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Die Erfindung betrifft ein Antennensystem für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Steuereinheit und eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen, die untereinander derart verschaltet sind, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind.
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Zum Empfang von Satellitensignalen durch bei einem Kraftfahrzeug angeordnete Empfänger werden heute meist omnidirektionale Antennen verwendet, unter anderem um eine hohe Wahrscheinlichkeit hoher Empfangsqualität in unterschiedlichen Empfangssituationen zu gewährleisten.
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Um die Empfangsleistung eines Antennensystems gegenüber der einer Einzelantenne zu erhöhen, ist es bekannt, eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Einzelantennen untereinander derart zu verschalten, dass die Einzelantennen von der Steuereinheit gemeinsam als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind. Verfahren zur Steuerung solcher Antennen-Arrays sind dem Fachmann unter den Begrifflichkeiten „Digital Beam Forming“ und „Phased Array“ geläufig.
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Nachteilig an bekannten Verfahren ist die hohe Anzahl der Einzelantennen, die in Array-Systemen erforderlich ist, um eine hohe Empfangsqualität sicherzustellen bzw. vorgegebene Spezifikationen zu erfüllen, sowie die mit dieser hohen Anzahl einhergehende hohe Komplexität solcher Systeme.
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Das Dokument
WO 2003 / 107 483 A1 offenbart ein Antennenelement mit einer Groundplane, mit einer darüber angeordneten Helix, die an einem nahe der Groundplane gelegenen Helixende mit einem Kommunikationsgerät verbunden werden kann, und mit einer im Wesentlichen zentral entlang der Achse der Helix verlaufenden Spirale, die mit einem äußeren Ende mit dem anderen Helixende verbunden ist und damit die Antenne terminiert.
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Das Dokument
DE 10035820 A1 offenbart eine multifunktionale Antennenanordnung bestehend aus einer Anzahl N Monopolantennen mit Dachkapazität, wobei die Anzahl N größer oder gleich drei ist und einer Ansteuerschaltung mit der ein oder mehrere externe Tore mit den Antennenelementen verkoppelt werden. Die Antennenanordnung kann als Sende- und/oder Empfangsantenne in mehreren Frequenzbändern verwendet werden. Die Beziehungen zwischen den Phasen und Amplituden der einzelnen Antennen und der Torgrößen der Ansteuerschaltung hängen vom Frequenzband ab.
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Das Dokument
EP 019540356 B1 offenbart eine Antennenanordnung zur Erzeugung eines zirkulär polarisierten konischen Strahlungsdiagramms für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlänge Lambda im L-Band mit einer über einer gut leitenden Reflexionsebene senkrecht angeordneten Schlitzrohrantenne mit einem in dem zylindrischen Antennenrohr angeordneten Längsschlitz mit der folgenden Kombination von Merkmalen: (a1) Das als vertikal polarisierter Linearstrahler erregte Antennenrohr weist eine Gesamtlänge über der gut leitenden Reflexionsebene von Lambda * Vk und einen Antennenrohrdurchmesser von 0,125 Lambda auf, wobei wegen des endlichen Schlankheitgrades des Antennenrohrs für Ganzwellenresonanz der Faktor Vk ein Verkürzungsfaktor ist. (a2) Die gut leitende Reflexionsebene hat eine Seitenlänge in der Größenordnung von mehreren Wellenlängen. (b) Der Längsschlitz hat eine Länge von etwa 0,75 Lambda und einer Breite von etwa 0,02 Lambda und ist als horizontal polarisierter Rundumstrahler über der Reflexionsebene erregt. (c) Die Mitte des Längsschlitzes im Antennenrohr befindet sich etwa in einer Höhe einer halben Wellenlänge über der Reflexionsebene. (d) Das der Reflexionsebene zugewandte Ende des Antennenrohrs weist eine konische Verjüngung auf und zur Anpassung an eine erste niederohmige Speiseleitung mündet dieses Ende als Innenleiter in einem Resonanztopf mit einer Länge von etwa 0,25 Lambda. (e) Eine zweite Speiseleitung ist zur Erregung des Schlitzes der Schlitzrohrantenne durch den Innenleiter des Resonanztopfes geführt. (f) Die erste Speiseleitung ist zur Erregung des Antennenrohrs der Schlitzrohrantenne an den Innenleiter des Resonanztopfes geführt. (g) Die erste und zweite Speiseleitung sind über ein Speisenetzwerk amplituden- und phasenrichtig zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengeschaltet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Antennensystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches mit geringerem Aufwand realisierbar ist.
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Gelöst wird die erstgenannte Aufgabe durch ein Antennensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Antennensystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen und eine Steuereinheit zur Steuerung der Antennen. Die Einzelantennen sind untereinander derart verschaltet, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind. Dabei weist jede Einzelantenne eine Richtcharakteristik auf, bei welcher der Antennengewinn im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel ist und bei welcher der Antennengewinn bezogen auf den Elevationswinkel eine Hauptkeule im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad besitzt.
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Der Antennengewinn weist also ein globales Maximum bei Werten des Elevationswinkels zwischen 20 und 40 Grad auf. Der Wertebereich des Elevationswinkels zwischen 20 und 40 Grad wird im Folgenden auch als Hauptstrahlrichtung bezeichnet.
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Vorzugsweise beträgt der Antennengewinn der Einzelantennen für alle Werte des Elevationswinkels im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad mindestens 3 dBi. Die Antennenenergie ist dann vorteilhaft auf die Hauptstrahlrichtung gebündelt.
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Vorzugsweise beträgt der Antennengewinn der Einzelantennen für alle Werte des Elevationswinkels im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad mindestens 5 dBi. Die Antennenenergie ist dann besonders vorteilhaft auf die Hauptstrahlrichtung gebündelt.
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Vorzugsweise sind die Einzelantennen derart ausgelegt, dass der Antennengewinn für alle Werte des Elevationswinkels, die deutlich außerhalb des Wertebereichs zwischen 20 und 40 Grad liegen, insbesondere für alle Nebenkeulen unterhalb von -3 dBi liegt. Auch dies stellt ein Charakteristikum der vorteilhaften Bündelung der Antennenenergie auf die Hauptstrahlrichtung dar. Die Formulierung „deutlich außerhalb“ soll Werte des Elevationswinkels ausschließen, die nahe an der Hauptstrahlrichtung liegen und bei denen die angegebene Schwelle von -3 dBi aufgrund des typischerweise stetigen Verlaufs des Antennengewinns über dem Elevationswinkel überschritten ist.
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Vorzugsweise sind die Einzelantennen derart ausgelegt, dass der Antennengewinn für alle Werte des Elevationswinkels, die deutlich außerhalb des Wertebereichs zwischen 20 und 40 Grad liegen, insbesondere für alle Nebenkeulen unterhalb von -5 dBi liegt. Die Antennenenergie ist dann besonders vorteilhaft auf die Hauptstrahlrichtung gebündelt.
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Durch die Erfindung ist die Richtcharakteristik der Einzelantennen gegenüber bekannten Systemen in verbessertem Maße an den zu erwartenden Empfangsfall angepasst bzw. für diesen optimiert. Da sich die Richtcharakteristik des gesamten Antennensystems aus der Richtcharakteristik des Arrays, d.h. der Verschaltung und Steuerung der Einzelantennen, und aus der Richtcharakteristik der Einzelantennen zusammensetzt, ist somit auch die Richtcharakteristik des Antennensystems entsprechend verbessert bzw. optimiert. Gegenüber herkömmlichen Antennensystemen ist somit eine geringere Anzahl von Einzelantennen erforderlich, um bestimmte System-Spezifikationen zu erfüllen. Bei unveränderter Anzahl von Einzelantennen sind verbesserte Empfangsergebnisse erzielbar.
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Wird ein kostengünstiges Antennensystem angestrebt, so ist die Anzahl an Antennen im Array möglichst klein zu halten. Der erzielbare Gewinn eines Arrays wächst langsamer als linear, während Kosten und Komplexität stärker als linear mit der Anzahl der Einzelantennen wachsen.
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Wird ein Antennensystem mit reduzierter Anzahl von Einzelantennen angestrebt, so ist die Anzahl der Einzelantennen vorzugsweise kleiner oder gleich 26 zu wählen. So kann unter Anwendung der Erfindung mit geringem Aufwand und kostengünstig ein Antennensystem für den hochqualitativen Empfang an einer Vielzahl von Einsatzorten bereitgestellt werden.
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Besonders vorteilhaft kann ein Antennensystem mit nicht mehr als 16 Einzelantennen sein. Selbst bei solch geringer Anzahl von Einzelantennen kann unter Anwendung der Erfindung mit entsprechend geringem Aufwand und besonders kostengünstig ein Antennensystem für den hochqualitativen Empfang an vielen Einsatzorten bereitgestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung der Richtcharakteristik basiert auf den nachfolgend ausgeführten technischen Überlegungen. Diese betreffen überwiegend den besonderen Anwendungsfall des Empfangs von Satellitensignalen, beispielsweise Signale des Satellitenfernsehens, in Kraftfahrzeugen.
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Zum einen wird die Richtcharakteristik derart gestaltet, dass ein relevanter Antennengewinn im aufgrund der Natur des Anwendungsfalls zu fokussierenden Bereich von Elevationswinkeln gewährleistet ist. Zum anderen soll die Empfangsleistung unabhängig von der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs sein. Wegen des engen Zusammenhangs zwischen der Richtcharakteristik des gesamten Antennensystems und der Richtcharakteristik der Einzelantennen wird das Antennensystem erfindungsgemäß derart gestaltet, dass diese Vorgaben auch für jede Einzelantenne gelten.
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Fahrtrichtungsänderungen des Kraftfahrzeugs entsprechen Rotationen des Kraftfahrzeugs um die Fahrzeughochachse. Um Unabhängigkeit von der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs zu erreichen, muss die Richtcharakteristik der Einzelantennen rotationssymmetrisch zu einer Achse ausgeführt sein und diese Achse muss im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughochachse ausgerichtet werden. Um die Rotationssymmetrie zu gewährleisten, ist die Richtcharakteristik der Einzelantennen im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel. Hinsichtlich der Ausrichtung parallel zur Fahrzeughochachse wird im Folgenden von lagefest aufrecht an das Kraftfahrzeug montierten Einzelantennen ausgegangen.
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Um ein möglichst effizientes Antennensystem zu schaffen, wird der Neigungswinkel einer lagefest aufrecht an ein Kraftfahrzeug montierten Einzelantenne im Kraftfahrzeugbetrieb als weitgehend konstant vorausgesetzt. Starke Schwankungen des Neigungswinkels könnten lediglich durch starke Schwankungen des Nick- und/oder Rollwinkels des Kraftfahrzeugs verursacht werden. Diese Winkel sind jedoch in den meisten Geländeformen und bei normaler Fahrweise relativ geringen Schwankungen unterworfen. Es kann somit im einfachsten Fall von einer während des gesamten Fahrzeugbetriebs senkrecht stehenden Antenne ausgegangen werden. Sonderfälle, in welchen diese Annahme nicht zutrifft, werden erfindungsgemäß gezielt vernachlässigt, um ein verbessertes Antennensystem für Situationen bereitzustellen, die mit höherer Wahrscheinlichkeit bzw. Häufigkeit auftreten. Zudem weisen moderne Satellitendienste technische Maßnahmen auf, um kurze Empfangsstörungen zu kompensieren.
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Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Antennen-Array durch räumliche Verteilung der Einzelantennen im Wesentlichen in einer Ebene ausgedehnt ist, die derart lagefest am Kraftfahrzeug montiert ist, dass die Ausdehnungsebene sich bei eben stehendem Kraftfahrzeug im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche bzw. Fahrbahnebene erstreckt.
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Berücksichtigt wird ferner der Elevationswinkel der signalsendenden Satelliten. Für den Empfang der Signale von geostationären Satelliten in Europa und den USA beträgt der Elevationswinkel über dem Horizont zwischen 45 Grad in südlichen Regionen (z.B. in Patras, Griechenland) und 20 Grad in nördlichen Regionen (z.B. Oslo, Norwegen). In der Mehrzahl relevanter Anwendungssituationen sind somit Signale zu empfangen unter Elevationswinkeln, deren Werte zwischen 20 und 45 Grad liegen.
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In einer anteilig sehr großen Teilmenge der genannten relevanten Anwendungssituationen sind Satellitensignale zu empfangen unter Elevationswinkeln, deren Werte in einem engeren Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad liegen. Dementsprechend werden die Einzelantennen vorzugsweise derart gestaltet, dass der Antennengewinn ein globales Maximum aufweist bei Werten des Elevationswinkels im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad. Daraus ergibt sich, dass auch für das gesamte Antennensystem der höchste Antennengewinn für solche Werte des Elevationswinkels einstellbar ist.
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Andere Positionen des globalen Maximums innerhalb der Richtcharakteristik lassen sich durch Variation der Antennenabmessungen bzw. -parameter einfach einstellen. So kann die Hauptstrahlrichtung beispielsweise vom Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad des Elevationswinkels zum Wertebereich zwischen 25 und 45 Grad des Elevationswinkels verschoben werden.
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Eine Einzelantenne mit der gewünschten Richtcharakteristik entsprechend den obigen Anforderungen kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein.
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Bei einer ersten bevorzugten Variante der Erfindung ist jede Einzelantenne als Helixantenne im so genannten „conical mode“ ausgebildet.
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Gemäß einer zweiten, im Folgenden weiter betrachteten, bevorzugten Variante der Erfindung ist jede Einzelantenne als verlängerter Monopol mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet. Die gewünschte Richtcharakteristik lässt sich auf diese Weise konstruktiv sehr einfach gewährleisten. Auch zur mechanischen Integration in ein Antennen-Array ist diese Gestalt einer Einzelantenne besonders geeignet.
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Durch die Länge des Monopols, d.h. die Länge von der an den Massering angrenzenden Massefläche bis zur Oberseite eines eventuellen Radoms, wird die Richtcharakteristik des verlängerten Monopols wesentlich beeinflusst. Die geeignete Festlegung dieses Parameters ist daher entscheidend für das Erreichen der gewünschten Richtcharakteristik. Insbesondere kann durch eine größer als bei einem Standard-Monopol - bei diesem ist die Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge - gewählte Länge des Monopols die Hauptstrahlrichtung der Einzelantenne beeinflusst werden. Diese Hauptstrahlrichtung ist bei einem verlängerten Monopol gegenüber der des waagrecht abstrahlenden Standard-Monopols nach oben (hin zu größeren Werten des Elevationswinkels) angehoben. Eine Bauweise des verlängerten Monopols mit kleiner Länge ist jedoch für den Einsatz im Kraftfahrzeug vorteilhaft, da der Einbau durch die geringere Länge erleichtert wird.
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Zur Reduktion der Länge bei dennoch angehobener Hauptstrahlrichtung kann insbesondere das Vorsehen der kapazitiven Endlast bzw. die Vergrößerung des Durchmessers derselben dienen.
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Vorzugsweise überschreitet die Länge des verlängerten Monopols mit kapazitiver Endlast und Massering nicht die 1,5-fache Wellenlänge der zu empfangenden Signale. Für den Empfang von Signalen im Ku-Band (10,7-12,75 GHz) liegt die Wellenlänge beispielsweise bei etwa 23,5 Millimetern bis 28 Millimetern, die Länge des verlängerten Monopols somit bei weniger als 35,25 Millimetern bzw. 42 Millimetern. Eine solch geringe Bauhöhe der Einzelantennen erlaubt die Integration in ein sehr flaches Antennen-Array und somit den problemlosen Einbau beispielsweise in ein Fahrzeugdach. Grundsätzlich wird jedoch auch ein Einbau in andere Karosserieteile durch die geringe Bauhöhe begünstigt.
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Vorteilhaft ist eine Festlegung der Länge des verlängerten Monopols in der Größenordnung der einfachen Wellenlänge der zu empfangenden Signale. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht die Festlegung der Länge des verlängerten Monopols im Wertebereich zwischen dem 0,9-fachen der Wellenlänge und der einfachen Wellenlänge vor. Diese besonders geringe Bauhöhe der Einzelantennen erlaubt die besonders einfache Integration in ein sehr flaches Antennen-Array und somit den besonders problemlosen Einbau beispielsweise in ein Fahrzeugdach.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jede Einzelantenne ausgebildet als verlängerter Monopol der Länge 27 Millimeter. Vorzugsweise wird das aus solchen Einzelantennen aufgebaute Antennen-Array verwendet, um Signale im Frequenzband des Satellitenfernsehens von größer als 10,7 GHz zu empfangen. Bezogen auf Signale mit 10,7 GHz besitzt der verlängerte Monopol dann eine Länge, die gleich dem 0,96-fachen der Wellenlänge der zu empfangenden Satellitensignale ist.
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Bei Einsatz in anderen Frequenzbereichen wird die Länge des verlängerten Monopols vorzugsweise proportional zur Wellenlänge variiert.
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Die Richtcharakteristik der als verlängerter Monopol mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildeten Einzelantennen hängt neben der oben genannten Länge des Monopols wesentlich von den weiteren geometrischen Parametern
- - Durchmesser der Endlast,
- - Innendurchmesser des Masserings und
- - Höhe des Masserings
ab.
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Durch die geometrischen Parameter Länge des Monopols und Durchmesser der Endlast lassen sich in erster Linie Elevationswinkel und Gewinn einstellen, während der Innendurchmesser und die Höhe des Masserings geeignet gewählt sein müssen, damit der Massering die ansonsten abgestrahlte Bodenwelle unterdrückt und die dort unterdrückte Energie der Hauptstrahlrichtung zuführt.
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Die genannten Parameter sind linear abhängig von der Wellenlänge der Betriebsfrequenz, daher kann die dargestellte Geometrie der Einzelantennen für nahezu beliebige Frequenzen eingesetzt werden, wenn die Einzelantennen entsprechend linear skaliert werden.
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Die Länge des verlängerten Monopols wird, wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise orientiert an der einfachen Wellenlänge der zu empfangenden Signale. Diese Verlängerung trägt bei zu einer leicht gegenüber der Waagrechten (Elevationswinkel gleich 0) nach oben (hin zu größeren Werten des Elevationswinkels) gerichteten Hauptstrahlrichtung.
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Die Länge des verlängerten Monopols ist vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Durchmesser der Endlast zu betrachten. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Endlast wirkt wie eine weitere Verlängerung der Länge des verlängerten Monopols. Das Vorsehen einer Endlast mit größerem Durchmesser ermöglicht bei unveränderter Hauptstrahlrichtung somit eine flachere Bauweise der Einzelantennen. Ein Optimum des Durchmessers der Endlast kann simulativ bestimmt werden. Vorzugsweise wird der Durchmesser der Endlast auf einen Wert eingestellt, der die Antenneneffizienz nicht wesentlich reduziert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Endlast einen Durchmesser auf, der das 0,36-fache der Wellenlänge beträgt. Dies entspricht beim Empfang von Signalen der Frequenz 10,7 GHz einem Durchmesser von 10 Millimetern.
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Der Innendurchmesser und die Höhe des Masserings können ebenfalls simulativ bestimmt werden. Sie sind vorzugsweise so festzulegen, dass die abgestrahlte Leistung bei einem Elevationswinkel gleich 0 und bei gleichzeitiger Maximierung des Gewinnes im Zielwinkelbereich möglichst gering ist. Für diese Anforderung ist ein Innendurchmesser von etwa einer halben Wellenlänge vorteilhaft. Bei diesem Verhältnis wird die gesamte Leistung, die ansonsten beim Wert 0 des Elevationswinkels abgestrahlt würde, an den Antennenport reflektiert. Die Höhe des Masserings sollte einen leicht zu fertigenden Wert nicht über- oder unterschreiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Massering einen Innendurchmesser von 0,5 Wellenlängen auf, dies entspricht beim Empfang von Signalen der Frequenz 10,7 GHz einem Innendurchmesser von 14 Millimeter. Die Höhe des Masserings beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 2 Millimeter.
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Alle Parameter (Länge, Durchmesser der Endlast, Innendurchmesser des Masserings und Höhe des Masserings) weisen erhebliche Abhängigkeit von den verwendeten Dielektrika auf. Hohe Werte der Permittivität verringern die Maße der Antenne, allerdings reduziert sich dabei auch der Antennenwirkungsgrad.
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Die Anordnung des Gewinnmaximums innerhalb der Richtcharakteristik bzw. der Wertebereich des Elevationswinkels, in dem das Gewinnmaximum liegt, kann bei einer solchen Ausbildung der Einzelantenne über den Durchmesser der Endlast und des Masserings gesteuert werden, ohne die Antennenlänge zu variieren. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen lassen sich die Einzelantennen für unterschiedliche Einsatzorte - und dementsprechend unterschiedliche Empfangswinkel - optimieren, indem das Gewinnmaximum durch entsprechende Dimensionierung der Durchmesser geeignet innerhalb der Richtcharakteristik eingestellt wird. Für unterschiedliche Einsatzorte optimierte Einzelantennen müssen sich dann nur in diesen Durchmessern unterscheiden. Antennen-Arrays für unterschiedliche Einsatzorte können somit im Wesentlichen gleichartig aufgebaut werden, was zu einem Aufwands- und Kostenvorteil bei der Herstellung führt. Denkbar ist auch die Modifikation der Einzelantennen eines vorhandenen Antennen-Arrays durch einfache konstruktive Maßnahmen, um dieses von einer Konfiguration, die für einen ersten Einsatzort optimiert ist, auf eine Konfiguration umzurüsten, die für einen zweiten Einsatzort optimiert ist. Dies kann beispielsweise durch einen Austausch der Endlasten und/oder Masseringe oder durch geeignete Aufsatzringe erfolgen.
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Um den verwendbaren Elevationswinkel zu erweitern, können unterschiedliche Einzelantennen mit Gewinnmaxima bei unterschiedlichen Werten des Elevationswinkels verwendet werden. So kann eine Eignung für ein breiteres Spektrum an Einsatzorten herbeigeführt werden bzw. auch bei größerem Nick- oder Rollwinkel des Kraftfahrzeugs ein guter Empfang gewährleistet werden. Dies ermöglicht einen großen Schwenkwinkel in der Elevation ohne relevante Gewinneinbußen. Wenn das Gewinnmaximum deutlich über 5dBi liegt, kann es variiert werden, ohne dass im Hauptfokus der nötige Antennengewinn unterschritten wird. Sind die verschiedenen Einzelantennen jeweils als verlängerter Monopol mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet, so erlaubt die trotz unterschiedlicher Gewinnmaxima ähnliche Gestalt (vgl. obige Beschreibung) der Einzelantennen - insbesondere die vorzugsweise trotz unterschiedlicher Gewinnmaxima identische Länge - eine unkomplizierte mechanische Integration solch unterschiedlicher Einzelantennen in ein gemeinsames Antennen-Array.
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Vorzugsweise sind in dem erfindungsgemäßen Antennen-Array die Einzelantennen als verlängerte Monopole mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet und diese verlängerten Monopole sind im Wesentlichen parallel senkrecht auf einer gemeinsamen im Wesentlichen ebenen Massefläche stehend angeordnet. Es ergibt sich dann eine besonders einfache und kostengünstig herstellbare Array-Geometrie.
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An der Oberseite der kapazitiven Endlast können die Einzelantennen durch ein gemeinsames Radom mechanisch gehalten und geschützt werden. Vorzugsweise sind die Einzelantennen bautechnisch in ein Antennenmodul mit einem im Wesentlichen parallel zu der im Wesentlichen ebenen Massefläche angeordneten Radom integriert. Ein solches Antennenmodul kann einfach, mechanisch robust, kompakt und kostengünstig gefertigt werden. Vorzugsweise wird es in solcher mechanischer Ausgestaltung gefertigt, dass es sich lagefest in einer entsprechend geformten Ausnehmung in einem Fahrzeugdach eines Kraftfahrzeugs montieren lässt. Dort kann es verklebt, verschraubt oder in sonstiger Weise befestigt werden.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen
- 1 die Abmessungen einer bevorzugten Ausführungsform einer Einzelantenne,
- 2 eine dreidimensionale Darstellung der Metallteile einer solchen Einzelantenne, jedoch ohne Radom und ohne Massefläche,
- 3 ein Richtdiagramm einer solchen Einzelantenne über dem Polarwinkel Theta,
- 4 eine dreidimensionale Darstellung des Richtdiagramms und
- 5 eine mögliche Arraygeometrie für die Einarbeitung in ein Fahrzeugdach.
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Ein Antennensystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Steuereinheit und eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen, die untereinander derart verschaltet sind, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind. Als Steuereinheit kann dabei beispielsweise ein Signalprozessor dienen. Die Steuerung der Einzelantennen im Antennen-Array erfolgt in an sich bekannter Weise gemäß einem „Digital Beam Forming“ oder „Phased Array“-Verfahren.
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Für den Empfang geostationärer Satelliten in Europa bzw. den USA beträgt der Elevationswinkel über dem Horizont zwischen 45 Grad im Süden und 20 Grad im Norden. Anders als bei herkömmlichen Antennensystemen werden daher vorliegend keine omnidirektionalen Einzelantennen verwendet, sondern Einzelantennen mit relevantem Gewinn zwischen 20 Grad und 45 Grad Elevation. Fokussiert werden Anwendungsfälle, in welchen der Elevationswinkel zwischen 20 und 40 Grad liegt. Die Einzelantennen sind derart ausgelegt, dass dort der größte Antennengewinn zur Verfügung steht. Bei Variation des Azimutwinkels weisen die Einzelantennen gleichmäßigen Gewinn auf, um Fahrtrichtungsunabhängigkeit zu gewährleisten.
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Im vorliegenden Beispiel sind die Einzelantennen als verlängerte Monopole mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet. Diese Variante einer Einzelantenne erlaubt eine besonders geringe Bauhöhe eines Antennen-Arrays. Eine Einzelantenne dieser Art kann entsprechend den durch die Anwendung vorgegebenen Kriterien für den Empfang von Signalen im Frequenzband des Satellitenfernsehens von größer als 10,7 GHz derart dimensioniert werden, dass sich eine Höhe der Einzelantenne von 27 Millimetern ergibt.
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Das Antennen-Array umfasst mehrere im Wesentlichen parallel stehend auf einer gemeinsamen Massefläche angeordnete Einzelantennen dieser Art. An der Oberseite sind die Einzelantennen von einem gemeinsamen Radom bedeckt und gehalten. Das Antennen-Array kann somitgemessen von der Massefläche bis zur Oberseite des Radoms - im Wesentlichen dieselbe Bauhöhe aufweisen wie die Einzelantennen. Diese extrem geringe Bauhöhe ermöglicht auch den Einsatz in Kraftfahrzeugen - insbesondere integriert in das Fahrzeugdach - ohne Beeinträchtigung des Designs.
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1 zeigt die Abmessungen eines als Einzelantenne verwendeten verlängerten Monopols 2 mit kapazitiver Endlast 3 und Massering 4. Die in 1 eingetragenen Maße sind in Mikrometern bemessen. Der Durchmesser der kapazitiven Endlast 3 beträgt also 10 Millimeter, der Außendurchmesser des Masserings 4 beträgt 16 Millimeter und der Innendurchmesser des Masserings 4 beträgt 14 Millimeter.
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2 zeigt eine nicht bemaßte dreidimensionale Darstellung der Metallteile 2,3,4 einer solchen Einzelantenne, jedoch ohne Radom und ohne Massefläche.
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3 zeigt ein Richtdiagramm einer solchen Einzelantenne über dem Polarwinkel Theta. In senkrechter Richtung ist der jeweilige auf einen Isotropstrahler bezogene Antennengewinn in dBi aufgetragen. In waagrechter Richtung ist der Polarwinkel Theta aufgetragen, der gleich dem negativen Wert des Elevationswinkels plus 90 Grad ist. Das Diagramm von 3 zeigt, dass der Antennengewinn für alle Werte des Polarwinkels zwischen 50 und 70 Grad (und somit für alle Werte des Elevationswinkels zwischen 20 und 40 Grad) mindestens 5 dBi beträgt.
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4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Richtdiagramms. An der rotationssymmetrischen Gestalt des Richtdiagramms ist erkennbar, dass der Antennengewinn im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel ist.
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5 zeigt eine mögliche Geometrie eines insgesamt 37 Einzelantennen umfassenden hexagonalen Antennen-Arrays für die Einarbeitung in ein Fahrzeugdach.
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Der Einsatz von Antennen mit optimal geformter Richtcharakteristik verringert die Anzahl notwendiger Antennen auf ein Minimum. Auch eine eventuelle mechanische Nachführung entfällt. Die Anzahl der Einzelantennen in einem Antennen-Array kann durch die Verwendung von Einzelantennen mit einem Gewinn von 5 dBi bis zu sogar 7 dBi im Bereich von 20 bis 40 Grad Elevation (vgl. 3 und 4) gegenüber herkömmlichen Antennensystemen für den Satellitenempfang in Kraftfahrzeugen um einen Faktor von etwa 2 bis 4 reduziert werden.
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Bei gleicher technischer Leistungsfähigkeit ist ein erfindungsgemäßes Antennensystem somit sowohl einfacher herzustellen als auch mit geringerem Aufwand zu betreiben als herkömmliche arraybasierte Antennensysteme für den Satellitenempfang in Kraftfahrzeugen. Eine hohe Anzahl an Antennen lässt die Komplexität des Systems bekanntlich schneller steigen als die Anzahl der Antennen selbst. Aus der durch die Erfindung verringerten Anzahl der erforderlichen Einzelantennen resultiert also auch im Hinblick auf die Komplexität des Systems eine Reduktion der Kosten gegenüber bekannten Systemen. Die Reduktion des Aufwands für Signalpfad, Empfang und Kalibrierung liegt in exemplarisch betrachteten Anwendungsfällen in einer Größenordnung von 80% gegenüber herkömmlichen Antennen-Arrays.
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Zudem lässt sich die Anzahl der Antennen durch die Verwendung der idealen linearen Polarisation nochmals um den Faktor 2 gegenüber der gebräuchlichen Kreispolarisation - in herkömmlichen Systemen werden zirkular polarisierte Patch-Antennen verwendet - senken.
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Um einen in bestimmten Spezifikationen für den Satellitenempfang geforderten Gewinn des gesamten Antennensystems von 19 dBi zu erreichen, genügen in Nord- und Südeuropa (d.h. bei einem „worst case“ des Elevationswinkel von etwa 20 Grad oder etwa 40 Grad und somit bei einem „worst case“ des Antennengewinns der Einzelantennen von 5 dBi) demnach beispielsweise 26 Einzelantennen (10^[(19 dBi - 5 dBi) / 10] = 25,12). Dieser Berechnung liegt zugrunde, dass der Gesamtgewinn des Antennen-Arrays sich additiv zusammensetzt aus dem Antennengewinn der Einzelantennen und dem Arraygewinn. Es wird angenommen, dass der Arraygewinn linear mit der Anzahl der Antennen zunimmt bzw. logarithmisch bemessen um etwa 3 dBi mit jeder Verdopplung der Antennenanzahl.
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In Mitteleuropa (d.h. bei einem Elevationswinkel von etwa 30 Grad und somit bei einem Antennengewinn der Einzelantennen von 7 dBi, vgl. 3) sind sogar nur 16 Einzelantennen (10^[(19 dBi - 7 dBi) / 10] = 15,85) ausreichend.
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Im quadratischen Array mit 36 Elementen würde also ein Gewinn des Antennensystems von 20,5 dBi erreicht werden, im hexagonalen Array mit 37 Elementen, vgl. 5, ein Gewinn von 20,6 dBi. Im Hinblick auf die Integration solcher Antennen-Arrays in ein Kraftfahrzeug ist ein hexagonales Array in der Regel besser geeignet für gleichbleibend hochqualitativen Empfang unabhängig von der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs. Ein quadratisches Array ist in der Regel baulich einfacher zu integrieren.