DE4420903C1 - Antennenscheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenscheibe mit einem Antennenelement und einer mit Masse verbundenen Gegenelektrode, wobei sich das Antennenelement auf der im eingebauten Zustand der Antennenscheibe nach außen gewandten Oberfläche eines flächigen ersten Dielektrikums, und die Gegenelektrode sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche dieses ersten Dielektrikums befinden, und zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe ein zweites Dielektrikum mit einer geringeren Dielekrizitätskonstante als Glas angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Antennenscheibe.

Antennen dieser Art eignen sich als Sende- oder Empfangsantennen für den Funkbetrieb im Mikrowellenbereich 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.

Zur Minimierung von Umwelteinflüssen auf das Antennenelement ist bei einer aus der DE 38 34 075 A1 bekannten Antennenscheibe zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe ein zweites Dielektrikum angeordnet. Bei dieser bekannten 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 das Antennenelement eine großflächige Kunststoff-Platte als zweites Dielektrikum angeordnet. Außerdem ist aus dieser Druckschrift eine Ausführungsform bekannt, bei der das zweite Dielektrikum formschlüssig in eine durchgehende Ausnehmung der äußeren Einzelglasscheibe einer Verbundglasscheibe eingesetzt ist. Bei allen Ausführungsformen wird das Antennenelement auf seiner 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 weiterhin eine gewisse Abhängigkeit von Umwelteinflüssen und verstimmt sich insbesondere bei Benetzung der Glasscheibe mit Wasser bei Regen und Feuchtigkeit.

Aus der DE 40 19 268 A1 ist es bekannt, eine Kraftfahrzeugscheibe als Zweischeiben-Isolierglaseinheit mit einem luftgefüllten Zwischenraum auszubilden und sowohl mit einem elektrischen Heizfeld als auch mit AN- und FM-Antennenelementen zu versehen, wobei die Antennenelemente auf der inneren oder auf der äußeren Glasscheibe angeordnet sein können.

Zum Stand der Technik gehört es ferner, bei der Herstellung von Verbundglasscheiben mit in der thermoplastischen Zwischenschicht angeordneten Heiz- oder Antennenleitern eine der beiden Glasscheiben der Verbundglasscheibe mit einer Bohrung für die Durchführung des elektrischen Anschlusses zu versehen (DE 40 16 449 A1). Die Bohrung kann dabei vor oder nach dem Verbindeprozeß angebracht werden.

Bei der Druckanwendung während des Verbindeprozesses sind bei diesem bekannten Verfahren die Glasscheiben durch den hohen Druck nicht gefährdet, weil der Zwischenraum zwischen den Glasscheiben durch die thermoplastische Zwischenschicht vollständig ausgefüllt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Scheibenantenne der gattungsgemäßen Art weiter dahingehend zu verbessern, daß die Resonanzfrequenz noch weniger durch auf der Scheibe befindliche Feuchtigkeit verstimmt wird und schmalbandige Antennen mit einem guten Antennenwirkungsgrad und hoher Nachbarkanaldämpfung ermöglicht werden. Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen verbesserten Scheibenantenne geschaffen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Antennenscheibe dadurch, daß das zweite Dielektrikum zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe von einem weitgehend mit Luft oder einem anderen Gas gefüllten spaltartigen Hohlraum gebildet wird.

Die Erfindung sieht also vor, die Antennenscheibe so aufzubauen, daß sich zwischen der äußeren Glasscheibe und dem Antennenelement ein Luftspalt befindet. Das Antennenelement ist dadurch von Feuchtigkeit, mit der die Außenseite der Glasscheibe in Berührung kommt und die einen besonders stark verstimmenden Einfluß hat, sowie von dämpfenden Verunreinigungen noch weitgehender entkoppelt.

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 Hohlraum durch 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 angeordnet ist. Bei diesem Aufbau bildet die innere Glasscheibe der Verbundglasscheibe das zwischen dem Antennenelement und der Gegenelektrode liegende erste Dielektrikum.

Eine andere Ausführungsform, bei der der Luftspalt durch eine Ausnehmung der thermoplastischen Folie gebildet wird, kann so gestaltet sein, daß das Antennenelement auf der nach innen, das heißt zum Fahrgastraum 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 der bekannten Ausführungsform notwendig ist, auf beiden Seiten der großflächigen Glasscheibe eine elektrisch leitfähige Struktur aufzubringen, ermöglicht es diese Ausführungsform, alle Arbeitsvorgänge zum Aufbringen des Antennenleiters, des zwischen dem Antennenleiter und der Gegenelektrode befindlichen Dielektrikums und der Gegenelektrode nur auf einer einzigen Seite der Glasscheibe vorzunehmen.

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, auf zukleben.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe zeichnet sich dadurch aus, daß das Antennenelement durch einen Abstandshalter mit der inneren Seite der inneren Glasscheibe verbunden ist. Auf diese Weise wird der Luftspalt zwischen der inneren Glasscheibe einerseits 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 sowohl räumlich als auch dielektrisch von störenden Umwelteinflüssen abgetrennt. 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 einen doppelten Luftspalt die Entkopplung noch wirkungsvoller ist.

Der Abstandshalter und die Antennenstruktur können aus einem vorgefertigten Bauteil bestehen, das auf die als Innenscheibe 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.

Form und Abmessungen des Antennenleiters und der Gegenelektrode richten sich nach der jeweils verwendeten Sende- und Empfangsfrequenz sowie nach dem Polarisationszustand der Wellen. Das bedeutet, daß der Antennenleiter im Fall linear polarisierter Wellen die Form eines schmalen Streifens, und 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 ausschnittsweisen Querschnitt einer Verbundglasscheibe mit einem zwischen den Glasscheiben liegenden Antennenelement;

Fig. 2 einen Querschnitt einer Verbundglasscheibe mit auf der Innenseite angeordneter Antennenstruktur, und

Fig. 3 einen Querschnitt einer monolithischen Glasscheibe mit einer im Abstand von dieser angeordneten Antennenstruktur.

Bei der in Fig. 1 ausschnittsweise gezeigten Verbundglasscheibe sind zwei jeweils 2 mm dicke Einzelglasscheiben 1, 2 durch eine 0,76 mm dicke thermoplastische Folie 3 zum Beispiel aus Polyvinylbutyral miteinander verbunden. 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 angeordnet. Die in der Ausnehmung 4 befindliche Luft ist ein ideales Dielektrikum mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r = 1,0006. Der mit Luft ausgefüllte, der Ausnehmung 4 entsprechende Zwischenraum zwischen dem Antennenelement 7 und der inneren Oberfläche 5 der Glasscheibe 2 bildet das zweite Dielektrikum. Auf der innenliegenden Oberfläche 8 der Glasscheibe 1 ist eine metallische Gegenelektrode 9 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 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 zum 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, 22. Die Einzelglasscheibe 22 liegt im eingebauten Zustand der Verbundglasscheibe außen. Die thermoplastische Folie 23 ist wiederum mit einer Ausnehmung 24 versehen. Der durch die Ausnehmung 24 gebildete Luftspalt bildet das Dielektrikum zur Entkopplung des Antennenleiters 27 von der inneren Oberfläche 25 der Glasscheibe 22.

Das Antennenelement 27 ist gemeinsam mit der Kleberschicht 26 auf der im eingebauten Zustand 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 nicht dargestellten elektronischen Verstärkerschaltung verbindender Kontaktstift 32. Die elektronische Schaltung ist über eine isolierende 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.

Bei der in Fig. 3 dargestellten monolithischen Antennenscheibe ist mit der inneren Oberfläche 42 der Glasscheibe 41 ein Abstandshalter 43 über seine Seitenflächen 44 und Kleberschichten 45 verbunden. Das Antennenelement 47 sowie die Gegenelektrode 49 sind in Form von metallischen 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 Volumenanteil vorwiegend aus Luft oder einem anderen Gas besteht, zur Füllung des Luftspaltes verwendet werden. Derartige Schaummaterialien eignen sich besonders, wenn bei ihnen der Luftanteil mindestens 95 Vol.-% beträgt, so daß ihre relative Dielektrizitätskonstante ε_r 1,1 ist.

Claims (7)

1. Antennenscheibe mit einem Antennenelement und einer mit Masse verbundenen Gegenelektrode, wobei sich das Antennenelement im eingebauten Zustand der Antennenscheibe auf der nach außen gewandten Oberfläche eines flächigen ersten Dielektrikums, und die Gegenelektrode sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche dieses ersten Dielektrikums befinden, und zwischen dem Antennenelement und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe ein zweites Dielektrikum mit einer geringeren Dielektrizitätskonstante als Glas angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Dielektrikum zwischen dem Antennenelement (7; 27; 47) und der äußeren Oberfläche der Antennenscheibe von einem weitgehend mit Luft oder einem anderen Gas gefüllten spaltartigen Hohlraum (4; 24; 46) gebildet ist.

2. Antennenscheibe nach Anspruch 1 aus Verbundglas, bei der wenigstens zwei Glasscheiben durch eine thermoplastische Folie miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum durch eine Ausnehmung (4; 24) der thermoplastischen Folie (3; 23) gebildet wird.

3. Antennenscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (7) innerhalb der Ausnehmung (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 einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (46) dadurch gebildet wird, daß das Antennenelement (47) durch einen Abstandshalter (43) mit der inneren Oberfläche (42) der inneren Glasscheibe (41) verbunden 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 eine das Antennenelement (47), ein Dielektrikum (50) und die Gegenelektrode (49) aufweisende Antennenstruktur auf der auf die Glasscheibe (41) weisenden Fläche (48) des Abstandshalters (43) angeordnet ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Antennenscheibe aus Verbundglas, bei dem zwei Einzelglasscheiben über eine thermoplastische Folie unter Anwendung von Wärme und Druck miteinander verbunden werden, und eine ein Antennenelement und eine Gegenelektrode aufweisende Antennenstruktur mit der im eingebauten Zustand der Verbundglasscheibe nach innen weisenden Einzelglasscheibe verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusammenlegen der thermoplastischen Folie mit den Einzelglasscheiben im Bereich der Antennenstruktur eine Ausnehmung in der thermoplastischen Folie gebildet wird, und daß vor dem Verbinden der thermoplastischen Folie mit den Glasscheiben in wenigstens eine der Glasscheiben in dem die Ausnehmung überdeckenden Bereich der Glasscheibe eine durchgehende Bohrung angebracht wird.