DE102007029023B4

DE102007029023B4 - Antenna system for a motor vehicle

Info

Publication number: DE102007029023B4
Application number: DE102007029023.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Fikar; Richard Bogenberger; Andre Lajtkep
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-06-23
Filing date: 2007-06-23
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2027-06-24
Also published as: DE102007029023A1

Abstract

Antennensystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Steuereinheit und eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen, die untereinander derart verschaltet sind, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelantenne eine Richtcharakteristik aufweist, bei welcher der Antennengewinn im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel ist und bei welcher der Antennengewinn bezogen auf den Elevationswinkel eine Hauptkeule im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad besitzt.Antenna system for a motor vehicle, comprising a control unit and a plurality of similar individual antennas, which are interconnected in such a way that they can be operated by the control unit as an antenna array for receiving satellite signals, characterized in that each individual antenna has a directional characteristic in which the antenna gain is essentially independent of the azimuth angle and at which the antenna gain, based on the elevation angle, has a main lobe in the value range between 20 and 40 degrees.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Steuereinheit und eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen, die untereinander derart verschaltet sind, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind.The invention relates to an antenna system for a motor vehicle comprising a control unit and a multiplicity of identical antennas of the same type, which are interconnected in such a way that they can be operated by the control unit as an antenna array for receiving satellite signals.

Zum Empfang von Satellitensignalen durch bei einem Kraftfahrzeug angeordnete Empfänger werden heute meist omnidirektionale Antennen verwendet, unter anderem um eine hohe Wahrscheinlichkeit hoher Empfangsqualität in unterschiedlichen Empfangssituationen zu gewährleisten.Omnidirectional antennas are mostly used today to receive satellite signals by receivers arranged in a motor vehicle, among other things to ensure a high probability of high reception quality in different reception situations.

Um die Empfangsleistung eines Antennensystems gegenüber der einer Einzelantenne zu erhöhen, ist es bekannt, eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Einzelantennen untereinander derart zu verschalten, dass die Einzelantennen von der Steuereinheit gemeinsam als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind. Verfahren zur Steuerung solcher Antennen-Arrays sind dem Fachmann unter den Begrifflichkeiten „Digital Beam Forming“ und „Phased Array“ geläufig.In order to increase the reception power of an antenna system compared to that of an individual antenna, it is known to interconnect a large number of identical individual antennas and a control unit for controlling the individual antennas in such a way that the individual antennas can be operated together by the control unit as an antenna array for receiving satellite signals. Methods for controlling such antenna arrays are familiar to the person skilled in the art under the terms “digital beam forming” and “phased array”.

Nachteilig an bekannten Verfahren ist die hohe Anzahl der Einzelantennen, die in Array-Systemen erforderlich ist, um eine hohe Empfangsqualität sicherzustellen bzw. vorgegebene Spezifikationen zu erfüllen, sowie die mit dieser hohen Anzahl einhergehende hohe Komplexität solcher Systeme.Disadvantages of known methods are the high number of individual antennas that are required in array systems in order to ensure high reception quality or to meet specified specifications, and the high complexity of such systems associated with this high number.

Das Dokument WO 2003 / 107 483 A1 offenbart ein Antennenelement mit einer Groundplane, mit einer darüber angeordneten Helix, die an einem nahe der Groundplane gelegenen Helixende mit einem Kommunikationsgerät verbunden werden kann, und mit einer im Wesentlichen zentral entlang der Achse der Helix verlaufenden Spirale, die mit einem äußeren Ende mit dem anderen Helixende verbunden ist und damit die Antenne terminiert.The document WO 2003/107483 A1 discloses an antenna element with a ground plane, with a helix arranged above it, which can be connected to a communication device at a helix end located near the ground plane, and with a spiral which runs essentially centrally along the axis of the helix and which has an outer end with the other Helixend is connected and thus terminates the antenna.

Das Dokument DE 10035820 A1 offenbart eine multifunktionale Antennenanordnung bestehend aus einer Anzahl N Monopolantennen mit Dachkapazität, wobei die Anzahl N größer oder gleich drei ist und einer Ansteuerschaltung mit der ein oder mehrere externe Tore mit den Antennenelementen verkoppelt werden. Die Antennenanordnung kann als Sende- und/oder Empfangsantenne in mehreren Frequenzbändern verwendet werden. Die Beziehungen zwischen den Phasen und Amplituden der einzelnen Antennen und der Torgrößen der Ansteuerschaltung hängen vom Frequenzband ab.The document DE 10035820 A1 discloses a multifunctional antenna arrangement consisting of a number N of monopole antennas with roof capacity, the number N being greater than or equal to three and a control circuit with which one or more external gates are coupled to the antenna elements. The antenna arrangement can be used as a transmitting and / or receiving antenna in several frequency bands. The relationships between the phases and amplitudes of the individual antennas and the gate sizes of the control circuit depend on the frequency band.

Das Dokument EP 019540356 B1 offenbart eine Antennenanordnung zur Erzeugung eines zirkulär polarisierten konischen Strahlungsdiagramms für Satelliten-Mobilfunk für eine Wellenlänge Lambda im L-Band mit einer über einer gut leitenden Reflexionsebene senkrecht angeordneten Schlitzrohrantenne mit einem in dem zylindrischen Antennenrohr angeordneten Längsschlitz mit der folgenden Kombination von Merkmalen: (a1) Das als vertikal polarisierter Linearstrahler erregte Antennenrohr weist eine Gesamtlänge über der gut leitenden Reflexionsebene von Lambda * Vk und einen Antennenrohrdurchmesser von 0,125 Lambda auf, wobei wegen des endlichen Schlankheitgrades des Antennenrohrs für Ganzwellenresonanz der Faktor Vk ein Verkürzungsfaktor ist. (a2) Die gut leitende Reflexionsebene hat eine Seitenlänge in der Größenordnung von mehreren Wellenlängen. (b) Der Längsschlitz hat eine Länge von etwa 0,75 Lambda und einer Breite von etwa 0,02 Lambda und ist als horizontal polarisierter Rundumstrahler über der Reflexionsebene erregt. (c) Die Mitte des Längsschlitzes im Antennenrohr befindet sich etwa in einer Höhe einer halben Wellenlänge über der Reflexionsebene. (d) Das der Reflexionsebene zugewandte Ende des Antennenrohrs weist eine konische Verjüngung auf und zur Anpassung an eine erste niederohmige Speiseleitung mündet dieses Ende als Innenleiter in einem Resonanztopf mit einer Länge von etwa 0,25 Lambda. (e) Eine zweite Speiseleitung ist zur Erregung des Schlitzes der Schlitzrohrantenne durch den Innenleiter des Resonanztopfes geführt. (f) Die erste Speiseleitung ist zur Erregung des Antennenrohrs der Schlitzrohrantenne an den Innenleiter des Resonanztopfes geführt. (g) Die erste und zweite Speiseleitung sind über ein Speisenetzwerk amplituden- und phasenrichtig zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengeschaltet.The document EP 019540356 B1 discloses an antenna arrangement for generating a circularly polarized conical radiation pattern for satellite mobile radio for a wavelength of lambda in the L-band with a slot tube antenna arranged vertically above a highly conductive reflection plane with a longitudinal slot arranged in the cylindrical antenna tube with the following combination of features: (a1) The antenna tube, which is excited as a vertically polarized linear radiator, has an overall length above the highly conductive reflection plane of lambda * Vk and an antenna tube diameter of 0.125 lambda, the factor Vk being a shortening factor due to the finite degree of slenderness of the antenna tube for whole-wave resonance. (a2) The highly conductive reflection plane has a side length on the order of several wavelengths. (b) The longitudinal slot has a length of approximately 0.75 lambda and a width of approximately 0.02 lambda and is excited as a horizontally polarized omnidirectional emitter above the reflection plane. (c) The center of the longitudinal slot in the antenna tube is approximately half a wavelength above the reflection plane. (d) The end of the antenna tube facing the plane of reflection has a conical taper and to adapt to a first low-resistance feed line, this end opens as an inner conductor in a resonance pot with a length of approximately 0.25 lambda. (e) A second feed line is led through the inner conductor of the resonance pot to excite the slot of the slot tube antenna. (f) The first feed line leads to excitation of the antenna tube of the slot tube antenna to the inner conductor of the resonance pot. (g) The first and second feed lines are interconnected via a feed network with the correct amplitude and phase to form a common connection.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Antennensystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, welches mit geringerem Aufwand realisierbar ist.It is an object of the invention to provide a simple antenna system for a motor vehicle which can be implemented with less effort.

Gelöst wird die erstgenannte Aufgabe durch ein Antennensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The first-mentioned object is achieved by an antenna system with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention result from the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Antennensystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen und eine Steuereinheit zur Steuerung der Antennen. Die Einzelantennen sind untereinander derart verschaltet, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind. Dabei weist jede Einzelantenne eine Richtcharakteristik auf, bei welcher der Antennengewinn im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel ist und bei welcher der Antennengewinn bezogen auf den Elevationswinkel eine Hauptkeule im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad besitzt.The antenna system according to the invention for a motor vehicle includes a large number of identical individual antennas and a control unit for controlling the antennas. The individual antennas are interconnected in such a way that they can be operated by the control unit as an antenna array for receiving satellite signals. Each individual antenna has a directional characteristic in which the antenna gain is essentially independent of the azimuth angle and in which the antenna gain has a main lobe in the value range between 20 and 40 degrees in relation to the elevation angle.

Der Antennengewinn weist also ein globales Maximum bei Werten des Elevationswinkels zwischen 20 und 40 Grad auf. Der Wertebereich des Elevationswinkels zwischen 20 und 40 Grad wird im Folgenden auch als Hauptstrahlrichtung bezeichnet. The antenna gain thus has a global maximum at values of the elevation angle between 20 and 40 degrees. The range of values of the elevation angle between 20 and 40 degrees is also referred to below as the main beam direction.

Vorzugsweise beträgt der Antennengewinn der Einzelantennen für alle Werte des Elevationswinkels im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad mindestens 3 dBi. Die Antennenenergie ist dann vorteilhaft auf die Hauptstrahlrichtung gebündelt.The antenna gain of the individual antennas is preferably at least 3 dBi for all values of the elevation angle in the value range between 20 and 40 degrees. The antenna energy is then advantageously bundled onto the main beam direction.

Vorzugsweise beträgt der Antennengewinn der Einzelantennen für alle Werte des Elevationswinkels im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad mindestens 5 dBi. Die Antennenenergie ist dann besonders vorteilhaft auf die Hauptstrahlrichtung gebündelt.The antenna gain of the individual antennas is preferably at least 5 dBi for all values of the elevation angle in the value range between 20 and 40 degrees. The antenna energy is then particularly advantageously bundled onto the main beam direction.

Vorzugsweise sind die Einzelantennen derart ausgelegt, dass der Antennengewinn für alle Werte des Elevationswinkels, die deutlich außerhalb des Wertebereichs zwischen 20 und 40 Grad liegen, insbesondere für alle Nebenkeulen unterhalb von -3 dBi liegt. Auch dies stellt ein Charakteristikum der vorteilhaften Bündelung der Antennenenergie auf die Hauptstrahlrichtung dar. Die Formulierung „deutlich außerhalb“ soll Werte des Elevationswinkels ausschließen, die nahe an der Hauptstrahlrichtung liegen und bei denen die angegebene Schwelle von -3 dBi aufgrund des typischerweise stetigen Verlaufs des Antennengewinns über dem Elevationswinkel überschritten ist.The individual antennas are preferably designed such that the antenna gain is below -3 dBi for all values of the elevation angle that are clearly outside the range of values between 20 and 40 degrees, in particular for all side lobes. This is also a characteristic of the advantageous bundling of the antenna energy onto the main beam direction. The wording “clearly outside” is intended to exclude values of the elevation angle that are close to the main beam direction and at which the specified threshold of -3 dBi due to the typically constant course of the antenna gain is exceeded above the elevation angle.

Vorzugsweise sind die Einzelantennen derart ausgelegt, dass der Antennengewinn für alle Werte des Elevationswinkels, die deutlich außerhalb des Wertebereichs zwischen 20 und 40 Grad liegen, insbesondere für alle Nebenkeulen unterhalb von -5 dBi liegt. Die Antennenenergie ist dann besonders vorteilhaft auf die Hauptstrahlrichtung gebündelt.The individual antennas are preferably designed such that the antenna gain is below -5 dBi for all values of the elevation angle that are clearly outside the value range between 20 and 40 degrees, in particular for all side lobes. The antenna energy is then particularly advantageously bundled onto the main beam direction.

Durch die Erfindung ist die Richtcharakteristik der Einzelantennen gegenüber bekannten Systemen in verbessertem Maße an den zu erwartenden Empfangsfall angepasst bzw. für diesen optimiert. Da sich die Richtcharakteristik des gesamten Antennensystems aus der Richtcharakteristik des Arrays, d.h. der Verschaltung und Steuerung der Einzelantennen, und aus der Richtcharakteristik der Einzelantennen zusammensetzt, ist somit auch die Richtcharakteristik des Antennensystems entsprechend verbessert bzw. optimiert. Gegenüber herkömmlichen Antennensystemen ist somit eine geringere Anzahl von Einzelantennen erforderlich, um bestimmte System-Spezifikationen zu erfüllen. Bei unveränderter Anzahl von Einzelantennen sind verbesserte Empfangsergebnisse erzielbar.As a result of the invention, the directional characteristic of the individual antennas is adapted to the expected reception case to an improved extent or is optimized for this in comparison with known systems. Since the directional characteristic of the entire antenna system is derived from the directional characteristic of the array, i.e. the interconnection and control of the individual antennas, and composed of the directional characteristic of the individual antennas, the directional characteristic of the antenna system is accordingly improved or optimized accordingly. Compared to conventional antenna systems, a smaller number of individual antennas is required to meet certain system specifications. If the number of individual antennas remains unchanged, improved reception results can be achieved.

Wird ein kostengünstiges Antennensystem angestrebt, so ist die Anzahl an Antennen im Array möglichst klein zu halten. Der erzielbare Gewinn eines Arrays wächst langsamer als linear, während Kosten und Komplexität stärker als linear mit der Anzahl der Einzelantennen wachsen.If an inexpensive antenna system is sought, the number of antennas in the array should be kept as small as possible. An array's achievable gain grows slower than linear, while cost and complexity grow more linearly than the number of individual antennas.

Wird ein Antennensystem mit reduzierter Anzahl von Einzelantennen angestrebt, so ist die Anzahl der Einzelantennen vorzugsweise kleiner oder gleich 26 zu wählen. So kann unter Anwendung der Erfindung mit geringem Aufwand und kostengünstig ein Antennensystem für den hochqualitativen Empfang an einer Vielzahl von Einsatzorten bereitgestellt werden.If an antenna system with a reduced number of individual antennas is desired, the number of individual antennas should preferably be less than or equal to 26. Thus, using the invention, an antenna system for high-quality reception can be provided at a large number of locations with little effort and at low cost.

Besonders vorteilhaft kann ein Antennensystem mit nicht mehr als 16 Einzelantennen sein. Selbst bei solch geringer Anzahl von Einzelantennen kann unter Anwendung der Erfindung mit entsprechend geringem Aufwand und besonders kostengünstig ein Antennensystem für den hochqualitativen Empfang an vielen Einsatzorten bereitgestellt werden.An antenna system with no more than 16 individual antennas can be particularly advantageous. Even with such a small number of individual antennas, an antenna system for high-quality reception can be provided at many locations using the invention with correspondingly little effort and particularly inexpensively.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Richtcharakteristik basiert auf den nachfolgend ausgeführten technischen Überlegungen. Diese betreffen überwiegend den besonderen Anwendungsfall des Empfangs von Satellitensignalen, beispielsweise Signale des Satellitenfernsehens, in Kraftfahrzeugen.The design of the directional characteristic according to the invention is based on the technical considerations set out below. These mainly relate to the special application of receiving satellite signals, for example signals from satellite television, in motor vehicles.

Zum einen wird die Richtcharakteristik derart gestaltet, dass ein relevanter Antennengewinn im aufgrund der Natur des Anwendungsfalls zu fokussierenden Bereich von Elevationswinkeln gewährleistet ist. Zum anderen soll die Empfangsleistung unabhängig von der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs sein. Wegen des engen Zusammenhangs zwischen der Richtcharakteristik des gesamten Antennensystems und der Richtcharakteristik der Einzelantennen wird das Antennensystem erfindungsgemäß derart gestaltet, dass diese Vorgaben auch für jede Einzelantenne gelten.On the one hand, the directional characteristic is designed in such a way that a relevant antenna gain is ensured in the area of elevation angles to be focused due to the nature of the application. On the other hand, the reception power should be independent of the direction of travel of the motor vehicle. Because of the close relationship between the directional characteristic of the entire antenna system and the directional characteristic of the individual antennas, the antenna system is designed according to the invention in such a way that these specifications also apply to each individual antenna.

Fahrtrichtungsänderungen des Kraftfahrzeugs entsprechen Rotationen des Kraftfahrzeugs um die Fahrzeughochachse. Um Unabhängigkeit von der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs zu erreichen, muss die Richtcharakteristik der Einzelantennen rotationssymmetrisch zu einer Achse ausgeführt sein und diese Achse muss im Wesentlichen parallel zur Fahrzeughochachse ausgerichtet werden. Um die Rotationssymmetrie zu gewährleisten, ist die Richtcharakteristik der Einzelantennen im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel. Hinsichtlich der Ausrichtung parallel zur Fahrzeughochachse wird im Folgenden von lagefest aufrecht an das Kraftfahrzeug montierten Einzelantennen ausgegangen.Changes in the direction of travel of the motor vehicle correspond to rotations of the motor vehicle about the vertical axis of the vehicle. In order to achieve independence from the direction of travel of the motor vehicle, the directional characteristic of the individual antennas must be rotationally symmetrical to an axis and this axis must be aligned essentially parallel to the vertical axis of the vehicle. To ensure rotational symmetry, the directional characteristic of the individual antennas is essentially independent of the azimuth angle. With regard to the alignment parallel to the vertical axis of the vehicle, it is assumed in the following that individual antennas are mounted in an upright position on the motor vehicle.

Um ein möglichst effizientes Antennensystem zu schaffen, wird der Neigungswinkel einer lagefest aufrecht an ein Kraftfahrzeug montierten Einzelantenne im Kraftfahrzeugbetrieb als weitgehend konstant vorausgesetzt. Starke Schwankungen des Neigungswinkels könnten lediglich durch starke Schwankungen des Nick- und/oder Rollwinkels des Kraftfahrzeugs verursacht werden. Diese Winkel sind jedoch in den meisten Geländeformen und bei normaler Fahrweise relativ geringen Schwankungen unterworfen. Es kann somit im einfachsten Fall von einer während des gesamten Fahrzeugbetriebs senkrecht stehenden Antenne ausgegangen werden. Sonderfälle, in welchen diese Annahme nicht zutrifft, werden erfindungsgemäß gezielt vernachlässigt, um ein verbessertes Antennensystem für Situationen bereitzustellen, die mit höherer Wahrscheinlichkeit bzw. Häufigkeit auftreten. Zudem weisen moderne Satellitendienste technische Maßnahmen auf, um kurze Empfangsstörungen zu kompensieren. In order to create an antenna system that is as efficient as possible, the angle of inclination of a single antenna that is mounted in a fixed position upright on a motor vehicle is assumed to be largely constant in motor vehicle operation. Large fluctuations in the angle of inclination could only be caused by large fluctuations in the pitch and / or roll angle of the motor vehicle. However, these angles are subject to relatively small fluctuations in most types of terrain and with normal driving. In the simplest case, it can therefore be assumed that the antenna is perpendicular during the entire vehicle operation. Special cases in which this assumption does not apply are specifically neglected according to the invention in order to provide an improved antenna system for situations which occur with a higher probability or frequency. In addition, modern satellite services have technical measures to compensate for short reception disturbances.

Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Antennen-Array durch räumliche Verteilung der Einzelantennen im Wesentlichen in einer Ebene ausgedehnt ist, die derart lagefest am Kraftfahrzeug montiert ist, dass die Ausdehnungsebene sich bei eben stehendem Kraftfahrzeug im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche bzw. Fahrbahnebene erstreckt.In the following it is assumed that the antenna array is essentially expanded in one plane by spatial distribution of the individual antennas, which is mounted in a fixed position on the motor vehicle in such a way that the plane of expansion extends essentially parallel to the surface of the earth or road surface when the motor vehicle is level.

Berücksichtigt wird ferner der Elevationswinkel der signalsendenden Satelliten. Für den Empfang der Signale von geostationären Satelliten in Europa und den USA beträgt der Elevationswinkel über dem Horizont zwischen 45 Grad in südlichen Regionen (z.B. in Patras, Griechenland) und 20 Grad in nördlichen Regionen (z.B. Oslo, Norwegen). In der Mehrzahl relevanter Anwendungssituationen sind somit Signale zu empfangen unter Elevationswinkeln, deren Werte zwischen 20 und 45 Grad liegen.The elevation angle of the signal-transmitting satellites is also taken into account. For the reception of signals from geostationary satellites in Europe and the USA, the elevation angle above the horizon is between 45 degrees in southern regions (e.g. in Patras, Greece) and 20 degrees in northern regions (e.g. Oslo, Norway). In the majority of relevant application situations, signals can thus be received at elevation angles, the values of which are between 20 and 45 degrees.

In einer anteilig sehr großen Teilmenge der genannten relevanten Anwendungssituationen sind Satellitensignale zu empfangen unter Elevationswinkeln, deren Werte in einem engeren Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad liegen. Dementsprechend werden die Einzelantennen vorzugsweise derart gestaltet, dass der Antennengewinn ein globales Maximum aufweist bei Werten des Elevationswinkels im Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad. Daraus ergibt sich, dass auch für das gesamte Antennensystem der höchste Antennengewinn für solche Werte des Elevationswinkels einstellbar ist.In a proportionately very large subset of the relevant application situations mentioned, satellite signals can be received at elevation angles, the values of which lie in a narrower range of values between 20 and 40 degrees. Accordingly, the individual antennas are preferably designed such that the antenna gain has a global maximum at values of the elevation angle in the value range between 20 and 40 degrees. It follows from this that the highest antenna gain for such values of the elevation angle can also be set for the entire antenna system.

Andere Positionen des globalen Maximums innerhalb der Richtcharakteristik lassen sich durch Variation der Antennenabmessungen bzw. -parameter einfach einstellen. So kann die Hauptstrahlrichtung beispielsweise vom Wertebereich zwischen 20 und 40 Grad des Elevationswinkels zum Wertebereich zwischen 25 und 45 Grad des Elevationswinkels verschoben werden.Other positions of the global maximum within the directional characteristic can be easily set by varying the antenna dimensions or parameters. For example, the main beam direction can be shifted from the range of values between 20 and 40 degrees of the elevation angle to the range of values between 25 and 45 degrees of the elevation angle.

Eine Einzelantenne mit der gewünschten Richtcharakteristik entsprechend den obigen Anforderungen kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein.An individual antenna with the desired directional characteristic in accordance with the above requirements can be designed in different ways.

Bei einer ersten bevorzugten Variante der Erfindung ist jede Einzelantenne als Helixantenne im so genannten „conical mode“ ausgebildet.In a first preferred variant of the invention, each individual antenna is designed as a helical antenna in the so-called “conical mode”.

Gemäß einer zweiten, im Folgenden weiter betrachteten, bevorzugten Variante der Erfindung ist jede Einzelantenne als verlängerter Monopol mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet. Die gewünschte Richtcharakteristik lässt sich auf diese Weise konstruktiv sehr einfach gewährleisten. Auch zur mechanischen Integration in ein Antennen-Array ist diese Gestalt einer Einzelantenne besonders geeignet.According to a second preferred variant of the invention, which is further considered below, each individual antenna is designed as an extended monopole with a capacitive final load and ground ring. The desired directional characteristic can be ensured in a very simple manner in this way. This shape of a single antenna is also particularly suitable for mechanical integration into an antenna array.

Durch die Länge des Monopols, d.h. die Länge von der an den Massering angrenzenden Massefläche bis zur Oberseite eines eventuellen Radoms, wird die Richtcharakteristik des verlängerten Monopols wesentlich beeinflusst. Die geeignete Festlegung dieses Parameters ist daher entscheidend für das Erreichen der gewünschten Richtcharakteristik. Insbesondere kann durch eine größer als bei einem Standard-Monopol - bei diesem ist die Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge - gewählte Länge des Monopols die Hauptstrahlrichtung der Einzelantenne beeinflusst werden. Diese Hauptstrahlrichtung ist bei einem verlängerten Monopol gegenüber der des waagrecht abstrahlenden Standard-Monopols nach oben (hin zu größeren Werten des Elevationswinkels) angehoben. Eine Bauweise des verlängerten Monopols mit kleiner Länge ist jedoch für den Einsatz im Kraftfahrzeug vorteilhaft, da der Einbau durch die geringere Länge erleichtert wird.By the length of the monopoly, i.e. the direction from the extended monopole is significantly influenced by the length from the ground surface adjacent to the ground ring to the top of a possible radome. The appropriate definition of this parameter is therefore crucial for achieving the desired directional characteristic. In particular, the length of the monopole, which is greater than that of a standard monopole - in which the length is equal to a quarter of the wavelength - can influence the main beam direction of the individual antenna. With a prolonged monopoly, this main beam direction is raised above that of the horizontally radiating standard monopoly (towards larger values of the elevation angle). A construction of the extended monopole with a small length is advantageous for use in the motor vehicle, since the installation is facilitated by the shorter length.

Zur Reduktion der Länge bei dennoch angehobener Hauptstrahlrichtung kann insbesondere das Vorsehen der kapazitiven Endlast bzw. die Vergrößerung des Durchmessers derselben dienen.In order to reduce the length while the main beam direction is nevertheless raised, the provision of the capacitive final load or the enlargement of the diameter thereof can serve in particular.

Vorzugsweise überschreitet die Länge des verlängerten Monopols mit kapazitiver Endlast und Massering nicht die 1,5-fache Wellenlänge der zu empfangenden Signale. Für den Empfang von Signalen im Ku-Band (10,7-12,75 GHz) liegt die Wellenlänge beispielsweise bei etwa 23,5 Millimetern bis 28 Millimetern, die Länge des verlängerten Monopols somit bei weniger als 35,25 Millimetern bzw. 42 Millimetern. Eine solch geringe Bauhöhe der Einzelantennen erlaubt die Integration in ein sehr flaches Antennen-Array und somit den problemlosen Einbau beispielsweise in ein Fahrzeugdach. Grundsätzlich wird jedoch auch ein Einbau in andere Karosserieteile durch die geringe Bauhöhe begünstigt.The length of the extended monopole with capacitive final load and ground ring preferably does not exceed 1.5 times the wavelength of the signals to be received. For the reception of signals in the Ku band (10.7-12.75 GHz), the wavelength is, for example, about 23.5 millimeters to 28 millimeters, the length of the extended monopoly is less than 35.25 millimeters or 42 millimeters , Such a low overall height of the individual antennas allows integration in a very flat antenna array and thus easy installation, for example in a vehicle roof. in principle However, installation in other body parts is also favored by the low overall height.

Vorteilhaft ist eine Festlegung der Länge des verlängerten Monopols in der Größenordnung der einfachen Wellenlänge der zu empfangenden Signale. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht die Festlegung der Länge des verlängerten Monopols im Wertebereich zwischen dem 0,9-fachen der Wellenlänge und der einfachen Wellenlänge vor. Diese besonders geringe Bauhöhe der Einzelantennen erlaubt die besonders einfache Integration in ein sehr flaches Antennen-Array und somit den besonders problemlosen Einbau beispielsweise in ein Fahrzeugdach.It is advantageous to determine the length of the extended monopole in the order of the simple wavelength of the signals to be received. A preferred embodiment of the invention provides for the length of the extended monopole to be determined in the range of values between 0.9 times the wavelength and the single wavelength. This particularly low overall height of the individual antennas allows particularly simple integration into a very flat antenna array and thus particularly easy installation, for example in a vehicle roof.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jede Einzelantenne ausgebildet als verlängerter Monopol der Länge 27 Millimeter. Vorzugsweise wird das aus solchen Einzelantennen aufgebaute Antennen-Array verwendet, um Signale im Frequenzband des Satellitenfernsehens von größer als 10,7 GHz zu empfangen. Bezogen auf Signale mit 10,7 GHz besitzt der verlängerte Monopol dann eine Länge, die gleich dem 0,96-fachen der Wellenlänge der zu empfangenden Satellitensignale ist.In a particularly preferred embodiment of the invention, each individual antenna is designed as an extended monopole with a length of 27 millimeters. The antenna array constructed from such individual antennas is preferably used to receive signals in the frequency band of satellite television of greater than 10.7 GHz. In relation to signals at 10.7 GHz, the extended monopoly then has a length that is equal to 0.96 times the wavelength of the satellite signals to be received.

Bei Einsatz in anderen Frequenzbereichen wird die Länge des verlängerten Monopols vorzugsweise proportional zur Wellenlänge variiert.When used in other frequency ranges, the length of the extended monopole is preferably varied in proportion to the wavelength.

Die Richtcharakteristik der als verlängerter Monopol mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildeten Einzelantennen hängt neben der oben genannten Länge des Monopols wesentlich von den weiteren geometrischen Parametern

- Durchmesser der Endlast,
- Innendurchmesser des Masserings und
- Höhe des Masserings

ab.The directional characteristic of the individual antennas, which are designed as an extended monopoly with capacitive final load and ground ring, depends not only on the length of the monopoly mentioned above, but also on the other geometric parameters

- diameter of the final load,
- Inner diameter of the mass ring and
- Height of the mass ring

from.

Durch die geometrischen Parameter Länge des Monopols und Durchmesser der Endlast lassen sich in erster Linie Elevationswinkel und Gewinn einstellen, während der Innendurchmesser und die Höhe des Masserings geeignet gewählt sein müssen, damit der Massering die ansonsten abgestrahlte Bodenwelle unterdrückt und die dort unterdrückte Energie der Hauptstrahlrichtung zuführt.The geometric parameters length of the monopoly and diameter of the final load primarily allow the elevation angle and gain to be set, while the inside diameter and the height of the mass ring must be selected appropriately so that the mass ring suppresses the otherwise radiated bump and supplies the energy suppressed there to the main beam direction ,

Die genannten Parameter sind linear abhängig von der Wellenlänge der Betriebsfrequenz, daher kann die dargestellte Geometrie der Einzelantennen für nahezu beliebige Frequenzen eingesetzt werden, wenn die Einzelantennen entsprechend linear skaliert werden.The parameters mentioned are linearly dependent on the wavelength of the operating frequency, so the geometry of the individual antennas shown can be used for almost any frequencies if the individual antennas are scaled linearly.

Die Länge des verlängerten Monopols wird, wie oben bereits erwähnt, vorzugsweise orientiert an der einfachen Wellenlänge der zu empfangenden Signale. Diese Verlängerung trägt bei zu einer leicht gegenüber der Waagrechten (Elevationswinkel gleich 0) nach oben (hin zu größeren Werten des Elevationswinkels) gerichteten Hauptstrahlrichtung.As already mentioned above, the length of the extended monopole is preferably based on the simple wavelength of the signals to be received. This extension contributes to a main beam direction directed slightly upwards (towards larger values of the elevation angle) with respect to the horizontal (elevation angle equal to 0).

Die Länge des verlängerten Monopols ist vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Durchmesser der Endlast zu betrachten. Eine Vergrößerung des Durchmessers der Endlast wirkt wie eine weitere Verlängerung der Länge des verlängerten Monopols. Das Vorsehen einer Endlast mit größerem Durchmesser ermöglicht bei unveränderter Hauptstrahlrichtung somit eine flachere Bauweise der Einzelantennen. Ein Optimum des Durchmessers der Endlast kann simulativ bestimmt werden. Vorzugsweise wird der Durchmesser der Endlast auf einen Wert eingestellt, der die Antenneneffizienz nicht wesentlich reduziert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Endlast einen Durchmesser auf, der das 0,36-fache der Wellenlänge beträgt. Dies entspricht beim Empfang von Signalen der Frequenz 10,7 GHz einem Durchmesser von 10 Millimetern.The length of the extended monopoly should preferably be considered in connection with the diameter of the final load. An increase in the diameter of the final load acts like a further extension of the length of the extended monopoly. The provision of a final load with a larger diameter thus allows the individual antennas to have a flatter design with the main beam direction unchanged. An optimum of the diameter of the final load can be determined simulatively. The diameter of the final load is preferably set to a value which does not significantly reduce the antenna efficiency. According to a preferred embodiment of the present invention, the final load has a diameter which is 0.36 times the wavelength. When receiving signals with a frequency of 10.7 GHz, this corresponds to a diameter of 10 millimeters.

Der Innendurchmesser und die Höhe des Masserings können ebenfalls simulativ bestimmt werden. Sie sind vorzugsweise so festzulegen, dass die abgestrahlte Leistung bei einem Elevationswinkel gleich 0 und bei gleichzeitiger Maximierung des Gewinnes im Zielwinkelbereich möglichst gering ist. Für diese Anforderung ist ein Innendurchmesser von etwa einer halben Wellenlänge vorteilhaft. Bei diesem Verhältnis wird die gesamte Leistung, die ansonsten beim Wert 0 des Elevationswinkels abgestrahlt würde, an den Antennenport reflektiert. Die Höhe des Masserings sollte einen leicht zu fertigenden Wert nicht über- oder unterschreiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Massering einen Innendurchmesser von 0,5 Wellenlängen auf, dies entspricht beim Empfang von Signalen der Frequenz 10,7 GHz einem Innendurchmesser von 14 Millimeter. Die Höhe des Masserings beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 2 Millimeter.The inner diameter and the height of the mass ring can also be determined simulatively. They should preferably be defined so that the radiated power is as low as possible at an elevation angle equal to 0 and at the same time maximizing the gain in the target angle range. An inner diameter of approximately half a wavelength is advantageous for this requirement. With this ratio, the total power that would otherwise be emitted at a value of 0 of the elevation angle is reflected at the antenna port. The height of the mass ring should not exceed or fall below an easy to manufacture value. According to a preferred embodiment of the present invention, the ground ring has an inner diameter of 0.5 wavelengths, this corresponds to an inner diameter of 14 millimeters when receiving signals of the frequency 10.7 GHz. According to a preferred embodiment of the present invention, the height of the earth ring is 2 millimeters.

Alle Parameter (Länge, Durchmesser der Endlast, Innendurchmesser des Masserings und Höhe des Masserings) weisen erhebliche Abhängigkeit von den verwendeten Dielektrika auf. Hohe Werte der Permittivität verringern die Maße der Antenne, allerdings reduziert sich dabei auch der Antennenwirkungsgrad.All parameters (length, diameter of the final load, inner diameter of the mass ring and height of the mass ring) are significantly dependent on the dielectrics used. High values of permittivity reduce the dimensions of the antenna, but the antenna efficiency is also reduced.

Die Anordnung des Gewinnmaximums innerhalb der Richtcharakteristik bzw. der Wertebereich des Elevationswinkels, in dem das Gewinnmaximum liegt, kann bei einer solchen Ausbildung der Einzelantenne über den Durchmesser der Endlast und des Masserings gesteuert werden, ohne die Antennenlänge zu variieren. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen lassen sich die Einzelantennen für unterschiedliche Einsatzorte - und dementsprechend unterschiedliche Empfangswinkel - optimieren, indem das Gewinnmaximum durch entsprechende Dimensionierung der Durchmesser geeignet innerhalb der Richtcharakteristik eingestellt wird. Für unterschiedliche Einsatzorte optimierte Einzelantennen müssen sich dann nur in diesen Durchmessern unterscheiden. Antennen-Arrays für unterschiedliche Einsatzorte können somit im Wesentlichen gleichartig aufgebaut werden, was zu einem Aufwands- und Kostenvorteil bei der Herstellung führt. Denkbar ist auch die Modifikation der Einzelantennen eines vorhandenen Antennen-Arrays durch einfache konstruktive Maßnahmen, um dieses von einer Konfiguration, die für einen ersten Einsatzort optimiert ist, auf eine Konfiguration umzurüsten, die für einen zweiten Einsatzort optimiert ist. Dies kann beispielsweise durch einen Austausch der Endlasten und/oder Masseringe oder durch geeignete Aufsatzringe erfolgen.With such a configuration, the arrangement of the maximum gain within the directional characteristic or the range of values of the elevation angle in which the maximum gain lies can Individual antennas can be controlled via the diameter of the final load and the mass ring without varying the antenna length. This has several advantages. On the one hand, the individual antennas can be optimized for different locations - and accordingly different reception angles - by appropriately setting the maximum gain by appropriately dimensioning the diameter within the directional characteristic. Individual antennas optimized for different locations then only need to differ in these diameters. Antenna arrays for different locations can thus be constructed essentially in the same way, which leads to a cost and effort advantage in production. It is also conceivable to modify the individual antennas of an existing antenna array by simple constructive measures in order to convert it from a configuration that is optimized for a first location to a configuration that is optimized for a second location. This can be done, for example, by exchanging the end loads and / or earth rings or by using suitable attachment rings.

Um den verwendbaren Elevationswinkel zu erweitern, können unterschiedliche Einzelantennen mit Gewinnmaxima bei unterschiedlichen Werten des Elevationswinkels verwendet werden. So kann eine Eignung für ein breiteres Spektrum an Einsatzorten herbeigeführt werden bzw. auch bei größerem Nick- oder Rollwinkel des Kraftfahrzeugs ein guter Empfang gewährleistet werden. Dies ermöglicht einen großen Schwenkwinkel in der Elevation ohne relevante Gewinneinbußen. Wenn das Gewinnmaximum deutlich über 5dBi liegt, kann es variiert werden, ohne dass im Hauptfokus der nötige Antennengewinn unterschritten wird. Sind die verschiedenen Einzelantennen jeweils als verlängerter Monopol mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet, so erlaubt die trotz unterschiedlicher Gewinnmaxima ähnliche Gestalt (vgl. obige Beschreibung) der Einzelantennen - insbesondere die vorzugsweise trotz unterschiedlicher Gewinnmaxima identische Länge - eine unkomplizierte mechanische Integration solch unterschiedlicher Einzelantennen in ein gemeinsames Antennen-Array.In order to expand the usable elevation angle, different individual antennas with gain maxima can be used with different values of the elevation angle. In this way, suitability for a wider range of locations can be brought about or good reception can be guaranteed even with a larger pitch or roll angle of the motor vehicle. This enables a large swivel angle in the elevation without relevant loss of profit. If the maximum gain is clearly above 5dBi, it can be varied without falling below the necessary antenna gain in the main focus. If the different individual antennas are each designed as an extended monopoly with capacitive final load and ground ring, the shape of the individual antennas, which is similar despite different gain maxima (see above description) - in particular the length, preferably identical despite different gain maxima - allows uncomplicated mechanical integration of such different individual antennas in one common antenna array.

Vorzugsweise sind in dem erfindungsgemäßen Antennen-Array die Einzelantennen als verlängerte Monopole mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet und diese verlängerten Monopole sind im Wesentlichen parallel senkrecht auf einer gemeinsamen im Wesentlichen ebenen Massefläche stehend angeordnet. Es ergibt sich dann eine besonders einfache und kostengünstig herstellbare Array-Geometrie.In the antenna array according to the invention, the individual antennas are preferably designed as elongated monopoles with a capacitive final load and ground ring, and these elongated monopolies are arranged essentially parallel to one another standing vertically on a common, essentially flat ground plane. This results in a particularly simple and inexpensive to produce array geometry.

An der Oberseite der kapazitiven Endlast können die Einzelantennen durch ein gemeinsames Radom mechanisch gehalten und geschützt werden. Vorzugsweise sind die Einzelantennen bautechnisch in ein Antennenmodul mit einem im Wesentlichen parallel zu der im Wesentlichen ebenen Massefläche angeordneten Radom integriert. Ein solches Antennenmodul kann einfach, mechanisch robust, kompakt und kostengünstig gefertigt werden. Vorzugsweise wird es in solcher mechanischer Ausgestaltung gefertigt, dass es sich lagefest in einer entsprechend geformten Ausnehmung in einem Fahrzeugdach eines Kraftfahrzeugs montieren lässt. Dort kann es verklebt, verschraubt oder in sonstiger Weise befestigt werden.At the top of the capacitive final load, the individual antennas can be mechanically held and protected by a common radome. In terms of construction, the individual antennas are preferably integrated into an antenna module with a radome arranged essentially parallel to the essentially flat ground plane. Such an antenna module can be manufactured simply, mechanically robust, compact and inexpensive. It is preferably manufactured in such a mechanical configuration that it can be fixed in position in a correspondingly shaped recess in a vehicle roof of a motor vehicle. There it can be glued, screwed or fastened in any other way.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen

1 die Abmessungen einer bevorzugten Ausführungsform einer Einzelantenne,
2 eine dreidimensionale Darstellung der Metallteile einer solchen Einzelantenne, jedoch ohne Radom und ohne Massefläche,
3 ein Richtdiagramm einer solchen Einzelantenne über dem Polarwinkel Theta,
4 eine dreidimensionale Darstellung des Richtdiagramms und
5 eine mögliche Arraygeometrie für die Einarbeitung in ein Fahrzeugdach.

A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and developments of the invention. Show in detail

1 the dimensions of a preferred embodiment of a single antenna,
2 a three-dimensional representation of the metal parts of such an individual antenna, but without a radome and without a ground plane,
3 a directional diagram of such an individual antenna over the polar angle theta,
4 a three-dimensional representation of the directional diagram and
5 a possible array geometry for incorporation into a vehicle roof.

Ein Antennensystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Steuereinheit und eine Vielzahl gleichartiger Einzelantennen, die untereinander derart verschaltet sind, dass sie von der Steuereinheit als Antennen-Array zum Empfang von Satellitensignalen betreibbar sind. Als Steuereinheit kann dabei beispielsweise ein Signalprozessor dienen. Die Steuerung der Einzelantennen im Antennen-Array erfolgt in an sich bekannter Weise gemäß einem „Digital Beam Forming“ oder „Phased Array“-Verfahren.An antenna system for a motor vehicle comprises a control unit and a multiplicity of individual antennas of the same type, which are connected to one another in such a way that they can be operated by the control unit as an antenna array for receiving satellite signals. A signal processor, for example, can serve as the control unit. The individual antennas in the antenna array are controlled in a manner known per se according to a “digital beam forming” or “phased array” method.

Für den Empfang geostationärer Satelliten in Europa bzw. den USA beträgt der Elevationswinkel über dem Horizont zwischen 45 Grad im Süden und 20 Grad im Norden. Anders als bei herkömmlichen Antennensystemen werden daher vorliegend keine omnidirektionalen Einzelantennen verwendet, sondern Einzelantennen mit relevantem Gewinn zwischen 20 Grad und 45 Grad Elevation. Fokussiert werden Anwendungsfälle, in welchen der Elevationswinkel zwischen 20 und 40 Grad liegt. Die Einzelantennen sind derart ausgelegt, dass dort der größte Antennengewinn zur Verfügung steht. Bei Variation des Azimutwinkels weisen die Einzelantennen gleichmäßigen Gewinn auf, um Fahrtrichtungsunabhängigkeit zu gewährleisten.For the reception of geostationary satellites in Europe or the USA, the elevation angle above the horizon is between 45 degrees in the south and 20 degrees in the north. In contrast to conventional antenna systems, omnidirectional individual antennas are therefore not used here, but individual antennas with relevant gain between 20 degrees and 45 degrees elevation. The focus is on applications in which the elevation angle is between 20 and 40 degrees. The individual antennas are designed in such a way that the largest antenna gain is available there. When the azimuth angle is varied, the individual antennas have a uniform gain in order to ensure that they are independent of the direction of travel.

Im vorliegenden Beispiel sind die Einzelantennen als verlängerte Monopole mit kapazitiver Endlast und Massering ausgebildet. Diese Variante einer Einzelantenne erlaubt eine besonders geringe Bauhöhe eines Antennen-Arrays. Eine Einzelantenne dieser Art kann entsprechend den durch die Anwendung vorgegebenen Kriterien für den Empfang von Signalen im Frequenzband des Satellitenfernsehens von größer als 10,7 GHz derart dimensioniert werden, dass sich eine Höhe der Einzelantenne von 27 Millimetern ergibt. In the present example, the individual antennas are designed as extended monopoles with a capacitive final load and ground ring. This variant of a single antenna allows a particularly low overall height of an antenna array. An individual antenna of this type can be dimensioned in accordance with the criteria specified by the application for the reception of signals in the frequency band of satellite television of greater than 10.7 GHz in such a way that the height of the individual antenna is 27 millimeters.

Das Antennen-Array umfasst mehrere im Wesentlichen parallel stehend auf einer gemeinsamen Massefläche angeordnete Einzelantennen dieser Art. An der Oberseite sind die Einzelantennen von einem gemeinsamen Radom bedeckt und gehalten. Das Antennen-Array kann somitgemessen von der Massefläche bis zur Oberseite des Radoms - im Wesentlichen dieselbe Bauhöhe aufweisen wie die Einzelantennen. Diese extrem geringe Bauhöhe ermöglicht auch den Einsatz in Kraftfahrzeugen - insbesondere integriert in das Fahrzeugdach - ohne Beeinträchtigung des Designs.The antenna array comprises a plurality of individual antennas of this type which are arranged essentially in parallel on a common ground plane. The individual antennas are covered and held on the top by a common radome. Measured from the ground plane to the top of the radome, the antenna array can thus have essentially the same overall height as the individual antennas. This extremely low overall height also enables use in motor vehicles - in particular integrated into the vehicle roof - without impairing the design.

1 zeigt die Abmessungen eines als Einzelantenne verwendeten verlängerten Monopols 2 mit kapazitiver Endlast 3 und Massering 4. Die in 1 eingetragenen Maße sind in Mikrometern bemessen. Der Durchmesser der kapazitiven Endlast 3 beträgt also 10 Millimeter, der Außendurchmesser des Masserings 4 beträgt 16 Millimeter und der Innendurchmesser des Masserings 4 beträgt 14 Millimeter. 1 shows the dimensions of an extended monopole used as a single antenna 2 with capacitive final load 3 and massering 4 , In the 1 entered dimensions are measured in micrometers. The diameter of the capacitive final load 3 is 10 millimeters, the outer diameter of the mass ring 4 is 16 millimeters and the inner diameter of the mass ring 4 is 14 millimeters.

2 zeigt eine nicht bemaßte dreidimensionale Darstellung der Metallteile 2,3,4 einer solchen Einzelantenne, jedoch ohne Radom und ohne Massefläche. 2 shows a non-dimensioned three-dimensional representation of the metal parts 2 . 3 . 4 of such a single antenna, but without a radome and without a ground plane.

3 zeigt ein Richtdiagramm einer solchen Einzelantenne über dem Polarwinkel Theta. In senkrechter Richtung ist der jeweilige auf einen Isotropstrahler bezogene Antennengewinn in dBi aufgetragen. In waagrechter Richtung ist der Polarwinkel Theta aufgetragen, der gleich dem negativen Wert des Elevationswinkels plus 90 Grad ist. Das Diagramm von 3 zeigt, dass der Antennengewinn für alle Werte des Polarwinkels zwischen 50 und 70 Grad (und somit für alle Werte des Elevationswinkels zwischen 20 und 40 Grad) mindestens 5 dBi beträgt. 3 shows a directional diagram of such an individual antenna over the polar angle theta. The respective antenna gain in dBi related to an isotropic radiator is plotted in the vertical direction. The polar angle theta is plotted in the horizontal direction, which is equal to the negative value of the elevation angle plus 90 degrees. The diagram of 3 shows that the antenna gain for all values of the polar angle between 50 and 70 degrees (and thus for all values of the elevation angle between 20 and 40 degrees) is at least 5 dBi.

4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Richtdiagramms. An der rotationssymmetrischen Gestalt des Richtdiagramms ist erkennbar, dass der Antennengewinn im Wesentlichen unabhängig vom Azimutwinkel ist. 4 shows a three-dimensional representation of the directional diagram. The rotationally symmetrical shape of the directional diagram shows that the antenna gain is essentially independent of the azimuth angle.

5 zeigt eine mögliche Geometrie eines insgesamt 37 Einzelantennen umfassenden hexagonalen Antennen-Arrays für die Einarbeitung in ein Fahrzeugdach. 5 shows a possible geometry of a hexagonal antenna array comprising a total of 37 individual antennas for incorporation into a vehicle roof.

Der Einsatz von Antennen mit optimal geformter Richtcharakteristik verringert die Anzahl notwendiger Antennen auf ein Minimum. Auch eine eventuelle mechanische Nachführung entfällt. Die Anzahl der Einzelantennen in einem Antennen-Array kann durch die Verwendung von Einzelantennen mit einem Gewinn von 5 dBi bis zu sogar 7 dBi im Bereich von 20 bis 40 Grad Elevation (vgl. 3 und 4) gegenüber herkömmlichen Antennensystemen für den Satellitenempfang in Kraftfahrzeugen um einen Faktor von etwa 2 bis 4 reduziert werden.The use of antennas with optimally shaped directional characteristics reduces the number of antennas required to a minimum. There is also no mechanical tracking. The number of individual antennas in an antenna array can be increased by using individual antennas with a gain of 5 dBi up to even 7 dBi in the range from 20 to 40 degrees (cf. 3 and 4 ) are reduced by a factor of about 2 to 4 compared to conventional antenna systems for satellite reception in motor vehicles.

Bei gleicher technischer Leistungsfähigkeit ist ein erfindungsgemäßes Antennensystem somit sowohl einfacher herzustellen als auch mit geringerem Aufwand zu betreiben als herkömmliche arraybasierte Antennensysteme für den Satellitenempfang in Kraftfahrzeugen. Eine hohe Anzahl an Antennen lässt die Komplexität des Systems bekanntlich schneller steigen als die Anzahl der Antennen selbst. Aus der durch die Erfindung verringerten Anzahl der erforderlichen Einzelantennen resultiert also auch im Hinblick auf die Komplexität des Systems eine Reduktion der Kosten gegenüber bekannten Systemen. Die Reduktion des Aufwands für Signalpfad, Empfang und Kalibrierung liegt in exemplarisch betrachteten Anwendungsfällen in einer Größenordnung von 80% gegenüber herkömmlichen Antennen-Arrays.With the same technical performance, an antenna system according to the invention is thus both easier to manufacture and less to operate than conventional array-based antenna systems for satellite reception in motor vehicles. As is known, a high number of antennas increases the complexity of the system faster than the number of antennas themselves. The number of individual antennas required by the invention thus also results in a reduction in costs compared to known systems with regard to the complexity of the system. The reduction in the effort for signal path, reception and calibration in exemplary applications considered is of the order of magnitude of 80% compared to conventional antenna arrays.

Zudem lässt sich die Anzahl der Antennen durch die Verwendung der idealen linearen Polarisation nochmals um den Faktor 2 gegenüber der gebräuchlichen Kreispolarisation - in herkömmlichen Systemen werden zirkular polarisierte Patch-Antennen verwendet - senken.In addition, by using the ideal linear polarization, the number of antennas can be reduced again by a factor of 2 compared to the usual circular polarization - circular polarized patch antennas are used in conventional systems.

Um einen in bestimmten Spezifikationen für den Satellitenempfang geforderten Gewinn des gesamten Antennensystems von 19 dBi zu erreichen, genügen in Nord- und Südeuropa (d.h. bei einem „worst case“ des Elevationswinkel von etwa 20 Grad oder etwa 40 Grad und somit bei einem „worst case“ des Antennengewinns der Einzelantennen von 5 dBi) demnach beispielsweise 26 Einzelantennen (10^[(19 dBi - 5 dBi) / 10] = 25,12). Dieser Berechnung liegt zugrunde, dass der Gesamtgewinn des Antennen-Arrays sich additiv zusammensetzt aus dem Antennengewinn der Einzelantennen und dem Arraygewinn. Es wird angenommen, dass der Arraygewinn linear mit der Anzahl der Antennen zunimmt bzw. logarithmisch bemessen um etwa 3 dBi mit jeder Verdopplung der Antennenanzahl.To achieve a gain of 19 dBi for the entire antenna system required in certain specifications for satellite reception, it is sufficient in Northern and Southern Europe (ie in the case of a “worst case” elevation angle of approximately 20 degrees or approximately 40 degrees and thus in a “worst case”) “The antenna gain of the individual antennas of 5 dBi), for example, 26 individual antennas (10 ^ [(19 dBi - 5 dBi) / 10] = 25.12). This calculation is based on the fact that the total gain of the antenna array is additively composed of the antenna gain of the individual antennas and the array gain. It is assumed that the array gain increases linearly with the number of antennas or logarithmically by approximately 3 dBi with every doubling of the number of antennas.

In Mitteleuropa (d.h. bei einem Elevationswinkel von etwa 30 Grad und somit bei einem Antennengewinn der Einzelantennen von 7 dBi, vgl. 3) sind sogar nur 16 Einzelantennen (10^[(19 dBi - 7 dBi) / 10] = 15,85) ausreichend.In Central Europe (ie with an elevation angle of approximately 30 degrees and thus with an antenna gain of 7 dBi for the individual antennas, cf. 3 ), only 16 individual antennas (10 ^ [(19 dBi - 7 dBi) / 10] = 15.85) are sufficient.

Im quadratischen Array mit 36 Elementen würde also ein Gewinn des Antennensystems von 20,5 dBi erreicht werden, im hexagonalen Array mit 37 Elementen, vgl. 5, ein Gewinn von 20,6 dBi. Im Hinblick auf die Integration solcher Antennen-Arrays in ein Kraftfahrzeug ist ein hexagonales Array in der Regel besser geeignet für gleichbleibend hochqualitativen Empfang unabhängig von der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs. Ein quadratisches Array ist in der Regel baulich einfacher zu integrieren.A gain of 20.5 dBi would be achieved in the square array with 36 elements, in the hexagonal array with 37 elements, cf. 5 , a gain of 20.6 dBi. With regard to the integration of such antenna arrays in a motor vehicle, a hexagonal array is generally more suitable for consistently high-quality reception regardless of the direction of travel of the motor vehicle. A square array is usually structurally easier to integrate.

Claims

Antenna system for a motor vehicle, comprising a control unit and a plurality of similar individual antennas, which are interconnected in such a way that they can be operated by the control unit as an antenna array for receiving satellite signals, characterized in that each individual antenna has a directional characteristic in which the antenna gain is essentially independent of the azimuth angle and at which the antenna gain, based on the elevation angle, has a main lobe in the value range between 20 and 40 degrees.

Antenna system after Claim 1 , characterized in that the antenna gain for all values of the elevation angle in the value range between 20 and 40 degrees is at least 5 dBi.

Antenna system according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that each individual antenna is designed as an extended monopoly with capacitive final load and ground ring.

Antenna system after Claim 3 , characterized in that the length of the extended monopoly does not exceed one and a half times the wavelength of the signals to be received.

Antenna system according to one of the Claims 3 or 4 , characterized in that the diameter of the capacitive final load lies in the value range between a quarter of the wavelength of the signals to be received and half the wavelength of the signals to be received.

Antenna system according to one of the Claims 3 to 5 , characterized in that the inner diameter of the mass ring is substantially equal to half the wavelength of the signals to be received.

Antenna system according to one of the Claims 3 to 6 , characterized in that the elongated monopoles in the antenna array are arranged substantially parallel, perpendicular to a common, essentially flat ground plane.

Antenna system according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the antenna array comprises no more than 26 individual antennas.

Antenna system after Claim 7 , characterized in that the antenna array is structurally integrated in an antenna module with a radome arranged essentially parallel to the ground plane.

Motor vehicle with an antenna system according to Claim 9 and a recess in the vehicle roof, in which the antenna module is mounted in a fixed position.