DE102004059916A1

DE102004059916A1 - Disc-Monopol-Antennenstruktur

Info

Publication number: DE102004059916A1
Application number: DE102004059916A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hansen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-06-14
Also published as: EP1829158B1; ATE468627T1; WO2006063916A1; KR20070091142A; CN101076922A; JP2008523751A; AU2005315689B2; US8223086B2; US20080094285A1; CN101076922B; EP1829158A1; KR101067657B1; JP4630344B2; DE502005009613D1; AU2005315689A1

Abstract

Bei einer Disc-Monopol-Antennenstruktur ist ein semi-zirkularer Bereich vorgesehen und ein gegenüberliegender zweiter rahmenartiger Bereich, der dem semi-zirkularen Bereiche abgewandt ist und eine Aussparung (5) in der Antennenstruktur bildet.

Description

Für den Betrieb von z.B. Handys zur mobilen Kommunikation aus einem Fahrzeug heraus, werden zur Verbesserung der Qualität der Kommunikation verstärkt Antennen außerhalb des Fahrzeuges verbaut. Dadurch wird die abschirmende Wirkung der Fahrzeughülle, die im allgemeinen aus elektrisch leitenden Materialien besteht, je nach Einbauort vernachlässigbar.

Da es mehrere Mobilfunk-Anbieter auf unterschiedlichen Frequenzbändern gibt, z.B. in Europa 890 bis 960 MHz und 1710 bis 1880 MHz für GSM und zukünftig 1920 bis 2170 MHz für UMTS, benötigt man Mehrband-Antennen, die diese Frequenzbereiche abdecken. Je nach Region, z.B. Europa und Amerika, liegen diese Frequenzbänder leicht versetzt zueinander, so dass eine für z.B. Europa optimierte Antenne sich nicht automatisch für den Betrieb in Amerika eignet.

Zum Einsatz kommen oft Mehrband-Dachantennen, die auf einer monopolartigen Antennenstruktur basieren. Monopolartige Antennen haben den Vorteil einer rundstrahlenden Charakteristik und konstanter Polarisationsverhältnisse. Für Dachantennen ist eine möglichst niedrige Bauhöhe angestrebt. Aus sicherheitstechnischen Gründen, erhöhte Verletzungsgefahr bei Unfällen mit Fußgängern und Zweiradfahrern, sind zur Zeit noch Bauhöhen von 4 cm bei Dachmontage der Antenne verlangt. Darüber hinaus bedarf es zusätzlicher Maßnahmen, um im Falle eines Unfalls das Verletzungsrisiko zu minimieren. Dies hat einen komplizierteren und teureren Aufbau der Antenne zur Folge. Außerdem lässt sich eine Antenne mit kleiner Bauhöhe besser in die allgemeine Fahrzeugoptik integrieren, oft ein entscheidendes Kriterium seitens der Automobilhersteller.

Die Bauhöhe einer Antenne wird durch die niedrigste zu empfangende Frequenz bestimmt. Im Falle einer Mobilfunkantenne für Europa ist dies 890 MHz. Für einen klassischen λ/4-Monopol ergibt sich daraus eine Bauhöhe von ca. 8 cm (1).

Die Bauhöhe lässt sich jedoch durch Meandrierung oder Faltung des Monopols reduzieren (2 und 3). Die Bauhöhenreduktion geht allerdings auf Kosten der erreichbaren Bandbreite. So lassen sich mit meandrierten bzw. gefalteten Antennen oft gerade so ein Kommunikations-Frequenzband einer Region, z.B. Europa oder Amerika, abdecken. Man muss dann für die jeweilige andere Region eine eigene Antenne entwickeln und anbieten.

Die Automobilindustrie fordert verstärkt neben Antennen mit niedrigen Bauhöhen, dass sich diese unabhängig von der Region einsetzen lassen.

Aus dem Stand der Technik sind Disc-Monopol-Antennen bekannt, die ab einer unteren Grenzfrequenz bis einige GHz angepasst abstrahlen (4 bis 6). Die Bauhöhe einer solchen Antenne entspricht in etwa der eines λ/4-Monopols für die gleiche untere Grenzfrequenz. Im Falle von 800 MHz sind dies ca. 8 cm.

Um bei einem Disc-Monopol zusätzliche Resonanzen zu erzeugen, wurden Koppelelemente vorgeschlagen. Diese erzeugen allerdings nur relativ schmalbandige Resonanzen, die nicht in der Lage sind, beispielsweise ein komplettes unteres Mobilfunkband bei 900 MHz für Europa und Amerika abzudecken.

Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
7 eine Disc-Monopol-Antenne mit galvanisch angekoppeltem U-förmigen Leiter,
8 eine Disc-Monopol-Antenne mit galvanisch angekoppeltem gefalteten Leiter durch Aussparung des Disc-Monopols nach innen,
9 eine Disc-Monopol-Antenne mit Zusatzresonanz, die durch Kombination aus den 7 und 8 entsteht,
10 eine Optimierung der Zusatzresonanz über einen optionalen Widerstand zur Ankopplung des zusätzlichen Leiters an den Disc-Monopol,
11 ein Realisierungsbeispiel für eine Disc-Monopol-Antenne mit beidseitig metallisierter Leiterplatte,
12 eine Disc-Monopol-Antenne mit einer weiteren Zusatzresonanz ebenfalls auf beidseitig metallisierter Leiterplatte.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, d.h. mit einem ersten scheibenartigen insbesondere semi-zirkularen Bereich und einem zweiten rahmenartigen Bereich, der dem semi-zirkularen Bereich abgewandt ist und eine Aussparung (5) in der Antennenstruktur bildet, lässt sich eine Antenne aufbauen, die ab einer unteren Grenzfrequenz sehr breitbandig angepasst abstrahlt bzw. empfängt und die einen bzw. optional weitere schmalbandigere Frequenzbänder aufweist, die vorzugsweise unterhalb des sehr breitbandigen Frequenzbereiches liegen und ein komplettes unteres Mobilfunkband abdecken können.
Die Erfindung stellt eine größenreduzierte Antenne für regional unabhängige mobile Kommunikation aktueller und zukünftiger Systeme zur Verfügung.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.
Neben dem zusätzlich nutzbaren mindestens einen schmalbandigeren aber dennoch relativ breitbandigen Frequenzbandes lässt sich auch eine Reduktion der Bauhöhe erzielen. Insbesondere wird bei der Erfindung ein zusätzliches Frequenzband ausgebildet, das breitbandiger ist als bei einer induktiven Ankopplung eines Leiterstabes.
Insbesondere durch die Maßnahmen des Anspruch 7 kann entweder ein zusätzliches Frequenzband zur Verfügung gestellt werden oder durch Kombination mit dem ersten Frequenzband ein gemeinsames breitbandigeres Frequenzband erzeugt werden. Durch die Erfindung kann z.B. dann auch eine regional unabhängige Abdeckung der unteren Kommunikation-Frequenzbänder für AMPS (Amerika) und GSM (Europa) erfolgen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
7 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Antenne in Form einer Disc-Monopol-Struktur 2, die sowohl für Sende- als auch für Empfangsbetrieb geeignet ist. Diese weist in ihrem unteren Bereich/Hälfte einen semi-zirkularen Verlauf auf und besitzt einen rahmenartigen Bereich, der eine vorzugsweise rechteckige Aussparung 5 aufweist, die vom semi-zirkularen Bereich abgewandt ist, d.h. sich am gegenüberliegenden Ende befindet. Vorzugsweise werden durch die Aussparung 5 an der linken und an der rechten Kante zwei gleichförmige und -breite Leiterstreifen gebildet. Durch die Höhe des Disc-Monopols wird die untere Grenzfrequenz des sehr breitbandigen Frequenzbereichs für höhere Frequenz festgelegt. Durch die Form der unteren Kante der Disc-Monopol-Struktur 2 und ihrem Abstand zu einer leitenden Grundplatte (GND-Plane) wird das Impedanzverhalten der Antenne bestimmt. Die Aussparung 5 in der Antenne hat sowohl einen Einfluss auf die untere Grenzfrequenz des breitbandigen Frequenzbereiches als auch auf den weiteren Frequenzverlauf für die höheren Frequenzen. Quer zur oberen Kante des Disc-Monopols verläuft, vorzugsweise über die gesamte Breite, in einem gewissen Abstand ein erster zusätzlicher gefalteter Leiter in Form eines Stabes 3, der vorzugsweise an einem seiner beiden Enden galvanisch oder optional über eine Impedanz, beispielsweise einen Widerstand 6, mit den seitlichen Leiterstreifen des ausgesparten Disc-Monopols 2 verbunden ist. An dem anderen Ende verbleibt eine Trennstelle in Form eines Schlitzes 4 zwischen Stab 3 und Disc-Monopol. Um den durch den Stab 3 und der Kante der Aussparung 5 im Disc-Monopol gebildeten Bereich, wird in einem gewissen Frequenzbereich ein Ringstrom erzeugt, der zu einem zusätzlichen Frequenzband der Antenne führt. Dieses Frequenzband befindet sich vorzugsweise unterhalb der unteren Grenzfrequenz des durch den Disc-Monopol abgedeckten Frequenzbereiches. Die Ausbildung des Ringstromes wird im wesentlichen durch die Position und Ausführung des Schlitzes 4 mitgesteuert. Die Ankopplung des zusätzlichen Stabes 3 über einen optionalen Widerstand 6, anstelle einer rein galvanischen Kopplung, kann das Impedanzverhalten der Antenne im zusätzlichen Frequenzband günstig beeinflussen. Die Position des optionalen Widerstandes 6 kann von den hier gezeigten abweichen. Die Lage des zusätzlichen Frequenzbandes lässt sich vorzugsweise durch die Tiefe der Aussparung 5 steuern. Optional kann man den ersten zusätzlichen Stab vorzugsweise U-förmig 3a nach oben ausbilden (7, 9 und 10). Dabei wird das zusätzliche Frequenzband breitbandiger, führt aber auch zu einer höheren Bauform.
Während beim Ausführungsbeispiel gemäß 7 der Schlitz 4 am Rahmengrund also am Übergang auf den scheibenartigen Bereich der Struktur 2 vorgesehen ist, liegt er beim Ausführungsbeispiel gemäß 8 an der oberen Rahmenkante und damit auch an der Oberkante des Disc-Monopols. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist der Schlitz 4 mittig in einem der Seitenleiter vorgesehen.
Optional lässt sich in die erfindungsgemäße Antenne mit einer Aussparung 5 ein weiterer zusätzlicher Leiterstab 7 in dem durch die Aussparung 5 und erstem Leiterstab 3 gebildeten Bereich einbringen (12). Der weitere zusätzliche Stab 7 ist vorzugsweise induktiv 8 an einem der beiden durch die Aussparung 5 gebildeten Streifen des Disc-Monopols 2 angekoppelt und bildet entweder ein weiteres zusätzliches Frequenzband oder zusammen mit dem ersten zusätzlichen Frequenzband ein gemeinsames breitbandigeres zusätzliches Frequenzband. Die Lage des zweiten zusätzlichen Frequenzbandes kann üblicherweise über die Induktivität 8 der Ankopplung, der Länge und der Lage des zweiten Stabes 7 eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung des Impedanzverhaltens der Antenne in dem durch den weiteren Stab 7 beeinflussten Frequenzband besteht in der Parallelschaltung eines optionalen Wirkanteiles/Widerstandes zu der Induktivität 8 für die Ankopplung des weiteren Stabes 7.
Es ist natürlich möglich weitere zusätzliche Stäbe 7, vorzugsweise induktiv an einem der beiden durch die Aussparung 5 gebildeten Streifen des Disc-Monopols 2 anzukoppeln. Dadurch lässt sich vorzugsweise die Bandbreite des zusätzlichen Frequenzbandes günstig beeinflussen.
Für einen kostengunstigen Aufbau wird die Antenne vorzugsweise auf einer Leiterplatte, vorzugsweise bestehend aus einem beidseitig mit der Struktur der Antenne metallisierten dielektrischen Träger realisiert. Weitere heute übliche Mehrlagenaufbauten sind ebenso realisierbar, wie das Stehenlassen von dielektrischem Träger außerhalb der metallischen Struktur der Antenne.
Die 11 und 12 zeigen solche Realisierungen mit beidseitig metallisierter Leiterplatte 12. Die Durchkontaktierung, die insbesondere bei einseitiger Speisung notwendig ist, geschieht über die Vias 50.
Für eine bessere Integration in das die Antenne umgebende Design, kann die Aussparung 5 eine vom Rechteck abweichende Form aufweisen. Die Breite des Leiterstabes 3 bleibt vorzugsweise gegenüber der Ausführung mit rechteckförmiger Aussparung 8 unverändert.
So lässt sich z.B. wie 13 zeigt ein stromlinienförmiges Design erzielen. Der über eine Induktivität 8 mit optionalem Widerstand angekoppelte weitere Stab 7 kann dann vorzugsweise in der schrägen Kante 3a angeordnet werden.
Natürlich ist es möglich noch weitere Stäbe in der Aussparung 5 unterzubringen, um weitere Frequenzbänder abzudecken.

Claims

Disc-Monopol-Antennenstruktur mit einem ersten scheibenartigen insbesondere semi-zirkularen Bereich und einem zweiten rahmenartigen Bereich, der dem semi-zirkularen Bereich abgewandt ist und eine Aussparung (5) in der Antennenstruktur bildet.
Antennenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rahmenartige Bereich aus mindestens einer gefalteten Leiterstruktur (3) besteht, die insbesondere eine Trennstelle (4) aufweist.
Antennenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rahmenartige Bereich galvanisch oder über eine Impedanz (6) an die Disc-Monopol-Antennenstruktur angekoppelt ist.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rahmenartige Bereich rechteckig ausgebildet ist mit zwei Seitenleitern und einem oberen Leiter, wobei diese drei Leiter den Rand der Antennenstruktur auf der dem semi-zirkularen Bereich gegenüberliegenden Seite bilden.
Antennenstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Leiter U-förmig (3a) ausgebildet ist, wobei mindestens einer seiner Schenkel in einen der beiden Seitenleiter übergeht oder an der Trennstelle (4) bzw. an der Koppelstelle für die Impedanz (6) endet.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Aussparung (5) ausgehend vom rahmenartigen Bereich mindestens ein Leiter (7) hineinragt.
Antennenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in den rahmenartigen Bereich hineinragende mindestens eine Leiter (7) über eine Kopplung (8) mit einem der Leiter des rahmenartigen Bereichs verbunden ist.
Antennenstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung im wesentlichen induktiv ausgebildet ist gegebenenfalls parallel mit einem Widerstand.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen (3, 3a) des rahmenartigen Bereichs streifen- oder stabförmig ausgebildet sind.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Leiterstrukturen (3, 3a) gebildete rahmenartige Bereich von der Rechteckform abweicht.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur auf einer Leiterplatte realisiert ist, vorzugsweise bestehend aus einem beidseitig mit der Struktur der Antenne metallisierten dielektrischen Träger.
Antennenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur so dimensioniert ist, dass diese ab einer unteren Grenzfrequenz ein breitbandiges Abstrahlverhalten aufweist, sowie mindestens einen weiteren schmalbandigen Abstrahlbereich vorzugsweise unterhalb der Grenzfrequenz.