EP0740361A1 - Flat antenna arrangement - Google Patents

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EP0740361A1
EP0740361A1 EP95119434A EP95119434A EP0740361A1 EP 0740361 A1 EP0740361 A1 EP 0740361A1 EP 95119434 A EP95119434 A EP 95119434A EP 95119434 A EP95119434 A EP 95119434A EP 0740361 A1 EP0740361 A1 EP 0740361A1
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EP
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antenna
mobile radio
sheet metal
gps
antennas
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EP95119434A
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Reinhard Berfelde
Chen Shun-Ping
Manfred Burkert
Christian Heuer
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Fuba Automotive GmbH and Co KG
Original Assignee
Fuba Automotive GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3275—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle mounted on a horizontal surface of the vehicle, e.g. on roof, hood, trunk
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the invention relates to a flat antenna arrangement for mobile radio and for satellite-based vehicle navigation (GPS) with the generic features specified in the preamble of the main claim.
  • the antenna combination according to the invention is used as an attached module that is firmly connected to the body of a motor vehicle or as a module, for example with holding magnets for releasable fastening. It is formed from the GPS antenna for 1.575 GHz and optionally the antennas for mobile radio in the 900 MHz and 1.8 GHz range.
  • the invention has for its object to provide an antenna module for satellite-based vehicle navigation (GPS) and for mobile radio, in which a stripline antenna for the GPS band optionally with a flat antenna for radio in the 900 MHz band and or or can be combined with such an antenna for 1.8 GHz.
  • GPS satellite-based vehicle navigation
  • FIG. 1 shows two views of an antenna combination according to the invention, formed from the GPS antenna and an antenna for mobile radio in the 900 MHz range.
  • the GPS antenna consists of a circuit board 1, as is also used for printed circuits, with the area-wide metallization 2 as the ground plane and the rectangular conductive surface segment (patch) 3 as the radiator area.
  • the feed point 4 is located outside the center of the area because the GPS antenna works with circular polarization.
  • the board 1 has a diameter of 85 mm and the radiator surface has an edge length of 50 mm.
  • the effective edge length corresponds to 1/2 of the average operating wavelength in the GPS band, and the geometric dimension depends in practice on the shortening factor associated with the relative dielectric constant of the board material.
  • the ground plane 2 of the GPS antenna must be galvanically isolated from the antenna below, e.g. through an air gap of at least 2 mm width or through an interposed foil made of dielectric material.
  • the cellular antenna includes the sheet metal element 6 and the short-circuit element 7 in the present example, which together with the ground reference surface 8, for example the roof of a metal vehicle body, form a cavity resonator for the intended operating frequency, on the open sides of which field formation occurs with all-round radiation in the far field .
  • the sheet metal element 6 is designed as a circular section with an opening angle of 90 ° and a radius of 90 mm.
  • the edge dimension results from 1/4 of the mean operating wavelength of the radio frequency range.
  • the dimension A between the sheet metal element 6 and the ground reference surface 8 should be at least 0.04 ⁇ , to ensure sufficient values of efficiency and bandwidth.
  • the short-circuit element 7 is not directly connected to the sheet 8 of the body or an adequate ground plane.
  • antenna modules which like the usual roof antennas - e.g. Short rod antennas - are screwed over a hole in the roof panel, a galvanic ground connection is made in the usual way. Through the opening in the roof panel, the RF cables are then routed from the antennas into the vehicle interior.
  • Part of the mechanism of action of the mobile radio antenna selected for the invention is that the inner conductor 10 of the connecting cable 13 is exposed for one piece within the space under the sheet metal element 6 before the connection to the feed point 11.
  • the outer conductors of the two coaxial cables 12 and 13 are connected to the ground potential 2 and 8/9 at points 14 and 15 next to or near the feed point 4 and 11, respectively. At a distance of 1/4 of the middle one belonging to the mobile radio antenna Operating wavelength, measured from the contact points 14, 15, they are again grounded at point 16. With this arrangement, the influence of the relatively large ground area 2 of the GPS antenna on the field formation of the mobile radio antenna is neutralized to a certain extent: the circuit board 1 with the conductive surface 2 and the sheet metal element 6 are - so mainly for reasons of space - placed so close together that normally an exchange and thus the outflow of signal energy in a capacitive way between the ground surface 2 and the sheet metal element cannot be avoided.
  • a standing wave is formed according to the rules of line theory for lines with a short circuit with the formation of a voltage maximum and with a current flow equal to zero in points 14 and 15, respectively the nodes of current and voltage are offset from each other by ⁇ / 4.
  • the HF power which is coupled into the ground plane 2 by the sheet metal element 6 during mobile radio operation, cannot flow away via the outer conductor of the cable 12 of the GPS antenna.
  • FIG. 2 shows an arrangement which represents a surprising and advantageous continuation of the combination idea and, above all, leads to a simplified construction of the stripline GPS antenna.
  • the relatively large-area, metallized plate 1 on both sides, as used in the embodiment according to FIG. 1, is replaced by a small disk 1 a, which is only provided with the metallization 3 as the radiator surface.
  • the additional dielectric 5 or the free distance between the circuit board and the sheet metal element 6 is completely eliminated.
  • the sheet metal element 6a of the radio antenna is used as the ground surface for the stripline GPS antenna, which thus fulfills an additional function.
  • the sheet metal element 6a is circular, and the circuit board 1a with the radiating surface of the GPS antenna is arranged centrally on it.
  • the short-circuit element 7a is arranged in the lateral position within the circumscribed circle of the sheet metal element 6a.
  • the short-circuit element 7a - like the element 7 in exemplary embodiment 1 - can also be formed from one or more pins or similar bodies.
  • a second ground contact 16 at a distance of 1/4 of the mean radio operating wavelength from the feed point 4 is required only for the feed line cable 12 of the GPS antenna.
  • the effective edge length of the surface segment 3 is ⁇ / 2 for the GPS frequency.
  • the circuit board material is to be selected such that the dimension d of the diagonal is smaller than the diameter D of the sheet metal element 6 a.
  • FIG. 3 in addition to the embodiment according to FIG. 1, variants for the positioning of two mobile radio antennas in combination with the GPS antenna are shown.
  • the sheet metal elements 6 and 6 ' are next to one another and in the case 3b arranged one above the other.
  • the GPS antenna can be placed on the sheet metal element 6 of the antenna for the lower radio frequency - with a dielectric in between
  • the components on the base plate are covered with the hood 17 made of a dielectric material and sealed moisture-proof.
  • a favorable variant would also be to form the entire arrangement from molded parts from a hardening foam, the outer contours of which correspond to those of the hood 17. At the same time, the foam would permanently fix the antenna parts in place.
  • FIGS. 4 to 6 show radiation characteristics that were obtained with the combination of a GPS antenna with a mobile radio antenna for the 900 MHz band. The pictures speak for themselves. The measurements have shown that the radiation diagrams obtained with the two antennas in a separate arrangement are identical to those with a combined arrangement of the antennas, and above all that no level differences can be determined.
  • the performance of the antenna combination according to the invention in the mobile radio area is completely identical to that of a conventional ⁇ / 4 long rod antenna.
  • the GPS range is +3 dBic - this is a common and satisfactory value for stripline antennas of this type.

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) 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) with the generic features specified in the preamble of the main claim.
The antenna combination according to the invention is used as an attached module that is firmly connected to the body of a motor vehicle or as a module, for example with holding magnets for releasable fastening. It is formed from the GPS antenna for 1.575 GHz and optionally the antennas for mobile radio in the 900 MHz and 1.8 GHz range.

Antennenkombinationen, die aus flächigen Strahleranordnungen für unterschiedliche Frequenzbänder bestehen, sind bekannt. Als charakteristische Vertreter des Stands der Technik sind die im US-Patent Nr. 5 124 714 und im DE-Gebrauchsmuster Nr. 94 14 817 beschriebenen Doppelantennen für Kraftfahrzeuge zu nennen. Um eine flache, nicht oder nicht wesentlich über die Fahrzeugkonturen hinausragende Kombination zweier Antennen zu erhalten, wird in beiden Fällen für das niedrigere Frequenzband eine Schlitzantenne mit umlaufendem Schlitz gewählt, die in das Blech der Fahrzeugkarosserie (Dach oder z.B. Kofferraumhaube) integriert ist. In die Innenfläche der Schlitzanordnung wird bei der Variante nach US 5 124 714 zentrisch ein weiteres Schlitzgebilde - als Ringschlitz für das höhere Frequenzband - eingefügt, und bei der Variante nach G 94 14 817 wird dort, ebenfalls im Zentrum, eine Streifenleiter-Antenne (patch antenna) aufgesetzt. Die äußere Schlitzanordnung wird für den Mobilfunk im 900- MHz-Bereich und die innere Anordnung für GPS genutzt.Antenna combinations consisting of flat radiator arrangements for different frequency bands are known. The dual antennas for motor vehicles described in US Pat. No. 5,124,714 and in DE Utility Model No. 94 14 817 are to be mentioned as characteristic representatives of the prior art. In order to obtain a flat combination of two antennas that does not protrude or does not protrude significantly beyond the vehicle contours, a slot antenna with a circumferential slot is selected for the lower frequency band, which is integrated in the sheet metal of the vehicle body (roof or e.g. trunk lid). In the variant according to US Pat. No. 5,124,714, another slot structure - as a ring slot for the higher frequency band - is inserted centrally in the inner surface of the slot arrangement, and in the variant according to G 94 14 817, a stripline antenna (patch antenna). The outer slot arrangement is used for mobile radio in the 900 MHz range and the inner arrangement for GPS.

Es besteht kein Zweifel daran, daß sich mit derartigen Kombinationen durchaus für beide Betriebssysteme befriedigende Empfangseigenschaften (und Sendeleistungen) und auch Impedanzanpassung erzielen lassen, und zumindest bei der Doppelschlitzanordnung erscheint es möglich, sie so in die Karosseriefläche zu integrieren, daß sie im Endergebnis für den Betrachter unsichtbar ist.There is no doubt that such combinations can achieve satisfactory reception properties (and transmission powers) and also impedance matching for both operating systems, and at least with the double-slot arrangement it seems possible to integrate it into the body surface in such a way that the end result is invisible to the viewer.

Einen Nachteil gibt es jedoch: Die konzentrische Anordnung der beiden Antennen - quasi eine in der anderen - läßt sich in der gewünschten raumsparenden Weise nur durch Kombination des 900-MHz-Bandes mit dem 1,575-GHz-Band oder mit dem 1,8-GHz-Band realisieren.
Eine Antenne für Mobilfunk im 1,8-GHz-Band und die GPS-Antenne können bei diesem Aufbauprinzip wegen der fast gleichen Abmessungen der beiden Antennen nicht kombiniert werden.
Das gilt für die Ausführung mit zwei Schlitzantennen ebenso, wie wenn eine Streifenleiter-Antenne für GPS dicht über einer kleinen Ringschlitz-Antenne für 1,8 GHz montiert wird. Die Streifenleiter-Antenne überdeckt mit ihrer Massefläche die Ringschlitz-Antenne und behindert deren Feldbildung.There is a disadvantage, however: The concentric arrangement of the two antennas - one in the other - can only be achieved in the desired space-saving manner by combining the 900 MHz band with the 1.575 GHz band or with the 1.8 GHz - Realize tape.
An antenna for mobile radio in the 1.8 GHz band and the GPS antenna cannot be combined with this construction principle due to the almost identical dimensions of the two antennas.
This applies to the version with two slot antennas as well as if a stripline antenna for GPS is mounted close above a small ring slot antenna for 1.8 GHz. The stripline antenna covers the ring slot antenna with its ground surface and hinders its field formation.

Ein weiteres Problem folgt u.E. daraus, daß der Schlitz im Karosserieblech nicht jedermanns Sache ist, und daß für die zugehörige Unterkonstruktion auch Platz benötigt wird, der z.B. unter dem Autodach nur begrenzt zur Verfügung steht. Nicht zuletzt bestehen bei einer derartigen Konstruktion mit ihren relativ großen Abmessungen u.E. auch technologische, Stabilitäts- und Dichtungsprobleme, die die Einsatzchancen beeinträchtigen können.Another problem follows. from the fact that the slot in the body panel is not for everyone and that space is also required for the associated substructure, e.g. available under the car roof is limited. Last but not least, with such a construction with its relatively large dimensions, we believe. also technological, stability and sealing problems that can impair the chances of use.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenmodul für satellitengestützte Fahrzeug-Navigation (GPS) und für Mobilfunk zu schaffen, bei dem eine Streifenleiter-Antenne für das GPS-Band wahlweise mit einer Flachantenne für den Funk im 900-MHz-Band und bzw. oder mit einer solchen Antenne für 1,8 GHz kombiniert werden kann.The invention has for its object to provide an antenna module for satellite-based vehicle navigation (GPS) and for mobile radio, in which a stripline antenna for the GPS band optionally with a flat antenna for radio in the 900 MHz band and or or can be combined with such an antenna for 1.8 GHz.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features specified in the characterizing part of the main claim.

Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und Detaillösungen.The subclaims contain preferred design variants and detailed solutions.

Die Vorteile der Erfindung bestehen - wie bezweckt - im wesentlichen darin,

  • daß die GPS-Antenne auch mit einer Antenne des 1,8-GHz-Bands kombiniert werden kann und daß dabei für beide Antennen gute Strahlungsleistungen gewährleistet sind,
  • daß Kombinationen der GPS-Antenne wahlweise mit einer beliebigen und auch mit beiden Mobilfunk-Antennen gleichzeitig möglich sind und
  • daß dabei das Flachantennen-Prinzip und eine kompakte, flache Bauweise der Gesamtanordnung beibehalten wird.
Dabei ist der konstruktive Aufbau der Gesamtanordnung und der einzelnen Komponenten denkbar einfach, und es bieten sich vielfältige Ansatzpunkte für kostengünstige technische und technologische Detaillösungen.As intended, the advantages of the invention essentially consist in
  • that the GPS antenna can also be combined with an antenna of the 1.8 GHz band and that good radiation performance is guaranteed for both antennas,
  • that combinations of the GPS antenna are optionally possible with any and also with both mobile radio antennas and
  • that the flat antenna principle and a compact, flat design of the overall arrangement is maintained.
The constructive structure of the overall arrangement and the individual components is very simple, and there are various starting points for cost-effective technical and technological detailed solutions.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen naher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Figur 1.
Kombination der GPS-Antenne mit einer Mobilfunkantenne
  • a) Seitenansicht und -schnitt in Sprengdarstellung
  • b) Draufsicht, ohne Haube
Figur 2.
Antennenkombination mit vereinfachtem Aufbau
  • a) Seitenansicht
  • b) Draufsicht
Figur 3.
Varianten der Anordnung zweier Mobilfunkantennen in Kombination mit der GPS-Antenne
Figur 4.
Strahlungscharakteristik der GPS-Antenne bei 1,570 GHz im Vertikaldiagramm
Figur 5.
Strahlungscharakteristik einer Mobilfunkantenne bei 925 MHz im Vertikaldiagramm
Figur 6.
Strahlungscharakteristik der Mobilfunkantenne bei 925 MHz im Horizontaldiagramm
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. Show in the accompanying drawing
Figure 1
Combination of the GPS antenna with a cellular antenna
  • a) Side view and section in exploded view
  • b) top view, without hood
Figure 2.
Antenna combination with a simplified structure
  • a) Side view
  • b) top view
Figure 3.
Variants of the arrangement of two mobile radio antennas in combination with the GPS antenna
Figure 4.
Radiation characteristics of the GPS antenna at 1.570 GHz in the vertical diagram
Figure 5.
Radiation characteristics of a mobile radio antenna at 925 MHz in a vertical diagram
Figure 6.
Radiation characteristics of the mobile radio antenna at 925 MHz in the horizontal diagram

Figur 1 zeigt zwei Ansichten einer erfindungsgemäßen Antennenkombination, gebildet aus der GPS-Antenne und einer Antenne für Mobilfunk im 900-MHz-Bereich.
Die GPS-Antenne besteht aus einer Platine 1, wie sie auch für gedruckte Schaltungen verwendet wird, mit der flächengroßen Metallisierung 2 als Massefläche (ground plane) und dem rechteckigen leitenden Flächensegment (patch) 3 als Strahlerfläche.
Der Speisepunkt 4 ist außerhalb des Flächen-Mittelpunkts angeordnet, weil die GPS-Antenne mit zirkularer Polarisation arbeitet.
Die Platine 1 hat einen Durchmesser von 85 mm und die Strahlerfläche eine Kantenlänge von 50 mm. Die wirksame Kantenlänge entspricht 1/2 der mittleren Betriebswellenlänge im GPS-Band, und das geometrische Maß hängt in der praktischen Realisierung von dem mit der relativen Dielektrizitätskonstante des Platinenmaterials verbundenen Verkürzungsfaktor ab. Die Kantenlänge von 50 mm ergibt sich bei einem εr = 4.FIG. 1 shows two views of an antenna combination according to the invention, formed from the GPS antenna and an antenna for mobile radio in the 900 MHz range.
The GPS antenna consists of a circuit board 1, as is also used for printed circuits, with the area-wide metallization 2 as the ground plane and the rectangular conductive surface segment (patch) 3 as the radiator area.
The feed point 4 is located outside the center of the area because the GPS antenna works with circular polarization.
The board 1 has a diameter of 85 mm and the radiator surface has an edge length of 50 mm. The effective edge length corresponds to 1/2 of the average operating wavelength in the GPS band, and the geometric dimension depends in practice on the shortening factor associated with the relative dielectric constant of the board material. The edge length of 50 mm results at ε r = 4.

Die Massefläche 2 der GPS-Antenne muß bei dieser Ausführung von der darunterliegenden Antenne galvanisch getrennt sein, z.B. durch einen Luftspalt von mindestens 2 mm Breite oder durch eine zwischengefügte Folie aus dielektrischem Material.The ground plane 2 of the GPS antenna must be galvanically isolated from the antenna below, e.g. through an air gap of at least 2 mm width or through an interposed foil made of dielectric material.

Zur Mobilfunkantenne gehören das Blechelement 6 und das bei dem vorliegenden Beispiel stegartige Kurzschlußelement 7, die zusammen mit der Massebezugsfläche 8, z.B. dem Dach einer metallenen Fahrzeugkarosserie, einen Hohlraumresonator für die vorgesehene Betriebsfrequenz bilden, an dessen offenen Seiten Feldbildung nach außen mit Rundumstrahlung im Fernfeld auftritt.
Das Blechelement 6 ist als Kreisausschnitt mit einem Öffnungswinkel von 90° und einem Radius von 90 mm ausgebildet. Das Kantenmaß ergibt sich aus 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge des Funk-Frequenzbereichs. Das Maß A zwischen dem Blechelement 6 und der Massebezugsfläche 8 sollte mindestens 0.04 λ betragen, um ausreichende Werte des Wirkungsgrads und der Bandbreite zu gewährleisten.The cellular antenna includes the sheet metal element 6 and the short-circuit element 7 in the present example, which together with the ground reference surface 8, for example the roof of a metal vehicle body, form a cavity resonator for the intended operating frequency, on the open sides of which field formation occurs with all-round radiation in the far field .
The sheet metal element 6 is designed as a circular section with an opening angle of 90 ° and a radius of 90 mm. The edge dimension results from 1/4 of the mean operating wavelength of the radio frequency range. The dimension A between the sheet metal element 6 and the ground reference surface 8 should be at least 0.04 λ, to ensure sufficient values of efficiency and bandwidth.

Bei der praktischen Ausführung ist das Kurzschlußelement 7 nicht unmittelbar mit dem Blech 8 der Karosserie oder einer adäquaten Massefläche verbunden. Als Zwischen- und Verbindungsglied dient die dünne metallene Bodenplatte 9 des Antennengehäuses, an der auch die Mittel zur mechanischen Halterung des Gehäuses auf der Unterkonstruktion vorgesehen werden. Bei dem Beispiel nach Figur 1 würden dies z.B. Haftmagnete sein, die aus der Unterseite der Bodenplatte herausragen und beweglich gelagert sind. Dabei ist wesentlich, daß der Abstand zwischen der Bodenplatte und dem Karosserieblech möglichst klein (kleiner 1 mm ) gewählt wird, weil eine gute kapazitive Kopplung zwischen den beiden Massepotentialen gewährleistet sein muß. Diesen Effekt kann man bei erfindungsgemäßen Antennenmodulen, die für die lösbare Befestigung auf dem Pkw-Dach konzipiert werden, unterstützen, indem die Unterseite der Bodenplatte 9 leicht konkav gewölbt und damit annähernd der Karosseriewölbung angepaßt wird.In the practical embodiment, the short-circuit element 7 is not directly connected to the sheet 8 of the body or an adequate ground plane. The thin metal base plate 9 of the antenna housing, on which the means for mechanically holding the housing on the substructure are also used as an intermediate and connecting link. In the example of Figure 1, this would e.g. Holding magnets that protrude from the underside of the base plate and are movably mounted. It is essential that the distance between the base plate and the body panel is chosen to be as small as possible (less than 1 mm) because a good capacitive coupling between the two ground potentials must be ensured. This effect can be supported in antenna modules according to the invention, which are designed for releasable attachment to the car roof, by arching the underside of the base plate 9 slightly concave and thus adapting it approximately to the body curvature.

Bei Antennenmodulen gemäß der Erfindung, die wie die üblichen Dachantennen - z.B. Kurzstabantennen - über einer Bohrung im Dachblech durch Anschrauben befestigt werden, wird in gewohnter Weise eine galvanische Masseverbindung hergestellt. Durch die Öffnung im Dachblech werden dann auch die HF-Leitungen von den Antennen in das Fahrzeuginnere geführt.In antenna modules according to the invention, which like the usual roof antennas - e.g. Short rod antennas - are screwed over a hole in the roof panel, a galvanic ground connection is made in the usual way. Through the opening in the roof panel, the RF cables are then routed from the antennas into the vehicle interior.

Zum Wirkmechanismus der für die Erfindung ausgewählten Mobilfunkantenne gehört, daß der Innenleiter 10 des Anschlußkabels 13 innerhalb des Raums unter dem Blechelement 6 vor der Verbindung mit dem Speisepunkt 11 für ein Stück freigelegt ist.Part of the mechanism of action of the mobile radio antenna selected for the invention is that the inner conductor 10 of the connecting cable 13 is exposed for one piece within the space under the sheet metal element 6 before the connection to the feed point 11.

Die Außenleiter der beiden Koaxialkabel 12 und 13 sind jeweils im Punkt 14 bzw. 15 neben oder nahe dem Speisepunkt 4 bzw. 11 mit dem Massepotential 2 bzw. 8 / 9 verbunden. In einem Abstand von 1/4 der zu der Mobilfunkantenne gehörenden mittleren Betriebswellenlänge, gemessen von den Kontaktpunkten 14, 15, sind sie - im Punkt 16 - nochmals an Masse gelegt. Durch diese Anordnung wird der Einfluß der verhältnismäßig großen Massefläche 2 der GPS-Antenne auf die Feldbildung der Mobilfunkantenne gewissermaßen neutralisiert: Die Platine 1 mit der leitenden Fläche 2 und das Blechelement 6 werden - vor allem aus Platzgründen - so dicht übereinandergelegt, daß normalerweise ein Austausch und damit Abfluß von Signalenergie auf kapazitivem Wege zwischen der Massefläche 2 und dem Blechelement nicht vermeidbar ist. In den λ/4 langen Außenleiterabschnitten der Koaxialkabel zwischen den Kontaktpunkten 4 und 16 sowie 11 und 16 entsteht gemäß den Regeln der Leitungstheorie für Leitungen mit Kurzschluß eine stehende Welle mit Ausbildung eines Spannungsmaximums und mit einem Stromfluß gleich Null im Punkt 14 bzw. 15, da die Knoten von Strom und Spannung um λ/4 gegeneinander versetzt sind. So kann die HF-Leistung, die vom Blechelement 6 bei Mobilfunkbetrieb in die Massefläche 2 eingekoppelt wird, nicht über den Außenleiter des Kabels 12 der GPS-Antenne abfließen.The outer conductors of the two coaxial cables 12 and 13 are connected to the ground potential 2 and 8/9 at points 14 and 15 next to or near the feed point 4 and 11, respectively. At a distance of 1/4 of the middle one belonging to the mobile radio antenna Operating wavelength, measured from the contact points 14, 15, they are again grounded at point 16. With this arrangement, the influence of the relatively large ground area 2 of the GPS antenna on the field formation of the mobile radio antenna is neutralized to a certain extent: the circuit board 1 with the conductive surface 2 and the sheet metal element 6 are - so mainly for reasons of space - placed so close together that normally an exchange and thus the outflow of signal energy in a capacitive way between the ground surface 2 and the sheet metal element cannot be avoided. In the λ / 4 long outer conductor sections of the coaxial cable between the contact points 4 and 16 as well as 11 and 16, a standing wave is formed according to the rules of line theory for lines with a short circuit with the formation of a voltage maximum and with a current flow equal to zero in points 14 and 15, respectively the nodes of current and voltage are offset from each other by λ / 4. Thus, the HF power, which is coupled into the ground plane 2 by the sheet metal element 6 during mobile radio operation, cannot flow away via the outer conductor of the cable 12 of the GPS antenna.

Figur 2 zeigt eine Anordnung, die eine überraschende und vorteilhafte Weiterführung des Kombinationsgedankens darstellt und vor allem zu einem vereinfachten Aufbau der Streifenleiter-GPS-Antenne führt. Dabei wird die relativ großflächige, beidseitig metallisierte Platine 1, wie sie bei der Ausführung nach Figur 1 Verwendung findet, durch eine kleine Scheibe 1a ersetzt, die nur mit der Metallisierung 3 als Strahlerfläche versehen ist.
Das zusätzliche Dielektrikum 5 oder der freie Abstand zwischen der Platine und dem Blechelement 6 entfällt gänzlich.
Als Massefläche für die Streifenleiter-GPS-Antenne wird bei dieser Ausführung das Blechelement 6a der Funkantenne genutzt, das damit eine zusätzliche Funktion erfüllt. Das Blechelement 6a ist kreisförmig ausgebildet, und die Platine 1a mit der Strahlerfläche der GPS-Antenne ist darauf zentrisch angeordnet.
Das Kurzschlußelement 7a ist innerhalb des umschriebenen Kreises des Blechelements 6a in seitlicher Position angeordnet.FIG. 2 shows an arrangement which represents a surprising and advantageous continuation of the combination idea and, above all, leads to a simplified construction of the stripline GPS antenna. The relatively large-area, metallized plate 1 on both sides, as used in the embodiment according to FIG. 1, is replaced by a small disk 1 a, which is only provided with the metallization 3 as the radiator surface.
The additional dielectric 5 or the free distance between the circuit board and the sheet metal element 6 is completely eliminated.
In this embodiment, the sheet metal element 6a of the radio antenna is used as the ground surface for the stripline GPS antenna, which thus fulfills an additional function. The sheet metal element 6a is circular, and the circuit board 1a with the radiating surface of the GPS antenna is arranged centrally on it.
The short-circuit element 7a is arranged in the lateral position within the circumscribed circle of the sheet metal element 6a.

Das Kurzschlußelement 7a kann - wie auch das Element 7 im Ausführungsbeispiel 1 - auch aus einem oder mehreren Stiften oder ähnlichen Körpern gebildet werden.The short-circuit element 7a - like the element 7 in exemplary embodiment 1 - can also be formed from one or more pins or similar bodies.

Bei dem in Figur 2 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 Speisepunkt 4 erforderlich.In the construction shown in FIG. 2, a second ground contact 16 at a distance of 1/4 of the mean radio operating wavelength from the feed point 4 is required only for the feed line cable 12 of the GPS antenna.

Die Abmessungen der einzelnen Komponenten der Anordnung entsprechen auch hier den charakteristischen, an der mittleren Betriebswellenlänge λ des jeweiligen Frequenzbereichs orientierten Maßverhältnissen der beiden Antennentypen.
So ist der Durchmesser D = λ/4

Figure imgb0001
und der Abstand A = 0,04 .
Die wirksame Kantenlänge des Flächensegments 3 beträgt λ/2 für die GPS-Frequenz. Für die geometrischen Abmessungen des Flächensegments 3 und damit der Platine 1a gilt, daß das Platinenmaterial so zu wählen ist, daß das Maß d der Diagonale kleiner als der Durchmesser D des Blechelements 6a ist.Here too, the dimensions of the individual components of the arrangement correspond to the characteristic dimensional relationships of the two antenna types, based on the average operating wavelength λ of the respective frequency range.
So is the diameter D = λ / 4
Figure imgb0001
 and the distance A = 0.04.
The effective edge length of the surface segment 3 is λ / 2 for the GPS frequency. For the geometrical dimensions of the surface segment 3 and thus of the circuit board 1 a, the circuit board material is to be selected such that the dimension d of the diagonal is smaller than the diameter D of the sheet metal element 6 a.

Bei dem Beispiel nach Figur 2 mit einer 900-MHz-Funkantenne und einer Platine 1a mit einem εr = 15 sind

  • D = 80 mm
  • A = 15 mm
  • K = 25 mm
In the example according to FIG. 2 with a 900 MHz radio antenna and a circuit board 1a with an ε r = 15
  • D = 80 mm
  • A = 15 mm
  • K = 25 mm

Durch die Reduzierung der Platinengröße auf die Abmessungen der Strahlerfläche 3 und die nur noch einseitige Metallisierung sowie durch den Verzicht auf das Dielektrikum 5 können bei dieser Ausführung weiter Material-, Fertigungs- und Montagekosten eingespart und die Bauhöhe insgesamt verringert werden.By reducing the board size to the dimensions of the radiator surface 3 and the only one-sided metallization and by dispensing with the dielectric 5, further material, manufacturing and assembly costs can be saved in this embodiment and the overall height can be reduced.

In Figur 3 sind - in Ergänzung zu der Ausführung nach Figur 1 - Varianten für die Positionierung von zwei Mobilfunkantennen in Kombination mit der GPS-Antenne gezeigt. Die Blechelemente 6 und 6' sind bei dem Beispiel nach Figur 3a nebeneinander und im Falle 3b quasi übereinander angeordnet. In beiden Fällen kann die GPS-Antenne auf das Blechelement 6 der Antenne für die niedrigere Funkfrequenz - mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum - aufgesetzt werdenIn FIG. 3, in addition to the embodiment according to FIG. 1, variants for the positioning of two mobile radio antennas in combination with the GPS antenna are shown. In the example according to FIG. 3a, the sheet metal elements 6 and 6 'are next to one another and in the case 3b arranged one above the other. In both cases, the GPS antenna can be placed on the sheet metal element 6 of the antenna for the lower radio frequency - with a dielectric in between

Die Bauteile auf der Bodenplatte werden mit der aus einem dielektrischen Material bestehenden Haube 17 bedeckt und feuchtigkeitsdicht abgeschlossen. Eine günstige Variante wäre auch, die gesamte Anordnung aus Formteilen aus einem aushärtenden Schaumstoff auszubilden, deren Außenkonturen denen der Haube 17 entsprechen. Der Schaumstoff würde gleichzeitig die Antennenteile in ihrer Lage dauerhaft fixieren.The components on the base plate are covered with the hood 17 made of a dielectric material and sealed moisture-proof. A favorable variant would also be to form the entire arrangement from molded parts from a hardening foam, the outer contours of which correspond to those of the hood 17. At the same time, the foam would permanently fix the antenna parts in place.

In Figur 4 bis 6 sind Strahlungscharakteristika dargestellt, die mit der Kombination einer GPS-Antenne mit einer Mobilfunkantenne für das 900-MHz-Band gewonnen wurden. Die Bilder sprechen für sich. Bei den Messungen hat sich gezeigt, daß die Strahlungsdiagramme, die mit den beiden Antennen in separater Anordnung gewonnen werden, mit denen bei kombinierter Anordnung der Antennen identisch sind, und daß vor allem auch keine Pegelunterschiede feststellbar sind.FIGS. 4 to 6 show radiation characteristics that were obtained with the combination of a GPS antenna with a mobile radio antenna for the 900 MHz band. The pictures speak for themselves. The measurements have shown that the radiation diagrams obtained with the two antennas in a separate arrangement are identical to those with a combined arrangement of the antennas, and above all that no level differences can be determined.

Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Antennenkombination ist im Mobilfunkbereich vollkommen identisch mit der einer herkömmlichen, λ/4 langen Stabantenne. Für den GPS-Bereich ergeben sich +3 dBic - das ist ein bei Streifenleiter-Antennen dieser Art üblicher und zufriedenstellender Wert.The performance of the antenna combination according to the invention in the mobile radio area is completely identical to that of a conventional λ / 4 long rod antenna. The GPS range is +3 dBic - this is a common and satisfactory value for stripline antennas of this type.

Claims (8)

Flachantennen-Anordnung für Frequenzen im GHz-Bereich, 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 ausgebildet ist, bestehend aus einer Platte aus einem dielektrischen Material mit partieller Metallisierung, und wobei - die Mobilfunk-Antenne Rundumcharakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm hat und die leitende Fläche größerer Ausdehnung für diese Antenne die Massebezugsfläche darstellt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die GPS-Antenne (1, 1a, 2, 3) ist aufliegend über der Antenne oder den beiden Antennen für Mobilfunk angeordnet, - die Mobilfunkantenne besteht aus einem Blechelement (6, 6', 6a), das mit einem Abstand (A, A') von 0,04 der mittleren Betriebswellenlänge der Funkfrequenz planparallel zur Massebezugsfläche (8) angeordnet ist und das im Bereich einer Seitenkante oder in seitlicher Position über mindestens ein Kurzschlußelement (7, 7a) und über eventuelle Zwischenglieder in galvanischer Verbindung oder in kapazitiver HF-Kopplung mit der Massebezugsfläche (8) steht, - als Speiseleitungen dienen vorzugsweise Koaxialkabel (12, 13, 13a), wobei im Falle der Mobilfunkantenne ein Abschnitt des HF führenden Innenleiters (10) des Kabels (13, 13a) in dem Raum unterhalb des Blechelements (6, 6', 6a) freiliegend ist, und - der Außenleiter jedes Koaxialkabels (12, 13, 13a) ist an oder nahe dem jeweiligen Speisepunkt (4, 11) im Punkt (14, 15) mit Masse verbunden und kann nochmals im Punkt (16), mit einem Abstand von 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge der Mobilfunkantenne, gemessen von den Kontaktpunkten (14, 15), auf Masse gelegt sein. Flat antenna arrangement for frequencies in the GHz range, preferably consisting of an antenna for satellite-based vehicle navigation (GPS) and at least one antenna for mobile radio, which are arranged in a common housing on a conductive surface of greater extent, in particular on a vehicle body, where - The GPS antenna is preferably designed as a stripline antenna with transverse radiation, consisting of a plate made of a dielectric material with partial metallization, and wherein the mobile radio antenna has all-round characteristics in the horizontal radiation diagram and the larger-area conductive surface represents the ground reference surface for this antenna, characterized by the following features: the GPS antenna (1, 1a, 2, 3) is arranged lying on top of the antenna or the two antennas for mobile radio, - The mobile radio antenna consists of a sheet metal element (6, 6 ', 6a), which is arranged at a distance (A, A') of 0.04 of the mean operating wavelength of the radio frequency plane-parallel to the ground reference surface (8) and in the area of a side edge or is in a lateral position via at least one short-circuit element (7, 7a) and any intermediate links in a galvanic connection or in a capacitive RF coupling with the ground reference surface (8), - Coaxial cables (12, 13, 13a) are preferably used as feed lines, a section of the HF-conducting inner conductor (10) of the cable (13, 13a) being exposed in the space below the sheet metal element (6, 6 ', 6a) in the case of the mobile radio antenna is and - The outer conductor of each coaxial cable (12, 13, 13a) is connected to ground at or near the respective feed point (4, 11) at point (14, 15) and can again at point (16), with a distance of 1/4 the mean operating wavelength the mobile radio antenna, measured from the contact points (14, 15), be connected to ground. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine GPS-Antenne, die aus einer beidseitig metallisierten Platine (1) besteht, wobei - die eine Seite der Platine, als Massefläche (2), durchgängig metallisiert ist und die andere Seite, in Strahlungsrichtung, mit einer teilweisen Metallisierung in Form eines Flächensegments (patch) versehen ist, das die Strahlerfläche (3) bildet, - die HF-wirksame Kantenlänge des Flächensegments (3) etwa 1/2 der mittleren Betriebswellenlänge der GPS-Frequenz beträgt, - die Platine (1) so angeordnet ist, daß sie mit ihrer Massefläche (2) die Antenne oder die beiden Antennen für Mobilfunk flächig zumindest teilweise überdeckt, - die Platine (1) mit einem Abstand von mindestens 2 mm oder unter Zwischenfügen von dielektrischem Material (5) mit dem Blechelement (6 oder 6') einer Mobilfunkantenne oder, wenn beide Mobilfunkantennen vorgesehen sind, mit dem höherragenden Blechelement (6) der Funkantenne für den niedrigeren Frequenzbereich verbunden ist, und - die Blechelemente (6, 6') vorzugsweise die Form eines Kreisausschnitts mit einem Öffnungswinkel von vorzugsweise 90° und einer radialen Kantenlänge von 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge der jeweiligen Funkfrequenz haben. Flat antenna arrangement according to claim 1, characterized by a GPS antenna, which consists of a plate metallized on both sides (1), wherein one side of the board, as the ground surface (2), is continuously metallized and the other side, in the direction of radiation, is provided with a partial metallization in the form of a surface segment (patch) which forms the radiator surface (3), - The HF-effective edge length of the surface segment (3) is approximately 1/2 of the average operating wavelength of the GPS frequency, - The board (1) is arranged so that it covers at least partially the antenna or the two antennas for mobile radio with its ground surface (2), - The circuit board (1) at a distance of at least 2 mm or with the interposition of dielectric material (5) with the sheet metal element (6 or 6 ') of a mobile radio antenna or, if both mobile radio antennas are provided, with the higher-level sheet metal element (6) of the radio antenna is connected for the lower frequency range, and - The sheet metal elements (6, 6 ') preferably have the shape of a circular section with an opening angle of preferably 90 ° and a radial edge length of 1/4 of the mean operating wavelength of the respective radio frequency. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine GPS-Antenne mit einer einseitig metallisierten Platine (1a), wobei - als Metallisierung die Strahlerfläche (3) aufgetragen ist, - die Platine (1a) die seitlichen Konturen und Abmessungen der Strahlerfläche (3) hat, - die Platine (1a) zentrisch und ohne Spalt direkt auf dem Blechelement (6a) der Mobilfunkantenne aufliegt und das Blechelement (6a) gleichzeitig als Massefläche für die GPS-Antenne wirkt, - das Blechelement (6a) vorzugsweise kreisförmig ist, mit einem Durchmesser (D) von etwa 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge für den zugehörigen Mobilfunk-Frequenzbereich, und - die relative Dielektrizitätskonstante εr des Materials der Platine (1a) so gewählt ist, das das geometrische Maß (d) der Diagonale der Platine vorzugsweise kleiner als der Durchmesser (D) des Blechelements (6a) ist. Flat antenna arrangement according to claim 1, characterized by a GPS antenna with a one-sided metallized circuit board (1a), wherein - The radiator surface (3) is applied as metallization, - The board (1a) has the lateral contours and dimensions of the radiator surface (3), - The circuit board (1a) lies centrally and without a gap directly on the sheet metal element (6a) of the mobile radio antenna and the sheet metal element (6a) simultaneously acts as a ground plane for the GPS antenna, - The sheet metal element (6a) is preferably circular, with a diameter (D) of about 1/4 of the average operating wavelength for the associated mobile radio frequency range, and - The relative dielectric constant ε r of the material of the board (1a) is chosen so that the geometric dimension (d) of the diagonal of the board is preferably smaller than the diameter (D) of the sheet metal element (6a). Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kombination der GPS-Antenne mit zwei Mobilfunkantennen die Blechelemente (6, 6') vorzugsweise so positioniert sind, daß ihre Seitenkanten mit den Kurzschlußelementen (7, 7') einander zugewendet sindFlat antenna arrangement according to Claims 1 and 2, characterized in that when the GPS antenna is combined with two mobile radio antennas, the sheet metal elements (6, 6 ') are preferably positioned such that their side edges with the short-circuit elements (7, 7') face each other Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen und HF-Anschlüsse der Antennen als Steckverbindungen ausgeführt sind und in der Fertigung eine wahlweise Kombination der GPS-Antenne mit einer oder mit beiden Mobilfunkantennen auf einer universellen Bodenplatte (9) erlauben.Flat antenna arrangement according to Claims 1 to 4, characterized in that the mechanical and RF connections of the antennas are designed as plug connections and allow an optional combination of the GPS antenna with one or with both mobile radio antennas on a universal base plate (9) in production . Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (9) mit wahlweise einer oder mit zwei Mobilfunkantennen als komplexes Spritzgußteil ausgeführt ist.Flat antenna arrangement according to Claims 1 to 4, characterized in that the base plate (9) is designed with a choice of one or two cellular antennas as a complex injection molded part. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (9) auf ihrer der Fahrzeugkarosserie zugewendeten Seite vorzugsweise leicht konkav ausgebildet ist und daß Halterungselemente für die lösbare Befestigung so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen der Bodenplatte (9) und dem Karosserieblech (8) minimal ist.Flat antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the base plate (9) is preferably slightly concave on its side facing the vehicle body and that mounting elements for the releasable fastening are arranged such that the distance between the base plate (9) and the body panel (8) is minimal. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kurzschlußelemente (7, 7a) als ein Steg oder als Metallstifte oder ähnliche Körper aus leitendem Material ausgebildet sind.Flat antenna arrangement according to Claim 1, characterized in that the short-circuit element (s) (7, 7a) are designed as a web or as metal pins or similar bodies made of conductive material.
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