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Die Erfindung betrifft ein externes mehrbandiges Funkantennenmodul mit einer elektrisch leitenden Grundfläche als Masse und Gegengewicht, über der abstrahlende Elemente angeordnet sind. Ein erstes abstrahlendes Element mit einer ersten Resonanzfrequenz und ein zweites abstrahlendes Element mit einer zweiten Resonanzfrequenz sind über einen ersten Verbindungssteg im Bereich ihrer Fußpunkte elektrisch verbunden. Zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz besteht eine Frequenzbandlücke.
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Dazu ist aus der Druckschrift
DE 103 11 040 A1 eine Antennenanordnung insbesondere für Kraftfahrzeuge bekannt, deren Antennenstrahlelemente streifenleitungsförmig, fingerförmig oder stichleitungsförmig auf einem Substrat ausgebildet sind, wobei zwei Antennenstrahlelemente über eine Zusammenführung elektrisch mit einer Anschlussstelle verbunden sind. Zwischen den beiden Antennenstrahlelementen ist zumindest eine Induktivität und mit einer der Antennenstrahlelemente eine Dachkapazität elektrisch verbunden.
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Aus der Druckschrift
DE 602 00 508 T2 ist eine interne Mehrbandantenne für den Funkbetrieb bekannt, die ein Ergebnis der Entwicklung kleiner Antennen für Mobiltelefone aufgrund der Verkleinerung der Handapparate ist. Dabei sollen derartige Funkantennenmodule in mehreren Systemen funktionieren, wie beispielsweise einem GSM 850 und einem GSM 900 System, die aufgrund der Überlappung ihrer Frequenzbereiche gemeinsam in einem ersten Resonanzfrequenzband eines ersten abstrahlenden Elements gesendet und empfangen werden können.
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Mit einem zweiten Resonanzfrequenzband können die Telefonsysteme GSM 1800, GSM 1900 und UMTS über ein zweites abstrahlendes Element eines Antennenmoduls gesendet und empfangen werden, da auch diese Systeme in ihren Frequenzbereichen einander überlappen. Zwischen dem ersten Resonanzfrequenzband und dem zweiten Resonanzfrequenzband ergibt sich somit eine Frequenzbandlücke, die bei den genannten Systemen nahezu 1 GHz beträgt.
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Bisher werden verkürzte Planarantennen z. B. „shorted patch antennas” oder planare invertierte F-Antennen verwendet, um zwei oder mehrere Resonanzfrequenzen wie oben beschrieben bereitzustellen. Aus der Druckschrift
DE 602 00 508 T2 ist eine Antennenstruktur bekannt, die sowohl für UMTS Frequenzen als auch für GSM Frequenzen funktioniert, wobei jedoch für die UMTS Frequenzen ein separates Abstrahlungselement vorgesehen wird, während GSM Frequenzen über eine dualbandige Planarantennenstruktur abgestrahlt bzw. empfangen werden. Demzufolge hat die bekannte Antennenstruktur für UMTS und GSM Frequenzen zwei getrennte Einspeisepunkte und arbeitet zusätzlich mit Schaltelementen, die wahlweise das eine oder das andere abstrahlende Element mit Masse verbinden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein externes mehrbandiges Funkantennenmodul zu schaffen, das auf oder an einem Fahrzeug angebracht werden kann, kostengünstig herstellbar ist und in eine Finne eines Fahrzeugs einbaubar ist, sodass Funkgeräte, wie ein mobiles Handy, im Fahrzeug mitgeführt und mit einer externen Außenantenne auf oder an dem Fahrzeug zusammenwirken können.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein externes mehrbandiges Funkantennenmodul mit einer elektrisch leitenden Grundfläche als Masse und Gegengewicht, über der abstrahlende Elemente angeordnet sind, geschaffen. Ein erstes abstrahlendes Element mit einer ersten Resonanzfrequenz und ein zweites abstrahlendes Element mit einer zweiten Resonanzfrequenz sind über einen ersten Verbindungssteg im Bereich ihrer Fußpunkte elektrisch verbunden. Zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz besteht eine Frequenzbandlücke. Das Funkantennenmodul weist einen für beide abstrahlenden Elemente gemeinsamen von der Grundfläche isolierten Einspeisepunkt auf, der über einen zweiten Verbindungssteg mit dem Fußpunkt des ersten abstrahlenden Elements mechanisch verbunden ist. Die abstrahlenden Elemente und die Verbindungsstege weisen Metallplattenstrukturen einer einzigen Metallplatte auf, wobei die Metallplatte orthogonal zu der Grundfläche angeordnet ist.
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Dieses vertikal stehende zweiarmige mehrbandige Funkantennenmodul besteht somit aus einer einzigen strukturierten Metallplatte, die wiederum aus einer größeren Metallplatte herausgearbeitet ist. Durch die besondere Struktur der zweiarmigen Mehrbandfunkantenne ist eine Erzeugung und Steuerung zweier paralleler Resonanzen möglich. Gleichzeitig werden ungewollte paralleler Resonanzen für eine verbesserte Selektion unterdrückt. Dabei kann ein abstrahlendes Element durch eine kapazitive Belastung der Funkantenne in form einer Dachkapazität auf ein unteres Resonanzfrequenzband abgestimmt werden. Außerdem kann das Antennenmodul mit lediglich drei Pins gehalten und angeschlossen werden. Dabei stützt oder kontaktiert je ein Pin ein abstrahlendes Element. Ein dritter Pin ist direkt unterhalb dem abstrahlenden ersten Element mit einem einzigen Einspeisepunkt verbunden.
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Ein derartiges Funkantennenmodul hat den Vorteil, dass kein Anpassungsnetzwerk und keine Anpassungsstrukturen durch geeignete Wahl der Position von Einspeisungs- und Masseanschlusspunkt erforderlich sind. Die Wahl, der Ort und die Anordnung dieser Einspeisungs- bzw. Masseanschlusspunkte über die erwähnten Pins wird aufgrund einer Analyse der Stromverteilung sowie der Dimensionierung derartiger Pins festgelegt. Mit diesem Antennenmodul für zwei separate Resonanzfrequenzbänder sind die nachfolgenden Vorteile verbunden:
- 1. eine sehr gute Frequenzselektion, sodass es möglich ist, eine Verkopplung zu anderen Antennen in einer entsprechenden Finne zu verringern;
- 2. ein Antennenmodul mit minimalen Abmessungen für einen fünfbandigen Sende- und Empfangsbetrieb bereitzustellen;
- 3. ausgezeichnete Gewinnwerte zu realisieren;
- 4. eine einfache Herstellung vorzugsweise durch Ausstanzen des Antennenmoduls aus einer Metallplatte bereitzustellen;
- 5. keine Anpassungsnetzwerken oder Anpassungsstrukturen vorsehen zu müssen, und
- 6. unkritische Herstellungstoleranzen zu tolerieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erste abstrahlende Element an seinem Kopfpunkt eine kapazitive Last in Form einer Dachkapazität auf. Diese Dachkapazität wird von einem Querbalken gebildet, der quer zum ersten abstrahlenden Element an dessen Kopfpunkt angeordnet ist. Die Wirkung der Dachkapazität kann verstärkt werden und damit die kapazitive Last vergrößert werden, wenn die Dachkapazität zwei Schenkel aufweist, wobei ein Schenkel den Querbalken bildet und ein zweiter Schenkel sich parallel zum abstrahlenden Element erstreckt. Dabei kann diese kapazitive Last ein integrales Strukturelement der Metallplattenstruktur sein, sodass bei der Herstellung des ersten abstrahlenden Elements die Dachkapazität gleich mit ausgestanzt wird.
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Der Fußpunkt des ersten abstrahlenden Elements ist über den zweiten Verbindungssteg mit dem Einspeisepunkt verbunden. Zusätzlich kontaktiert ein Kopplungssteg mit seinem ersten Ende den zweiten Verbindungssteg unterhalb des Fußpunktes des ersten abstrahlenden Elements und oberhalb des Einspeisepunktes. Das zweite Ende ist dagegen mit der Grundfläche elektrisch zu einem Masseanschlusspunkt verbunden. Über Querschnitt und Länge dieses Kopplungssteges kann der Realwert der Impedanz eingestellt werden. Dabei ist die Länge des Kopplungssteges deutlich geringer als λ/4 der mittleren Frequenz des ersten Resonanzfrequenzbandes.
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Auch der Abstand zwischen der Grundfläche und dem Kopplungssteg ist gering, sodass eine kapazitive Wechselwirkung auftreten kann. Schließlich wird mit diesem Kopplungssteg auch der induktive Anteil der Impedanz für das erste Resonanzfrequenzband angepasst, sodass die Dachkapazität des ersten abstrahlenden Antennenelements und die Induktivität des Kopplungssteges eine Anpassung an ein 50 Ω Leitungsnetzwerk im Einspeisepunkt ermöglichen.
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Das zweite abstrahlende Element ist mit seinem Fußpunkt über den ersten Verbindungssteg mit dem Fußpunkt des ersten abstrahlenden Elements verbunden. Dieser erste Verbindungssteg beeinflusst mit seiner Länge und seinem Querschnitt den Realwert für die Impedanz des zweiten abstrahlenden Elements. Außerdem wird durch die Fläche zwischen der Grundfläche bzw. Masse des Antennenmoduls und dem ersten Verbindungssteg der Induktionswert der Impedanz des zweiten abstrahlenden Elements zusätzlich beeinflusst. Während der erste Verbindungssteg und der zweite Verbindungssteg in einer Ebene angeordnet sein können, wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Kopplungssteg gegenüber der Ausrichtung der abstrahlenden Elemente abgewinkelt.
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Dieses verbessert die mechanische Stabilität im Bereich der Einspeisung bzw. der Fußpunkte des Funkantennenmoduls. Zur weiteren mechanischen Stabilität kann ein Stützsteg beitragen, der mit seinem ersten Ende den Fußpunkt des zweiten abstrahlenden Elements kontaktiert und sich mit seinem zweiten Ende isoliert gegenüber der Grundfläche auf einem isolierenden Substrat abstützt. Dieser Stützsteg hat zusätzlich die Funktion, dass die Länge des zweiten abstrahlenden Elements vergrößert werden kann und damit λ/4 der mittleren Frequenz des zweiten Resonanzfrequenzbandes angenähert werden kann. Außerdem beeinflusst die Fläche zwischen dem Stützsteg und der Grundfläche den Induktionswert der Impedanz mindestens des zweiten abstrahlenden Elements. Auch dieser Stützsteg kann abgewinkelt zu den abstrahlenden Elementen angeordnet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrisch leitende Grundfläche eine Metallfolie auf, die beispielsweise auf ein isolierendes Substrat laminiert ist und den Bodenbereich einer Finne auf oder an einem Fahrzeug bildet. Andererseits kann die elektrisch leitende Grundfläche auch durch eine Beschichtung auf einem PCB-Substrat (printed circuit board) erreicht werden. Die Außenkontur eines derartigen Substrats und damit auch der Grundfläche ist vorzugsweise trapezförmig. Die Metallplattenstruktur, aus der die strahlenden Elemente gestanzt sind, ist dabei auf einer Breitseite der trapezförmige Außenkontur aufgestellt.
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Das erste abstrahlende Element weist Resonanzfrequenzen eines Frequenzbandes GSM 850 mit Resonanzfrequenzen f850 zwischen 824 MHz ≤ f850 ≤ 894 MHz und des Frequenzbandes GSM 900 mit Resonanzfrequenzen f900 zwischen 890 MHz ≤ f900 ≤ 960 MHz auf, die von dem ersten abstrahlenden Element abstrahlt und empfangen werden können. Das Resonanzfrequenzband des zweiten abstrahlenden Elements ist derart angepasst, dass Resonanzfrequenzen des Frequenzbandes GSM 1800 mit Resonanzfrequenzen f1.8 zwischen 1,71 GHz ≤ f1.8 ≤ 1,88 GHz und des Frequenzbandes GSM 1900 mit Resonanzfrequenzen f1.9 zwischen 1,85 GHz ≤ f1.9 ≤ 1,99 GHz sowie des Frequenzbandes UMTS mit Frequenzen f2.0 zwischen 1,92 GHz ≤ f2.0 ≤ 2,17 GHz.
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Die relativ schlanke Metallplattenstruktur kann vorzugsweise in einer Fahrzeugfinne untergebracht werden, wobei der trapezförmige Grundriss der Grundfläche bzw. die Masse die Finnenform unterstützt. Dabei kann die Grundfläche mit einer Masseleitung eines Koaxialkabels verbunden sein, während ein zentraler Koaxialleiter mit dem Einspeisepunkt elektrisch in Verbindung steht. Andererseits ist es auch möglich, dass das Funkantennenmodul ein doppelseitig beschichtetes Substrat aufweist, sodass auf der Rückseite des Substrats eine gedruckte Schaltung mit Mikrostreifenleitungen vorhanden ist, die mindestens eine Masseleitung aufweist, welche mit der Grundfläche auf der Oberseite des Substrats elektrisch in Verbindung steht, und wobei eine zentrale Mikrostreifenleitung den Einspeisepunkt des Funkantennenmoduls kontaktiert. Außerdem ist es möglich, dass das Funkantennenmodul an ein 50 Ω Leitungsnetzwerk angepasst ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Funkantennenmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Funkantennenmoduls gemäß 1;
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3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Funkantennenmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Finne mit eingebautem Funkantennenmodul gemäß 3.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Funkantennenmoduls 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Antennenmodul 1 weist zwei abstrahlende Elemente 4 und 5 auf, wobei das erste abstrahlende Element 4 ein erstes Resonanzfrequenzband abdeckt, das Frequenzen der Systeme GSM 850 mit den Resonanzfrequenzen f850 zwischen 824 MHz ≤ f850 ≤ 894 MHz und GSM 900 mit Resonanzfrequenzen f900 zwischen 890 MHz ≤ f900 ≤ 960 MHz abstrahlt und empfängt. Die Höhe hF liegt dabei weit unter einem λ/4-Antennenstab, sodass auch dieses erste abstrahlende Antennenelement 4 für diese Bänder in eine Finne von lediglich 60 mm Höhe passt.
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Diese niedrige Höhe hF des ersten Abstrahlungselements 4 wird dadurch erreicht, dass am Kopfpunkt 12 eine Dachkapazität 15 in Form eines rechteckigen Winkels angeordnet ist. Diese Dachkapazität 15 weist einen Querbalken 16 als ersten Schenkel 17 auf. Ein zweiter Schenkel 18 ist parallel zu dem ersten abstrahlenden Element 4 angeordnet und bildet damit eine hohe kapazitive Last 14.
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Zusätzlich wird die Impedanz durch eine Induktivität kompensiert bzw. angepasst, die durch einen Kopplungssteg 19 gebildet wird. Der Kopplungssteg 19 kontaktiert mit seinem ersten Ende 20 einen zweiten Verbindungssteg 10 zwischen einem Fußpunkt 7 des ersten abstrahlenden Elements 4 und einem Einspeisungspunkt 9 des Funkantennenmoduls 1. Mit seinem zweiten Ende 21 bildet der Kopplungssteg 19 einen Masseanschlusspunkt 22 zu der Masse 3 der elektrisch leitenden Grundfläche 2, die von einer metallischen Beschichtung 27 auf einem PCB-Substrat 26 gebildet wird. Dabei kann durch den Querschnitt und die Länge des Kopplungssteges 19 auch der Realteil der Impedanz derart angepasst werden, dass ein breites erstes Resonanzfrequenzband mit scharfer Selektion von dem ersten abstrahlenden Element 4 abgestrahlt und empfangen werden kann.
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Ein weiteres hochfrequentes Resonanzfrequenzband wird durch ein zweites abstrahlendes Element 5 geschaffen, das über einen ersten Verbindungssteg 6 mit dem Fußpunkt 7 des ersten abstrahlenden Elements 4 elektrisch verbunden ist. Dieses zweite abstrahlende Element 5 weist Resonanzfrequenzen der Systeme GSM 1800 mit Resonanzfrequenzen f1.8 zwischen 1,71 GHz ≤ f1.8 ≤ 1,88 GHz und GSM 1900 mit Resonanzfrequenzen f1.9 zwischen 1,85 GHz ≤ f1.9 ≤ 1,99 GHz sowie des Systems UMTS mit Frequenzen f2.0 zwischen 1,92 GHz ≤ f2.0 ≤ 2,17 GHz auf.
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Auch für das zweite abstrahlende Element 5 kann der Realteil der Impedanz durch Querschnitt und Länge des ersten Verbindungssteges 6 angepasst werden, um die Breite des Resonanzfrequenzbandes derart abzustimmen, dass alle drei Funkfrequenzbänder von diesem einen abstrahlenden Element 5 empfangen und gesendet werden können. Auch ist die Stabhöhe hE zwischen Kopfpunkt 13 und Fußpunkt 8 des abstrahlenden Elements 5 kleiner als λ/4, jedoch kann dieses durch einen Stützsteg 23 teilweise ausgeglichen werden, der einerseits wiederum einen Real- und einen Induktivitätsanteil liefert, aber auch praktisch die Stablänge vergrößert. Dieser Stützsteg kontaktiert mit seinem ersten Ende 24 den Fußpunkt 8 des zweiten abstrahlenden Elements 5. Mit seinem zweiten Ende 25 kontaktiert dieser Stützsteg 23 nicht die elektrisch leitende Grundfläche 2, sondern stützt sich auf dem isolierenden Substrat 26 ab.
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Durch die oben geschilderten Maßnahmen ist es mit einem derartigen Funkantennenmodul 1 möglich, eine fünfbandige Antenne zu realisieren mit einer guten Frequenzbandselektion, die es erlaubt weitere Antennen auf der Grundfläche 1 zu installieren, ohne dass eine Verkopplung zu den anderen Antennen auftritt. Ferner sind für dieses Funkantennenmodul 1 keine Anpassungsstrukturen auf der tragenden Platine des Substrats 26 erforderlich. Schließlich entfallen somit auch diskrete Komponenten für Anpassungszwecke. Die Gesamtbreite dieser Antennenstruktur ist kleiner als 24 mm und die Gesamthöhe ist kleiner als 52 mm.
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Der Einspeisepunkt 9 kann mit Hilfe eines Durchgangskontaktes 37 durch das Substrat 26 erreicht werden, indem der Masseleiter eines Koaxialkabels 31 mit der Masse 3 auf der Oberseite 36 des Substrats verbunden wird und ein zentraler Koaxialleiter 32 mit dem Einspeisepunkt 9 in Verbindung gebracht wird. Dazu kann das Koaxialkabel 31 von der Rückseite 35 des Substrats 26 aus in einen entsprechenden Durchgangskontakt 37 eingebracht werden. Andererseits ist es auch möglich, die Rückseite 35 mit gedruckten Mikrostreifenleitungen zu versehen und über derartige Mikrostreifenleitungen den Einspeisepunkt 9 zu versorgen.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Funkantennenmoduls 1 gemäß 1. Dazu sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung die beiden abstrahlenden Antennenelemente 4 und 5 sowie die kapazitive Last 14 und die Verbindungsstege 6 und 10 aus einer einzigen Metallplattenstruktur 11 gebildet. Diese Metallplattenstruktur 11 steht mit dem zweiten Verbindungssteg 10 auf einem Einspeisepunkt 9, der von der elektrisch leitenden Grundfläche 2 isoliert angeordnet ist. Sowohl der Kopplungssteg 19 als auch der Stützsteg 23 sind hier rechtwinklig zu der Metallplattenstruktur 11 angeordnet. Die Außenkontur 29 der Grundfläche 2 ist dabei trapezförmig, wobei das Funkantennenmodul an der Breitseite 28 der Grundfläche 2 angeordnet ist und sich die Breite b zur Schmalseite 30 der trapezförmigen elektrisch leitenden Grundfläche 2 verjüngt. Eine derartige Funkantennenstruktur kann ohne weiteres in eine Finne auf oder an einem Fahrzeug untergebracht werden, sodass beispielsweise entsprechende Mobilfunkgeräte innerhalb des Fahrzeugs benutzt werden können.
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3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Funkantennenmoduls 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied des Funkantennenmoduls 40 gegenüber dem Funkantennenmodul 1, wie es in 2 zu sehen ist, liegt darin, dass sowohl der Kopplungssteg 19 zum Masseanschlusspunkt 22 hin als auch der Stützsteg 23 zu dem isolierenden Substrat 26 hin nicht wie im Beispiel der 2 rechtwinklig zu den beiden abstrahlenden Elementen 4 und 5 angeordnet sind, sondern in der gleichen Ebene wie die abstrahlenden Elemente 4 und 5 liegen. Damit kann die Finne deutlich schmaler ausgeführt werden oder es können neben diesem Funkantennenmodul weitere Module direkt neben dem Funkantennenmodul angeordnet werden.
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4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Finne 34 aus Kunststoff mit eingebautem Funkantennenmodul 40 gemäß 3. Dazu sind die Konturen der Finne 34 durch die gestrichelten Linien 38 und 39 markiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Funkantennenmodul
- 2
- leitende Grundfläche
- 3
- Masse bzw. Gegengewicht
- 4
- erstes abstrahlendes Element
- 5
- zweites abstrahlendes Element
- 6
- erster Verbindungssteg
- 7
- Fußpunkt des ersten abstrahlenden Elements
- 8
- Fußpunkt des zweiten abstrahlenden Elements
- 9
- Einspeisepunkt
- 10
- zweiter Verbindungssteg
- 11
- Metallplattenstruktur
- 12
- Kopfpunkt des ersten abstrahlenden Elements
- 13
- Kopfpunkt des zweiten abstrahlenden Elements
- 14
- kapazitive Last
- 15
- Dachkapazität
- 16
- Querbalken
- 17
- erster Schenkel
- 18
- zweiter Schenkel
- 19
- Kopplungssteg
- 20
- erstes Ende des Kopplungsstegs
- 21
- zweites Ende des Kopplungsstegs
- 22
- Masseanschlusspunkt
- 23
- Stützsteg
- 24
- erstes Ende des Stützstegs
- 25
- zweites Ende des Stützstegs
- 26
- Substrat
- 27
- Beschichtung
- 28
- Breitseite
- 29
- Außenkontur
- 30
- Schmalseite
- 31
- Koaxialkabel
- 32
- zentraler Koaxialleiter
- 33
- Kunststoff
- 34
- Finne
- 35
- Rückseite des Substrats
- 36
- Oberseite des Substrats
- 37
- Durchgangskontakt
- 38
- gestrichelte Linie
- 39
- gestrichelte Linie
- 40
- Funkantennenmodul (2. Ausführungsform)
- b
- Breite der Außenkontur
- hF
- Höhe des ersten abstrahlenden Antennenelements
- hE
- Höhe des zweiten abstrahlenden Antennenelements
