DE19535250A1 - Mehrantennensystem für Kraftfahrzeuge - Google Patents
Mehrantennensystem für KraftfahrzeugeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Anordnung von Antennen für
unterschiedliche Funktionen und Frequenzen an Kraftfahrzeugen,
insbesondere an Personenkraftwagen.
Kraftfahrzeuge werden mit Antennen für den Ton-Rundfunkempfang
und neuerdings auch für den Fernsehrundfunk sowie zunehmend für
den Mobilfunk ausgestattet.
Für die Rundfunk-Frequenzen setzt sich mehr und mehr die Scheiben
antenne durch, in den verschiedenen Formen
- - Nutzung des Heckscheiben-Heizfelds als Antenne,
- - separate Strahler in Front- und Heckscheibe und in meist feststehenden Seitenscheiben,
- - Antennensysteme mit mehreren Strahlern für Antennendiversity. Wesentliche Vorteile der Scheibenantenne gegenüber z. B. der Stabantenne sind die verbesserte Aerodynamik des Fahrzeugs und die Sicherheit gegen Diebstahl und Vandalismus.
Für den Mobilfunk werden in aller Regel noch Stabantennen
verwendet, entweder fest montiert oder in abnehmbarer Ausführung,
und sie werden aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit
bevorzugt als Außenantennen betrieben. Aus dem gleichen Grund
verbietet sich bis heute die Nutzung des Scheibenantennen-Prinzips
für Funkantennen - eine Funkantenne als Leiterstruktur in einer
Fahrzeugscheibe könnte im Sendefall bei den z. T. recht hohen
Strahlungsleistungen und wegen der fehlenden Abschirmung zu einer
Gefahr für die Fahrzeuginsassen werden.
Für verschiedene Aufgaben sind des weiteren Antennenkonfigurationen
in den Stoßfängern und, für den Dezimeterwellenbereich, Flach
antennen (low profile antenna) bekannt (z. B. für den Mobilfunk im
900-MHz-Bereich) . Die Flachantennen erfordern eine große Masse
bezugsfläche (ground plane) und werden meist auf dem Dachblech oder
dem Kofferraumdeckel des Personenkraftwagens fest montiert oder
sind abnehmbar.
Der wesentliche Nachteil der bekannten Anordnungen besteht darin,
daß sie jeweils nur begrenzt erweiterungsfähig sind, d. h. daß sich
nur unter Schwierigkeiten zusätzliche Antennensysteme z. B. für
neuartige Aufgaben am Fahrzeug realisieren lassen.
So ist die Fläche der für Antennenstrukturen geeigneten Scheiben
an einem Personenkraftwagen endlich. Es ist auch nicht jeder Bezirk
auf einer Heck- oder Frontscheibe für jede Frequenz günstig.
Bei der Aus- bzw. Einkopplung der Freiraum- bzw. der leitungs
gebundenen Welle durch Antennenstrukturen innerhalb der von
Metallflächen und Holmen umgebenen Fensteröffnungen sind die
Gesetzmäßigkeiten des Feldaufbaus an der Fahrzeugkarosserie zu
berücksichtigen, die sich u. a. in Zonen erhöhter und solchen
verminderter Feldlinienkonzentration und damit in Orten höherer
und in Orten weniger hoher Strahlungsleistung einer dort plazierten
Antenne äußern.
Auf der anderen Seite entsteht z. B. mit der Einführung von
Antennendiversity durch Anordnung mehrerer separater Strahler
ein erhöhter Platzbedarf.
Wenn - dieser Trend zeichnet sich ab - die Scheiben aus Gründen
der Wärmeisolierung und des Sonnenschutzes mit einer Metall
beschichtung versehen werden, entfällt die Nutzung der Scheibe als
Antennenträger, zumindest in bezug auf die Verwendung herkömmlichen
Leiterstrukturen, gleich ganz und gar.
Die Stabantenne ist nicht die optimale Alternative zur mit Antennen
"überfüllten" Scheibe. Mehrere unterschiedliche Stabantennen an
einem Fahrzeug sind nicht nur aus ästhetischen Gründen abzulehnen.
Eine Kompromißlösung, die sogenannte "Kombi"-, sprich Mehrbereichs-
Antenne, gebildet aus einem Stab für Rundfunkempfang und gleich
zeitigen Mobilfunk-Betrieb, kann zwar gute HF-Eigenschaften haben,
aber es stört letzten Endes wieder der Stab.
Ebenfalls äußerlich sichtbar auf der Karosse sind die Flach
antennen, meist erkennbar als Aufsatzelement mit 20 bis 30 mm Höhe
und einem Durchmesser oder Kantenmaß von z. B. 60 bis 110 mm. Ist
man mit einem solchen Aufsatz einverstanden, dann ist der Designer
gefragt, um Fahrzeug und Antenne in Einklang zu bringen. Mehrere
Flachantennen gleichzeitig wird man außen auf einer Karosse mit
Sicherheit auch nicht anbringen.
Die Antenne im Stoßfänger stellt rein konstruktiv eine elegantere
Lösung dar; der Anbringungsort ist jedoch in verschiedener Hinsicht
nicht bei jedem Fahrzeug gleich günstig. So ist kann es z. B.
notwendig sein, an jedem Stoßfänger einen Strahler vorzusehen,
um mit Sicherheit Rundumcharakteristik zu gewährleisten; vor allem
aber kann die geringe Höhe des Anbringungsorts, z. B. in Stau
situationen, die Empfangsqualität beeinträchtigen.
Betrachtet man die unterschiedlichen Kommunikationsmedien
und -dienste, in die das Fahrzeug in allernächster Zukunft
einbezogen wird bzw. einbezogen werden kann, und die zugehörigen
Frequenzen, so wird deutlich, daß Antennen- wie Autohersteller
vor Problemen stehen, die qualitativ und quantitatv neue Maßstäbe
setzen. Es sind dies u. a.:
Wetherband (kontinuierlicher Wetterdienst)|162 MHz | |
DAB | 217 MHz |
1500 MHz | |
Funk-Zentralverriegelung Europa | 433 MHz |
Funk-Zentralverriegelung USA | 315 MHz |
AMPS (Mobilfunk USA) | 824 bis 894 MHz |
DSRR (digitaler Nahbereichsfunk) | 888 bis 935 MHz |
Mobilfunk im D-Netz | 900-MHz-Band |
Mobilfunk im E-Netz | 1800-MHz-Band |
GPS (satellitengestützte Fahrzeug-Navigation) | 1575 MHz |
Auch, wenn man nicht für jeden der Dienste in dieser Aufzählung
an jedem Fahrzeug eine spezielle Antenne vorsehen will und wenn man
vielleicht auch Funktionen zusammenfaßt, so wird es doch in Zukunft
Schwierigkeiten geben, den Platzbedarf der Strahler - auch unter
Berücksichtigung der unterschiedlichen Strahlungscharakteristika -
etwa mit den bisherigen Mitteln allseitig befriedigend zu decken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten für
die Anordnung von Antennen am Kraftfahrzeug zu erweitern und dabei
eine Zuordnung von Strahlern für verschiedene Frequenzen zueinander
und zum Fahrzeugaufbau zu finden, die hohe Strahlungsleistungen bei
guter gegenseitiger Entkopplung in den unterschiedlichen Frequenzen
gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche
enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.
Mit der Erfindung wird die Tatsache genutzt, daß Karosserieteile,
wie der Kofferraumdeckel, eine Faltdach-Abdeckung bei Kabrioletts
und auch die Dachschale bei Limousinen, nicht bzw. nur bedingt zu
den tragenden Bauelementen gehören und daß für die mechanischen
Funktionen ohne Schwierigkeiten Rahmenkonstruktionen geschaffen
werden können. Auf diese Weise können Blechflächen der Verkleidung
durch solche aus dielektrischem Material ersetzt werden. In die
relativ großen, quasi waagerechten Areale aus dem dielektrischen
Material können - bei entsprechender Modifizierung - Antennen
konfigurationen ähnlich dem Scheibenantennen-Prinzip integriert
werden. Flachantennen und planare Strukturen werden auf speziellen
metallischen Trägerflächen, die gleichzeitig Massebezugsfläche und
Abschirmung darstellen, unterhalb der Kunststoff-Schale angeordnet.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Karosserieteile werden -
je nachdem, welches oder wieviele Teile man auswählt - in
Abhängigkeit vom Bedarf mit unterschiedlichen Kombinationen
unterschiedlicher Antennen ausgestattet. Die Strahler sind in
jedem Fall für den Betrachter unsichtbar und beeinträchtigen nicht
das Design und die Aerodynamik des Fahrzeugs.
Die Massebezugsfläche für die planaren und Flachantennen kann in
die Rahmenkonstruktion des Karosserieteils integriert werden.
Dabei wird die Gesamthöhe einer Flachantenne zuzüglich Massebezugs
fläche unterhalb der Kunststoff-Schale nicht größer sein als das
Höhenmaß eines Rahmenprofils oder eines Holms, wie sie auch bei der
Ausführung z. B. eines Kofferraumdeckels aus Blech oder beim Dach
bekannt sind. Ein erfindungsgemäßes System unterschiedlicher
Antennen würde also auch bei Anordnung im Dachbereich in bezug auf
den Fahrzeug-Innenraum zu keinerlei Beeinträchtigungen führen.
Ein großer Vorteil besteht weiter darin, daß Verstärkungs- und
Anpaßschaltungen in ihren Gehäusen jeweils unmittelbar am Anschluß
bzw. Fußpunkt des zugehörigen Strahlers auf der Kunststoff-Schale
montiert werden können. Bei Antennenstrukturen in Scheiben ist an
dieser Stelle oft ein Leitungs-Zwischenstück erforderlich, das die
Anpassung zwischen dem Strahler und den weiterführenden Netzwerken
beeinflussen kann.
Auch bei den Stabantennen kann es Probleme bei der räumlichen
Zuordnung und beim Anschluß zum Verstärker geben.
PDie Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schema
tischer Darstellung
Fig. 1 Günstige Orte am Fahrzeug für erfindungsgemäße
Antennenanordnungen; Fahrzeuge in Draufsicht
- a) Limousine
- b) Kabriolett
- c) Kompaktfahrzeug mit segmentiertem Dach,
Fig. 2 Kofferraumdeckel mit unterschiedlichen Antennen
- a) In perspektivischer Ansicht
- b) Außenschale und Träger- und Massefläche in Seitenansicht,
Fig. 3 Abdeckung für das Klappverdeck eines Kabrioletts
mit Antennen,
Fig. 4 Dachsegmente eines Kleinwagens mit Antennen.
In Fig. 1 ist für verschiedene Typen von Personenkraftwagen mit
der Schraffur angedeutet, welche Flächen der Karosserie sich für
erfindungsgemäße Mehrantennenanordnungen besonders eignen. Es sind
dies die Dachschale 1, der Kofferraumdeckel 2, die Abdeckung 3 für
das Faltdach eines Kabrioletts und auch Dachsegmente 4 eines Klein-
oder Kompaktwagens, die sämtlich aus Kunststoff mit einer Rahmen
konstruktion oder selbsttragend ausgeführt werden können. Bei den
Dachsegmenten 4 ist auch Glas als Material denkbar.
Der Motorraumdeckel ist mit Vorbehalt als geeignet anzusehen. Wenn
unterhalb eines solchen Deckels aus einem dielektrischen Material
eine Massefläche vorgesehen wird, so kann man dort immerhin eine
Flach- oder eine Streifenleiterantenne anordnen, die ja durch die
Massefläche gegen Störungen aus dem Motorraum abgeschirmt wird.
Bei Verbrennungsmotoren wird jedoch die Wärmeentwicklung im
Motorraum für normale HF-Kabel ungünstig sein. Wenn man aber an
eine Unterflur-Anordnung des Motors oder an einen Elektroantrieb
denkt, dann ist auch die vordere Haube für erfindungsgemäße
Anordnungen prädestiniert.
Fig. 2 zeigt einen Kofferraumdeckel 2 mit verschiedenen Antennen.
Die gestreckten Leiterbahnen 5 und 6 sind Strahler für den Hör
rundfunkempfang im AM/FM-Bereich und für den Fernsehrundfunk.
Das Signal gelangt vom passiven Empfangselement über die
unmittelbar angeschlossenen Verstärker 7 (für AM/FM) bzw.
Verstärker 8 (für UHF/VHF) zu den Koaxialleitungen 9.
Die Abknickung der Leiterbahnen im abgebogenen Teil des Deckels
hat sich als vorteilhaft erwiesen. Wahrscheinlich werden mit der
L-förmigen Struktur horizontale und vertikale Signalanteile, wie
sie sich durch den Einfluß der Karosserie und der Karosseriekanten
auf den Feldaufbau ausbilden können, gleichermaßen günstig
ausgekoppelt.
Im Mittenbereich des Deckels 2 befindet sich unterhalb der
Kunststoff-Außenschale die Massebezugsfläche 10. Auf der Masse
bezugsfläche 10 sind ein Strahler 11 für den Mobilfunk im 900-MHz-
Band und, alternativ, der Strahler 12 für Mobilfunk im 1,8-GHz-Band
sowie eine Streifenleiter-Antenne (patch antenna) 13 für die
satellitengestützte Fahrzeug-Navigation (GPS) angeordnet.
Es ist möglich, die Massebezugsfläche 10 gleichzeitig als
kapazitives Empfangselement für den Rundfunkempfang im AM-Bereich
zu nutzen. Dazu sollte keine galvanische Verbindung zu den
Karosserieteilen bestehen, bzw. bei einem Masseanschluß sind dort
HF-sperrende Netzwerke für den AM-Bereich vorzusehen, und es muß
ein Abstand von einigen cm zwischen der Massebezugsfläche und der
Karosserie eingehalten werden.
Fig. 3 zeigt in der Abdeckung 3 eine mäanderartig ausgebildete
Leiterstruktur 14 für den Rundfunkempfang und, über der Masse
bezugsfläche 10, eine Flachantenne 11 oder 12 für den Mobilfunk.
(Dabei ist es auch möglich, zwei Flachantennen für Mobilfunk oder
eine Mobilfunk- und eine GPS-Antenne mit gemeinsamer Grundfläche
zu kombinieren.< Die Leiterbahn 14 wird bei dem Beispiel in Fig.
3, wie auch bei den anderen Karosserieteilen aus Kunststoff,
entweder aus dünnem Draht gebildet, der in die Kunststoff-Schale
eingelegt ist, oder sie ist z. B. auf die Innen-Oberfläche
aufgetragen und überlackiert.
Die mäanderartige Leitungsführung erweist sich bei den Leiterbahnen
auf quasi waagerechten Flächen als ähnlich vorteilhaft wie der
senkrechte Leitungsabschnitt am Kofferraumdeckel. Der Mechanismus
der Auskopplung unterschiedlich polarisierter Signalanteile und die
bessere Berücksichtigung des Feldaufbaus entlang der Karosserie
kanten ist auch hier eine wesentliche Ursache für diesen Erfolg.
In Fig. 4 werden nochmals Möglichkeiten für erfindungsgemäße
Mehrantennensysteme gezeigt, hier am Beispiel der Dachsegmente für
ein modernes Kleinfahrzeug. Die Kunststoff- oder Glasschale 4 nach
Fig. 4a trägt den Strahler 5 mit Verstärker 7 für den AM/FM-
Bereich und den Strahler 6 mit Verstärker 8 für UHF/VHF. Unterhalb
der Schale 4 in Fig. 4b ist eine Massebezugsfläche 10 angeordnet,
und auf der Massebezugsfläche befinden sich die Mobilfunkstrahler
11 und 12 sowie der Strahler 13 für GPS.
An Stelle der gestreckten Leitungsführung der Antennen 5 und 6
können auch hier mäanderartige Strukturen gewählt werden.
Claims (6)
1. Mehrantennensystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere Personen
kraftwagen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- - Mehrere Antennen (5, 6, 11, 12, 13) für unterschiedliche Funktionen und Frequenzen sind in im wesentlichen horizontale Flächen der Karosserie integriert, wobei die flächigen Karosserieteile (1, 2, 3, 4) aus dielektrischem Material bestehen und vorzugsweise schalenartig auf Rahmenteile aus Blechprofilen montiert oder an ihnen geführt sind,
- - die Antennen (5, 6) für Frequenzen bis zum Meterwellenbereich sind vorzugsweise als Leiterstrukturen aus dünnem Draht oder als auf die Fläche aufgetragene Leiterbahnen ausgebildet, und sie sind vorzugsweise in der Nähe der tragenden metallenen Umrandung des flächigen Karosserieteils angeordnet,
- - als Antennen (11, 12, 13) für höhere Frequenzen dienen planare (patch antenna) und Flachantennen-Konfigurationen (low profile antenna), die vorzugsweise im Mittenbereich des flächigen Karosserieteils über einer gemeinsamen Massebezugsfläche (10) (ground plane) angeordnet sind.
- - die Massebezugsfläche (10) kann gleichzeitig als kapazitives Empfangselement für den Rundfunkempfang im AM-Bereich genutzt werden.
2. Mehrantennensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Nutzung eines in Metall-Kunststoff-Bauweise ausgeführten
Kofferraumdeckels (2) als Antennenträger, wobei die Strahler (5,
6) für den Rundfunk-Empfang vorzugsweise auf beiden Seiten des
Deckels bei den Kotflügeln, mit vorgegebenem Abstand zum Rand
und parallel dazu, angeordnet sind und vorzugsweise auch der
Abbiegung des Deckels (2) in die Vertikale folgen.
3. Mehrantennensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Nutzung eines in Metall-Kunststoff-Bauweise ausgeführten
Dachelements (1), oder einer Dach-Schale oder eines Dach-
Segments (4) aus Kunststoff oder aus einem anderen Dielektrikum,
als Antennenträger, wobei die Strahler (5, 6) für den Rundfunk-
Empfang auch als mäanderartige Leiterbahnen ausgebildet sein
können.
4. Mehrantennensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
die Nutzung von anderen flächigen Abdeck- und Funktionselementen
des Karosserieaufbaus, die aus dielektrischem Material bestehen,
als Antennenträger, insbesondere der schalenartigen Abdeckung
(3) für das Verdeck eines Kabrioletts, wobei die Antentennen-
Strukturen für den Rundfunk-Empfang vorzugsweise mäanderartig
ausgebildet sind.
5. Mehrantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Massebezugsfläche (10) für die planaren (13) und die
Flachantennen (11, 12) rechteckig, mit einem Kantenmaß von
vorzugsweise mindestens 50 cm, oder kreisförmig oder ellyptisch,
mit einer adäquaten Erstreckung, ist.
6. Mehrantennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Massebezugsfläche (10) bei Anordnung unterhalb einer
Dachschale (1, 4) vorzugsweise aus einem flexiblen Material
besteht.
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