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Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen im
Gigahertzbereich gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
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Antennen, insbesondere mobile Antennen, die in oder an Fahrzeugen angeordnet sind,
zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen, insbesondere von zirkular polarisierten
elektromagnetischen Wellen, die von Satelliten ausgestrahlt werden oder von vertikal
polarisierten elektromagnetischen Wellen, die von terrestrischen Sendern abgestrahlt
werden, sind bekannt. Dabei tritt allerdings das Problem auf, daß bei der Kommunikation
eines Fahrzeuges mit einem oder mehreren Satelliten oder Sendern die Richtung zum
Satelliten oder zu dem Sender nicht vorher bestimmbar ist. Daher kommt es bei den
bekannten Antennen mit einem geringen Öffnungswinkel beim Wechsel von dem
Empfang von einem Satelliten zu dem anderen zu einem Aussetzer oder, wenn nur ein
Satellit empfangen werden kann, zu einer dauerhaften Unterbrechung des Empfangs.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderten Nachteile zu
vermeiden, d. h., daß mit der Antenne ein nahezu unterbrechungsfreier Empfang von
elektromagnetischen Wellen sichergestellt werden soll.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine elektrisch nicht leitfähige Öffnung eines
Resonators der Antenne derart über einer Massefläche angeordnet ist, daß sich ein
rechts- oder links-zirkular polarisiertes Richtdiagramm mit einem Öffnungswinkel von bis
zu 160° senkrecht zu der Massefläche ergibt, einen zumindest aus einem Dielektrikum
bestehenden Resonator aufweist, wobei ein Resonatortopf mit dem Dielektrium den
Resonator bildet. Die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen erfolgt durch eine
Öffnung in den Resonator. Da der Resonator aus einem Dielektrikum besteht, teilweise
aber auch aus Luft bestehen kann, wird eine besonders hohe Güte erzielt, so daß ein
optimaler Empfang von elektromagnetischen Wellen sichergestellt werden kann.
Außerdem ist durch die Ausgestaltung des Resonators mit seinem Resonatortopf, der
das Dielektrikum aufnimmt, insbesondere der Empfang von zirkular polarisierten
elektromagnetischen Wellen im Gigahertzbereich mit einem sehr großen Öffnungswinkel,
beispielsweise von bis zu 160°, möglich, so daß dadurch ein einzelner Satellit bei mobiler
Anordnung der Antenne, oder auch zwei oder mehrere, weit auseinanderliegende
Satelliten problemlos empfangen werden können. Aufgrund des realisierten großen
Öffnungswinkels ist ein nahezu störungsfreier und vor allen Dingen unterbrechungsfreier
Empfang der Satellitensignale möglich. Zusätzlich ist der omnidirektionale Empfang von
vertikal polarisierten elektromagnetischen Wellen bei flachen Einfallswinkeln möglich, die
dann vorliegen, wenn die Signale von stationären (ortsfesten) terrestrischen Sendern
abgestrahlt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Dielektrikum eine elektrisch leitfähige
Beschichtung auf, in der eine Öffnung des Resonators zur Einkopplung elektromagnetischer
Wellen vorhanden ist. Die Öffnung ist beispielsweise als umlaufender Spalt oder Schlitz
ausgebildet. Bei dem Dielektrikum selber handelt es sich beispielsweise um eine
Leiterplatte, die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (z. B. aus Kupfer) beschichtet ist
oder allgemein um ein HF-Substrat, wie beispielsweise Teflon, welches mit einer
elektrisch leitfähigen Schicht überzogen werden kann. Aufgrund dieser Ausgestaltung des
Dielektrikums ist eine große Bandbreite gegeben, wobei gleichzeitig eine hohe
Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften, insbesondere bei einer Serienproduktion der
Antenne, gegeben ist. Außerdem kann das Dielektrikum mit seiner Öffnung,
insbesondere mit seinem umlaufenden Spalt, sowie seiner Beschichtung einfach und kostengünstig
hergestellt werden. In Weiterbildung der Erfindung wird das Dielektrikum in einer
umlaufenden Ausnehmung in den Resonatortopf gehalten. Dadurch kann das
Dielektrikum bei der Montage der Antenne in die umlaufende Ausnehmung eingelegt bzw.
eingedrückt werden, so daß dadurch eine kostengünstige Herstellung der Antenne
gewährleistet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Dielektrikum planparallel oberhalb eines Bodens
des Resonatortopfes angeordnet. Die Öffnung des Resonators ist über einer Massefläche
um einen gewissen Grad an Wellenlängen angehoben, um das gewünschte
Richtdiagramm zu erzielen. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise das Dielektrikum um etwa
0,05 bis 0,5 Wellenlängen oberhalb des Bodens des Resonatortopfes angeordnet. Je
nach gewünschtem Richtdiagramm kann daher die umlaufende Ausnehmung in dem
Resonatortopf in einem entsprechenden Abstand oberhalb des Bodens des
Resonatortopfes vorgesehen werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß bei Herstellung des
Resonatortopfes diese umlaufende Ausnehmung schon vorgesehen wird oder
nachträglich, nach der Herstellung des Resonatortopfes, eingebracht wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein elektrischer Anschluß asymmetrisch in bezug auf
den Resonatortopf, insbesondere in bezug auf das Dielektrikum, angeordnet. Durch diese
asymmetrische Anordnung des elektrischen Anschlusses ist eine Anpassung an den
Wellenwiderstand, beispielsweise ein Wellenwiderstand von 50 Ohm, erzielbar.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Resonatortopf als Druckgußteil ausgebildet. Dies
hat den Vorteil, daß zum einen ein Druckgußteil mit gut leitfähiger Oberfläche hergestellt
werden kann, während ein solches Druckgußteil keine oder nur wenig Nachbearbeitung
erfordert, so daß dadurch die Herstellungskosten reduziert werden. Außerdem genügt ein
solches Druckgußteil den mechanischen Anforderungen (wie insbesondere Stöße oder
Vibrationen) im mobilen Einsatz der Antenne bei Fahrzeugen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Antenne in einem Gehäuse
angeordnet, wobei die Antenne in ihrem Gehäuse an der Fahrzeugaußenhaut angeordnet
werden kann. Alternativ oder ergänzend (insbesondere wenn mehrere Antennen im oder
am Fahrzeug angeordnet werden sollen) kann die Antenne auch unterhalb der elektrisch
nicht leitfähigen Außenhaut des Fahrzeuges angeordnet werden. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, wenn ein Antennenverstärker schon innerhalb des Resonatortopfes bzw.
innerhalb des Gehäuses der Antenne angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann ein
Antennenmodul hergestellt werden, das schon auf seine Funktionstüchtigkeit geprüft
werden kann und dem Automobilhersteller zum Einbau in das Neufahrzeug oder zum
nachträglichen Einbau angeliefert wird.
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Eine beispielhafte konstruktive Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Antenne, auf die
die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist und Abweichungen davon innerhalb des
erfinderischen Rahmens ohne weiteres möglich sind, ist im folgenden beschrieben und
anhand der Figur erläutert.
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In der Figur ist eine abgewandelte Patchantenne mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet, die
einen im wesentlichen zylindrischen Aufbau aufweist. Ein Resonatortopf 2 besteht im
wesentlichen aus einer umlaufenden Seitenwand 3 (zylindrisch), wobei etwa im rechten
Winkel zu der umlaufenden Seitenwand 3 ein Boden 4 angeordnet ist. Die Seitenwand 3
steht mit einem kleineren Teil oberhalb des Bodens 4 und mit einem größeren Teil
unterhalb des Bodens 4 über. Dieser Resonatortopf 2 ist beispielsweise als Druckgußteil
ausgebildet, wobei die Oberfläche gut leitfähig ist. In der Schnittdarstellung sind diese
leitfähigen Bereiche durch die weiße Schraffur dargestellt. Die Antenne 1 ist dabei zu,
insbesondere auf einer Massefläche M angeordnet, bei der es sich beispielsweise um die
Karosserie eines Fahrzeuges handeln kann.
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Oberhalb des Bodens 4 ist ein Dielektrikum 5 beabstandet zu dem Boden 4 vorhanden
und bildet dadurch einen Resonator 6. Das Dielektrikum 5 besteht aus einem elektrisch
nicht leitfähigen Material, welches bei der Betrachtung der Patchantenne 1 von oben bis
an die Oberfläche des Dielektrikums 5 reicht. Von oben betrachtet ist also ein elektrisch
nicht leitfähiger Bereich 7, insbesondere ein umlaufender Spalt, zu erkennen, wobei der
Bereich neben dem elektrisch nicht leitfähigen Bereich 7 als elektrisch leitfähiger Bereich
8 ausgebildet ist. Dieser elektrisch leitfähige Bereich 8 oder mehrere Bereiche bestehen
aus einer Beschichtung, die auf dem Dielektrikum 5 aufgebracht ist. Das Dielektrikum 5
ist in einer umlaufenden Ausnehmung 9 in den Resonatortopf 2 gehalten. Dabei kann das
Dielektrikum 5 in die umlaufende Ausnehmung 9 eingeklippst werden, wobei es auch
denkbar ist, daß am oberen Rand der Seitenwand 3 des Resonatortopfes 2 ein Absatz
eingebracht, beispielsweise eingefräst, wird, auf den das Dielektrikum 5 aufgelegt wird.
Anschließend kann das Dielektrikum 5 durch einen Abschlußring oder auch
beispielsweise durch Kleben an der Seitenwand 3 festgelegt werden.
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Weiterhin ist gezeigt, daß asymmetrisch zu dem Resonatortopf 2, insbesondere zu der
Seitenwand 3, etwa im Mittenbereich der Patchantenne 1 ein elektrischer Anschluß 10
vorgesehen ist, der koaxial durch einen Außenleiter 11 sowie durch einen Innenleiter 12
ausgeführt ist. Über diesen elektrischen Anschluß 10, der zwecks besserer Darstellung
nur schematisch dargestellt ist, können die empfangenen Signale zur weiteren
Verarbeitung einem Antennenverstärker zugeführt werden. In diesem Fall wäre der
Antennenverstärker ein in bezug auf die Patchantenne 1 externes Bauteil. Alternativ dazu ist es auch
möglich, den Antennenverstärker mit seinen mechanischen und elektronischen
Elementen innerhalb des Resonatortopfes 2 zu integrieren. Dazu kann der Resonatortopf
2, insbesondere der Boden 4, zumindest teilweise eine Leiterplatte des
Antennenverstärkers bilden, auf welchem dessen elektronische Bauteile angeordnet sind. Alternativ kann
die Unterseite des Resonatorbodens die Tragfläche für eine Leiterplatte des
Antennenverstärkers bilden. Das heißt, daß die Leiterplatte des Antennenverstärkers gleichzeitig
einen Teil des Bodens 4 des Resonators 6 bildet. Dadurch können Patchantenne 1 und
Antennenverstärker als Modul hergestellt, geprüft und geliefert werden. Zusätzlich ist es
noch denkbar, daß die Patchantenne 1 mit oder ohne Antennenverstärker in einem
Gehäuse angeordnet wird. Dieses, insbesondere auch mehrteilige, Gehäuse kann als
zusätzliches Bauteil die Patchantenne 1 umgeben oder wird als Spritzgußteil,
insbesondere aus Kunststoff, aufgebracht. Darüber hinaus ist es auch denkbar, die Patchantenne
1 mit oder ohne Antennenverstärker unterhalb der nicht leitenden Außenhaut eines
Fahrzeuges anzuordnen, insbesondere in einem solchen Bereich, wo die Kontur der
Fahrzeugaußenhaut den Empfang der elektromagnetischen Wellen nicht stört, wie
insbesondere auf dem Dach des Fahrzeuges. Bei einer solchen Anordnung kann die
Patchantenne 1 teilweise in das Dach des Fahrzeuges eingelassen sein und teilweise von
dem Gehäuse abgedeckt werden.
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Ein wesentliches Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Antenne ist also der mobile
Empfang von elektromagnetischen Wellen im Gigahertzbereich in Fahrzeugen, wobei
andere Anwendungsgebiete nicht ausgeschlossen sind.