DE10133735A1 - Antenne für Satellitenempfang - Google Patents

Antenne für Satellitenempfang

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DE10133735A1
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Gerd Gottwald
Martin Kuhn
Peter Riedhofer
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Hirschmann Electronics GmbH and Co KG
Hirschmann Electronics GmbH
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Hirschmann Electronics GmbH and Co KG
Hirschmann Electronics GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10Resonant slot antennas
    • H01Q13/18Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas

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  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft die konstruktive Ausgestaltung einer Antenne zum mobilen Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Gigahertzbereich mit einem Öffnungswinkel von bis zu 160 DEG .

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Gigahertzbereich gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein wesentliches Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Antenne ist also der mobile Empfang von elektromagnetischen Wellen im Gigahertzbereich in Fahrzeugen, wobei andere Anwendungsgebiete nicht ausgeschlossen sind.

Claims (11)

1. Antenne zum mobilen Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Gigahertzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch nicht leitfähige Öffnung (7) eines Resonators (6) der Antenne derart über einer Massefläche (M) angeordnet ist, daß sich ein rechts- oder links-zirkular polarisiertes Richtdiagramm mit einem Öffnungswinkel von bis zu 160° senkrecht zu der Massefläche (M) ergibt.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (6) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mit einem Dielektrikum (5) oder Luft ausgefüllt ist.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nicht leitfähige Öffnung (7) des Resonators (6) als umlaufender Spalt ausgeführt ist.
4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (5) in einer umlaufenden Ausnehmung (9) in dem Resonatortopf (2) gehalten wird.
5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (7) des Resonators (6) durch ein teilweise metallisiertes Dielektrikum, insbesondere in Form einer Leiterplatte, gebildet ist.
6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne auch zum Empfang von vertikal polarisierten elektromagnetischen Wellen bei flachen Einfallswinkeln ausgebildet ist.
7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (5) planparallel oberhalb eines Bodens (4) des Resonatortopfes (2) angeordnet ist.
8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Anschluß (10) asymmetrisch in bezug auf den Resonatortopf (2), insbesondere in bezug auf das Dielektrikum (5), angeordnet ist.
9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatortopf (2), insbesondere der Boden (4), zumindest teilweise eine Leiterplatte eines Antennenverstärkers bildet.
10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatortopf (2) als Druckgußteil ausgebildet ist.
11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Anordnung in einem Gehäuse bzw. unter der Außenhaut eines Fahrzeuges.
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