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Diese Erfindung bezieht sich auf Antennen, insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen. In modernen Kraftfahrzeugen wird eine Vielzahl von Antennen verbaut. Dies ist erforderlich, da eine Vielzahl von Diensten mit unterschiedlichen Anforderungen abgedeckt werden müssen. Beispielsweise sind für das GNSS-System (Global Navigation Satellite System) zur Positionsbestimmung Antennen erforderlich, die in der Antennencharakteristik eine Vorzugsrichtung zum Zenit hin aufweisen. Im Gegensatz hierzu gibt es beispielsweise Antennen für AM/FM, WLAN, C2X oder LTE, deren Vorzugsrichtung nahe des Horizonts liegen sollte mit einer Rundstrahlcharakteristik im Bereich der horizontalen Ebene.
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Neben den üblichen Dachantennen oder Dachantennenmodulen (Sharkfins) werden zusätzlich auch weitere Einbauorte genutzt. Dies können Spiegel, Fensterscheiben, Stoßfänger und weitere Einbauorte am und im Auto sein. Insbesondere für LTE und die Anwendung in Stoßfängern bieten sich Dipolantennen an, da sie vertikal angeordnet eine Rundstrahlcharakteristik aufweisen und da sie keinen Massebezug benötigen. Im Vergleich zu einem Monopol wird der Gegenpol (also der Bezug zu Masse (Ground)) bei Dipolantennen implizit über den zweiten Dipolast realisiert. Dieser stellt sozusagen eine reduzierte Groundebene dar.
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Ein Dipol benötigt keinen Kontakt (weder kapazitiv noch galvanisch) zu umgebenden Metallflächen. Dadurch ist er flexibel einsetzbar und kompakt realisierbar. Ebenso ist es möglich, diesen Dipol breitbandig, oder als Multibandantenne, für sämtliche LTE-Bänder auszulegen und zu realisieren. Zusätzlich lässt sich eine solche Antenne mit nur einer Folie (bestehend z. B. aus Trägerfolie, Kupferlayer und Deckfolie) realisieren. Zum Anschluss an einen Transceiver ist dann nur noch ein Kabel anzuschließen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich bevorzugt auf eine solche LTE-DipolAntenne für die Verwendung in Kraftfahrzeugen. Das hier beschriebene Prinzip ist jedoch in allen Anwendungsbereichen anwendbar, in denen Folienantennen verwendet werden.
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Es ist bekannt, dass mittels Anpassnetzwerken die Bandbreite von Antennen erhöht werden kann oder bei vergleichbarer Performance (Anpassung, Gewinn, Effizienz), die Antennengröße reduziert werden kann. Je kleiner die Antenne ist, desto flexibler ist sie einsetzbar und desto kostengünstiger ist sie auch realisierbar, da die Foliengröße reduziert und damit die Nutzenauslastung erhöht wird.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Folienantenne zu schaffen, die bei hohem Wirkungsgrad und kompakter Bauweise kostengünstig herstellbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere durch eine Folienantenne, die zumindest ein Antennenelement mit einer elektrisch leitfähigen Schicht umfasst, wobei ein Anpassnetzwerk vorgesehen ist, das zumindest eine Induktivität und eine Kapazität umfasst. Hierbei ist die Kapazität durch eine zweite leitfähige Schicht gebildet, die entlang einer Faltlinie auf sich selbst umgeklappt ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, alle erforderlichen diskreten Anpassbauteile (üblicherweise Induktivitäten und Kapazitäten) durch in Folie realisierte Strukturen zu ersetzen. Eine Induktivität kann durch eine Leiterschleife und eine Kapazität durch eine weitere leitfähige Schicht, beispielsweise einen Kupferlayer, realisiert werden. Dabei kann erfindungsgemäß die zweite erforderliche Fläche der Kapazität durch Ausstanzen bzw. Ausschneiden und Umklappen aus nur einem Kupferlayer hergestellt werden. Hierdurch sind keine weiteren separaten Kupferlayer erforderlich, was Kosten und Prozessaufwand spart. Die umgeklappte leitfähige Schicht bzw. Folie kann entweder durch eine Klebefolie zwischen den Schichten, durch eine weitere Deck- oder Trägerfolie oder durch Zusammenlaminieren fixiert werden. Somit können die ansonsten diskret realisierten Anpassbauteile durch Folienrealisierungen mit dem äquivalenten Wert ersetzt werden, ohne dass Abstriche in der Wirksamkeit des Anpassnetzwerks oder der Antennenperformance allgemein gemacht werden müssen. Da in diesem Fall weniger oder gar keine diskreten Bauteile auf der Folie zu bestücken sind, werden Kosten und Standzeiten reduziert. Gleichzeitig kann die Antenne kann gegenüber einer Realisierung ganz ohne Anpassschaltung bei vergleichbarer Performance deutlich kleiner gemacht werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Das Antennenelement kann als elektrisch leitfähige Schicht eine Kupferfolie bzw. einen Kupferlayer aufweisen, der eine isolierende Deckschicht und/oder eine isolierende Trägerschicht aufweist. Die Kapazität kann als zweite leitfähige Schicht ebenso eine Kupferfolie bzw. einen Kupferlayer umfassen, die einseitig oder beidseitig mit einer Deckfolie und/oder einer Trägerfolie versehen ist, wobei zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht zumindest ein Dielektrikum eingebracht ist.
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Das zwischen der ersten der zweiten leitfähigen Schicht eingebrachte Dielektrikum kann durch die Deckschicht und/oder eine Trägerschicht der ersten und/oder der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet sein. Das Dielektrikum kann jedoch auch durch eine Klebeschicht oder durch eine zusätzliche dielektrische Schicht gebildet sein, die zwischen dem Antennenelement und dem umgeklappten Teil der Kapazität eingebracht ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann nur ein Teil der zweiten leitfähigen Schicht auf das Antennenelement geklappt sein, so dass zwei durch das Dielektrikum voneinander getrennte leitfähige Schichten vorhanden sind, welche die Kapazität bilden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der umgeklappte Teil der zweiten leitfähigen Schicht eine Brücke zwischen dem Antennenelement und einem Einspeisungspunkt der Folienantenne bilden, das heißt die zweite leitfähige Schicht ist vor dem Umklappen nicht mit dem Antennenelement verbunden, sondern von diesem beabstandet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Induktivität durch eine mit dem Antennenelement einstückig verbundene Schlinge gebildet sein, was eine besonders kostengünstige Herstellung erlaubt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Folienantenne zwei über die Induktivität einstückig miteinander verbundene Antennenelemente aufweisen, beispielweise um eine Dipolantenne zu bilden. Hierbei können die Kapazität und die Induktivität in Draufsicht zwischen den beiden Antennenelementen angeordnet sein, was wiederum eine kompakte Bauweise begünstigt. Es ist allerdings auch möglich, eine Monopol-Antenne auszubilden, indem ein Dipolast bzw. eines der Antennenelemente als eine Ground-Ebene bzw. Ground-Fläche ausgebildet wird. Die Induktivität könnte dann einseitig auf dieser Ground-Ebene kontaktiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Folienantenne der vorstehend beschriebenen Art. Dieses Verfahren kann die Schritte umfassen, dass zumindest ein Antennenelement mit einer elektrisch leitfähigen Schicht vorgesehen wird, wobei eine zweite leitfähige Schicht vorgesehen wird und ein Teilabschnitt der zweiten leitfähigen Schicht entlang einer Faltlinie auf sich selbst und auf das Antennenelement umgeklappt wird. Zusätzlich wird zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht ein Dielektrikum vorgesehen, um eine Kapazität auszubilden und es wird eine mit der ersten und/oder der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht einstückig verbundene Induktivität vorgesehen.
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Hierbei kann die Induktivität durch eine mit dem Antennenelement einstückig verbundene Schlinge gebildet werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können das zumindest eine Antennenelement, die Kapazität und die Induktivität aus insgesamt genau zwei voneinander getrennten Zuschnitten gebildet werden, die beispielsweise aus ein und demselben Grundmaterial ausgeschnitten oder ausgestanzt sind.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine Folienantenne mit einem herkömmlichen Anpassnetzwerk mit diskreten Bauelementen;
- 2A die Reflexion der Antenne von 1 am Einspeisepunkt ohne Anpassnetzwerk;
- 2B die Reflexion der Antenne von 1 mit Anpassnetzwerk;
- 3 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Folienantenne vor dem Umklappen der zweiten leitfähigen Schicht; und
- 4 die Reflexion der Antenne von 3 am Einspeisepunkt nach dem Umklappen und Ausbilden der Kapazität.
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1 zeigt die prinzipielle Struktur einer Dipolantenne für LTE-Anwendungen. Diese Dipolantenne umfasst ein erstes Antennenelement 10 und ein Antennenelement 12, die jeweils aus einer leitfähigen Schicht in Form einer Kupferfolie hergestellt sind, die auf eine Trägerfolie aufgebracht ist, und mit einer isolierenden Deckfolie versehen ist. Zwischen den beiden Antennenelementen ist eine Induktivität L vorgesehen und zwischen einem Einspeisepunkt 14 und dem Antennenelement 10 ist eine Kapazität C geschaltet, wobei L und C als diskrete Bauteile ausgebildet sind und ein Anpassnetzwerk für den unteren LTE-Frequenzbereich von 698-960MHz bilden. Der für heutige LTE-Anwendungen ebenfalls abzudeckende Frequenzbereich von 1.71-2.69GHz ist durch die Ausgestaltung der Antennenstruktur schon ausreichend gut angepasst.
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Das Anpassnetzwerk umfasst üblicherweise mindestens ein L und ein C. Das L wie auch das C können sowohl im Signalpfad in Serie, parallel oder auch als Schwingkreis angeordnet sein. Das dargestellte Beispiel umfasst von der Antenne aus gesehen ein parallel-L und ein Serien-C. Das Resultat des Anpassnetzwerks mit diskreten Bauteilen (1) ist im Vergleich zu derselben Antenne ohne Anpassnetzwerk in 2A und 2B als Anpassungsverlaufsvergleich dargestellt.
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Es ist ersichtlich, dass durch das Anpassnetzwerk die Bandbreite im unteren Band deutlich vergrößert wird (wenn als Kriterium eine Mindestanpassung von S11 < - 7dB gefordert wird (schwarze Linie)). Ohne Anpassnetzwerk wird im unteren Band bezüglich dieses Kriteriums eine Bandbreite von ca. 200 MHz erreicht. Mit Anpassnetzwerk ist die Bandbreite etwa verdoppelt. Dies belegt den Vorteil der Bandbreitenvergrößerung durch das Anpassnetzwerk.
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Das Anpassnetzwerk erfordert die Bestückung mit zwei diskreten Anpassbauteilen. Erfindungsgemäß werden die diskreten Anpassbauteile durch Folienstrukturen ersetzt, wie dies in 3 dargestellt ist, die eine vergrößerte Darstellung des Speisebereichs der Antenne darstellt.
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Die in 3 dargestellte Antenne umfasst ein erstes Antennenelement 20 und ein zweites Antennenelement 22, die beide wie vorstehend beschrieben aufgebaut sind und von denen jeweils nur der Einspeisebereich vergrößert dargestellt ist. Zwischen den beiden Antennenelementen 20 und 22 ist wiederum ein Anpassnetzwerk vorgesehen, das eine Induktivität L und eine Kapazität C umfasst. Hierbei ist die Induktivität L durch eine Schlinge 25 gebildet, welche die beiden Antennenelemente 20 und 22 miteinander verbindet. Die Kapazität C umfasst eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 18, die mit einem Pol des Einspeisepunktes 24 elektrisch leitend verbunden ist und die entlang einer Faltlinie 30 in Richtung des Pfeils P auf sich selbst und auf die erste leitfähige Schicht 18 umgeklappt ist, was in 3 gestrichelt dargestellt ist. Somit liegen in dem in 3 schraffiert dargestellten Bereich die erste leitfähige Schicht 18 und die zweite leitfähige Schicht 28 übereinander und sind durch ein dazwischen eingebrachtes Dielektrikum voneinander getrennt, wodurch die Kapazität C gebildet ist.
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Wie 3 verdeutlicht, bildet im umgeklappten Zustand der umgeklappte Teil der zweiten leitfähigen Schicht 28 eine Brücke zwischen dem Antennenelement 18 und dem Einspeisungspunkt 24 der Folienantenne.
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Zur Herstellung der vorstehend beschriebenen beispielhaften Folienantenne wird zunächst die Einheit aus dem ersten Antennenelement 20, der Schlinge 26 und dem zweiten Antennenelement 22 aus einem Grundmaterial ausgeschnitten oder ausgestanzt, das die erste elektrisch leitfähige Schicht 18 und gegebenenfalls eine elektrische Deck- und/oder Trägerschichten umfasst. Aus dem gleichen Material oder auch aus einem anderen Material wird die zweite elektrisch leitfähige Schicht 28 ausgeschnitten oder ausgestanzt. Anschließend werden die beiden Zuschnitte wie in 3 dargestellt angeordnet und ein Teilabschnitt der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht wird entlang der Faltlinie 30 auf sich selbst und auf das Antennenelement 20 umgeklappt, wobei zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 18 und 28 ein Dielektrikum vorgesehen wird, um die Kapazität C auszubilden. Wie bereits erwähnt, kann das Dielektrikum durch eine Deckschicht, eine Trägerschicht, eine Klebeschicht oder durch eine separate dielektrische Schicht gebildet werden.
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3 verdeutlicht dabei, dass zum Herstellen der Antenne lediglich genau zwei voneinander getrennte Zuschnitte benötigt werden, nämlich der die Bauteile 20, 26 und 22 umfassende erste Zuschnitt und der die zweite leitfähige Schicht 28 umfassende zweite Zuschnitt. Durch Umklappen des Teilabschnitts entlang der Faltlinie 30 in Richtung des Pfeils P gelangen zwei elektrisch leitfähige Flächendurch ein Dielektrikum beabstandet übereinander, was einen Parallelplattenkondensator darstellt, wobei die Deckfolienschichten der beiden Zuschnitte als Dielektrikum dienen können. Da die Fläche dieses Kondensators über die Schichthöhe des Dielektrikums und die Fläche des Kondensators einstellbar ist, lassen sich nahezu beliebige Werte für diese Kapazität erreichen und einstellen.
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4 zeigt eine mit 2B vergleichbare Messung bei der erfindungsgemäßen Antenne von 3, bei der das Anpassnetzwerk ausschließlich mittels Folienstrukturen gebildet ist. Hierbei verdeutlicht 4, dass mit der erfindungsgemäßen Realisierung des Anpassnetzwerks mittels Folienstrukturen eine sehr gute Bandbreitenerhöhung der Antenne erreichbar ist. Die o.g. Vorteile des Anpassnetzwerks (Bandbreitenerhöhung bzw. Reduktion der Antennengröße usw.) lassen sich somit auch ohne das Erfordernis einer Bestückung diskreter Bauteile auf der Folie erreichen.
