Leitungselement und auf Seitenbereichen der Substratplatte elektrisch leitende Schenkel auf.
Eine derartige Antennenstruktur ist aus der Druckschrift US 6,329,954 B1 für eine Kombinationsantenne für Satelliten und terrestrischen Empfang bekannt. Die bekannte Antennenstruktur schließt einen Kreuzdipol zum Empfangen eines zirkular polarisierten Satellitensignals und eine Mehrzahl von Monopolen zum Empfangen linear polarisierter terrestrischer Signale ein. Die Monopole sind dazu symmetrisch um den Kreuzdipol angeordnet. Ein Nachteil der bekannten Antennenstruktur liegt darin, dass für die Monopolantenne und für die Kreuzdipolantenne getrennte Einspeisungspunkte vorzusehen sind, womit ein erheblicher Raumbedarf und zusätzliche Kosten verbunden sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Integration von MIMO-Antennen (Multiple In and Multiple Out – Antennen) für einen Wimax-Datendienst vorzusehen, der raumsparend und kostengünstig in bestehende Antennenstrukturen integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Antennenstruktur für ein Fahrzeug geschaffen. Die Antennenstruktur weist eine elektrisch leitende Struktur auf, die auf zwei rechtwinklig zueinander angeordneten und sich kreuzenden isolierenden Substratplatten angeordnet ist. Auf der elektrisch leitenden Struktur ist jeweils ein Dipol vorgesehen. Die Dipole bilden jeweils eine erste U-förmige Dipolstruktur auf beiden Substratplatten. Die Dipolstruktur weist auf einem oberen Randbereich einer jeweiligen Substratplatte ein Leitungselement und auf Seitenbereichen der Substratplatte elektrisch leitende Schenkel auf. Die elektrisch leitende Struktur weist jeweils einen asymmetrisch zu der Dipolstruktur angeordneten Monopol zum jeweiligen Einspeisen des Dipols auf.
Mit dieser Antennenstruktur können über den Monopol und damit über einen einzigen Einspeisepunkt pro Substratplatte sowohl der Monopol als auch der Dipol versorgt werden. Durch die zueinander rechtwinklig angeordneten Dipole der beiden Substratplatten wird eine Entkopplung der beiden Dipole erreicht, so dass sich ein Mehrantennensystem ergibt. Außerdem werden die Signale in die Dipole nicht zentral und symmetrisch eingekoppelt, sondern asymmetrisch dadurch, dass der Monopol in einem elektromagnetisch koppelnden Abstand zu einem der Schenkel bzw. dem Ende der Dipole angeordnet ist. Dabei können die sich kreuzenden Substratplatten insbesondere bei einer Installation bzw. einem Einbau am Fahrzeug vertikal ausgerichtet und in einem Außenbereich des Fahrzeugs angeordnet sein.
Mit einer derartigen, mit sich kreuzenden Dipolen versehenen Antennenstruktur können je nach Auslegung des Leitungselements am oberen Rand der Substratplatten und der Auslegung der Schenkel auf den Seitenbereichen der Substratplatten die unterschiedlichen Frequenzbänder der so genannten Wimax-Datendienste zwischen 2,3 GHz ≤ f1 ≤ 2,7 GHz oder der Wimax-Datendienste der USA mit Frequenzen f1 zwischen 2,496 GHz ≤ f1 ≤ 2,7 GHz oder der europaweiten Wimax-Datendienste zwischen 3,3 GHz ≤ f1 ≤ 3,8 GHz bedient werden.
Der ankoppelnde Monopol kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung derart gestaltet werden, dass er einen Interfahrzeug-Informationsaustauschdienst bzw. ”car-to car”-Dienst mit Frequenzen f2 zwischen 5,875 GHz ≤ f2 ≤ 5,925 GHz bedient und gleichzeitig die Ankopplung an die Dipolstruktur gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Monopol eine Ellipsenfläche auf, deren Längserstreckung eine untere Frequenzgrenze von 5,875 GHz mitbestimmt und deren Quererstreckung eine obere Frequenzgrenze von 5,925 GHz für den Interfahrzeug-Informationsaustauschdienst definiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind jeweils zweite U-förmige Dipolstrukturen für ein höheres Frequenzband als die erste Dipolstruktur auf den sich kreuzenden Substratplatten angeordnet. Dazu sind die Dimensionen der zweiten Dipolstrukturen kleiner als die Dimensionen der ersten Dipolstrukturen.
Eine oben erwähnte zweite U-förmige Dipolstruktur kann in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand zu der ersten Dipolstruktur angeordnet sein. Andererseits ist es auch möglich, die zweite U-förmige Dipolstruktur in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand zu dem Monopol anzuordnen. Damit ist der Vorteil verbunden, dass das höhere Frequenzband für den Interfahrzeug-Informationsaustauschdienst den Raumbedarf der Antennenstruktur nicht vergrößert, jedoch weitere Dienste in das Mehrantennensystem integriert.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Monopole der Substratplatten über eine induktive Ankopplungsschleife oder ein Anpassungsnetzwerk aus Leitungselementen mit entsprechenden Einspeisepunkten auf der jeweiligen Substratplatte elektrisch in Verbindung stehen.
Um diese Strukturen optimal auf kleinstem Raum zu realisieren, weist eine erste der (vertikal angeordneten) Substratplatten einen mittleren (vertikalen) Spalt auf, in dem die zweite kreuzende Substratplatte angeordnet ist. Anders ausgedrückt, bei einer möglichen vertikalen Ausrichtung der ersten Substratplatte verläuft auch der mittlere Spalt in vertikaler Richtung, so dass die zweite Substratplatte auch vertikal ausgerichtet in der ersten Substratplatte angeordnet werden kann. Die zweite kreuzende Substratplatte weist ihrerseits in einem oberen Rand eine spaltförmige Aussparung auf, in welcher der obere Rand der ersten Substratplatte angeordnet ist. Das Leitungselement im oberen Randbereich der beiden sich kreuzenden Substratplatten ist entsprechend an die Aussparung der zweiten Substratplatte angepasst, während das Leitungselement im oberen Randbereich der ersten Substratplatte geradlinig vorgesehen werden kann.
Weiterhin ist es vorgesehen, in den unteren Randbereichen der sich kreuzenden Substratplatten Lotanschlussflächen anzubringen, mit denen diese Substratplatten auf einer horizontalen Bestückungsplatine oberflächenmontierbar sind.
Eine derartige Antennenstruktur kann für Straßenfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Luftfahrzeuge eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1A und 1B zeigen eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Substratplatte mit einer Antennenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Substratplatte mit einer Antennenstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Substratplatte mit einer Antennenstruktur gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Die in den 1 gezeigte Antennenstruktur 1 weist eine Mehrfachantenne aus zwei gekreuzten Dipolen auf. Die gekreuzten Dipole 8 und 9 sind durch eine leitende Struktur 5 auf sich rechtwinklig kreuzenden isolierenden Substratplatten 6 bzw. 7 aufgebracht, wobei in 1A die Substratplatte 6 mit ihrer leitenden Struktur 5 zu sehen ist und in 1B die Substratplatte 6 um 90° um die Achse Z gedreht gegenüber 1A angeordnet ist, so dass nun auch die leitende Struktur 5 der zweiten Substratplatte 7 zu sehen ist.
Die Dipole 8 und 9 sind nahezu gleich strukturiert, wobei eine erste U-förmige Dipolstruktur 10 auf der Substratplatte 6 in 1A zu sehen ist. Die U-förmige Dipolstruktur 10 weist in einem oberen Randbereich ein Leitungselement 27 auf, das an den Seitenbereichen 14 und 15 in elektrisch leitende Schenkel 12 und 13 übergeht. Das Leitungselement 27 folgt der Kontur des oberen Randbereiches 11, der eine zentrale Aussparung 23 aufweist, um die rechtwinklige Anordnung der Substratplatten 6 und 7 zu ermöglichen, ohne dass die beiden Dipole galvanisch verbunden sind. Der Dipol 8 der Substratplatte 6 wird nicht symmetrisch über eine zentrale Achse versorgt, sondern asymmetrisch durch einen Monopol 16, der entlang einem Kopplungsbereich 28 in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand a zu dem Schenkel 13 bzw. Ende des Dipols 8 angeordnet ist. Der Monopol 16 ist seinerseits über eine Ankopplungsschleife 18 mit einem Einspeisepunkt 19 elektrisch verbunden.
Die leitende Struktur 5 der zweiten Substratplatte 7 ist in 1B zu sehen und weist die gleiche Struktur wie die Substratplatte 6 von 1A auf. Auch hier ist ein Dipol 9 entsprechend dem Dipol 8 realisiert, der die U-förmige Dipolstruktur 10 der 1A aufweist. Lediglich im oberen Randbereich 11 ist ein geradlinig ausgerichtetes Leitungselement 27 angeordnet, während das Leitungselement 27 des ersten Dipols 8 auf der ersten Substratplatte 6 eine Kontur aufweist, die dem oberen Randbereich der Substratplatte 6 angepasst ist.
In der zweiten Substratplatte 7 ist ein zentraler Spalt 21 vorgesehen, in welchem die erste Substratplatte 6 eingeschoben ist, um die beiden Substratplatten 6 und 7 und damit die Dipole 8 und 9 in einem rechten Winkel zueinander anzuordnen. Durch diese rechtwinklige Anordnung sind die beiden Dipole nicht miteinander gekoppelt, so dass der zweite Dipol 9 über eine separate Einspeisungsstruktur mit einem angekoppelten Monopol 16 in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand a von dem Schenkel 13 des Dipols 9 versorgt werden kann.
Die beiden Substratplatten 6 und 7 weisen somit gleiche leitende Strukturen 5 auf, wobei die Substratplatte 7 einen zusätzlichen Einspeisepunkt 20 aufweist, der wiederum über eine Ankopplungsschleife 18 den Monopol 16 und damit auch den Dipol 9 versorgt. Außerdem ist in 1B eine Lotanschlussfläche 25 im unteren Randbereich 24 angeordnet, mit dem der Kreuzdipol, wie ihn 1 zeigt, auf einer horizontalen Leiterplatte fixiert werden kann.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Substratplatte 7 mit einer Antennenstruktur 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Da die erste Substratplatte 6 und die zweite Substratplatte 7, bis auf das im oberen Randbereich 11 angeordnete Leitungselement 27 der Dipole 8 und 9, gleiche elektrisch leitende Strukturen 5 aufweisen, ist die erste Substratplatte 6 in den nachfolgenden 2 bis 4 für die weiteren Ausführungsformen der Erfindung weggelassen. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden in den 2 bis 4 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Der Unterschied zu dem Kreuzdipol in 1 besteht darin, dass bei der in 2 gezeigten leitenden Struktur 5 eine weitere zweite U-förmige Dipolstruktur 17 angeordnet ist, die in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung mit der ersten U-förmigen Dipolstruktur 11 über einen elektromagnetisch ankoppelnden Abstand b zwischen den Dipolstrukturen 10 und 17 angeordnet ist. Die zweite U-förmige Dipolstruktur 17 ist für ein höheres Frequenzband ausgelegt als die erste Dipolstruktur 10. Dementsprechend sind sowohl das Leitungselement 27 und die Schenkel 13 und 14 entsprechend kürzer dimensioniert.
Während die erste Dipolstruktur 10 für die Übertragung von Wimax-Datendiensten in einem Frequenzbereich zwischen 2,3 GHz und 2,7 GHz bzw. für einen Europaweiten Wimax-Datendienst zwischen 3,3 GHz und 3,8 GHz vorgesehen ist, können mit der zweiten U-förmigen Dipolstruktur 17 ein Frequenzband zwischen 5,875 GHz und 5,925 GHz vorgesehen werden und damit Interfahrzeug-Informationsaustauschdienste übertragen werden. Diese Interfahrzeug-Informationsaustauschdienste sollen sicherheitsrelevante Informationen von Fahrzeug zu Fahrzeug im Straßenverkehr übertragen, um somit vor Staubereichen oder Witterungsbedingungen zu warnen und diese entsprechend in jedem der angeschlossenen Fahrzeuge akustisch oder visuell anzuzeigen.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Substratplatte 7 (auch stellvertretend für eine korrespondierende Substratplatte 6) mit einer Antennenstruktur 3 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die dritte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass die zweite U-förmige Dipolstruktur 17 nicht an die erste Dipolstruktur 10 angekoppelt ist, sondern in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand b1 zu dem Monopol 16 angeordnet ist und somit von diesem Monopol mit versorgt werden kann.
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Substratplatte 7 (wiederum auch stellvertretend für eine korrespondierende Substratplatte 6) mit einer Antennenstruktur 4 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, dass der Monopol selbst nun das höhere Frequenzband für einen Interfahrzeug-Informationsaustausch bedient, indem die Monopolantenne entsprechend angepasst strukturiert ist. Dabei wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Monopolantenne durch eine elliptische Fläche dargestellt, welche mit ihrer Quererstreckung eine obere Frequenzgrenze definiert und mit ihrer Längserstreckung einschließlich der induktiven Verlängerung durch die Ankopplungsschleife 18 eine untere Frequenzgrenze definiert.
Somit kann über einen einzigen Einspeisepunkt 20 sowohl das Fahrzeug mit einem Wimax-Datendienst verbunden sein als auch mit einem Interfahrzeug-Informationsaustauschdienst zusammenwirken. Somit kann mit Hilfe der asymmetrischen Ansteuerung des Kreuzdipols eine Reihe von Varianten eines Mehrantennensystems bereitgestellt werden, das äußerst flexibel und kostengünstig strukturiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Antennenstruktur (1. Ausführungsform)
2: Antennenstruktur (2. Ausführungsform)
3: Antennenstruktur (3. Ausführungsform)
4: Antennenstruktur (4. Ausführungsform)
5: leitende Struktur
6: Substratplatte
7: Substratplatte
8: Dipol
9: Dipol
10: erste U-förmige Dipolstruktur
11: oberer Randbereich
12: Schenkel
13: Schenkel
14: Seitenbereich
15: Seitenbereich
16: Monopol
17: zweite U-förmige Dipolstruktur
18: Ankopplungsschleife
19: Einspeisepunkt
20: Einspeisepunkt
21: Spalt
22: oberer Rand der zweiten Platte
23: spaltförmige Aussparung
24: unterer Randbereich
25: Lotanschlussfläche
26: Ellipsenfläche
27: Leitungselement
28: Kopplungsbereich
a: elektromagnetisch ankoppelnder Abstand von Monopol zu erster Dipolstruktur
b: elektromagnetisch ankoppelnder Abstand von erster zu zweiter Dipolstruktur
b': elektromagnetisch ankoppelnder Abstand von zweiter Dipolstruktur zu Monopol
d: Quererstreckung einer Ellipsenfläche
l: Längserstreckung einer Ellipsenfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6329954 B1 [0002]

Claims

Antennenstruktur für ein Fahrzeug aufweisend: – zwei rechtwinklig zueinander angeordnete und sich kreuzende isolierende Substratplatten (6, 7); – eine elektrisch leitende Struktur (5), die auf den Substratplatten (6, 7) angeordnet ist und folgende Merkmale umfasst: – eine erste U-förmige Dipolstruktur (10), die jeweils auf einer der Substratplatten (6, 7) derart angeordnet ist, dass sie auf einem deren Randbereich (11) der jeweiligen Substratplatte (6, 7) ein Leitungselement (27) und auf Seitenbereichen (14, 15) der jeweiligen Substratplatte (6, 7) elektrisch leitende Schenkel (12, 13) aufweist, und – einen Monopol (16), der jeweils auf einer der Substratplatten (6, 7) asymmetrisch zu der ersten U-förmigen Dipolstruktur (10) zum jeweiligen Einspeisen der Dipolstruktur (10) angeordnet ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, wobei der Monopol (16) in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand (a) zu einem der Schenkel (12, 13) der ersten U-förmigen Dipolstruktur (10) angeordnet ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite U-förmige Dipolstruktur (17) für ein höheres Frequenzband jeweils auf den sich kreuzenden Substratplatten (6, 7) angeordnet ist, und wobei die Dimensionen der zweiten Dipolstruktur (17) kleiner als die Dimensionen der ersten Dipolstruktur (17) sind.
Antennenstruktur nach Anspruch 3, wobei die jeweilige zweite U-förmige Dipolstruktur (17) in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand (b) zu der jeweiligen ersten Dipolstruktur (10) angeordnet ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 3, wobei die jeweilige zweiten U-förmigen Dipolstruktur (17) in einem elektromagnetisch ankoppelnden Abstand (a) zu dem Monopol angeordnet ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Monopole (16) der Substratplatten (6, 7) über eine induktive Ankopplungsschleife (18) oder ein Anpassungsnetzwerk aus Leitungselementen mit Einspeisepunkten (19, 20) auf der jeweiligen Substratplatte (6, 7) elektrisch verbunden sind.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste der vertikal angeordneten Substratplatten (6) einen mittleren vertikalen Spalt (21) aufweist, in dem die zweite kreuzende Substratplatte (7) angeordnet ist, die an ihrem oberen Rand (22) eine spaltförmige Aussparung (23) aufweist, in welcher der obere Rand (22) der ersten Substratplatte (6) angeordnet ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sich kreuzenden Substratplatten (6, 7) an ihren unteren Randbereichen (24) Lotanschlussflächen (25) aufweisen, mit denen sie auf einer horizontalen Bestückungsplatine oberflächenmontierbar sind.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste sich kreuzende Dipolstruktur (10) für Frequenzen f1 eines Wimax-Datendienstes zwischen 2,3 GHz ≤ f1 ≤ 2,7 GHz oder zwischen 2,496 GHz ≤ f1 ≤ 2,7 GHz oder zwischen 3,3 GHz ≤ f1 ≤ 3,8 GHz ausgelegt ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Dipolstruktur (17) für Frequenzen f2 eines Interfahrzeug-Informationsaustauschdienstes oder ”car-to car”-Dienstes zwischen 5,875 GHz ≤ f2 ≤ 5,925 GHz oder für Frequenzen f1 eines Wimax-Datendienstes zwischen 3,3 GHz ≤ f1 ≤ 3,8 GHz ausgelegt ist.
Antennenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Monopol (16) für die Frequenzen f2 des Interfahrzeug-Informationsaustauschdienstes oder „car-to car”-Dienstes zwischen 5,875 GHz ≤ f2 ≤ 5,925 GHz ausgelegt ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 11, wobei der Monopol (16) eine Ellipsenfläche (26) aufweist, deren Längserstreckung (1) eine untere Frequenzgrenze von 5,875 GHz mitbestimmt und deren Quererstreckung (d) eine obere Frequenzgrenze von 5,925 GHz definiert.
Fahrzeug mit einer Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die sich kreuzenden Substratplatten (6, 7) vertikal ausgerichtet in einem Außenbereich des Fahrzeugs angeordnet sind.