ANTENNENANORDNUNG ZUR ANBRINGUNG EINER PLANAREN ANTENNE AUF DER INNENSEITE EINER SICHTSCHEIBE EINES KRAFTFAHRZEUGS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Anbringung einer planaren Antenne auf der Innenseite einer Sichtscheibe eines Kraftfahrzeuges zum Zwecke der drahtlosen Kommunikation zwischen einem Fahrzeuggerät und einem Sende- und /oder Empfangsgerät außerhalb des Fahrzeuge, insbesondere auf Frequenzen im GHz-Bereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Antennenanordnung ist bekannt aus der GB 2290417 A.

[0002] Derartige Antennenanordnungen werden beispielsweise in Systemen der Verkehrsleittechnik zur digitalen Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einer Infrastruktur entlang der Fahrstrecke benötigt. In diesem Fall besteht die Infrastruktur aus ortsfesten Baken entlang der Straße. Zur Kommunikation mit diesen Baken weisen die Fahrzeuge Fahrzeuggeräte auf (OBU - on board units), die als Massenprodukte mit möglichst geringen Kosten ausführbar sein sollen. Im einfachsten Fall besteht das Fahrzeuggerät aus einem passiven Transponder, der keinerlei ungedämpfte Schwingungen auf der Trägerfrequenz erzeugt. Die notwendige Sendeleistung wird aus dem Bakensignal gewonnen, das Fahrzeuggerät nimmt nur eine Modulation des empfangenen Signals vor. Die digitale Kommunikation erfolgt durch eine Übertragung von der Bake zum Fahrzeuggerät ("Downlink") und einer anschließenden Antwortkommunikation vom Fahrzeuggerät zur Bake ("Uplink").
Da die Fahreugkarosserie eine nicht vermeidbare Abschirmung für elektromagnetische Wellen bewirkt, ist es zweckmäßig, zumindest die Antenne des Fahrzeugeräts an einer Sichtscheibe des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise der Windschutzscheibe, zu befestigen. Hieraus resultieren allerdings Probleme für die Funktion des Antennenelements. Durch das Vorhandensein der üblicherweise aus Glas bestehenden Sichtscheibe, also einer Scheibe mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten (im Bereich von 7 ), entstehen Reflektionen an der Grenzfläche zwischen Sichtscheibe und Antenne bzw. dem dazwischenliegenden Luftspalt, durch die der Zwischenraum zwischen Antenne und Sichtscheibe wie ein Resonator wirkt. Es ist daher zweckmäßig, den Abstand zwischen Sichtscheibe und Antenne auf die halbe Wellenlänge einzustellen. Bei einer vorgeschlagenen Trägerfrequenz von 5,8 GHz entsteht somit ein Abstand von ca. 25mm, der zu einer minimalen Transmissionsdämpfung führt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die dabei entstehende Richtcharakteristik zur Seite hin stark eingeengt wird, daß somit also eine schmale Hauptkeule entsteht. Dadurch können die Ausrichtverluste bei Schrägfahrten des Kraftfahrzeuges oder bei extremen Neigungen der Windschutzscheibe stark ansteigen.

[0003] Die Sichtscheibe führt darüber hinaus zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der Antenne. Für zirkularpolarisierte Antennen kann eine signifikante Verschlechterung der sogenannten Kreuzpolarisationsentkopplung auftreten.

[0004] Bekannt ist ferner, daß ein Fahrzeuggerät mit zwei Antennen versehen ist, von denen eine zum Empfang und die andere zum Wiederaussenden des empfangenen Signals dient. Durch die an der Scheibe entstehenden Reflexionen kann eine gegenseitige Verkopplung der beiden Antennen entstehen, wodurch ggfs. sogar Oszillieren des aktiven Teils des Fahrzeuggeräts auftreten kann.

[0005] Die aus der GB2290417A bekannte Anordnung weist eine dielektrische Schicht zwischen Antenne und Sichtscheibe auf, deren Abmessungen groß gegenüber den Abmessungen des Antennenelements sind. Um Oberflächenwellen zu unterdrücken ist dort ein zusätzlicher metallischer Ring notwendig.

[0006] Auch die Anordnungen gemäß DE 38 34 075 A1 und IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Band 42, Nr. 2, 1. Februar 1994, Seiten 260 bis 264 zeigen Anordnungen mit dielektrischen Schichten zwischen Antennenelement und Scheiben.

[0007] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, die Antennenanordnung hinsichtlich der Sicherheit der Kommunikation mit einem Sende und/oder Empfangsgerät außerhalb des Fahrzeugs zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antennenanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0008] Mit dem zwischen Sichtscheibe und Antenne eingesetzten Zwischenstück werden einerseits die auftretenden Reflexionsanteile beim Übergang zwischen Sichtscheibe und Antenne bzw. Sichtscheibe und Luft einerseits und Luft und Antenne andererseits erheblich verringert, da die Sprünge der Dielektrizitätszahlen zwischen den verschiedenen Schichten verringert werden. Darüber hinaus sorgt das dielektrische Zwischenstück aufgrund seiner seitlichen Begrenzung für eine Beeinflussung der Richtcharakteristik der Antenne. Es hat sich gezeigt, daß es durch den Einsatz eines scheibenförmigen Zwischenstücks möglich ist, die durch die Sichtscheibe eintretende Verschmalerung der Richtcharakteristik nahezu vollständig wieder aufzuheben, so daß die Kommunikation mit der Antenne wie ohne Zwischenschaltung einer Sichtscheibe möglich ist. Durch den Einsatz des Zwischenstücks ist es ferner möglich, den erforderlichen Abstand der Antenne von der Sichtscheibe zu verringern, da der gleich elektrische Abstand wegen der Dielektrizitätskonstanten des Zwischenstücks bei einem geringeren mechanischen Abstand erreicht wird.

[0009] Vorzugsweise wird der elektrisch wirksame Abstand zwischen Sicht-scheibe und Antenne auf ein Vielfaches der halben Wellenlänge eingestellt, wobei in der Praxis im allgemeinen der minimale Abstand von der halben Wellenlänge angestrebt werden wird.
Dabei ist es ohne weiteres denkbar, zwischen dem Zwischenstück und der Scheibe und/oder der Antenne auch einen Luftspalt vorzusehen, wenn dies aus konstruktiven Gründen sinnvoll erscheint.

[0010] Es ist auch denkbar, das Zwischenstück mehrteilig aus verschiedenen Längen mit größenordnungsmäßig gleichen Dielektrizitätskonstanten auszubilden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine dünne Gehäusewand des Fahrzeuggerätes zwischen Antenne und Sichtscheibe eingesetzt werden, wobei eine seitliche Begrenzung dann nur durch den verbleibenden Teil des Zwischenstücks bewirkt wird.

[0011] Vorzugsweise besteht das Zwischenstück aus Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 3 und 5, vorzugsweise um 4.

[0012] Das Zwischenstück wird zweckmäßigerweise in Form einer Scheibe ausgebildet sein, wobei die Form des Zwischenstücks vorzugsweise der Form der planaren Antenne entspricht. Dabei ist es jedoch regelmäßig vorteilhaft, wenn das zweckmäßigerweise zylinderscheibenförmige Zwischenstück so dimensioniert ist, daß seine zur Antenne zeigende Oberfläche etwas größer als die der Antenne ist. Dabei sollte die Oberfläche des Zwischenstücks nicht größer als doppelt so groß wie die Oberfläche der Antenne sein.

[0013] Die erfindungsgemäße Antennenanordnung läßt sich auch bei mehreren Antennen eines Fahrzeuggeräts realisieren, indem jeder Antenne ein Zwischenstück zugeordnet ist. Dabei sind die Antennen zweckmäßigerweise auf einer gemeinsam Trägerplatte angeordnet.

[0014] Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 -

einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Antennenanordnung

Figur 2 -

der Richtcharakteristik der erfindungsgemäßen Antennenanordnung im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung und einer Antennenanordnung ohne Sichtscheibe.

[0015] Figur 1 läßt eine Trägerplatte 1 erkennen, auf die eine planare Antenne 2, beispielsweise als im wesentlichen kreisförmiges Antennenelement aufgebracht ist. Zwischen der Antenne 2 und einer Sichtscheibe 3 eines Kraftfahrzeugs ist ein Zwischenstück 4 eingesetzt, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als kreiszylindrische Kunststoffscheibe mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 4 ausgeführt ist. Die Dicke des Zwischenstücks 4 ist so gewählt, daß der Abstand zwischen Antenne 2 und Sichtscheibe 3 elektrisch der halben Wellenlänge entspricht. Aufgrund der Dielektrizitätskonstanten von etwa 4 beträgt die Dicke für eine Trägerfrequenz von 5,8 GHz somit etwa 12 mm.

[0016] Wie Figur 1 erkennen läßt, ist der Durchmesser des Zwischenstücks 4 etwas größer als der Durchmesser der Antenne 2. Dabei ist die zur Antenne 2 zeigende Anlagefläche des Zwischenstücks 4 jedoch nicht größer als doppelt so groß wie die Oberfläche der Antenne 2.

[0017] Figur 2 zeigt drei Richtcharakteristiken A, B, C.

[0018] Die Richtcharakteristik A gilt für die planare Antenne 2 ohne Zwischenschaltung einer Sichtscheibe 3. Es ist erkennbar, daß auch für schräg einfallende elektromagnetische Wellen ein gutes Empfangs- und Sendeergebnis erzielt wird, da eine erhebliche Dämpfung erst bei sehr spitzen Einfallswinkeln auf die Oberfläche der planaren Antenne 2 auftreten.

[0019] Ist hingegen die planare Antenne 2 hinter der Sichtscheibe 3, beispielsweise in einem Abstand von der halben Wellenlänge angebracht, ergibt sich die Richtcharakteristik gemäß der Kurve B. Diese Kurve verdeutlicht, daß schon bei relativ geringen Abweichungen von der senkrechten Einfallsrichtung erhebliche Dämpfungen auftreten, so daß bereits relativ schräg stehende Windschutzscheiben oder aus anderen Gründen schräg einfallende Signale zu nachhaltigen Störungen der Kommunikation führen können.

[0020] Ist hingegen zwischen der Antenne 2 und der Sichtscheibe 3 das dielektrische Zwischenstück 4 eingesetzt, ergibt sich die Kurve C, die qualitativ im wesentlichen der Kurve A entspricht. Die durch das Vorhandensein der Sichtscheibe 3 eintretende Verschlechterung der Richtcharakteristik (Übergang von Kurve A auf Kurve B) wird somit durch das Einsetzten des dielektrischen Zwischenstücks 4 kompensiert.

Ansprüche

1. Antennenanordnung zur Anbringung einer planaren Antenne (2) auf der Innenseite einer Sichtscheibe (3) eines Kraftfahrzeugs zum Zwecke der drahtlosen Kommunikation zwischen einem Fahrzeuggerät und einem Sende- und/oder Empfangsgerät außerhalb des Fahrzeugs, insbesondere auf Frequenzen im GHz-Bereich, wobei zwischen der Antenne (2) und der Sichtscheibe (3) ein dielektrisches Zwischenstück (4) mit einer zwischen der Dielektrizitätskonstanten der Sichtscheibe (3) und der von Luft liegenden Dielektrizitätskonstanten zur Beeinflussung der Richtcharakteristik der Antenne (2) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Antenne (2) zeigende Oberfläche des Zwischenstücks (4) etwas größer als die der Antenne (2)ist, jedoch nicht größer als doppelt so groß wie die Oberfläche der Antenne (2).

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch wirksame Abstand zwischen der Sichtscheibe (3) und der Antenne (2) auf etwa n.1/2 der Wellenlänge eingestellt ist, wobei n eine natürliche Zahl ≥ 0 ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Luftspalt zwischen dem Zwischenstück (4) und der Sichtscheibe (3) und/oder der Antenne (2).

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (4) mehrteilig aus verschiedenen Lagen mit größenordnungsmäßig gleichen Dielektrizitätskonstanten gebildet ist.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (4) aus Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 3 und 5 besteht.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante etwa 4 beträgt.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (4) in Form einer Scheibe ausgebildet ist.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Zwischenstücks (4) der Form der planaren Antenne (2) entspricht.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch wenigstens zwei an der Sichtscheibe (3) jeweils über ein Zwischenstück (4) angeordnete Antennen (2).

10. Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen (2) auf einer gemeinsamen Trägerplatte (1) angeordnet sind.

Claims

1. Antenna arrangement for attaching a planar antenna (2) to the inside of a window (3) of a motor vehicle for the purpose of wireless communication between a vehicle unit and a transmitting and/or receiving unit outside the vehicle, in particular on frequencies in the GHz region, there being inserted between the antenna (2) and the window (3) a dielectric adapter (4) having a dielectric constant lying between the dielectric constant of the window (3) and that of air for the purpose of influencing the directional characteristic of the antenna (2), characterized in that the surface of the adapter (4) pointing towards the antenna (2) is somewhat larger than that of the antenna (2), but not larger than twice as large as the surface of the antenna (2).

2. Antenna arrangement according to Claim 1, characterized in that the electrically active spacing between the window (3) and the antenna (2) is set to approximately n.1/2 of the wavelength, n being a natural number ≥ 0.

3. Antenna arrangement according to Claim 1, characterized by an air gap between the adapter (4) and the window (3) and/or the antenna (2).

4. Antenna arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the adapter (4) is formed in a multipartite fashion from different layers with dielectric constants of the same order of magnitude.

5. Antenna arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the adapter (4) consists of plastic with a dielectric constant of between 3 and 5.

6. Antenna arrangement according to Claim 5, characterized in that the dielectric constant is approximately 4.

7. Antenna arrangement according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the adapter (4) is constructed in the form of a disc.

8. Antenna arrangement according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the shape of the adapter (4) corresponds to the shape of the planar antenna (2).

9. Antenna arrangement according to one of Claims 1 to 8, characterized by at least two antennas (2) arranged on the window (3) over an adapter (4) in each case.

10. Antenna arrangement according to Claim 9, characterized in that the antennas (2) are arranged on a common carrier plate.

Revendications

1. Dispositif d'antenne servant à mettre une antenne planaire (2) sur la face intérieure d'une vitre (3) d'un véhicule à moteur dans le but d'établir la communication sans fil entre un appareil de véhicule et un appareil émetteur et/ou récepteur se trouvant en dehors du véhicule, en particulier à des fréquences se situant dans la zone des giga-hertz, dispositif dans lequel on insère entre l'antenne (2) et la vitre (3) une pièce intermédiaire diélectrique (4) avec une constante diélectrique qui se situe entre la constante diélectrique de la vitre (3) et celle de l'air pour exercer une influence sur la caractéristique directive de l'antenne (2),
caractérisé en ce que
la face de la pièce intermédiaire (4), qui est tournée vers l'antenne (2) est un peu plus grande que celle de l'antenne (2), mais ne dépasse pas toutefois le double de la surface de l'antenne (2) .

2. Dispositif d'antenne selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'écartement électriquement efficace entre la vitre (3) et l'antenne (2) est réglé sur n.1/2 de la longueur d'onde, n étant un nombre entier naturel supérieur ou égal à zéro.

3. Dispositif d'antenne selon la revendication 1,
caractérisé par
une fente d'air entre la pièce intermédiaire (4) et la vitre (3) et/ou l'antenne (2).

4. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
la pièce intermédiaire (4) est constituée en plusieurs parties de différentes couches avec des constantes diélectriques du même ordre de grandeur.

5. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que
la pièce intermédiaire (4) est réalisée en matière plastique avec une constante diélectrique comprise entre 3 et 5.

6. Dispositif d'antenne selon la revendication 5,
caractérisé en ce que
la constante diélectrique atteint environ 4.

7. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que
la pièce intermédiaire (4) est constituée sous la forme d'un disque.

8. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que
la forme de la pièce intermédiaire (4) correspond à la forme de l'antenne planaire (2).

9. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 8,
caractérisé par
au moins deux antennes (2), disposées sur la vitre (3) respectivement au moyen d'une pièce intermédiaire (4).

10. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 9,
caractérisé en ce que
les antennes (2) sont disposées sur une plaque de support commune (1).

Zeichnung