BESCHREIBUNG: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dachantenne für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper, eine Abdeckvorrichtung und eine Leiterplatte (PCB-Ebene).

In Zukunft soll der neue 5G Standard eine schnellere Datenübertragung, beispielsweise im Mobilfunknetz, ermöglichen. Derzeit werden Frequenzen bis 5 GHz genutzt. Bei steigender Frequenz sinkt jedoch die Reichweite der Wellenlängen. Jedoch bieten die höheren Frequenzbereiche den Vorteil, dass höhere Bandbreiten zur Verfügung stehen, die für eine schnelle Datenübertragung notwendig sind. Ein 5GHz-Netz mit einer Datenübertragungsrate von 10 oder 20 Gbit ist beispielsweise nur bei einem Frequenzband von 100 MHz möglich. Derartige Frequenzbereiche benötigen jedoch ein engmaschiges Netz an Funkmasten.

Mit einer mmWave-Technologie (Millimeterwellen-Technologie) sind Bandbreiten bis zu 400 MHz und Downlink-Übertragungsraten von > 2 Gbps möglich. Am besten geeignet ist die mmW-Technologie im 5G Mobilfunkstandard, um eine gute Abdeckung beispielsweise in Innenstädten zu erreichen. Bei elektromagnetischen Wellen ist die Freiraumdämpfung proportional zu 1/f ² , d. h., dass im mmW-Frequenzbereich (28GHz/39GHz) eine deutlich stärkere Dämpfung der Signale stattfindet.

Beispielsweise wird ein Signal bei 30 GHz gegenüber einem Signal bei 3 GHz um 20 dB (Faktor 100) stärker gedämpft. Die Signaldämpfung zwischen Sender und Empfänger mindert den Empfangspegel am Empfängereingang und mindert dementsprechend die Datenübertragungsrate.

Im Stand der Technik sind bereits Antennenmodule bekannt.

So ist aus dem Dokument DE 10 2009 038 150 B4 ein skalierbares Multiband-Antennenmodul mit mehreren Antennenelementen bekannt, die innerhalb einer metallischen oder einer nicht leitenden Kavität angeordnet sind.

Aus dem Dokument DE 10 330 087 B3 ist eine Multifunktionsantenne für ein Fahrzeug bekannt, die zumindest vier Antennen umfasst, wobei eine erste Antenne eingerichtet ist, ein Satellitensignal zu empfangen, eine weitere Antenne eingerichtet ist, ein terrestrisches Signal zu empfangen, eine weitere Antenne für den Mobilfunkbereich eingerichtet ist und eine weitere Antenne zur Ermittlung einer Geoposition eingerichtet ist.

Aus dem Dokument DE 10 2006 025 176 B4 ist ein Antennenmodul für ein Fahrzeug bekannt, das eine am Fahrzeugaußenraum auf einer ersten Trägerplatte angeordnete Antenneneinrichtung mit mehreren Antennen umfasst.

Aus dem Dokument DE 10 2009 051 605 A1 ist eine hochintegrierte Multiband-Finnenantenne für ein Fahrzeug bekannt.

Aus dem Dokument DE 102016006975 B3 ist eine Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die eine Schlitzantenne im Außenblech des Kraftfahrzeuges umfasst. Die Antennenanordnung umfasst ein Dachantennenmodul mit einer Kappe bzw. Gehäuse, einem Boden aus Metall und einer Steuerschaltung bzw. Leiterplatte im Gehäuse bzw. dazwischen. Der Boden berührt dabei das Dach in einem Auflagebereich A. Neben Antennen im Gehäuse wird eine Schlitzantenne im Außenblech des Dachs beschrieben, die von der Steuerschaltung angesteuert wird und Fahrgastinnenraum wie Umgebung ausleuchtet. Aus dem Dokument EP 1 863 119 A1 ist ein Antennenmodul für ein Fahrzeug bekannt, das einen oberen und unteren Teil sowie Antennen aufweist. Das Antennenmodul weist auf dem Fahrzeugdach ein externes Gehäuse in Form einer Finne mit einer Grundplatte aus Metall und einer darauf befestigten externen Leiterplatte und darauf befindlichen Antennen auf. Das Antennenmodul weist zudem ein internes Gehäuse mit einer Leiterplatte und darunter angeordneten internen Antennen auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antennenvorrichtung für hohe Frequenzen bereitzustellen, die eingerichtet ist, eine Freiraumdämpfung zu kompensieren, und gleichzeitig einen geringen Bauraumbedarf aufweist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Dachantenne für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper, eine Abdeckvorrichtung und eine Leiterplatte. In der Regel ist der Grundkörper als Träger für die Leiterplatte eingerichtet. Die Abdeckvorrichtung ist in der Regel als Antennenkappe ausgebildet, die die Leiterplatte abdeckt. Die Abdeckvorrichtung verschließt die Dachantenne und schützt diese vor äußeren Einflüssen. In der Regel ist die Abdeckvorrichtung eingerichtet, mit dem Grundkörper oder mit einer Dachebene des Fahrzeuges abzuschließen.

Erfindungsgemäß ist der Grundkörper metallisch, wobei zumindest eine mmWave-Antenne (Millimeterwellenspektrum-Antenne) zwischen dem metallischen Grundkörper und der Leiterplatte angeordnet ist. Dabei steht der Begriff mmWave-Antenne für Millimeterwellenspektrum-Antenne. Diese Art von Antennen sind unter anderem für die 5G-Nutzung im Frequenzbereich unter 6Ghz geeignet. Die Platzierung der mmWave- Antenne in der Dachantenne bietet dabei den großen Vorteil, dass die mmWave-Antenne eine ungestörte Sicht um das Auto (Bluetooth, LTE, Telefon, Standheizung) sowie in den Himmel (Satellitendienste) hat. Durch die Anordnung der mmWave-Antenne zwischen dem metallischen Grundkörper und der Leiterplatte wird zudem kein Bauraum zwischen der Leiterplatte und der Abdeckvorrichtung für die Platzierung der mmWave- Antenne benötigt. Durch die Platzierung der mmWave-Antenne zwischen dem Grundkörper und der Leiterplatte ist die mmWave-Antenne nicht direkt auf dem verlustbehaftetem Leiterplatten-PCB-Substrat angeordnet, wodurch die Effizienz der mmWave-Antenne nicht beeinträchtigt wird.

In einer Weiterbildung ist die zumindest eine mmWave-Antenne in den metallischen Grundkörper integriert ausgebildet ist. Optional weist der Grundkörper eine Grundebene auf, die zentral auf dem Grundkörper ausgebildet ist, wobei die zumindest eine mmWave-Antenne in die Grundebene des Grundkörpers integriert ausgebildet ist. Die Grundebene ist in der Regel als Erhebung des Grundkörpers ausgebildet. Dabei kann die Grundebene oval, rund oder eckig ausgeformt sein. Durch die integrierte Anordnung der mmWave-Antenne in dem metallischen Grundkörper wird kein zusätzlicher physikalischer Bauraum für die Platzierung der mmWave- Antenne benötigt. Durch die Platzierung der mmWave-Antenne in dem Grundkörper sind somit sowohl Gewicht als auch Kosten einsparbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Platzierung der mmWave- Antenne eine sehr gute galvanische Entkopplung der mmWave-Antenne von der Leiterplatte erreicht werden kann.

In Ausgestaltung ist der metallische Grundkörper als Zinkdruckgusskörper ausgebildet. Die Ausgestaltung des Grundkörpers aus Zink bietet den Vorteil, dass Zink nicht magnetisch ist. Optional ist der metallische Grundkörper aus einem anderen, insbesondere nicht magnetischen, leitfähigen Material, insbesondere Metall, ausgebildet.

In einer Weiterbildung sind zumindest zwei mmWave-Antennen in dem Grundkörper angeordnet. Für die Umsetzung des 5G-Standards mittels der mmWave-Antennen sind zumindest zwei, insbesondere mindestens drei mmWave-Antennen in der Dachantenne, insbesondere im Grundkörper, integriert angeordnet. Die mmWave-Antennen sind dabei in der Regel in Fahrtrichtung in dem Grundkörper der Dachantenne angeordnet. Alternativ sind die mmWave-Antennen quer zur Fahrtrichtung in dem Grundkörper der Dachantenne angeordnet. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist eine erste mmWave-Antenne in Fahrtrichtung angeordnet und eine zweite mmWave-Antenne quer zur Fahrtrichtung bzw. quer zur ersten mmWave- Antenne angeordnet.

In einer weiteren Weiterbildung sind die zumindest zwei mmWave-Antennen separat zueinander in dem Grundkörper angeordnet. In der Regel ist zumindest eine mmWave-Antenne auf einer Seite des Grundkörpers angeordnet, während eine weitere mmWave-Antenne auf einer gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers angeordnet ist. Die mmWave- Antennen weisen in der Regel eine unterschiedliche Ausgestaltung auf, insbesondere sind die mmWave-Antennen in der Regel für unterschiedliche Frequenzbereiche ausgestaltet. Ein Abstand zwischen einer ersten mmWave-Antenne und einer zweiten mmWave-Antenne in dem Grundkörper der Dachantenne beträgt in der Regel zwischen 25 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 28 mm und 29 mm.

In Ausgestaltung sind die mmWave-Antennen als Schlitzantennen ausgebildet. Die Verwendung von Schlitzantennen bietet den Vorteil, dass diese insbesondere für hohe Frequenzen eingerichtet sind. Zudem sind diese eingerichtet, hochfrequenten Wechselstrom und elektromagnetische Wellen ineinander umzuwandeln, sodass die Schlitzantennen sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt werden können. Durch die Integrierung der mindestens einen mmWave-Antenne in den Grundkörper beschränkt sich der Fertigungsaufwand der Dachantenne rein auf die Ankopplung der Schlitzantenne bzw. der Schlitzantennen und die Zinkdruckgusskörperbearbeitung.

In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 28 Ghz ausgelegt und eine zweite Schlitzantenne ist für eine Frequenz von 39 Ghz ausgelegt. Dies entspricht in der Regel einem Frequenzband für hohe Frequenzen über 6 GFIz für die USA. Bei der Nutzung von hohen Frequenzen über 6 GFIz, beispielsweise für die Nutzung im 5G Mobilfunkstandard, sind verschiedene Frequenzbänder verfügbar. Optional sind die Schlitzantennen für eine Frequenz zwischen 4 GFIz und 50 GHz, insbesondere zwischen 6 GHz und 40 Ghz eingerichtet, wobei durch eine Anpassung der Hohlleiter-Abmessungen (Höhe und Breite) die Einsatzfrequenzen einstellbar sind. Optional sind beide Antennen in einem gleichen Frequenzbereich betreibbar. Dies bietet den Vorteil, dass eine bessere Rundstrahlcharakteristik erzielbar ist. Beispielsweise sind beide Antennen optional für einen Frequenzbereich von 28 GHz eingerichtet.

In einer alternativen Ausgestaltung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 34 GHz ausgelegt und eine zweite Schlitzantenne für eine Frequenz von 38 GHz ausgelegt. Dies entspricht in der Regel einem Frequenzband für Europa. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 25 GHz ausgelegt und eine zweite Schlitzantenne für eine Frequenz von 28 GHz ausgelegt. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist eine erste Schlitzantenne für eine Frequenz von 31 GHz ausgelegt und eine zweite Antenne für eine Frequenz von 33 GHz ausgelegt.

In einer weiteren Weiterbildung sind die Schlitzantennen als Hohlleiter mit zumindest einem Schlitz ausgebildet, wobei ein Hohlleiter jeweils mit einem mmW-Signal (Millimeterwellen-Signal) der mmW-Antenne koppelbar ist, wobei zumindest einer der Schlitze der Schlitzantennen durch das mmW- Signal zum Strahlen anregbar ist. In der Regel ist ein Hohlleiter einer niedrigen Frequenz größer ausgestaltet als ein Hohlleiter einer höheren Frequenz.

In Ausgestaltung sind die Hohlleiter eingerichtet, mit einem Koaxialleitung oder einer Mikrostreifenleitung koppelbar zu sein. Durch das Ankoppeln der Hohlleiter mit dem mmWAve-Signal einer der mmWave-Antennen werden die Schlitze zum Stahlen angeregt.

In einer Weiterbildung sind zumindest zwei Schlitze einer Schlitzantenne zu einem Schlitzarray kombinierbar. Durch die Kombination mindestens zweier Schlitze zu einem Schlitzarray ist die Dachantenne skalierbar. Somit ist durch die Verwendung von Schlitzarrays ein skalierbares Antennenkonzept realisierbar. Das Zusammenschalten von mehreren einzelnen Schlitzstrahlern zu einem Schlitzarray erhöht den Antennengewinn (Richtwirkung und Wirkungsgrad der Antenne).

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben, wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dachantenne mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Grundkörpers,

Fig. 2a eine Draufsicht auf den - in Fig. 1 gezeigten - Grundkörper, Fig. 2b eine perspektivische Draufsicht auf den - in den Figuren 1 und 2a - gezeigten Grundkörper,

Fig. 3a ein Kurvendiagramm einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne,

Fig. 3b ein Kurvendiagramm einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne,

Fig. 4a eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne,

Fig. 4b eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne, Fig. 5 eine Ankopplung einer Schlitzantenne an eine Koaxialleitung,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers mit zwei Schlitzarrays, Fig. 7 eine Simulation von Richtcharakteristika eines Schlitzarrays.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dachantenne 10 mit einem erfindungsgemäßen Grundkörper 11. Die Dachantenne 10 ist auf einer Dachebene 20 eines - nicht gezeigten - Fahrzeuges angeordnet. Die Dachantenne 10 ist aus einem Grundkörper 11, eine auf dem Grundkörper aufliegenden Leiterplatte 13 und einer Abdeckungsvorrichtung 12 ausgebildet. Die Abdeckungsvorrichtung 12 ist dabei eingerichtet, die Leiterplatte 13 und den Grundkörper 11 aufzunehmen und gegenüber der Dachebene 20 abzuschließen. Die Leiterplatte 13 ist zwischen dem Grundkörper 11 und der Abdeckungsvorrichtung 12 ausgebildet.

Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf den - in Fig. 1 gezeigten - Grundkörper 11. Der Grundkörper 11 ist als Zinkdruckgusskörper ausgebildet. In der Figur 2a weist der Grundkörper 11 eine Grundebene 19 auf, wobei zwei mmWave- Antennen 14 (Millimeterwellenspektrum-Antennen) in der Grundebene 19 des Grundkörpers 11 integriert angeordnet sind. Die zwei mmWave- Antennen 14a und 14b sind separat voneinander angeordnet, wobei die mMWave-Antennen 14 in den Grundkörper 11 integriert ausgebildet sind. Die mmWave-Antennen 14a, 14b sind als Schlitzantennen 15a, 15b ausgebildet und weisen in der vorliegenden Ausführungsform jeweils einen Schlitz 17 auf. Der Schlitz 17 ist zum Strahlen ausgebildet. Die mmWave- Antennen 14a, 14b erstrecken sich in Fahrtrichtung. Alternativ können die mmWave-Antennen 14a, 14b auch quer zur Fahrtrichtung angeordnet sein.

In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste mmWave-Antenne 14a für einen Frequenzbereich von 28 GHz ausgelegt, während die zweite mmWave-Antenne 14b für einen Frequenzbereich von 39 GHz ausgelegt ist. Die erste und die zweite mmWave-Antenne 14a, 14b sind als Schlitzantennen 15a, 15b ausgebildet wobei die Schlitzantennen 15a, 15b, jeweils als Hohlleiter 16 ausgebildet sind. Figur 2b zeigt eine perspektivische Draufsicht auf den - in den Figuren 1 und 2a - gezeigten Grundkörper 11. Flervorgehoben sind die beiden als Schlitzantennen 15a, 15b ausgebildeten mmWave-Antennen 14a, 14b. Die Schlitzantenne 15a ist als Hohlleiter 16 ausgebildet, wobei der Hohlleiter 16 in der vorliegenden Ausführungsform rechteckig ausgebildet ist. Der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a für den Frequenzbereich 28GFIz weist eine Flöhe von 5 mm außen und 4 mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a in der Flöhe eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf. Der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a weist eine Breite von 8mm außen und 7mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der ersten Schlitzantenne 15a in der Breite eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf.

Der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b für den Frequenzbereich 39GFIz weist eine Flöhe von 3,30 mm außen und 2,30 mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b in der Flöhe eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf. Der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b weist eine Breite von 5,20 mm außen und 4,20mm innen auf. Somit weist der Hohlleiter 16 der zweiten Schlitzantenne 15b in der Breite eine Wanddicke von jeweils 0,5 mm auf. Die Ausmaße der jeweiligen Hohlleiter 16 sind variierbar, ebenso wie die jeweilige Wanddicke.

Figur 3a zeigt ein Kurvendiagramm einer Anpassung und

Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne. Dargestellt ist, dass bei einer Frequenz von 28 Ghz eine Magnitude von -14 db vorherrscht.

Figur 3b zeigt ein Kurvendiagramm einer Anpassung und

Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne. Dargestellt ist, dass bei einer Frequenz von 39Ghz eine Magnitude von -90 db vorherrscht.

Figur 4a zeigt eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 28 Ghz mmWave-Antenne. Gezeigt ist der Grundkörper 11 mit der Grundebene 19, sowie eine dreidimensionale Simulation eines Austritts des mmWave-Signals, dass durch die - nicht gezeigten - Schlitze der Schlitzantennen ausgestrahlt wird. Die Simulation zeigt verschiedene

Stärken des mmWave-Signals in dBi, die anhand von Punktwolken grafisch dargestellt sind. In einer Legende sind die zu einer jeweiligen Punktwolke maßgeblichen dBi Werte angegeben.

Figur 4b zeigt eine Simulation einer Anpassung und Richtcharakteristika einer 39 Ghz mmWave-Antenne. Gezeigt ist der Grundkörper 11 mit der Grundebene 19, sowie eine dreidimensionale Simulation des Austritts des mmWave-Signals, das durch die - nicht gezeigten - Schlitze der Schlitzantennen ausgestrahlt wird. Die Simulation zeigt verschiedene

Stärken des mmWave-Signals in dBi, die anhand von Punktwolken grafisch dargestellt sind. In einer Legende sind die zu einer jeweiligen Punktwolke maßgeblichen dBi Werte angegeben.

Figur 5 zeigt eine Ankopplung eines als Hohlleiter 16 ausgebildeten Schlitzarrays 21 an eine Koaxialleitung 18. Der Hohlleiter 16 ist dabei entsprechend der Ausführung der voranstehend beschriebenen - in den Figuren 2a und 2b gezeigten - Hohlleiter 16 ausgebildet.

Das Schlitzarray 21 weist in der vorliegenden Ausführungsform zumindest vier Schlitze 17 auf, die versetzt zueinander in dem Hohlleiter 16 ausgebildet sind. Gezeigt ist, dass die Koaxialleitung 18 über eine untere Seite des rechteckig ausgebildeten Hohlleiters 16 mit dem Schlitzarray 21 verbunden bzw. angekoppelt ist. Durch das Ankoppeln des Hohlleiters 16 mit dem mmW-Signal (Millimeterwellen-Signal) werden die Schlitze 17 zum Strahlen angeregt.

Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Grundkörpers 11 mit zwei Schlitzarrays 21. In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Schlitzarrays 21 separat zueinander in dem Grundkörper, insbesondere der Grundebene 19 des Grundkörpers 11 angeordnet bzw. intergiert ausgebildet. Ein Schlitzarray 21 weist dabei jeweils eine Länge von 50 mm auf und weist zumindest fünf Schlitze 17 auf, die versetzt zueinander in zwei Reihen angeordnet sind. Die Schlitzarrays 21 sind in einem Abstand von zumindest 28,50 mm zueinander in der Grundebene 19 ausgebildet. Die vorliegende Ausführungsform der Anordnung der Schlitzarrays 21 ist sowohl für Schlitzantenne für Frequenzen von 28GHz als auch für Schlitzantennen für Frequenzen von 39 Ghz geeignet.

Figur 7 zeigt zwei Simulationen von Richtcharakteristika eines Schlitzarrays 21. In der Figur 7 ist in jeder der Simulationen jeweils der Grundkörper 11 mit der Grundebene 19 dargestellt. Ausgehend von den Schlitzarrays 21 erstreckt sich jeweils das mmWave-Signal, das durch die Schlitze ausgestrahlt wird. Die Simulationen zeigen verschiedene Stärken des mmWave-Signals in dBi, die anhand von Punktwolken grafisch dargestellt sind. In einer jeweiligen Legende sind die zu einer Punktwolke maßgeblichen dBi Werte angegeben.

BEZUGSZEICHENLISTE.

10 Dachantenne

11 Grundkörper 12 Abdeckvorrichtung

13 Leiterplatte

14 mmWave-Antenne

14a, 14b erste und zweite mmWave-Antenne 15a, 15b erst und zweite Schlitzantenne 16 Hohlleiter

17 Schlitz

18 Koaxialleitung

19 Grundebene des Grundkörpers

20 Dachebene 21 Schlitzarray