Leistungsträger auf der Fahrzeugscheibe

Fahrgäste eines Bremer Taxis konnten im Jahr 1952 eine ganz besondere technologische Innovation bestaunen: zur Fahrzeugausstattung zählte das erste in Deutschland dokumentierte Autotelefon. Neben dem außergewöhnlichen Gewicht von 16 Kilogramm ist aus heutiger Sicht vor allem das Preis-/Leistungsverhältnis schwer nachvollziehbar. Mit 15.000 Mark kostete das Gerät ungefähr dreimal so viel wie seinerzeit ein fabrikneuer Kleinwagen. Telefonate waren jedoch leider nur innerhalb des Bremer Stadtgebietes möglich.

Was in der Rückschau kurios wirkt, zeigt zugleich die hohe Leistungsfähigkeit heutiger Technologien. Reibungslose Telefonate weit über die Stadt- und Landesgrenzen hinaus sind dabei nur eine von vielen Selbstverständlichkeiten. Mit dem Start der LTE-Einführung steht seit 2010 deutschen Autofahrern eine breitbandige Zugangstechnologie zur Verfügung, die Funktionen wie Video-Streaming und IP-Radio perfekt unterstützt. Für neue Kommunikations- und Unterhaltungsmöglichkeiten während der Fahrt wird die Erweiterung LTE-Advanced sorgen.

Hirschmann Car Communication

Neue Installationsflächen erschließen

Mit der Anzahl der Kommunikationsdienste im Fahrzeug steigt auch der Bedarf an Antennen. Schnelle LTE-Verbindungen, IP-Radio, IP-TV, Telefon- und Datendienste für Software-Updates benötigen hohe Datengeschwindigkeiten von aktuell bis zu 50 Mbit/s beim Empfang. Um dies zu bewältigen, greifen Automobilhersteller in der Regel auf zwei Optionen zurück: Zum einen auf Außenantennen, etwa in einer Haifischflosse auf dem Dach montiert, zum anderen auf integrierte Antennen wie Folienantennen, die sich in Komponenten wie Spoiler, Stoßfänger oder dem Außenspiegel verbauen lassen.

Allerdings nimmt die Verfügbarkeit von Bauräumen, besonders für den zunehmenden Bedarf an Mobilfunkantennen, etwa für eCall oder Car-to-x-Funktionalitäten, immer mehr ab, sodass neue Flächen wie die Fahrzeugscheiben für die Integration der Antennen erschlossen werden müssen. Genau das ermöglicht die transparente Folienantenne von Hirschmann. Sie lässt sich nahezu unsichtbar auch auf Flächen mit schwierigen Design-Anforderungen wie etwa dem Seitenfenster im Fahrzeug platzieren und eignet sich für den Frequenzbereich von 100 MHz bis 6 GHz.

So lassen sich jetzt auch die Fahrzeugscheiben unscheinbar als Trägerflächen für Mobilfunkantennen nutzen: Bislang war der herkömmliche Scheibensiebdruck für Telefonantennen nur bedingt geeignet, da eine breitbandige Telefonantenne flächige Strukturen enthält. Diese Flächen sollten im Sichtbereich mit möglichst feinen Gitterstrukturen gefüllt sein, um optisch nicht aufzufallen. Doch solche Feinlinien lassen sich mit den heutigen Prozessen in der Glasindustrie nicht beziehungsweise nur schwer fertigen. Viele Scheibenvarianten mit aufwendigem Fertigungsverfahren würden zudem die Produktions- und Logistikkosten der Fahrzeughersteller erhöhen.

Auch das Thema Sicherheit lässt sich durch Einsatz der transparenten Folienantenne optimieren: Sind die Antennen per Siebdruck direkt auf die Scheibe aufgebracht, ist die Telefonfunktionalität bereits bei einem leichten Crash mit Scheibenbruch nicht mehr sichergestellt. Die neue transparente Folienantenne kann im gleichen Szenario – ähnlich wie eine Splitterschutzfolie – den Scheibenverbund erhalten, sodass man mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Notruf absetzen kann.

Ob der Einsatz einer transparenten Folienantenne im Vergleich zu gängigen Antennenvarianten in Frage kommt, können OEM anhand von drei Aspekten prüfen: dem Materialeinsatz, den Designanforderungen und dem Konstruktionsprozess.

Materialeinsatz

Klassische Folienantennen basieren auf einer leitfähigen Silberpaste, die mit einem Siebdruckverfahren auf das Folienmaterial aufgebracht wird. Bei diesem additiven Prozess lassen sich weit verzweigte oder verstreute Antennenstrukturen auf einer Trägerfolie realisieren. Die PET-Trägerfolie der neuen, transparenten Version ist zwischen 100 und 175 µm dick, benötigt aber deutlich weniger Silber, denn um optimale Transparenz zu realisieren sind die Linienbreiten kleiner als 100 µm.

Designanforderungen

Hirschmann Car Communication

Der optimale Platz für Antennen ist per se knapp. Zwar erschließt bereits die Folienantenne neue Bauräume, aber auch diese muss diverse Designanforderungen erfüllen. Ein gutes Beispiel sind die Außenspiegel, in denen man sowohl die Folienantenne als auch einen Antennenverstärker unterbringen kann. So verfügen zum Beispiel der VW T5 und T6 über ein modulares Antennensystem, bei dem alle Dienste AM/FM/TV/DAB und selbst GPS sowie Telefon in den Außenspiegeln integriert sind. Trotz enger Platzverhältnisse und Designaspekte passt sich die Folienantenne der Form des Außenspiegels an.

Die transparente Folienantenne eröffnet für alle Fahrzeugtypen neue Einbaumöglichkeiten, da sie zum Beispiel fest verbaute Seitenscheiben oder kleine Dreiecksscheiben im Frontbereich als Integrationsfläche erschließt. Die Mindestgröße ist abhängig von der größten Wellenlänge des Dienstes. Völlig unsichtbar ist die Antenne dabei allerdings nicht, denn je nach Verbau auf oder in der Scheibe sind Umrisskonturen und das Layout mehr oder weniger sichtbar. Gegenüber herkömmlichen Folienantennen steigt ihre Transparenz jedoch von etwa 40 % auf mehr als 80 %. Der Flächenbedarf der Folie beträgt im Falle einer LTE-Antenne für den Frequenzbereich 698 MHz bis 2,69 GHz ungefähr 50 cm². Allerdings benötigt die Antenne eine Freifläche (Fläche ohne Metallteile der Fahrzeugkarosserie) von zirka 300 cm² zur Installation. Eine V2X-Antenne sollte unter anderem möglichst räumlich entkoppelt von der Telefonantenne sein. Da beide Dienste senden und empfangen, ergibt sich hieraus eine erhebliche Pegeldynamik. Ohne Berücksichtigung der Entkopplung beider Dienste liegt der Flächenbedarf in diesem Fall bei etwa 60 cm².

Bei der Verbauung beziehungsweise der Verklebung sind nur wenige Besonderheiten zu berücksichtigen. So muss die beklebte Fläche auf einer Fahrzeugscheibe frei von eingeschlossenen Luftblasen sein. Außerdem ist ein Bauraum im Anschlussbereich vorzuhalten, um so die Verbindung der transparenten Folienantenne mit dem Kabelbaum zu ermöglichen. Dies sollte aus Designgründen nicht im sichtbaren Bereich sondern hinter der Verkleidung erfolgen. Für diese Schnittstelle ist Platz in den Abmessungen einer HF-Steckverbindung oder eines Kabelanschlusses erforderlich. Wie die klassische Folienantenne wird auch die transparente Folienantenne über eine Crimp-Verbindung an die nachgeschalteten Antennenkomponenten wie etwa Verstärker angeschlossen und über Koaxialkabel mit dem Empfangsgerät verbunden. Wichtig ist, dass Druck- und Verbindungstechnik mechanisch und elektrisch aufeinander abgestimmt sind.

Konstruktionsprozess

Soll eine transparente Folienantenne über die Fahrzeugscheibe die gewohnten Kommunikationsdienste zur Verfügung stellen, dann hat das verschiedene Implikationen für die Fahrzeugkonstruktion. Vorteilhaft ist, dass lange Werkzeug-Erstellzeiten, zum Beispiel für Kunststoffgehäuse, entfallen. Zudem sind dank der hohen Flexibilität des Materials Änderungen bereits ab dem Entwicklungsprozess leichter umsetzbar. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass bei der transparenten Antenne auch manchmal eine transparente 50-Ohm-Speiseleitung auf der Folie erforderlich ist. Diese ist aufgrund der kleinen Fertigungstoleranzen schwerer zu fertigen als bei der konventionellen Antenne, bei der das Koaxialkabel bis zum Fußpunkt geht. Falls sich der Antennenfußpunkt im Sichtbereich befindet, muss das Koaxialkabel bei transparenten Folienantennen durch eine ebenfalls gedruckte transparente 50-Ohm-Speiseleitung ersetzt werden. Zur Minimierung der Kosten sollte diese 50-Ohm-Speiseleitung so kurz wie möglich sein, um eine optimale Anordnung der Antennen auf dem Druckbogen sicherzustellen.

Gedruckte Elektronik eröffnet weitere Spielräume

Neue druckbare Elektronikkomponenten sorgen in den nächsten Jahren für weitere Verbesserungen: Einfache Bauelemente wie etwa Widerstände, Spulen und Kapazitäten lassen sich bereits heute direkt auf Folien drucken. Eine gedruckte Verlängerungsspule für die Antenne zur Abstimmung der Resonanzfrequenz ist bereits erfolgreich in einem Prototyp im Einsatz. Auch einen Antennenverstärker direkt auf die Folie zu applizieren, ist keine Zukunftsmusik mehr. Wenn Folienantennen direkt mit SMD-Bauteilen bestückt werden können, ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten und Produkte. Überall dort, wo Elektronik weit verstreut durch lange Leiterbahnen verbunden sein muss, haben bedruckte Folien das Potenzial, konventionelle Konzepte zu verdrängen – und zwar genauso wie Mobiltelefone und immer kleinere Smartphones das erste 16-kg-Autotelefon verdrängten.

(av)