DE10045634B4 - Resonante Antenne für eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Resonante Antenne für eine Steuereinrichtung für Kraftfahrzeuge zur Datenübertragung über eine hochfrequente Funkverbindung mit einer elektromagnetischen Hochfrequenz-Übertragungseinrichtung, die zumindest teilweise auf einer flächigen Leiterplatte (2) mit Leiterbahnanordnungen (3) aufgebaut ist, wobei an diese Leiterbahnanordnungen (3) die resonante Antenne als langgestreckter λ/2- Antennenbügel (4) mit ihren beiden Enden anschließbar und mit Abstand von der Leiterplatte (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenbügel (4) mäanderartig gefaltet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft resonante Antenne für eine Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Datenübertragung über eine hochfrequente Funkverbindung, die eine elektromagnetische Hochfrequenz-Übertragungseinrichtung umfasst, die zumindest teilweise auf einer flächigen Leiterplatte mit Leiterbahnanordnungen aufgebaut ist, wobei an diese Leiterbahnanordnungen eine resonante Antenne angeschlossen ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE 198 57 191 A1 bekannt ist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der Antenne nach Anspruch 8.
• Ein Datenaustausch über eine drahtlose Verbindung ist beispielsweise bei sogenannten Keyless Entry-/Keyless Go-Systemen von Kraftfahrzeugen erforderlich, dabei handelt es sich um automatisierte Zugangsberechtigungssysteme, bei denen eine im Kraftfahrzeug integrierte Steuereinheit über eine drahtlose Verbindung mit Authentifizierungseinrichtungen kommunizieren kann, die ein befugter Benutzer mit sich führt, beispielsweise in Forme eines elektronischen Identifizierungsmoduls. Registriert die Kraftfahrzeug-Steuereinrichtung die Annäherung einer Person mit einem Identifizierungsmodul, erfolgt eine wechselseitige Datenübertragung zur Authentifizierung. Ist diese positiv, gibt die Steuereinrichtung die Fahrzeugtüren ohne Benutzung eines Schlüssels frei (Keyless Entry) und erteilt eine Startfreigabe für das Fahrzeug ebenfalls ohne manuelle Betätigung eines Schlüssels (Keyless Go).
• Der Datenaustausch zwischen der Steuereinrichtungen und dem Identifizierungsmodul erfolgt über hochfrequente elektromagnetische Signale. Diese werden von einer Hochfrequenz-Übertragungseinrichtung über eine Antenne empfangen bzw. abgestrahlt. Während bekannte Hochfrequenz- Übertragungseinrichtung in Kraftfahrzeugen, wie Radioempfänger, Navigationssystem, Funksprechgeräte, Mobiltelefone und dergleichen gut mit auf der Außenseite der Fahrzeuge angebrachten Antennen betrieben werden können, welche zumeist als Monopol- oder Dipol-Antennenanordnungen ausgeführt sind, ist dies bei Keyless Entry-/Keyless Go-Systemen nicht ohne Probleme möglich. Dabei muß nämlich eine sichere Funk-Datenübertragung sowohl dann gewährleistet sein, wenn sich ein Benutzer mit einer Identifizierungseinheit außerhalb des Fahrzeugs befindet, als auch, wenn die Person sich im Fahrzeuginnenraum aufhält. Wegen der Abschirmwirkung der Fahrzeugkarosserie wäre dies mit außen angebrachten Monopol- und Dipol-Antennen nicht ohne weiteres realisierbar, zumal diese relativ empfindlich bezüglich elektrischer Störfeldstärken sind. Eine Integration derartiger Antennenanordnungen im Fahrzeuginnenraum wird auch dadurch erschwert, dass die Eigenresonanz und der Fußpunktwiderstand je nach Anwesenheit von Dielektrika oder Leitern in Antennennähe erheblich variieren.
• Robuster gegenüber elektrisch Störfeldstärken sind magnetische Loopantennen. Diese sind allerdings in den Frequenzbereichen von Keyless Go-Systemen, die beispielsweise im Bereich von 868 Mhz liegen, relativ schwierig zu handhaben. Die Abstimmung ist nämlich maßgeblich von einer Zusatzkapazität abhängig, die bereits durch ihre Temperaturabhängigkeit die Eigenresonanz der Antenne beeinträchtigen kann. Mechanische Deformationen bewirken ebenfalls eine unerwünschte Verschiebung der Eigenresonanz.
• Diese Nachteile können durch sogenannte Ganzwellenschleifenantennen vermieden werden, die sich durch eine geschlossene elektrische Schleife mit einer Länge von k × λ (k = 1, 2, 3 ...; λ = Wellenlänge), und die nach der geometrischen Form der Schleife als quad, oblong, delta loop oder ring-beam bezeichnet werden. Allerdings sind diese Antennen bei einer Wellenlänge λ von 34,6 cm bei 868 MHz deutlich zu groß für eine Integration in das Steuergerät in Kraftfahrzeugen.
• Aus der Druckschrift mit der Veröffentlichungsnummer DE 198 57 191 A1 ist eine λ/2-Antenne bekannt, die eine von der Wellenlänge, auf die sie abgestimmt ist, abhängige Ausdehnung hat. Dadurch ist die Antenne insgesamt im Verhältnis großvolumig und für Anwendungen, bei denen es auf kleines Bauvolumen ankommt, wenig geeignet.
• Angesichts dessen liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine Ausgestaltung für eine Antenne anzubieten, welche gute Übertragungseigenschaften hat, relativ störunempfindlich ist und sich unproblematisch in die Steuereinrichtung eines Kraftfahrzeugs integrieren lässt. Dabei ist von einem elektrischen Aufbau auszugehen, bei dem die Schaltungselemente auf einer Leiterplatte aus Isolierstoff aufgebaut sind, welche in Form von Leiterbahnanordnungen ausgebildete Leitschichten umfasst.
• Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Antenne einen mit Abstand von der Leiterplatte angeordneten λ/2-Antennenbügel umfasst, von dem beide Enden mit der Leiteranordnung verbunden sind und dass der Antennenbügel mäanderartig gefaltet ist.
• Durch den erfindungsgemäßen Antennenbügel wird eine Halbwellenschleifenantenne realisiert, welche hinsichtlich ihrer Übertragungseigenschaften mit einer Ganzwellenschleifenantenne vergleichbar ist. Der Antennenbügel hat dabei eine elektrische Länge l = λ/2.
• Ein besonderer Vorteil gegenüber anderen Antennenbauformen sind die relativ kompakten Abmessungen. Dadurch lässt sich die Antenne ohne Probleme in den elektrischen Aufbau einer Kraftfahrzeug-Steuereinheit räumlich integrieren. Dies gilt insbesondere für einen Schaltungsaufbau auf einer Leiterplatte. Der erfindungsgemäße Antennenbügel kann dabei nämlich auf die prinzipiell gleiche Weise wie die übrigen elektronischen Bauelemente (integrierte Schaltkreise, Widerstände, Kondensatoren, etc.) elektrisch und mechanisch angeschlossen werden. Hierzu werden die in Form von Lötstiften ausgestalteten Enden des Antennenbügels mit der Leiteranordnung verlötet. Über die auf der Leiterplatte entlang laufenden Leiterbahnen wird die Halbwellenschleife dadurch elektrisch geschlossen, dass die von den Enden des Antennenbügels abgehenden Leiterbahnen so nahe beieinander enden, dass hochfrequenztechnisch eine offene Ringstruktur gebildet wird.
• Dadurch, dass sich der erfindungsgemäße Antennenbügel wie die übrigen Schaltelemente in den Leiterplattenaufbau integrieren lässt, wird die Herstellung gegenüber separat zu anbringenden und anzuschließenden Antennen erheblich vereinfacht.
• Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinrichtung kann samt der Antenne äußerst kompakt gestaltet werden. Dadurch, dass diese Bauform der Antenne relativ störunempfindlich ist und gute Übertragungseigenschaften aufweist, ist es problemlos möglich, die Steuereinrichtung als Bestandteil eines Keyless Entry-/Keyless Go-Systems im Fahrzeuginnenraum zu installieren, beispielsweise in einer Art Karosserieausbuchtung im Fahrer- oder Beifahrerfußraum. Dort ist gewährleistet, dass eine Identifizierungseinrichtung, welche von einer zur Fahrzeugbenutzung befugten Person mit sich geführt wird, von der Kraftfahrzeug-Steuereinrichtung zur Authentifizierung sicher erkannt werden kann, wenn sich die Person von außen dem Fahrzeug nähert und insbesondere auch innerhalb der Fahrgastzelle: Günstig ist in diesem Zusammenhang die gute Rundstrahlcharakteristik der erfindungsgemäßen Antennenanordnung.
• Eine besonders vorteilhafte Bauform sieht vor, dass der Antennenbügel sich flächig gefaltet erstreckt, bevorzugt mäanderartig. Durch die Faltung, beispielsweise in Form eines Mäanders, lässt sich bei einer gegebenen elektrischen Länge die Baulänge der Antenne erheblich verkürzen. Dies kommt einem besonders kompakten Aufbau zugute.
• Dadurch, dass der Antennenbügel, der die Form eines flächigen Mäanders hat, in einer Ebene senkrecht zur Leiterplatte steht, hat er eine besonders gute Empfangs- oder Abstrahlcharakteristik. Anders als bei einer in der Ebene der Leiterschicht der Leiterplatte liegenden Anordnung ist dabei die Abschirmwirkung durch die Leiterplatte geringer. Außerdem können dabei die Abmessungen der Leiterplatte kleiner ausfallen.
• Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Antennenbügel aus Blech besteht. Dies kann beispielsweise ein Zuschnitt aus Kupferblech oder versilbertem Kupferblech sein, der mäanderförmig ausgeschnitten ist. Ein derartiger Blechzuschnitt lässt sich als Stanz- bzw. Feinschneidteil mit hoher Präzision rationell fertigen.
• Der Antennenbügel ist, wenn er beispielsweise aus einem Blechstreifen besteht, bevorzugt entlang einer Längskante abgewinkelt. Diese Abkantung sorgt für eine Erhöhung der mechanischen Stabilität. Bei dem flächigen Mäander wird die Biegesteifigkeit in der Mäanderebene dadurch erheblich erhöht, dass die äußeren Mäanderbiegungen abgekantet werden. Die erhöhte mechanische Stabilität ist insofern vorteilhaft, als dass die Gefahr einer Verstimmung der Antenne durch mechanische Deformierung verringert wird.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Leiterplatte im Bereich des Antennenbügels eine flächige Leiterschicht aufweist. Durch diese flächig ausgeweitete Leiterbahn wird eine Massefläche ausgebildet. Der Schleifenanfang des Antennenbügels ist mit einem Antennenanschluss in der Nähe dieser Massefläche verbunden. Das Schleifenende wird direkt mit der Massefläche verbunden. Das hat den Vorteil, dass beim Betrieb als Halbwellenschleife sich der Spannungsbauch bzw. der Stromknoten in der elektrischen Mitte des Antennenbügels befindet und entsprechend Spannungsknoten und Strombäuche am Antennenbügelanfang- und ende. Dies führt zu einer relativ niederohmigen Anschlussimpedanz der Halbwellenschleife, so dass eine Leistungsanpassung an gängige Sender Ausgangs- bzw. Empfängereingangsimpedanzen problemlos möglich ist. Vorzugsweise ist diese Massefläche auf der Leiterplatte möglichst großflächig ausgeführt, so dass sich auf ihr keine wesentlichen Spannungsbäuche ausbilden können.
• Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Im einzelnen zeigen darin
• 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antenne in Querrichtung;
• 2 eine Seitenansicht der Antenne gemäß 1 in Längsrichtung;
• 3 eine Draufsicht auf eine Antenne gemäß 1 bzw. 2.
• In den Darstellungen von 1, 2 und 3 ist jeweils eine erfindungsgemäße Antennenanordnung als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen.
• Die Antennenanordnung 1 ist in eine Steuereinrichtung eines Kraftfahrzeugs integriert, welche auf einer flächig ausgedehnten Leiterplatte 2 aufgebaut ist. Dabei handelt es sich um eine Isolierstoffplatte, in der Regel faserverstärktes Epoxidharz oder dergleichen, welche auf ihrer Unterseite und/oder Oberseite mit aus einer Leiterschicht gebildeten Leiterbahnanordnungen 3 versehen ist. Damit sind elektronische Bauteile, wie integrierte Schaltkreise, Widerstände und Kondensatoren, die hier im einzelnen nicht dargestellt sind, gemäß der Schaltungsanordnung miteinander verbunden.
• Die Antennenanordnung weist einen Antennenbügel 4 auf, welcher durch einen mäanderförmig ausgeschnittenen Blechstreifen gebildet wird, beispielsweise aus Kupferblech. Die konkrete Ausformung dieses Mäanders ist besonders gut in 1 erkennbar, wobei 2 und 3 deutlich zeigen, dass dieser im wesentlichen in einer Ebene liegt, die im folgenden als Meander- oder Antennenebene bezeichnet wird.
• An seinen Enden läuft der Antennenbügel 4 in stiftförmige Lötfahnen 5 aus, welche durch Bohrungen in der Leiterplatte 2 hindurchgesteckt sind und auf der Unterseite mit der Leiterbahnanordnung 3 verlötet sind.
• Die Ausgestaltung des aus einem ebenen Blechstreifen gebildeten Antennenbügels 4 ist dadurch mechanisch stabilisiert, dass der Mäander oben und unten mit einer in Längsrichtung durchgehenden Abkantung 6 versehen ist, wie dies besonders deutlich in 2 erkennbar ist. Dadurch, dass diese Abkantungen räumlich quer zur Erstreckung des Mäanders stehen, ergibt sich eine deutlich verbesserte Biegesteifigkeit und damit mechanische Stabilität des Antennenbügels 4.
• Die mit den Enden des Antennenbügels 4 verbundenen Leiterbahnanordnungen 3 enden in nahe beieinander liegenden Antennenanschlüssen 7.
• In 3 ist anhand der gestrichelt eingezeichneten Leiterbahnanordnung 3 deutlich erkennbar, wie diese im Bereich des Antennenbügels 4 mit einer flächigen Verbreiterung 3a versehen ist. Diese ist geerdet und bildet eine Massefläche.
• Das beispielhaft dargestellte Antennensystem ist beispielsweise einsetzbar für ein Funk-Übertragungssystem eines Kraftfahrzeug-Steuergeräts, welches im Frequenzbereich von 868 Mhz arbeitet. Durch den Antennenbügel 4 und die damit verbundenen Leiterbahnanordnungen 3 wird eine λ/2-Antenne gebildet für die Wellenlänge λ = 34, 6 cm. Dank der erfindungsgemäßen mäanderförmigen Faltung des Antennenbügels 4 ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung, deren Länge kleiner ist als λ/4. Dadurch, dass der mäanderförmige Antennenbügel mit Abstand entlang der Leiterplatte 2 bzw. der Leiterbahnanordnung 3 erstreckt, wobei die Mäanderebene senkrecht zur Leiterplattenebene steht, wird eine besonders günstige Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik erreicht. Damit ist eine derartige Antennenanordnung 1 besonders gut für die Datenübertragung per Funk in einem Keyless Entry-/ Keyless Go-System eines Kraftfahrzeugs geeignet, wobei der Antennenbügel 4 sich fertigungstechnisch besonders rationell in einen leiterplattenbasierten Schaltungsaufbau integrieren lässt.

Claims (8)

1. Resonante Antenne für eine Steuereinrichtung für Kraftfahrzeuge zur Datenübertragung über eine hochfrequente Funkverbindung mit einer elektromagnetischen Hochfrequenz-Übertragungseinrichtung, die zumindest teilweise auf einer flächigen Leiterplatte (2) mit Leiterbahnanordnungen (3) aufgebaut ist, wobei an diese Leiterbahnanordnungen (3) die resonante Antenne als langgestreckter λ/2- Antennenbügel (4) mit ihren beiden Enden anschließbar und mit Abstand von der Leiterplatte (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenbügel (4) mäanderartig gefaltet ist.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Antennenbügel (4) außerhalb der Ebene der Leiterplatte (2) erstreckt.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenbügel (4) sich flächig gefaltet erstreckt.
4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenbügel (4) etwa in einer Ebene senkrecht zur Leiterplatte (2) steht.
5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenbügel (4) aus Blech besteht.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenbügel (4) zumindest entlang einer Längskante (6) abgewinkelt ist.
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) im Bereich des Antennenbügels (4) eine flächige Leiterschicht (3a) aufweist.
8. Verwendung einer Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einer Steuereinrichtung für Kraftfahrzeuge zur Datenübertragung über eine hochfrequente Funkverbindung, welche eine elektromagnetische Hochfrequenz-Übertragungseinrichtung umfasst