DE102007055234A1

DE102007055234A1 - Mehrbandiges Empfangsantennenmodul

Info

Publication number: DE102007055234A1
Application number: DE102007055234A
Authority: DE
Inventors: Guy-Aymar Dr. Chakam
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-06-10
Also published as: WO2009065804A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrbandiges Empfangsantennenmodul (1) mit einer elektrisch leitenden Grundfläche (2) als Masse (3) und Gegengewicht. Auf der Grundfläche (2) ist ein Antennenstab (4) und eine den Antennenstab (4) umgebende Antennenhelix (5), die kapazitiv mit dem Antennenstab (4) gekoppelt ist, angeordnet. Diese Anordnung aus Antennenstab (4) und Antennenhelix (5) weist ein erstes und ein zweites Resonanzfrequenzband auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzfrequenzband eine Frequenzbandlücke oder nicht benötigte Resonanzen angeordnet sind. Ein Fußpunkt (6) des Antennenstabes (4) ist dazu mit einem von der Grundfläche (2) isolierten für beide Resonanzfrequenzbänder gemeinsamen Einspeisepunkt (7) verbunden, während ein Fußpunkt (8) der Antennenhelix (5) vom Einspeisepunkt (7) entfernt über eine Kapazitätsdiode (9) mit der Grundfläche (2) kapazitiv gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrbandiges Empfangsantennenmodul mit einer elektrisch leitenden Grundfläche als Masse und Gegengewicht. Auf der Grundfläche ist ein Antennenstab und eine den Antennenstab umgebende Antennenhelix angeordnet. Eine derartige Anordnung weist ein erstes und ein zweites Resonanzfrequenzband auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzfrequenzband eine Frequenzbandlücke oder nicht benötigte Resonanzen in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den beiden Resonanzfrequenzbändern angeordnet sind.
Aus der Druckschrift US 6,054,966 ist eine Antennenstruktur bekannt, mit mindestens zwei Resonanzfrequenzbändern. Diese Antennenstruktur umfasst ein erstes Antennenelement, das vorzugsweise ein gerader Leiter ist, und ein zweites Antennenelement, das vorzugsweise ein Leiter ist, der in zylindrischen Windungen gewickelt ist. Die Antennenelemente weisen unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Dazu ist ein Stabelement teilweise innerhalb des helikalen Elementes angeordnet. Beide Elemente können einen gemeinsamen Einspeisepunkt oder getrennte Einspeisepunkte aufweisen.
Derartige Antennenstrukturen sind sowohl als Empfangsantennen als auch als Funkantennen einsetzbar. Bei der bekannten Antennenstruktur sind sowohl die Helixantenne als auch die Stabantenne an einen einzigen gemeinsamen Einspeisepunkt angeschlossen. Somit wird jedes der beiden Elemente der Antennenstruktur an ihrem Fußpunkt von einer hochfrequenten Spannung angeregt. Dabei wird der Antennenstab für ein Frequenzband eingesetzt, das höhere Frequenzen aufweist als die ebenfalls hochfrequent angeregte Helixantenne. Wird eine dritte Helixantenne vorgesehen, so werden diese drei Antennenstrukturelemente an drei voneinander isolierten Einspeisepunkten mit Hochfrequenzspannung versorgt, sodass drei unterschiedli che Resonanzfrequenzbänder von den drei Antennenelementen abgestrahlt und empfangen werden können.
Aus der Druckschrift US 7,158,819 B1 ist darüber hinaus eine zweibandige Telefonantenne bekannt, die eine Monopolantenne in Form einer Stabantenne im Zentrum von zwei Helixantennen aufweist. Dabei sind als aktive Antennenelemente die Helixantenne und die Stabantenne an einem gemeinsamen Einspeisepunkt angeschlossen, um die beiden Resonanzfrequenzbänder anzuregen, während eine zusätzliche mit ihrem Fußpunkt auf Masse gelegte passive Antennenhelix die beiden aktiven Antennenelemente umgibt. Unter einer Antennenhelix wird im Folgenden ein passives Antennenbauelement verstanden, das nicht an einen Einspeisepunkt angeschlossen ist, während eine Helixantenne ein aktives Antennenbauelement darstellt, das an einen Einspeisepunkt angeschlossen ist.
Die Herstellung derartiger bekannter Antennenmodule ist aufwendig und kostenintensiv. Ein Abgleich der Resonanzfrequenzbänder in Bezug auf eine durch einen Tuner vorgegebene Empfangsfrequenz von digitalen Radiosendern ist bei den bekannten Antennenstrukturen weder vorgesehen noch möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein mehrbandiges Empfangsantennenmodul zu schaffen, das mindestens zwei Resonanzfrequenzbänder mit dazwischen angeordneter Frequenzbandlücke oder mit nicht benötigter Resonanzen aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Selektivität der Antennenstruktur zu verbessern und gleichzeitig einen vereinfachten und kostengünstigen Aufbau der Antenne zu schaffen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, die Außenabmessungen der Antennenstruktur für ein mehrbandiges Empfangsantennenmodul soweit zu minimieren, dass das Empfangsantennenmodul in einer Finne auf oder an einem Fahrzeug untergebracht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein mehrbandiges Empfangsantennenmodul mit einer elektrisch leitenden Grundfläche als Masse und Gegengewicht geschaffen. Auf der Grundfläche ist ein Antennenstab und eine den Antennenstab umgebende Antennenhelix, die kapazitiv mit dem Antennenstab gekoppelt ist, angeordnet. Diese Anordnung aus Antennenstab und Antennenhelix weist ein erstes und ein zweites Resonanzfrequenzband auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzfrequenzband eine Frequenzbandlücke oder nicht benötigter Resonanzen angeordnet ist. Ein Fußpunkt des Antennenstabes ist dazu mit einem von der Grundfläche isolierten für beide Resonanzfrequenzbänder gemeinsamen Einspeisepunkt verbunden, während ein Fußpunkt der Antennenhelix vom Einspeisepunkt entfernt über eine Kapazitätsdiode mit der Grundfläche kapazitiv gekoppelt ist.
Dieses Empfangsantennenmodul hat den Vorteil, dass es einerseits sowohl als Empfangsantennenmodul als auch als Sendeantennenmodul eingesetzt werden kann und damit ein Funkantennenmodul darstellt. Dabei ist bemerkenswert, dass lediglich der Antennenstab mit einem Einspeisepunkt verbunden ist, während die Antennenhelix lediglich als passives Antennenelement zugeschaltet ist, ohne eine direkte Verbindung zum hochfrequenten Einspeisepunkt aufzuweisen. Vielmehr stellt die Antennenhelix in Zusammenwirken mit dem Antennenstab einen Sperrtopfartigen Resonator mit dem Monopol dar. Diese Antennenstruktur hat den Vorteil, dass sie eine dualbandige DAB-Antenne (digital audio broadcast) für ein Band III und für ein L-Band bildet. Diese Antennenstruktur ist von minimalen äußeren Maßen, sodass sie in einer Finne an oder auf einem Fahrzeug angeordnet werden kann.
Durch diese Struktur wird eine Serienresonanz im L-Band angeregt und über den Antennenstab empfangen. Der Antennestab ist durch die umgebende Antennenhelix kapazitiv belastet und kann somit eine Länge aufweisen, die kleiner als λ/4 der Mittenfrequenz des L-Bandes ist. Dabei ist die Impedanz des Emp fangsantennenmoduls im L-Band passend auf etwa 50 Ω (Ohm) optimiert.
Ferner weist die Struktur eine Parallelresonanz auf, die für das Band III des DAB-Dienstes (digital audio broadcasting) eingesetzt wird. Mit der gegenüber dem L-Band bei niedrigeren Frequenzen wirkenden Parallelresonanz für Band III wird der Verlauf der Antenneneffizienz mit der Frequenz im Band III festgelegt. Diese Antenneneffizienz ist am höchsten, wo der Realwert der Impedanz maximal ist. Da die Antennenstruktur besonders klein ist, ist die Antenne schmalbandig. Somit ist die Antenneneffizienz und der Antennengewinn besonders gut im Bereich der für die geringeren Frequenzen des Bandes III sich einstellenden Parallelresonanz zwischen Antennenstab und Antennenhelix.
Um allerdings den Antennengewinn in dem gesamten Band III sicherzustellen, wird die Parallelresonanz durch die Kapazitätsdiode abstimmbar gestaltet. Dazu ist die elektronisch steuerbare Kapazitätsdiode zwischen dem Masseanschlusspunkt und dem Fußpunkt der Antennenhelix angeordnet. Da eine derartige Kapazitätsdiode ihren Kapazitätswert als Funktion der angelegten Gleichspannung ändert, ergibt sich nun die Möglichkeit einer DAB-kanalabhängigen Steuerung der Parallelresonanz und somit des Antennengewinns vorzusehen, um immer einen optimalen Empfang durch das Empfangsantennenmodul im Band III zu erreichen. Mit der Beeinflussung der Parallelresonanz durch eine Kapazitätsdiode besteht nun auch die Möglichkeit, den Realteil zu kontrollieren, der somit auf einen einfachen messbaren Wert erhöht werden kann. Eine Gleichspannungsquelle zur Kapazitätssteuerung der Kapazitätsdiode kann von einem an das Antennenmodul angeschlossenen Tuner des Empfangsgeräts erfolgen.
Während einer Änderung der Parallelresonanzfrequenz für Band III mittels der Kapazitätsdiode ergibt sich eine nur minimale Änderung des Eingangsreflexionsfaktors im hochfrequenten Resonanzbereich des L-Bandes, sodass bei dieser Antennenstruk tur aus Antennenstab und einer Antennenhelix mit Kopplung an einen Massepunkt über eine Kapazitätsdiode der Empfang in beiden Bändern gewährleistet werden kann.
Während das erste Resonanzband, wie bereits oben erläutert, höhere Frequenzen als das zweite Resonanzband aufweist, ist die Gestalt des Antennenstabes maßgebend für das erste Resonanzband, wobei jedoch der Antennenstab und die Antennenhelix eine Serienresonanz bilden und kapazitiv und induktiv zusammenwirken. In Serienresonanz weist das Empfangsantennenmodul eine Impedanz I in Ohm zwischen 20 Ω ≤ I ≤ 60 Ω auf.
Bei dem zweiten Resonanzfrequenzband bilden Antennenstab und Antennenhelix eine über die Kapazitätsdiode abstimmbare Parallelresonanz, wobei vorzugsweise die Kapazitätsdiode über eine Induktivität L in Henry zwischen 150 H ≤ L ≤ 250 H mit einem Tunerausgang des Empfängers elektrisch in Verbindung steht.
Mit dem Antennenstab in Zusammenwirken mit der Antennenhelix in Serie kann ein Resonanzfrequenzband L mit den Resonanzfrequenzen f_L zwischen 1452 MHz ≤ f_L ≤ 1492 MHz mit dieser Antennenstruktur und hoher Selektivität erreicht werden, während mit der Parallelresonanz ein zweites Resonanzfrequenzband III mit Resonanzfrequenzen f_III zwischen 174 MHz ≤ f_III ≤ 240 MHz selektiv empfangen werden kann.
Die Windungen der Antennenhelix können eine Kreisform aufweisen. Jedoch könnte dadurch die für das Antennenmodul vorgesehene Finne nicht strömungsgünstig ausgebildet werden. Um den Forderungen eines geringen Luftwiderstandes im Fahrzeugbau entgegenzukommen, ist es sinnvoll, dass die Antennenhelix ovale oder ellipsenförmige Windungen aufweist, die lang gestreckt in der Finne untergebracht werden können. Darüber hinaus kann die Antennenhelix polygonale Windungen aufweisen, wobei viereckige Windungen mit enger Schmalseite und großer Längsseite sowie dreieckige Windungen mit gleichlangen Schen keln, zwischen denen ein äußerst spitzer Winkel vorgesehen ist, bevorzugt werden.
Mit der Änderung der Querschnittsgeometrie der Windungen ändert sich auch die kapazitive Kopplung zwischen Antennenstab und Antennenhelix, sodass durch Variation der Abstände zwischen den Windungen, durch Änderung der Anzahl der Windungen und durch Änderung der Gesamtlänge des Antennenhelixdrahtes eine Anpassung und Abstimmung vorgenommen werden kann. Die Antennenhelix kann neben äquidistanten Abständen zwischen den Windungen auch eine Windungenanordnung aufweisen, bei der der Abstand zwischen den Windungen graduell vom Fußpunkt zu dem Kopfende der Antennenhelix abnimmt. Mit geringer werdendem Abstand zwischen den Windungen nimmt auch die kapazitive Kopplung zwischen Antennenstab und Antennenhelix zu.
Vorzugsweise weist die Antennenhelix eine Anzahl n der Windungen zwischen 10 ≤ n ≤ 20 auf, um der unterschiedlichen Querschnittsform der Windungen gerecht zu werden. Auch der Durchmesser d der Windungen, soweit sie kreisförmig konstruiert sind, kann zwischen 12 mm ≤ d ≤ 24 mm liegen. Um das gesamte Empfangsantennenmodul in einer Finne eines Fahrzeugs unterzubringen, die maximal 60 mm nicht überschreiten sollte, weist der Antennenstab vorzugsweise eine Höhe h_s zwischen 38 mm ≤ h_s ≤ 58 mm auf und die Antennenhelix weist ihrerseits eine Höhe h_x zwischen 35 mm ≤ h_x ≤ 55 mm auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die elektrisch leitende Grundfläche eine Metallfolie aufweisen, die auf die Bodenfläche der Finne geklebt ist. Andererseits ist es auch möglich, dass die elektrisch leitende Grundfläche eine Fläche einer auf einem PCB-Substrat aufgebrachten Beschichtung ist. Dabei kann das PCB-Substrat doppelseitig beschichtet sein und auf seiner Rückseite Mikroleiterbahnen aufweisen, und entsprechend passive Bauelemente aufnehmen, die zur Anpassung der Resonanzfrequenzen des Antennenmoduls ein Anpassungsnetzwerk von etwa 50 Ω bilden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die Grundfläche eine trapezförmige Außenkontur auf, wobei das Antennenmodul im Bereich einer Breitseite der trapezförmigen Außenkontur aufgestellt ist und sich die Breite b der trapezförmigen Außenkontur zu einer Schmalseite hin verjüngt, die der Breitseite gegenüberliegend angeordnet ist.
Die Hülle des Empfangsantennenmoduls kann eine Finne bilden, die aus einer Kunststoffmasse beispielsweise mittels Spritzgussverfahren geformt ist. Schließlich kann das Antennenmodul über ein einziges Koaxialkabel oder über Mikrostreifenleitungen auf einer Rückseite eines Substrats angeschlossen sein. Dazu kontaktiert eine Masseleitung der Zuführung die elektrisch leitende Grundfläche bzw. Masse auf einer Oberseite des Substrats, und ein zentraler Leiter kontaktiert den Einspeisepunkt des Empfangsantennenmoduls. Auch eine drahtlose Übertragung zum digitalen Radioempfänger im Fahrzeuginnenraums ist möglich.
Zusammenfassend ergeben sich damit die nachfolgenden Vorteile:

1. lediglich ein einziger Einspeisepunkt ist vorzusehen;
2. nur ein Verstärker und eine beispielsweise koaxiale Zuleitung sind notwendig für beide Bänder, was zu einer Preisreduktion führt;
3. das Empfangsantennenmodul ist in Radiogeräten für digitalen Empfang einsetzbar;
4. idealerweise ist es für Autodachbereiche geeignet;
5. eine Integrierbarkeit in ein finnenförmiges Antennenmodul ist gegeben;
6. mit dem Empfangsantennenmodul werden minimale Höhen realisierbar;
7. mit dem Empfangsantennenmodul werden sehr gute Gewinnwerte erreicht;
8. im Band III sind einfach messbare Realteile der Impedanz möglich;
9. die Anpassung an einen Verstärker ist problemlos realisierbar.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines mehrbandigen Empfangsantennenmoduls einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des mehrbandigen Empfangsantennenmoduls gemäß 1;
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Finne für ein Fahrzeug mit einem Empfangsantennenmodul 1 gemäß 1.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines mehrbandigen Empfangsantennenmoduls 1 einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses Empfangsantennenmodul 1 weist zwei Resonanzfrequenzbänder auf. Ein erstes Resonanzfrequenzband mit den Empfangsfrequenzen f_L im Frequenzband L der DAB-Dienste zwischen 1452 MHz ≤ f_L ≤ 1492 MHz und ein zweites Resonanzfrequenzband III, das Empfangsfrequenzen f_III des Bandes III zwischen 174 MHz ≤ f_III ≤ 240 MHz empfangen soll. Dazu weist das Empfangsantennenmodul 1 einen Antennenstab 4 auf, der mit seinem Fußpunkt 6 mit dem Einspeisepunkt 7 zu einem Hochfrequenzempfänger für das erste Resonanzfrequenzband L verbunden ist. Dieser Antennenstab 4 bildet eine Monopolantenne mit einer Höhe h_s, die etwas geringer ist als λ/4 der Mittenfrequenz des Resonanzfrequenzbandes L.
Die Höhe h_s kann durch eine kapazitive Last derart vermindert werden, dass der Antennenstab 4 in eine Finne eines Fahrzeugs, die eine Höhe von etwa 60 mm aufweist, eingebaut werden kann. Dieser Antennenstab 4 ist von einer nicht an den Einspeisepunkt 7 angeschlossenen Antennenhelix 5 umgeben, welche die oben erwähnte kapazitive Belastung für den Antennenstab 4 im ersten Resonanzfrequenzband L darstellt. Dabei schwingen die beiden Antennenelemente 4 und 5, bestehend aus dem Antennenstab 4 und der Antennenhelix 5, in Serienresonanz.
Die Antennenhelix 5 kontaktiert weder den Antennenstab 4 noch den Einspeisepunkt 7, noch die Masse 3 einer elektrisch leitenden Grundfläche 2 wie es aus dem Stand der Technik für eine Helixantenne in Kombination mit einer Monopolantenne in Stabform bekannt ist. Die hier gezeigte Antennenhelix ist vielmehr ein passives Bauelement, das jedoch zur Serienresonanz im ersten Resonanzfrequenzband L und zur Parallelresonanz im zweiten Resonanzfrequenzband III angeregt werden kann, wenn die Länge der Windungen annähernd λ/4 der Mittenfrequenz des zweiten Resonanzfrequenzbandes III entspricht.
Dabei soll die Höhe h_x der Antennenhelix 5 etwa der Höhe h_s des Antennenstabes 4 entsprechen, sodass beide Komponenten dieser Antennenstruktur in einer Finne eines Fahrzeugs untergebracht werden können. Durch den relativ kleinen Aufbau der sich für die in Parallelresonanz schwingende Antennenhelix 5 ergibt, ist die Resonanz relativ schmalbandig und selektiv. Um jedoch in dieser Parallelresonanz die möglichen Empfangsfrequenzen des Bandes III zu empfangen ist der Fußpunkt 8 der Antennenhelix 5 über eine Kapazitätsdiode 9 mit einer variablen Kapazität CD mit der Masse 3 der Grundfläche 2 des Empfangsantennenmoduls 1 elektrisch verbunden.
Die Kapazitätsvariation wird durch Einspeisen einer variablen Gleichspannung über einen Gleichspannungsausgang eines Tuners 11 gesteuert, wobei ein LC-Tiefpassfilter aus einer Induktivität L und einem Kondensator C hochfrequente Anteile des Tunerausgangs abblockt. Somit kann die kapazitive Wirkung der Antennenhelix 5 variiert werden.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des mehrbandigen Empfangsantennenmoduls 1 gemäß 1. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Während der Antennenstab 4 mit seinem Fußpunkt 6 unmit telbar mit dem Einspeisepunkt 7 elektrisch verbunden ist und somit die empfangene Hochfrequenzspannung an die Empfangsschaltung weiterleiten kann, ist mit 2 deutlich zu sehen, dass die Antennenhelix 5 den Antennenstab 4 umgibt, aber an keinem Punkt berührt.
Um dennoch die Antennenhelix 5 gegenüber dem Antennenstab 4 mechanisch zu fixieren, sind hier nicht gezeigte Abstandshalter aus isolierendem Material angeordnet, die sowohl den äquidistanten Abstand a zwischen den einzelnen Windungen 12 der Antennenhelix 5 gewährleisten als auch die Zentrierung des Antennenstabes 4 gegenüber der Antennenhelix 5 gewährleisten. Dabei können die Windungen 12 der Antennenhelix 5 den Durchmesser d aufweisen, der so bemessen ist, dass der Windungsumfang multipliziert mit der Anzahl der Windungen einen Wert ergibt, der kleiner als λ/4 der Mittenfrequenz des Resonanzfrequenzbandes III ist.
Der Abstand a, der hier als äquidistant zwischen den Windungen gezeichnet ist, kann vom Fußpunkt 8 graduell abnehmen, womit gleichzeitig die kapazitive Kopplung und Belastung des Antennenstabes 4 zum Kopfende 24 hin zunimmt. Anstelle der hier gezeigten kreisförmigen Windungen der Antennenhelix 12 kann diese auch ovale, elliptische oder tropfenförmige Querschnitte ihrer Windungen 12 aufweisen, womit das Empfangsantennenmodul 1 im äußeren Erscheinungsbild der Finne eines Fahrzeugs besser angepasst werden kann. Auch kann der Querschnitt der Windungen vom Fußpunkt 8 zum Kopfende 24 hin abnehmen, womit gleichzeitig eine Zunahme der kapazitiven Kopplung zum Kopfende hin verbunden ist, jedoch auch das Einbinden dieses Empfangsantennenmoduls 1 in eine Finne erleichtert wird.
Das hier gezeigte Empfangsantennenmodul 1 kann auf einem Substrat 13 angeordnet werden, das eine metallische Beschichtung 14 aufweist, welche die Grundfläche 2 bzw. die Masse 3 für das Empfangsantennenmodul 1 bildet. Am Einspeisepunkt 7 weist diese Beschichtung 14 eine Öffnung auf, sodass ein zentraler Leiter 21 an den Fußpunkt 6 isoliert geführt werden kann. Dazu besteht das Substrat 13 aus einem isolierenden Kunststoff, vorzugsweise einer PCB-Platte (printed circuit board). Die Schaltungselemente CD in Form einer Kapazitätsdiode 9, L in Form einer Induktivität 10 und C in Form eines Kondensators 25 sind zwar hier als diskrete Bauelemente gezeichnet, jedoch können zumindest die Bauelemente 10 und 25 auf einer gedruckten Schaltung in Form von Mikrostrukturen verwirklicht werden.
Mit einem derartigen Antennenmodul 1 ist es nun möglich, die für das Jahr 2010 vorgesehene Abschaltung von analogen Radiosendern und deren Ersatz durch digitale Sender vorzubereiten, und entsprechend minimierte Empfangsantennenmodule bereitzustellen, die an oder auf Fahrzeugen montiert werden können. Dieses neue Empfangsantennenmodul 1 für Fahrzeuge ist so klein gestaltet wie nur irgend möglich, um unauffällig zu bleiben. Das dafür vorgesehene Volumen von einer maximalen Höhe von 60 mm und einem maximalen Durchmesser von 18 mm wird durch dieses Empfangsantennenmodul 1 nicht überschritten. Außerdem erfüllt dieses Empfangsantennenmodul 1 sämtliche elektrische Spezifikationen, die in der Forderung einer Dualbandigkeit für die Binder III und das L-Band gleichzeitig zu erfüllen sind und stellt einen Gewinn von –10 dBi im Band III und 0 dBi im L-Band ohne Verstärker bereit.
Außerdem kann dieses Empfangsantennenmodul 1 mit anderen Antennen zu einem finnenförmigen Antennenmodul vereinigt werden, wobei mehrere Funkdienste durch die zusätzlichen Antennen bedient werden können. Das zunächst aufgetretene Problem eines geringen Realteils der Impedanz für derart elektrisch kleine Antennen konnte mit dem Helixelement und der angeschlossenen Kapazitätsdiode 9 gelöst werden.
Das in 2 gezeigte Empfangsantennenmodul 1 weist eine Gesamthöhe von 52 mm auf, hat einen Durchmesser von 16 mm und bedient die Dualbandigkeit für das Band III und das L-Band. Somit ist gegenüber herkömmlichen Strahlern, die eine Höhe zwischen 250 mm und 350 mm mit zwei Einspeisepunkten aufweisen, sodass zwei koaxiale Zuleitungen notwendig werden, ein deutlicher Vorsprung gelungen, da bei dem Empfangsantennenmodul 1 lediglich ein einziger Einspeisepunkt die Nutzung eines einzigen Verstärkers für beide Bänder ermöglicht, und nur ein Koaxialkabel für beide Bänder erforderlich ist.
Zusammenfassend wird hiermit ein Empfangsantennenmodul geschaffen, bei dem ein 1/4 λ – Wellenlängen Monopol für das L-Band eingesetzt wird. Nur dieser Monopol wird als Antennenstab 4 eingespeist. Um diesen Monopol herum ist ein sperrtopfartiger Resonator aus der Antennenhelix 5 angeordnet, wobei die Antennenhelix 5 an dem Ende nahe am Einspeisepunkt über eine Kapazitätsdiode 9 auf Masse 3 gelegt ist. Das andere Ende des Resonators in Form der Antennenhelix 5 ist offen wie auch das Ende des 1/4 λ – Wellenlängen Monopols in Form des Antennenstabes 4 für das L-Band. Durch die in 2 gezeigte Anordnung sind die Resonatoren gekoppelt und belasten sich gegenseitig kapazitiv. Dadurch lässt sich die geringe Höhe für das Empfangsantennenmodul 1 erreichen. Der sperrtopfartige Resonator ist in Parallelresonanz mit dem 1/4 λ – Wellenlängen Monopol.
Während im L-Band eine Serienresonanz verwendet wird, kommt im Band III eine Parallelresonanz zwischen den beiden Antennenelementen zum Tragen. Die Impedanz im L-Band ist passend auf etwa 50 Ω ausgelegt, während im Band III sich durch die Parallelresonanz und durch die Kapazitätsdiode der Realteil kontrollieren lässt und auf einen einfach messbaren Wert erhöht werden kann. Zusätzlich ergibt sich durch diese Kapazitätsdiode eine kanalabhängige Steuerung der Resonanz im Band III, um einen optimalen Empfang zu gewährleisten.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Finne 18 für ein Fahrzeug mit einem Empfangsantennenmodul 1 gemäß 1. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die Finne 18 ist auf einem Substrat 13 montiert oder schließt dieses Substrat 13 ein, wobei die Oberseite des Substrats eine metallische Beschichtung 14 vorzugsweise aus einer Kupferlegierung aufweist, die eine Masse 3 darstellt und ein Gegengewicht für das Empfangsantennenmodul 1 bildet.
In dieser Ausführungsform gemäß 3 werden die empfangenen Hochfrequenzspannungen U_HF über ein Koaxialkabel 19, das auf der Unterseite 22 des Substrats 13 angeordnet ist und mit seiner Masseleitung 20 die Beschichtung 14 auf der Oberseite 23 des Substrats 13 kontaktiert, an den Empfänger weitergeleitet. Dazu ist ein zentraler Leiter 21 des Koaxialkabels 19 mit dem Einspeisepunkt 7 am Fußpunkt 6 des Antennenstabes 4 verbunden. Der Fußpunkt 8 der Antennenhelix 5 ist über eine Durchgangsleitung 26 durch das Substrat 13 mit einer gedruckten Schaltung auf der Rückseite 22 des Substrats 13 elektrisch verbunden. Auf der gedruckten Schaltung sind dazu die Kapazitätsdiode 9 sowie die Filterelemente L und C der hier gezeigten Schaltung als Induktivität 10 und als Kondensator 25 angeordnet.
Die variable Gleichspannungsquelle U ist an einem Gleichspannungsausgang 11 eines Tuners angeschlossen, um die Kapazität der Kapazitätsdiode 9 zu steuern. Die Grundfläche 2 ist, wie hier in 3 gezeigt, trapezförmig geformt, wobei das Empfangsantennenmodul 1 im Bereich einer Breitseite 16 der Außenkontur 15 der Grundfläche 2 angeordnet ist und sich die Breite b der Grundfläche 2 und damit auch der Grundfläche der Finne 18 in Richtung auf eine Schmalseite 17 verjüngt, die gegenüberliegend der Breitseite 16 angeordnet ist. Die Höhe h_f der Finne 18 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung 60 mm. Die gestrichelten Linien 27 und 28 geben in etwa die Kontur der Finne 18 wieder.

1: Empfangsantennenmodul
2: Grundfläche
3: Masse
4: Antennenstab
5: Antennenhelix
6: Fußpunkt des Antennenstabes
7: Einspeisepunkt
8: Fußpunkt der Antennenhelix
9: Kapazitätsdiode
10: Induktivität
11: Spannungsausgang eines Tuners
12: Windung
13: Substrat
14: Beschichtung
15: Außenkontur
16: Breitseite
17: Schmalseite
18: Finne
19: Koaxialkabel
20: Masseleitung
21: zentraler Leiter
22: Rückseite des Substrats
23: Oberseite des Substrats
24: Kopfende
25: Kondensator
26: Durchgangsleitung
27: gestrichelte Linie
28: gestrichelte Linie
a: Abstand zwischen Windungen
b: Breite der Grundfläche
C: Kondensator
C_D: variable Kapazität einer Kapazitätsdiode
h_f: Höhe der Finne
h_s: Höhe des Antennenstabes
h_x: Höhe der Antennenhelix
L: Induktivität
U: variable Gleichspannung des Tunerausgangs
U_HF: Hochfrequenzspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6054966 [0002]
- US 7158819 B1 [0004]

Claims

Mehrbandiges Empfangsantennenmodul aufweisend: – eine elektrisch leitende Grundfläche (2) als Masse (3) und Gegengewicht, – einen Antennenstab (4), – eine den Antennenstab (4) umgebende Antennenhelix (5), die kapazitiv mit dem Antennenstab (4) gekoppelt ist, – ein erstes und ein zweites Resonanzfrequenzband, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Resonanzfrequenzband eine Frequenzbandlücke oder nicht benötigte Resonanzen angeordnet sind, wobei ein Fußpunkt (6) des Antennenstabes (4) mit einem von der Grundfläche (2) isolierten für beide Resonanzfrequenzbänder gemeinsamen Einspeisepunkt (7) verbunden ist und ein Fußpunkt (8) der Antennenhelix (5) vom Einspeisepunkt (7) entfernt über eine Kapazitätsdiode (9) mit der Grundfläche (2) kapazitiv gekoppelt ist.
Empfangsantennenmodul nach Anspruch 1, wobei das erste Resonanzfrequenzband höhere Frequenzen als das zweite Resonanzfrequenzband aufweist.
Empfangsantennenmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei beim ersten Resonanzfrequenzband Antennenstab (4) und Antennenhelix (5) eine Serienresonanz bilden.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangsantennenmodul (1) in Serienresonanz eine Impedanz I in Ohm zwischen 20 Ω ≤ I ≤ 60 Ω aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim zweiten Resonanzfrequenzband Antennenstab (4) und Antennenhelix (5) eine über die Kapazitätsdiode (9) abstimmbare Parallelresonanz bilden.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapazitätsdiode (9) über eine Induktivität (10) mit einem variablen Spannungsausgang (11) eines Tuners elektrisch in Verbindung steht.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Resonanzfrequenzband L Resonanzfrequenzen f_L zwischen 1452 MHz ≤ f_L ≤ 1492 MHz und das zweite Resonanzfrequenzband III Resonanzfrequenzen f_III zwischen 174 MHz ≤ f_III ≤ 240 MHz aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenhelix (5) kreisförmige Windungen (12) aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Antennenhelix (5) polygonale Windungen aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Antennenhelix (5) viereckige Windungen aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Antennenhelix (5) dreieckige Windungen aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenhelix (5) einen äquidistanten Abstand (a) zwischen den Windungen (12) aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Antennenhelix (5) einen vom Fußpunkt (8) aus graduell abnehmenden Abstand (a) zwischen den Windungen (12) aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenhelix (5) eine Anzahl n der Windungen zwischen 10 ≤ n ≤ 20 aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennenhelix (5) einen Durchmesser d der Windungen zwischen 12 mm ≤ d ≤ 24 mm aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antennenstab (4) eine Höhe h_s zwischen 38 mm ≤ h_s ≤ 58 mm und die Antennenhelix (5) eine Höhe h_x zwischen 35 mm ≤ h_x ≤ 55 mm aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Grundfläche (2) eine Metallfolie aufweist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Grundfläche (2) eine Fläche einer auf ein PCB-Substrat (13) aufgebrachten Beschichtung (14) ist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundfläche (2) eine trapezförmige Außenkontur (15) aufweist, und das Empfangsantennenmodul (1) im Bereich einer Breitseite (16) der trapezförmigen Außenkontur (15) aufgestellt ist und sich die Breite (b) der trapezförmigen Außenkontur (15) zu einer Schmalseite (17) hin verjüngt, die der Breitseite (16) gegenüberliegend angeordnet ist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangsantennenmodul (1) auf oder an Fahrzeugen angeordnet ist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangsantennenmodul (1) von einer Kunststoffmasse, die zu einer Finne (18) geformt ist, umhüllt ist.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Koaxialkabel (19) oder eine Mikrostreifenleitung auf der Rückseite (22) des Substrats (13) mit einer Masseverbindung die Grundfläche (2) auf einer Oberseite (23) des Substrats (13) kontaktiert und mit einem zentralen Leiter (21) mit dem Einspeisepunkt (7) elektrisch in Verbindung steht.
Empfangsantennenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Empfangsantennenmodul (1) an ein 50 Ohm Anpassungsnetzwerk gekoppelt ist.