DE69512865T2

DE69512865T2 - Scheibenantenne

Info

Publication number: DE69512865T2
Application number: DE69512865T
Authority: DE
Inventors: Gerd Sauer
Original assignee: Saint Gobain Vitrage SA
Current assignee: Saint Gobain Vitrage SA
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1995-06-15
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2015-06-16
Also published as: JPH09502073A; EP0713611A1; EP0713611B1; WO1995034921A1; DE4420903C1; ES2139905T3; DE69512865D1; US5760744A

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenscheibe mit einem Antennenelement und einer mit Masse verbundenen Gegenelektrode. Das Antennenelement befindet sich auf der nach außen gewandten Oberfläche eines flächigen ersten Dielektrikums, im Inneren der Antennenscheibe, während die Gegenelektrode auf der gegenüberliegenden Oberfläche dieses ersten Dielektrikums angeordnet ist. Ein zweites Dielektrikum mit einer geringeren Dielekrizitätskonstante oder Permittivität als der von Glas ist zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe angeordnet.
Dieser Antennentyp eignet sich für das Senden oder Empfangen von Radiowellen mit Frequenzen oberhalb von 300 MHz. Als stationäre Antennen oder als Fahrzeugantennen finden sie Anwendung insbesondere für den Funktelefonverkehr im Digital-Netz, für den digitalen Satelliten-Rundfunk, oder als Empfangsantenne für ein Satelliten-Positionssystem wie GPS (Global Position System) zur Ermittlung der jeweiligen Position eines Fahrzeugs. Um störungsfrei zu arbeiten, müssen sie schmalbandig ausgeführt und sehr genau abgestimmt sein. Diese Eigenschaft dürfen sie auch bei störenden Umwelteinflüssen nicht verlieren. Sie müssen deshalb gegenüber verstimmenden oder dämpfenden Verunreinigungen und Umwelteinflüssen geschützt sein.
Bei einem in der Patentanmeldung DE 38 34 075 A1 beschriebenen Antennentyp ist ein zweites Dielektrikum zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe angeordnet, um Umwelteinflüsse auf das Antennenelement zu minimieren.
Bei einer solchen Antennenscheibe kann das zweite Dielektrikum aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. In einer ersten Ausführungsform dient das die Einzelglasscheiben einer Verbundglasscheibe miteinander verbindende Polyvinylbutyral als zweites Dielektrikum. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird auf dem Antennenelement eine großflächige Kunststoff-Platte als zweites Dielektrikum angeordnet. Diese Druckschrift offenbart außerdem eine Ausführungsform, bei der das zweite Dielektrikum eine durchgehende Ausnehmung der äußeren Einzelglasscheibe einer Verbundglasscheibe einnimmt. Bei all diesen Ausführungsformen wird die Antennenscheibe auf ihrer gesamten nach außen gerichteten Oberfläche mit einem massiven Bauteil, das aus dem zweiten Dielektrikum gebildet wird, in unmittelbaren mechanischen Kontakt gebracht.
Auch diese bekannte Antennenstruktur zeigt noch eine gewisse Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse und verstimmt sich insbesondere bei Benetzung der Glasscheibe mit Regenwasser oder Luftfeuchtigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ausführung einer Antennenscheibe der gattungsgemäßen Art zu schaffen, deren Resonanzfrequenz noch weniger durch auf der Scheibe befindliche Feuchtigkeit verstimmt wird und so einen guten Antennenwirkungsgrad und eine hohe Nachbarkanaldämpfung für schmalbandige Antennen zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Antennenscheibe, in der das Antennenelement von der nach innen weisenden Oberfläche einer die Antennenscheibe bildenden Glasscheibe durch eine ein zweites Dielektrikum bildenden Luftschicht getrennt ist. Die Erfindung sieht also vor, die Antennenscheibe so aufzubauen, daß sich zwischen der äußeren Glasscheibe und dem Antennenelement ein Luftspalt befindet. Das Antennenelement ist noch besser gegen Feuchtigkeit isoliert, mit der die Außenseite der Glasscheibe in Berührung kommt, und die einen besonders stark verstimmenden Einfluß hat, sowie gegen dämpfende Verunreinigungen.
Das Antennenelement kann auf die erfindungsgemäße Weise sowohl auf einer monolithischen Glasscheibe als auch auf einer Verbundglasscheibe angeordnet sein.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen aus Verbundglas bestehenden Antennenscheibe, bei der wenigstens zwei Glasscheiben durch eine thermoplastische Folie miteinander verbunden sind, zeichnet sich dadurch aus, daß der Luftspalt durch einen ausgehöhlten Bereich oder eine Ausnehmung der thermoplastischen Folie gebildet wird.
Eine erste Ausführungsform kann dabei so gestaltet sein, daß das Antennenelement innerhalb der Ausnehmung der thermoplastischen Folie auf der im eingebauten Zustand nach außen weisenden Oberfläche der inneren Glasscheibe im Inneren der Verbundscheibe angeordnet ist. Bei diesem Aufbau bildet die innere Glasscheibe der Verbundscheibe das zwischen dem Antennenelement und der Gegenelektrode liegende erste dielektrische Material.
Eine andere Ausführungsform, bei der die Luftschicht durch eine Ausnehmung der thermoplastischen Folie gebildet wird, kann so gestaltet sein, daß das Antennenelement auf der nach innen (das heißt zum Fahrgastraum des Fahrzeugs) weisenden Oberfläche der inneren Glasscheibe angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Herstellung der Antennenscheibe deutlich vereinfacht wird. Es ist zwar notwendig, bei der Herstellung der Verbundglasscheibe eine Ausnehmung in der thermoplastischen Folie zu bilden, doch kann die Montage des Antennenelements selbst auf der Innenseite der inneren Glasscheibe zu einem späteren Zeitpunkt nach der Fertigstellung der Verbundglasscheibe erfolgen.
Während es bei den bekannten Antennenscheiben notwendig ist, auf beiden Seiten der großflächigen Glasscheibe eine elektrisch leitfähige Struktur aufzubringen, ermöglicht es die Erfindung, den Antennenleiter, das zwischen dem Antennenleiter und der Gegenelektrode befindliche Dielektrikum und die Gegenelektrode selbst auf einer einzigen Seite der Glasscheibe anzuordnen.
Die Herstellung der Antennenstruktur kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Siebdruck. Besonders zweckmäßig ist es aber, an der Stelle, an der sich die Ausnehmung der thermoplastischen Folie befindet, auf der nach innen gewandten Seite der inneren Glasscheibe ein vorgefertigtes, mehrschichtiges Bauteil, das die Antennenstruktur trägt, aufzukleben.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe hat folgende Besonderheit: das Antennenelement ist durch einen Abstandshalter mit der inneren Seite der inneren Glasscheibe verbunden. Auf diese Weise wird eine Luftschicht zwischen der inneren Glasscheibe und dem aus dem Antennenelement, dem ersten Dielektrikum und der daran anschließenden Gegenelektrode bestehenden Antennenbauteil gebildet. Sämtliche für die Empfangsqualität verantwortlichen Antennenteile sind auf diese Weise durch ein dielektrisches Material in dem Raum getrennt, was sie vor störenden Umwelteinflüssen schützt. Bei dieser Ausführungsform kann das Antennenbauteil auch auf einer monolithischen Glasscheibe angeordnet sein. Bei der Gestaltung als Verbundglasscheibe kann diese wiederum an der Position des Antennenelements eine Ausnehmung im thermoplastischen Material aufweisen, so daß in diesem Fall durch eine doppelte Luftschicht die Entkopplung noch wirkungsvoller ist. Der Abstandshalter und die Antennenstruktur können aus einem vorgefertigten Bauteil bestehen, das auf die für die Innenseite vorgesehene Glasscheibe aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache und schnelle Montage der Antennenstruktur auf der Glasscheibe. Diese Ausführungsform bietet außerdem einen vollständigen Schutz des Antennenelements vor störenden Umwelteinflüssen und gewährleistet so eine größtmögliche Frequenzstabilität.
Die Form und die Abmessungen des Antennenleiters und der Gegenelektrode richten sich nach der jeweils verwendeten Sende- und Empfangsfrequenz sowie nach der Polarisation der Wellen. Das bedeutet, daß der Antennenleiter im Fall linear polarisierter Wellen die Form eines schmalen Streifens hat, während er im Fall zirkular polarisierter Wellen, wie sie z. B. im GPS-System zur Anwendung kommen, eine flächige Form mit etwa gleichen Abmessungen in allen Richtungen aufweisen soll. Die Lage des Fußpunkts wird entsprechend der gewünschten Impedanz des Antennenfußpunkts gewählt. Bei den verwendeten Frequenzen haben die Antennenleiter Abmessungen in der Größenordnung von einigen Zentimetern. Die Abmessungen der Gegenelektrode sollen in jedem Fall deutlich größer sein als die des Antennenleiters.
Weitere Vorteile, zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
Von den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen Schnittansicht einer Verbundglasscheibe mit einem zwischen den Glasscheiben liegenden Antennenelement;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Verbundglasscheibe mit auf der Innenseite angeordneter Antennenstruktur, und
Fig. 3 einen Schnittansicht einer monolithischen Glasscheibe mit einer im Abstand von dieser angeordneten Antennenstruktur.
Die in Fig. 1 im Schnitt gezeigte Verbundglasscheibe besteht aus zwei jeweils 2 mm dicken Einzelglasscheiben 1 und 2, die durch eine 0,76 mm dicke thermoplastische Folie 3, zum Beispiel aus Polyvinylbutyral, miteinander verbunden sind. Die Einzelglasscheibe 2 liegt nach Einbau der Verbundglasscheibe in ein Gebäude oder in ein Fahrzeug außen. Die thermoplastische Folie 3 ist in einem Teilbereich mit einer Ausnehmung 4 versehen. Innerhalb der Ausnehmung 4 ist auf der im eingebauten Zustand der Scheibe nach außen gewandte Oberfläche 6 der inneren Glasscheibe 1 ein metallisches Antennenelement 7 im Inneren der Verbundscheibe angeordnet. Die in der Ausnehmung 4 befindliche Luft ist ein ideales Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstanten (oder relativen Permittivität) von &epsi;r = 1,0006. Dieser mit Luft ausgefüllte, der Ausnehmung 4 entsprechende Zwischenraum zwischen dem Antennenelement 7 und der inneren Oberfläche 5 der Glasscheibe 2 bildet das zweite Dielektrikum. Eine metallische Gegenelektrode 9 ist auf der innenliegen den Oberfläche 8 der Glasscheibe 1 aufgebracht. Das Antennenelement 7 und die Gegenelektrode 9 können beispielsweise aus einer eingebrannten, elektrisch leitenden Siebdruckfarbe bestehen. Das Antennenelement 7 ist über einen durch eine Bohrung 11 in der Glasscheibe 1 hindurchgehenden Kontaktstift 12, der als Mittelleiter eines Koaxialkabelanschlußelements dient, mit einer (hier nicht dargestellten) elektronischen Schaltung verbunden. Das hohlzylindrische Anschlußstück 13 der Gegenelektrode 9 liegt an dem Kabelmantel.
Die durchgehende Bohrung 11 kann bei der unter Anwendung von Wärme und Druck erfolgenden Verbindung der thermoplastischen Folie 3 mit den Einzelglasscheiben 1 und 2 dem Druckausgleich innerhalb der Ausnehmung 4 dienen, so daß die Gefahr, daß die Glasscheiben durch den hohen Druck an dieser Stelle zerstört werden, hierdurch beseitigt ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Verbundglasscheibe besteht aus zwei durch eine thermoplastische Folie 23 miteinander verbundenen Einzelglasscheiben 21 und 22. Die Einzelglasscheibe 22 liegt im eingebauten Zustand der Verbundglasscheibe außen. Die thermoplastische Folie 23 ist auch hier mit einer Ausnehmung 24 versehen. Die durch die Ausnehmung 24 gebildete Luftschicht bildet das Dielektrikum zum Entkoppeln des Antennenleiters 27 von der inneren Oberfläche 25 der Glasscheibe 22.
Das Antennenelement 27 ist mittels einer Kleberschicht 26 auf der innenliegenden Oberfläche 28 der Glasscheibe 21 angeordnet. Die Gegenelektrode 29 ist durch das Dielektrikum 30 gegen das Antennenelement 27 isoliert. In dem Dielektrikum 30 ist eine durchgehende Bohrung 31 angebracht. Durch die Bohrung 31 führt ein das Antennenelement 27 mit einer (hier nicht dargestellten) elektronischen Verstärkerschaltung verbindender Kontaktstift 32. Die elektronische Schaltung ist über einer isolierenden Schicht auf der im eingebauten Zustand der Scheibe nach innen weisenden Oberfläche der Gegenelektrode 29 angeordnet. Die Gegenelektrode selbst ist über das hohlzylindrische Anschlußstück 33 und den Mantel des Koaxialkabels mit Masse verbunden.
Im Falle der in Fig. 3 dargestellten monolithischen Antennenscheibe ist ein Abstandshalter 43 über seine beiden Seitenflächen 44 und zwei Kleberschichten 45 mit der inneren Oberfläche 42 der Glasscheibe 41 verbunden. Das Antennenelement 47 sowie die Gegenelektrode 49 sind in Form metallischer Schichten auf dem Dielektrikum 50 aufgebracht und bilden mit diesem gemeinsam die Antennenstruktur, die als solche auf der Innenwand des Abstandshalters 43 angebracht ist.
Der Antennenleiter ist wie in den vorigen Beispielen durch einen durch eine Bohrung 51 in dem Dielektrikum 50 hindurchgehenden Kontaktstift 52, der als Mittelleiter eines Koaxialkabelanschlußelements dient, mit dem Stecker eines entsprechenden Anschlußkabels verbunden. Das Anschlußstück 53 zur Verbindung der Gegenelektrode 49 mit Masse durchdringt eine Bohrung 54 im Boden 48 des Abstandshalters 43.
Bei dieser Ausführungsform wird eine optimale Entkopplung der Antennenbestandteile gegen von außen einwirkende Umwelteinflüsse erreicht. Der ein ideales Dielektrikum darstellende Luftzwischenraum 46 entkoppelt das Antennenelement 47, sowie die Gegenelektrode 49 und das erste Dielektrikum 50 gemeinsam von störenden Umwelteinflüssen.
Mit einer derartigen Ausführungsform lassen sich auch größere Luftzwischenräume realisieren. Bei Abständen zwischen der Glasscheibenoberfläche 42 und dem Antennenelement 47 von 2 bis 3 mm läßt sich auch bei widrigsten Umwelteinflüssen eine hohe Frequenzstabilität erreichen.
Anstelle von Luft kann auch ein anderes Gas oder ein Schaummaterial, dessen Volumen vorwiegend aus Luft oder einem anderen Gas besteht, zum Füllen des Luftspaltes verwendet werden. Derartige Schaummaterialien eignen sich besonders, wenn ihr Volumen mindestens 95% enthält, so daß ihre relative Dielektrizitätskonstante (oder relative Permittivität Er) kleiner oder gleich 1, 1 ist.

Claims

1. Antennenscheibe mit einem Antennenelement und einer mit Masse verbundenen Gegenelektrode, wobei sich das Antennenelement in der Struktur der Antennenscheibe auf der nach außen gewandten Oberfläche eines flächigen ersten Dielektrikums und die Gegenelektrode sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche desselben Dielektrikums befindet, und wobei ein zweites Dielektrikum mit einer geringeren Dielektrizitätskonstante oder Permittivität als der von Glas zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dielektrikum eine Gasschicht, insbesondere eine Luftschicht ist, welche das Antennenelement (7; 27; 47) von der nach innen orientierten Oberfläche (5; 25; 42) einer wenigstens einen Teil der Antennenscheibe bildenden Glasscheibe (2; 22; 41) trennt.

2. Antennenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus wenigstens zwei durch eine thermoplastische Folie miteinander verbundenen Glasscheiben gebildet ist und daß die Gasschicht durch einen ausgehöhlten Bereich (4; 24) der thermoplastischen Folie (3; 23) gebildet wird.

3. Antennenscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (7) innerhalb des ausgehöhlten Bereichs (4) der thermoplastischen Folie (3) auf der nach außen weisenden Oberfläche (6) der inneren Glasscheibe (1) angeordnet ist.

4. Antennenscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (27) auf der nach innen weisenden Oberfläche (28) der inneren Glasscheibe (21) angeordnet ist.

5. Antennenscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Gasschicht (46) zwischen dem Antennenelement (47) und der inneren Oberfläche (42) der inneren Glasscheibe (41) durch einen Abstandshalter (43) gebildet ist.

6. Antennenscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (43) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und durch einen Kleber (45) mit der Glasscheibe (41) verbunden ist, und daß die das Antennenelement (47), ein Dielektrikum (50) und die Gegenelektrode (49) umfassende Antennenstruktur auf der zur Glasscheibe (41) orientierten Seite (48) des Abstandshalters (43) angeordnet ist.

7. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasschicht mit einem zu mindestens 95 Vol.-% aus Luft oder einem anderen Gas bestehenden Schaummaterial gefüllt ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Antennenscheibe aus mindestens zwei mittels einer thermoplastischen Folie durch Anwendung von Wärme und Druck verbundenen Einzelglasscheiben und einer ein Antennenelement und eine Gegenelektrode aufweisenden Antennenstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich der thermoplastischen Folie vor deren Zusammenlegen mit den Einzelglasscheiben im Bereich der Antennenstruktur ausgehöhlt wird, und daß vor dem Verbinden der thermoplastischen Folie mit den Glasscheiben in wenigstens eine dieser Glasscheiben ein Loch in den den ausgehöhlten Bereich überdeckenden Bereich der Glasscheibe gebohrt wird.