Fahrzeuge kommunizieren zunehmend mit ihrer Umgebung. Sie sind nicht länger bloße Empfänger für Rundfunk, sondern tauschen aktiv Informationen mit ihrer Umgebung aus. Diese kommunikativen Vehikel, werden unsere Sichtweise von Fahrzeugen radikal ändern. Sie werden kooperatives Fahren ermöglichen und mobile Kommunikationsknoten für Telefonnetze werden; nicht länger sind sie bloß rollende Verbrennungsmotoren. Als technische Grundlage dafür wird Hardware zur mobilen, drahtlosen Kommunikation am Fahrzeug benötigt. Die kritischen Bauteile beim Entwurf dieser Funksysteme sind die Antennen, da diese an der Außenhaut des Fahrzeugs angebracht werden müssen und damit in Wechselwirkung mit dem Fahrzeugdesign treten. Diese Dissertation behandelt den Einfluss von kohlefaserverstärktem Kunststoff auf Fahrzeugantennen und die Entwicklung einer Antennenvertiefung für Fahrzeuge. Gemeinsam sichern diese beiden Untersuchungen ausreichend Bauraum für Antennen in kommunikativen Fahrzeugen in Leichtbauweise. Da elektrisch betriebene Fahrzeuge zunehmend mit Karosserien aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt werden, muss der Einfluss solcher Materialien auf Fahrzeugantennen untersucht werden. Materialproben werden in Rechteckhohlleitern gemessen und die Materialeigenschaften mit der Nicolson-Ross-Weir Methode geschätzt. Die Messergebnisse zeigen, dass die elektrischen Leitfähigkeiten von CFK mit Köperbindung und CFK mit Faserschnipseln auf der Oberfläche im untersuchten Frequenzbereich um die 6 GHz annähernd isotrop sind. Das motiviert den Einsatz von, aus Wiederverwertungsprozessen gewonnen, Kohlenstofffasern. Nachhaltige Materialien sind im vorliegenden Fall auch für Antennenanwendungen optimal. Der Wechsel von Metall- zu CFK-Karosserien beeinflusst vor allem die derzeit in der Automobilbranche verwendeten Monopolantennen, da diese Karosserieteile als Masseflächen nutzen. Sowohl schmalbandige als auch breitbandige Monopolantennen werden auf unterschiedlich ausgeführten Masseflächen aus CFK gemessen. Eine Vertiefung für Fahrzeugantennen wird entworfen, gefertigt, gemessen und evaluiert. Die Vertiefung ist größer als derzeit verwendete Haifischflossenantennenmodule, kann als Teil der Karosserie gefertigt und in dieser verdeckt werden. Als Beweis für die fertigungstechnische Realisierbarkeit für elektrische Autos wird ein Prototyp aus kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Um die antennentechnische Umsetzbarkeit zu prüfen, werden mehrere Antennen in der Vertiefung gemessen und evaluiert. Darunter sind eine Monopolantenne und eine invertierte-F Antenne, welche als laserstrukturierte Spritzgussbauteile gefertigt sind, eine breitbandige konische Monopolantenne und intelligente Antennen mit rekonfigurierbaren Richtcharakteristiken. Detaillierte messtechnische Untersuchungen der Antennen in der Vertiefung zeigen, dass das Konzept funktioniert. Einflüsse der Vertiefung auf die Funktionsweise der Antennen werden ebenfalls mit Messungen untersucht. Vor allem bei Frequenzen im hohen einstelligen Gigahertzbereich, wo die Vertiefung elektrisch groß ist, zeigen sich starke Beeinflussungen der Antennen.
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Vehicles increasingly communicate with their surrounding environment. They are no longer mere receptors of radio broadcasts, but actively exchange information with their surroundings. These communicative vehicles will radically change our view on transportation. They enable cooperative driving and are used as mobile access nodes for telecommunication networks – no longer just moving combustion engines. Extended radio frequency hardware is the technical basis for this increase in wireless vehicular communication. The critical part of the communication system are the antennas, as they have to be placed outside the vehicles hull and therefore become interdependent with vehicle design. This dissertation examines the influence of carbon fiber reinforced polymer on vehicular antennas and the development of an antenna cavity for vehicles. Together these findings secure enough construction space for antennas in future light-weight constructed vehicles. Electric cars are increasingly constructed with chassis made from Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). This requires the characterization of these materials for vehicular antennas. Material samples are measured inside rectangular waveguides and the material parameters are estimated with the Nicolson-Ross-Weir method. Measurement results show, that the elec- tric conductivity of CFRP with twill-weave and CFRP with fiber shreds on the surface are approximately isotropic in the investigated frequency range around 6 GHz. This motivates the use of recycled CFRP. Sustainable materials are in this case also optimal for antenna applications. The transition from metal to CFRP chassis influences monopole antennas, which are currently widely used in automotive applications, as these antennas use chassis parts as ground plane. Both narrowband and wideband monopole antennas are measured on ground planes manufactured from different CFRP. A cavity for vehicular antennas is designed, manufactured, measured and evaluated. The cavity is larger than currently used roof-mounted shark-fin antenna modules and can be manufactured as part of the chassis and hidden therein. As proof that the production of such a cavity is realizable for electric cars, a prototype is built from CFRP. To show feasibility for antennas, several antennas are measured and evaluated inside the cavity. Investigated antennas include a monopole antenna and an inverted-F antenna, both manufactured as laser-structured injection molded parts; a broadband conical monopole antenna and intelligent antennas with reconfigurable radiation patterns. Detailed measurement based evaluations of the antennas inside the cavity show that the cavity concept is feasible. Influences of the cavity on the functionality of the antennas inside are also analyzed by measurement. Strong influences on the antennas occur at frequencies in the high single-digit gigahertz range, where the cavity is electrically large.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
