DE19546010A1 - Combined flat antenna for vehicle global positioning system and mobile radio - Google Patents

Combined flat antenna for vehicle global positioning system and mobile radio

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Abstract

The antenna uses a stripline patch antenna (1a,3) for the global positioning system, provided by a dielectric plate with a partial metallisation and a mobile radio antenna, provided by a conductor plate (6a) at a defined spacing from a planar earth reference surface (8), coupled to the latter via a short-circuit strip (7a) at one side edge. The global positioning system antenna extends above the conductor plate, with both enclosed between a metal base plate (9) and a random, forming a flat module, secured to a flat metal surface of the vehicle body, e.g. the roof..

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachantennen-Anordnung für Mobilfunk und für satellitengestützte Fahrzeug-Navigation (GPS) nach DE-Patentanmeldung Nr. 195 14 556, mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen. Die erfindungsgemäße Antennenkombination findet Anwendung als aufgesetztes, mit der Karosserie eines Kraftfahrzeugs fest verbundenes Modul oder als Modul z. B. mit Haftmagneten zur lösbaren Befestigung. Sie wird aus der GPS-Antenne für 1,575 GHz und wahlweise den Antennen für Mobilfunk im 900-MHz- und im 1,8-GHz-Bereich gebildet.The invention relates to a flat antenna arrangement for Mobile radio and for satellite-based vehicle navigation (GPS) according to DE patent application No. 195 14 556, with the in the preamble generic features of the main claim. The antenna combination according to the invention is used as put on, with the body of a motor vehicle connected module or as a module z. B. with holding magnets releasable attachment. It is from the GPS antenna for 1,575 GHz and optionally the antennas for mobile radio in 900 MHz and formed in the 1.8 GHz range.

Die Möglichkeit, eine GPS-Antenne nach Belieben - in Flachbauweise - mit einer Funkantenne für eines der beiden Freguenzbänder oder mit zwei Antennen für beide Frequenzen zu kombinieren, war Aufgabe der Erfindung nach DE 195 14 556 und ist - mit der erfolgreichen Lösung - auch ihr wesentlicher Vorteil gegenüber den bis dato bekannten vergleichbaren Anordnungen. Das gilt vor allem in bezug auf die Kombination einer GPS-Antenne mit einer Funkantenne für 1,8 GHz in Flach­ bauweise.The possibility of a GPS antenna at will - in Flat design - with a radio antenna for one of the two Frequency bands or with two antennas for both frequencies too combine was the object of the invention according to DE 195 14 556 and is - with the successful solution - also its essential one Advantage over the comparable ones known to date Orders. This applies especially to the combination a GPS antenna with a radio antenna for 1.8 GHz in flat construction.

Im folgenden wird nochmals kurz der Aufbau der Kombinations- oder Mehrfachantenne nach DE 195 14 556 geschildert:
Auf der leitenden Fläche größerer Ausdehnung 8, z. B. der Karosseriefläche, liegt die runde metallische Bodenplatte 9 auf. Beide sind leitend (galvanisch oder kapazitiv) miteinander verbunden. Die Bodenplatte 9 trägt eine oder zwei Mobilfunk- Antennen, die jeweils aus einem zur Fläche 8 und zur Platte 9 planparallelen Blechelement 6, 6′ bestehen, das über ein seitliches Kurzschlußelement 7, 7′, einen Steg o. ä., leitend mit 8 und 9 verbunden ist. Das Blechelement hat bei einem in DE 195 14 556 erläuterten ausgeführten Beispiel die Form eines Kreisausschnitts mit einem Öffnungswinkel von 90°. Auf dem Blechelement aufliegend, galvanisch aber durch ein Dielektrikum 5 von ihm getrennt, ist die Streifenleiter-GPS-Antenne angeordnet. Sie besteht aus der kreisrunden Platine 1 aus dielektrischem Material, die strahlungsseitig mit einer Teil­ metallisierung, dem quadratischen Flächensegment (patch) 3 und auf der anderen Seite mit einer durchgängigen Metallisierung versehen ist. Das Flächensegment 3 bildet den Strahler und die rückseitige Metallisierung die Massefläche 2 der Streifenleiter-GPS-Antenne. Gespeist werden die GPS- und die Funkantenne über je ein eigenes Koaxialkabel 12, 13. Die beiden Antennen arbeiten ohne gegenseitige Beeinflussung und ohne Pegeleinbuße gegenüber der jeweiligen separaten Anordnung, unabhängig davon, ob die GPS-Antenne mit einer 900- MHz- oder mit einer 1,8-GHz-Funkantenne kombiniert wurde.The structure of the combination or multiple antenna according to DE 195 14 556 is briefly described below:
On the conductive surface of larger extension 8 , for. B. the body surface, the round metallic base plate 9 is on. Both are connected to each other in a conductive (galvanic or capacitive) manner. The base plate 9 carries one or two mobile radio antennas, each of which consists of a sheet-metal element 6 , 6 'which is plane-parallel to the surface 8 and to the plate 9 and which has a lateral short-circuit element 7 , 7 ', a web or the like, conductive with 8 and 9 is connected. In the example described in DE 195 14 556, the sheet metal element has the shape of a circular section with an opening angle of 90 °. The stripline GPS antenna is arranged lying on the sheet metal element, galvanically but separated from it by a dielectric 5 . It consists of the circular circuit board 1 made of dielectric material, which is provided on the radiation side with a partial metallization, the square surface segment (patch) 3 and on the other side with a continuous metallization. The surface segment 3 forms the radiator and the rear metallization forms the ground surface 2 of the stripline GPS antenna. The GPS and radio antennas are fed via separate coaxial cables 12 , 13 . The two antennas work without mutual interference and without loss of level compared to the respective separate arrangement, regardless of whether the GPS antenna was combined with a 900 MHz or with a 1.8 GHz radio antenna.

Es wurde nun gefunden, daß hinsichtlich des Kombinations­ gedankens weitere Verbesserungen möglich sind. In diesem Sinn liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der Mehrantennen-Anordnung durch Zusammenfassen von Funktionen in einzelnen Bauelementen zu vereinfachen, ohne die HF-Parameter zu beeinträchtigen.It has now been found that regarding the combination further improvements are possible. In that sense is the object of the invention, the structure of the Multi-antenna arrangement by combining functions in to simplify individual components without the RF parameters to affect.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und Detaillösungen.This object is achieved with the in the characterizing Part of the main claim specified features solved. The sub-claims contain preferred design variants and detailed solutions.

Durch die Erfindung wird vor allem der Aufbau der GPS-Antenne vereinfacht. Die Größe der für das Streifenleiterprinzip charakteristischen Platine wurde auf die Abmesssungen der Strahlerfläche (patch) reduziert. Damit unterscheidet sich das neue Gestaltungsprinzip gravierend von den Streifenleiter- Antennen gleicher Frequenzen und Bauart. Bisher bestimmte die notwendige Größe der rückseitigen Massefläche die Abmessungen und damit die Kosten der Platine. Bei der erfindungsgemäßen Antennenkombination sind Fläche und Volumen der Platine aus dem Dielektrikum von vornherein entscheidend kleiner, und die Platine wird nur noch einseitig metallisiert. Des weiteren konnte auf den nach dem Hauptpatent erforderlichen Luftspalt bzw. die spezielle dielektrische Zwischenschicht als Isolierung gegen das Blechelement der Funkantenne verzichtet werden. Mit der Vereinfachung des mechanischen Aufbaus wird zum einen eine Verringerung der Bauhöhe der gesamten Anordnung erzielt; zum anderen werden insgesamt Material- und auch Fertigungs- und Montage kosten eingespart.The construction of the GPS antenna is primarily the result of the invention simplified. The size of the for the stripline principle characteristic board was based on the dimensions of the Spotlight area (patch) reduced. That is the difference new design principle seriously from the stripline Antennas of the same frequency and type. So far it determined necessary size of the back ground area the dimensions and thus the cost of the board. In the case of the invention Antenna combination are the area and volume of the board from the Dielectric significantly smaller right from the start, and that Circuit board is only metallized on one side. Furthermore, it was possible to get the one required by the main patent Air gap or the special dielectric intermediate layer as  Isolation against the sheet metal element of the radio antenna is dispensed with will. With the simplification of the mechanical structure, on the one hand achieved a reduction in the overall height of the entire arrangement; on the other hand, overall material and also manufacturing and Assembly costs saved.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1. Kombination eines Strahlers für Mobilfunk und einer Streifenleiter-GPS-Antenne mit vereinfachtem AufbauThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing, FIG. 1 shows a combination of a radiator for mobile radio and a stripline GPS antenna with a simplified structure

  • a) Seitenansichta) Side view
  • b) Draufsichtb) top view

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Antennenkombination mit einer 900-MHz-Funkantenne. Die Anordnung wird über einer Öffnung im Fahrzeugdach montiert und verschraubt. Die kleine Scheibe 1a ersetzt hier die großflächige, beidseitig metallisierte Platine 1 der GPS-Antenne nach DE 195 14 556. Die Scheibe 1a ist nur noch mit der Metallisierung 3, der Strahler­ fläche, versehen. Das gemäß DE 195 14 556 erforderliche zusätzliche Dielektrikum 5 zwischen der Platine und dem Blech­ element 6 der Funkantenne entfällt. Als Massefläche für die Streifenleiter-GPS-Antenne wird das Blechelement 6a der Funkantenne genutzt, das damit eine zusätzliche Funktion erfüllt. Das Blechelement 6a ist kreisförmig ausgebildet, und die Platine 1a ist darauf zentrisch angeordnet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau ist nur für das Speiseleitungskabel 12 der GPS-Antenne eine zweite Massekontaktierung 16 im Abstand von 1/4 der mittleren Funk- Betriebswellenlänge zum Kontaktpunkt 14 erforderlich. Fig. 1 shows the antenna combination according to the invention with a 900 MHz radio antenna. The arrangement is mounted and screwed over an opening in the vehicle roof. The small disk 1 a here replaces the large-area, double-sided metallized board 1 of the GPS antenna according to DE 195 14 556. The disk 1 a is only provided with the metallization 3 , the radiator surface. The additional dielectric 5 required according to DE 195 14 556 between the circuit board and the sheet metal element 6 of the radio antenna is omitted. The sheet metal element 6 a of the radio antenna is used as the ground surface for the strip line GPS antenna, which thus fulfills an additional function. The sheet metal element 6 a is circular, and the circuit board 1 a is arranged centrally on it. In the construction shown in FIG. 1, a second ground contact 16 at a distance of 1/4 of the mean radio operating wavelength from the contact point 14 is required only for the feed line cable 12 of the GPS antenna.

Die Abmessungen der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnungen entsprechen den charakteristischen, an der mittleren Betriebswellenlänge λ des jeweiligen Frequenzbereichs orientierten Maßverhältnissen der beiden miteinander kombinierten Antennentypen. The dimensions of the individual components of the invention Arrangements correspond to the characteristic on which average operating wavelength λ of the respective frequency range oriented proportions of the two with each other combined antenna types.  

Das wesentliche Maß für das Blechelement der Funkantenne ist 1/4 λ für das Funk-Frequenzband. Das gilt für die radiale Kantenlänge des Kreisausschnitts nach DE 195 14 556, Fig. 1, ebenso wie für den Durchmesser D des kreisrunden Blechelements 6a der vereinfachten Ausführung. So ist der Durchmesser D des Blechelements 6a etwa 80 mm. Der Abstand A zur Massebezugsfläche sollte bei beiden Ausfüh­ rungen gleichermaßen mindestens 0,04 λ betragen, um einen ausreichenden Wirkungsgrad und die nötige Bandbreite zu gewähr­ leisten, d. h. A ist mindestens etwa 14 mm. Das wirksame Kantenmaß der Strahlerfläche 3 der GPS-Antenne entspricht 1/2 λ für das GPS-Band und ist in der Realisierung abhängig von der relativen Dielektrizitätskonstante εr der Platinen 1 und 1a. Bei der Ausführung nach DE 195 14 556 ergibt ein εr = 4 eine geometrisches Maß K = 50 mm. Dagegen ist bei der Platine 1a mit einem εr ≧ 15 die geometrische Kantenlänge K = 25 mm.The essential dimension for the sheet metal element of the radio antenna is 1/4 λ for the radio frequency band. This applies to the radial edge length of the circular section according to DE 195 14 556, Fig. 1, as well as for the diameter D of the circular sheet metal element 6 a of the simplified version. So the diameter D of the sheet metal element 6 a is about 80 mm. The distance A to the ground reference surface should equally be at least 0.04 λ in both versions to ensure sufficient efficiency and the necessary bandwidth, ie A is at least about 14 mm. The effective edge dimension of the radiator surface 3 of the GPS antenna corresponds to 1/2 λ for the GPS band and, depending on the implementation, depends on the relative dielectric constant ε r of the circuit boards 1 and 1 a. In the version according to DE 195 14 556, ε r = 4 results in a geometric dimension K = 50 mm. In contrast, the geometrical edge length K = 25 mm for board 1 a with ε r ≧ 15.

Mit dem Kantenmaß K = 25 mm ist auch bei einer Kombination der Streifenleiter-GPS-Antenne mit einer 1,8-GHz-Funkantenne, bei der das Blechelement 6a einen Durchmesser D = 40 mm hat, eine einwandfreie Funktion der GPS-Antenne gewährleistet.With the edge dimension K = 25 mm, even with a combination of the stripline GPS antenna with a 1.8 GHz radio antenna, in which the sheet metal element 6 a has a diameter D = 40 mm, the GPS antenna works properly .

Claims (2)

1. Flachantennen-Anordnung für Frequenzen im GHz-Bereich nach DE-P 195 14 556, vorzugsweise bestehend aus einer Antenne für satellitengestützte Fahrzeugnavigation (GPS) und mindestens einer Antenne für Mobilfunk, die in einem gemeinsamen Gehäuse auf einer leitenden Fläche größerer Ausdehnung, insbesondere auf einer Fahrzeugkarosserie, angeordnet sind, wobei
  • - die GPS-Antenne vorzugsweise als Streifenleiter-Antenne mit Querstrahlung (patch antenna) ausgebildet und aufliegend über der Antenne für Mobilfunk angeordnet ist und
  • - die Mobilfunkantenne aus einem Blechelement besteht, das mit einem bestimmten Abstand planparallel zu der als Massebezugsfläche dienenden Karosseriefläche angeordnet ist und im Bereich einer Seitenkante über ein Kurzschluß­ element und über eventuelle Zwischenglieder in galva­ nischer Verbindung oder in kapazitiver HF-Kopplung mit der Massebezugsfläche steht, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • - die Platine (1a) der GPS-Antenne ist nur einseitig metallisiert und hat die seitlichen Konturen und die Abmessungen des aufmetallisierten, die Strahlerfläche bildenden Flächensegments (3),
  • - die Platine (1a) liegt zentrisch und ohne Spalt direkt auf dem Blechelement (6a) der Mobilfunkantenne auf, und das Blechelement (6a) wird gleichzeitig als Massefläche für die GPS-Antenne genutzt,
  • - das Blechelement (6a) ist vorzugsweise kreisförmig und hat einen Durchmesser (D) von etwa 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge für den zugehörigen Mobilfunk- Frequenzbereich.
  • - die relative Dielektrizitätskonstante εr des Materials der Platine (1a) ist so gewählt, daß das geometrische Maß (d) der Diagonale des Flächensegments (3) kleiner als der Durchmesser (D) des Blechelements (6a) ist.
1. Flat antenna arrangement for frequencies in the GHz range according to DE-P 195 14 556, preferably consisting of an antenna for satellite-based vehicle navigation (GPS) and at least one antenna for mobile radio, in a common housing on a conductive surface of greater extent, in particular are arranged on a vehicle body, wherein
  • - The GPS antenna is preferably designed as a stripline antenna with transverse radiation (patch antenna) and is arranged lying above the antenna for mobile radio and
  • - The mobile radio antenna consists of a sheet metal element which is arranged at a certain distance plane-parallel to the body surface serving as ground reference surface and in the area of a side edge via a short-circuit element and any intermediate elements in galvanic connection or in capacitive RF coupling with the ground reference surface, characterized by the following features:
  • - The circuit board ( 1 a) of the GPS antenna is metallized only on one side and has the lateral contours and the dimensions of the metallized surface segment ( 3 ) forming the radiator surface,
  • - The circuit board ( 1 a) lies centrally and without a gap directly on the sheet metal element ( 6 a) of the mobile radio antenna, and the sheet metal element ( 6 a) is also used as a ground plane for the GPS antenna,
  • - The sheet metal element ( 6 a) is preferably circular and has a diameter (D) of about 1/4 of the average operating wavelength for the associated mobile radio frequency range.
  • - The relative dielectric constant ε r of the material of the board ( 1 a) is chosen so that the geometric dimension (d) of the diagonal of the surface segment ( 3 ) is smaller than the diameter (D) of the sheet metal element ( 6 a).
2. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kurzschlußelement (7a) innerhalb des umschriebenen Kreises des Blechelements (6a) in seitlicher Position angeordnet ist und daß es als Steg oder in Gestalt eines oder mehrerer Metallstifte oder ähnlicher Körper aus leitendem Material ausgebildet ist.2. Flat antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the short-circuit element ( 7 a) within the circumscribed circle of the sheet metal element ( 6 a) is arranged in a lateral position and that it is as a web or in the form of one or more metal pins or similar bodies is formed from conductive material.
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