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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen und bezieht sich im Besonderen auf eine Antennenanordnung mit zirkularer Polarisation.
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Funkbasierende Zugangssysteme sind für einen kontrollierten Zugang zu Kraftfahrzeugen inzwischen Standard geworden. Diese Zugangssysteme dienen in erster Linie dem komfortablen Aufsperren und Verschließen von Fahrzeugtüren und Kofferraum, sowie dem Aktivieren und Deaktivieren einer im Fahrzeug vorhandenen Wegfahrsperre.
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Durch Integration einer bidirektionalen Kommunikation in die Funkübertragung zwischen der mobilen Funkstation des Zugangssystems und der als Bordstation ausgebildeten Gegenstelle im Fahrzeug können weitere Funkdienste wie z. B. Fernbedienungs- und Fernabfragefunktionen realisiert werden. So ist es möglich den Status des Fahrzeugs betreffende Daten mittels der mobilen Station abzurufen. Beispielsweise Informationen über den Füllstand des Kraftstofftanks, den Reifendruck, einen eventuellen Alarmzustand, die Motortemperatur oder dergleichen mehr. Darüber hinaus bietet die bidirektionale Kommunikation üblicherweise auch die Möglichkeit weitere Funktionen des Fahrzeugs aufzurufen, so dass sich z. B. Fahrzeugfenster, Sonnendächer und Schiebetüren, aber auch eine eventuell im Fahrzeug vorhandene Standheizung aus größerer Entfernung bedienen lassen.
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Für die Funkverbindung zwischen mobiler Station und Bordstation des Zugangssystems stehen mehrere Frequenzbereiche zur Verfügung, die sich vorwiegend im ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical Band; Band für Industrie, Wissenschaft und Medizin) befinden. Die für die bidirektionale Kommunikation nutzbaren Frequenzbereiche liegen im Bereich von einigen Megahertz (MHz) bis zu mehreren Gigahertz (GHz). Diese Frequenzbänder sind jedoch nicht in allen Ländern identisch, so dass die Funkstationen meist für mehrere Frequenzbänder optimiert werden müssen.
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Die von den funkbasierenden Zugangssystemen unterstützten Dienste erfordern eine Reichweite von wenigen Metern (z. B. zum Aufschließen der Fahrzeugtüren) über einige hundert Meter bis hinein in den Kilometerbereich bei einigen Fernabfragen. Bestimmte Dienste wie z. B. das Öffnen der Fahrzeugtüren können dabei bisweilen erst aufgerufen werden, wenn ein gewisser Abstand zum Fahrzeug unterschritten ist. Andere, wie z. B. das Abfragen der aktuellen Parkdauer, sollten über möglichst große Entfernungen ausführbar sein. Die Ausbreitungsbedingungen für die Funkwellen zwischen den beiden Stationen des Zugangssystems sind dabei von verschiedenen Parametern geprägt. Abgesehen vom Frequenzbereich sind dies in erster Linie die Entfernung zwischen den Funkstationen, die Polarisationsrichtung der zur Funkübertragung verwendeten elektromagnetischen Welle, die Art der im oder am Fahrzeug angebrachten Antenne bzw. Antennen, die Art der in der mobilen Station verwendeten Antenne bzw. Antennen, die Orientierung der mobilen Funkstation im Raum sowie deren Lage in der Hand oder am Körper des Benutzers und schließlich auch die Umgebung im Bereich der Funkverbindungsstrecke, die die Ausbreitungseigenschaften bestimmt.
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Die Antenne bzw. Antennen der im Fahrzeug befindlichen Funkstation ist bzw. sind im Allgemeinen so ausgestaltet, dass für die gesendeten und empfangenen Signale eine bestimmte Polarisation der Funkwelle bevorzugt wird. Meist ist dies die vertikale Polarisation, d. h. die Polarisationsrichtung, bei der der E-Vektor vertikal ausgerichtet ist. Bedingt ist dies durch die bei Fahrzeugen vorwiegend eingesetzte verkürzte vertikale Monopolantenne.
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Bei den mobilen Funkstationen werden meist Schleifen- oder Monopolantennen sowie Kombinationen beider Antennenarten eingesetzt. Im Falle von Monopolantennen werden vor allem Helixantennen bevorzugt.
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Schleifenantennen zeichnen sich durch ihre geringe Handempfindlichkeit aus, besitzen im Allgemeinen jedoch einen geringen Wirkungsgrad und erzeugen eine rein horizontale Polarisation.
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Der Wirkungsgrad von Monopolantennen ist in der Regel größer, aufgrund des kleineren Massegegengewichts ist die über die Antenne übertragene Leistung jedoch sehr empfindlich gegenüber Berührung (Handempfindlichkeit) und Einflüssen aus der sonstigen unmittelbaren Umgebung des Funkgeräts. Auch diese Antennenart unterstützt nur eine Polarisationsrichtung und weist darüber hinaus auch noch eine zusätzlich Nullstelle in Richtung der Gerätelängsachse im Richtdiagramm auf. In mobilen Funkgeräten mit kleinerer Reichweite werden bisweilen Monopolantennen eingesetzt, die unmittelbar auf die Leiterplatte des Geräts gedruckt werden. In diesem Fall ist die Handempfindlichkeit noch größer, da bei einer Benutzung des Geräts meist die gesamte Antenne mit der Hand abgedeckt wird.
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Aus einer Kombination von Schleifen- und Monopolantennen aufgebaute Antennenanordnungen ermöglichen zwar einen Kompromiss, je nach Berührung überwiegt jedoch die Charakteristik der einen oder der anderen Antennenart. In der Praxis sind die beiden Antennen parallel geschaltet, wodurch sich eine Verstimmung von einer der beiden Antennen immer auch auf die Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik der jeweils anderen Antenne auswirkt. Abstrahlung und Empfang von elektromagnetischen Wellen erfolgen auch bei diesen Antennenkombinationen weitgehend linear polarisiert.
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Für Antennen mit hohem Wirkungsgrad kommen unter anderem Strukturen mit Monopol- oder Dipolcharakter in Frage. Schleifenstrukturen haben bei den für mobile Funkstationen vertretbaren Leiterabmessungen üblicherweise zu hohe Verluste, um für die geforderten Reichweiten tauglich zu sein.
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Bei allen zuvor beschriebenen Antennenarten und eventuellen Kombinationen davon sind immer Bereiche im Richtdiagramm vorhanden, bei denen keine bzw. nur eine unzureichende Verbindung möglich ist. Abgesehen von der Handempfindlichkeit und den so genannten Nullstellen im Richtdiagramm ist hierbei vor allem die lineare Polarisation ein Problem. Da in der Regel ein Benutzer entscheidet, wie er die mobile Funkstation in der Hand hält, ist es einem Hersteller nicht möglich die relativen Polarisationsrichtungen von mobiler Station und Bordstation aufeinander abzustimmen. Vielmehr ist davon auszugehen, dass die Polarisationsrichtungen beider Stationen im Bedarfsfall beliebig zueinander orientiert sein können. Je nach Polarisationsrichtung können daher bei gleichen Distanzen zwischen mobiler Funkstation und Fahrzeug durchaus unterschiedliche Übertragungsbedingungen vorherrschen. Im Extremfall können die Polarisationsrichtungen von Mobilstation und Bordstation senkrecht aufeinander stehen, wodurch trotz üblicherweise ausreichender Sendeleistung selbst bei relativ kleinen Abständen keine Kommunikation zustande kommt.
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Durch Verwenden einer Antennenstruktur mit zirkular polarisierter Abstrahlung können entsprechende Fehlausrichtungen der Polarisationsrichtungen vermieden werden. Um bei den für mobile Funkstationen vertretbaren Leiterabmessungen eine zirkular polarisierte Abstrahlung zu erreichen, kann eine gefaltete Dipolstruktur mit zwei Antennenzweigen verwendet werden, die in Form zweier übereinander angeordneter gegensinnig orientierter Windungselemente ausgebildet sind. Befindet sich die HF-Einspeisung zwischen den beiden Antennenzweigen, dann verlaufen die Stromrichtungen in den Antennenzweigen parallel zueinander, wodurch in Verbindung mit der Schleifenform der Antennenzweige ein H-Feld erzeugt wird. Aufgrund des Potentialunterschieds zwischen den beiden übereinander angeordneten Antennenzweigen entsteht ein E-Feld, das parallel zu H-Feld ausgerichtet ist. Da diese Ausrichtung der Felder auch im Fernfeld gegeben ist, steht der sich aus dem H-Feld ergebende E-Vektor senkrecht auf dem sich aus dem E-Feld ergebenden, woraus sich eine zirkulare Polarisierung ergibt. Derartige Antennenstrukturen erfordern jedoch ein Anpassungsnetzwerk zur Anpassung der Eingangsimpedanz an die Ausgangsimpedanz der HF-Einspeisung. Die Abstrahlleistung derartiger Strukturen ist durch die aufwändige Anpassungsschaltung von der HF-Einspeisung begrenzt.
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In der Europäischen Patentanmeldung
EP 1 703 586 A1 wird eine Antennenstruktur beschrieben, die zwei zueinander beabstandete Lastelemente aufweist, von denen jedes aus einer mehrgängigen, wendelfomigen Drahtwicklung besteht, die um ein Dielektrikum mit rechteckigem Querschnitt herumgeführt ist. Jedes Wicklungsende eines Lastelements ist auf einer Anschlussfläche aufgebracht, die das Drahtende mit einem Bereich des vorangehenden Wicklungsabschnitts kurzschließt. Jedes der beiden Lastelemente ist an einem seiner Enden jeweils mit einer Induktivitat verbunden, wobei die beiden Induktivitäten untereinander über einen Leiterabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind. Der beide Induktivitäten verbindende Leiterabschnitt ist zum einen an eine Speiseleitung angebunden, die mit der HF-Einspeisung verbunden ist, und zum anderen an eine Verbindung mit Masse, in die eine weitere Induktivität eingebunden ist. Die Antennenanordnung weist zwei Resonanzfrequenzen auf, wobei die Länge der Lastabschnitte (Lastelement inklusive der damit verbundenen Induktivität) kürzer als λ/2 der abgestrahlten elektromagnetischen Welle ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenstruktur mit zirkular polarisierter Abstrahl- und Empfangscharakteristik bei hoher Abstrahlleistung und einfacher Anpassbarkeit anzugeben.
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Die Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der Erfindung gelöst.
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Die Erfindung umfasst eine Antennenvorrichtung mit einem ersten Antennenzweig und einem zweiten Antennenzweig, wobei sowohl der erste als auch der zweite Antennenzweig die Form einer nicht geschlossenen Leiterschleife aufweisen und so miteinander verbunden sind, dass sie eine zusammenhängende Leiterschleife ausbilden und die Antennenzweige in einer Richtung zueinander beabstandet angeordnet sind, die im wesentlichen senkrecht zu der von den jeweiligen Leiterschleifen umschlossenen Fläche verläuft, und wobei die Antennenvorrichtung zumindest zwei Speisepunkte aufweist, die voneinander beabstandet im mittleren Abschnitt der zusammenhängenden Leiterschleife angeordnet sind.
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Die Erfindung umfasst ferner eine Funkstation die eine solche Antennenvorrichtung und eine HF-Einspeisung aufweist, die über die beiden Speisepunkte elektrisch oder über einen HF-Koppler mit der Antennenvorrichtung verbunden ist.
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Eine entsprechende Antennenvorrichtung stellt eine über die HF-Einspeisung erregte Resonatorstruktur dar, deren Antennenströme ein Vielfaches des erregenden Speisestroms betragen und hohe Sendefeldstärken erzeugen. Die besondere Geometrie der Antennenzweige erzeugt ein zirkular polarisiertes Fernfeld, das in Verbindung mit der hohen Abstrahlleistung eine zuverlässige Funkverbindung auch über weite Strecken unabhängig von der Ausrichtung zu einer Funkgegenstelle ermöglicht. Aufgrund des geringen bzw. innewohnenden Massegegengewichts weist die Antennenstruktur eine geringe Handempfindlichkeit auf. Die Eingangsimpedanz der Anordnung kann über die Wahl der Einspeisepunkte frei gewählt werden, so dass ein Anpassungsnetzwerk zur Impedanzanpassung an die HF-Einspeisung nicht zwingend erforderlich ist. Aufgrund der kompakten Ausführung der Antennenzweige in Leiterschleifenform eignet sich die Antennenvorrichtung insbesondere für den Einsatz in kleinen mobilen Funkgeräten wie z. B. in Fahrzeugschlüsseln, deren Geräteabmessungen ein Viertel der zur Übertragung verwendeten Wellenlänge unterschreiten.
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Die Erfindung wird in ihren abhängigen Ansprüchen weitergebildet.
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Zur einfachen HF-Einspeisung sind die zumindest zwei Speisepunkte vorteilhaft jeweils in Form eines Anschlusses oder als Teil eines HF-Kopplers ausgeführt.
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Vorzugsweise entspricht die Form des ersten Antennenzweigs im Wesentlichen der Form des zweiten Antennenzweigs, wodurch eine definierte Ausbildung des E-Felds erreicht werden kann.
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Der erste Antennenzweig kann gegenüber dem zweiten Antennenzweig so angeordnet sein, dass sich die Lage des ersten Antennenzweigs im Wesentlichen aus einer 180° Rotation des zweiten Antennenzweigs um eine Symmetrieachse ergibt. Durch diese Symmetrie der Anordnung wird das E-Feld senkrecht zu den Leiterschleifenteilen ausgebildet, so dass es parallel zu dem vom durch die Leiterschleife fließenden Antennenstrom ausgerichtet ist.
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Eine kompakte Antennenstruktur wird erreicht, indem der erste und der zweite Antennenzweig zusammen einen parallelepipedförmigen Hohlraum umgrenzen, wobei der parallelepipedförmige Hohlraum insbesondere auch quaderförmig ausgebildet sein kann. Zur vorteilhaften Verkleinerung der Antennenstruktur kann ist die Leiterstruktur so ausgebildet, dass die Schleifenenden des ersten und des zweiten Antennenzweigs jeweils in eine der Umgrenzungsflächen des Hohlraums hineinragen.
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Alternativ kann eine kompakte Antennenstruktur auch erzielt werden, wenn der erste und der zweite Antennenzweig zusammen einen zylinderförmigen Hohlraum umgrenzen, wobei der erste und der zweite Antennenzweig vorzugsweise zusammen einen halbrohrförmigen Hohlraum umgrenzen.
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Der Abstand zwischen dem ersten Antennenzweig und dem zweiten Antennenzweig ist zweckmäßig im Wesentlichen konstant. Bedarfsweise kann der Abstand zwischen dem ersten Antennenzweig und dem zweiten Antennenzweig entlang der Schleifenrichtung variieren, wodurch eine Optimierung bei der Anpassung der Antennengeometrie an eine vorgegebene Gehäusegeometrie vorgenommen werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist der Abstand zwischen den beiden Anschlüssen so gewählt, dass die Impedanz zwischen den beiden Anschlüssen im Bereich des eingespeisten Frequenzbands der Quellimpedanz der HF-Einspeisung entspricht. Hierdurch werden Anpassungsnetzwerke überflüssig, und damit die Herstellungskosten gesenkt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung je für sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle mit hohem Wirkungsgrad zeigt,
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2 die Stromrichtungen der Antennenvorrichtung von 1 und die dadurch im Nahfeld erzeugten Felder veranschaulicht,
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3 die Grundstrukturen einer Invertierten-F-Antenne (IFA), einer Doppel-IFA und einer Doppel-IFA mit gedrehter Symmetrie darstellt,
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4 die Abstrahlungscharakteristik der Antennenvorrichtung von 1 zeigt,
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5 das Diagramm in der x-y-Ebene der Antenne von 1 zeigt,
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6 das Diagramm in der x-z-Ebene der Antenne von 1 zeigt,
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7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle mit hohen Feldstärken zeigt,
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8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle mit hohen Feldstärken zeigt,
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9 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle mit hohen Feldstärken zeigt und
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10 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Antennenvorrichtung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle mit hohen Feldstärken zeigt und
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Antennenvorrichtung 10 zum Erzeugen eines zirkular polarisierten Fernfeldes dargestellt. Die Vorrichtung weist zwei über eine Stegverbindung 3 verbundene Strahlerelemente 1 und 2 auf, die nachfolgend als erster Antennenzweig 1 und zweiter Antennenzweig 2 bezeichnet werden. Die (in der 1 nicht gezeigte) HF-Einspeisung 8 (siehe 2) ist über den ersten Anschluss 4 mit dem ersten Antennenzweig 1 und über Anschluss 5 mit dem zweiten Antennenzweig 2 verbunden. Einer der beiden Anschlüsse, im dargestellten Beispiel Anschluss 5, ist zusätzlich mit der Massefläche 6 des Schaltungsträgers 7 verbunden. Außer der Herstellung der Anschlüsse zur HF-Einspeisung dienen die Anschlüsse 4 und 5 im gezeigten Beispiel auch dazu, die durch die Stegverbindung 3 und die Antennenzweige 1 und 2 definierte Antennenstruktur in einer relativen Lage zum Schaltungsträger 7 zu halten. Die Antennenzweige können symmetrisch (die Ebene des Schaltungsträgers liegt in Höhe der Mitte der Stegverbindung) oder unsymmetrisch zum Schaltungsträger angeordnet sein.
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Jeder der beiden in 1 gezeigten Antennenzweige kann als eine Dreiviertelwindung angesehen werden, wobei der Windungssinn des Antennenzweigs 1 nach der Stegverbindung 3 vom Antennenzweig 2 fortgeführt wird. Im Prinzip bildet somit jeder der beiden Antennenzweige 1 und 2 eine nicht geschlossene Leiterschleife aus. Der Antennenzweig 1 ist über dem Antennenzweig 2 angeordnet, so dass sich in der Draufsicht (Blickrichtung parallel zur z-Achse) aufgrund der nun in der Summe eineinhalbfachen Windung eine scheinbar geschlossene Schleifenstruktur ergibt. Selbstverständlich kann auch der Antennenzweig 1 auch unterhalb des Antennenzweigs 2 angeordnet sein. In diesem Fall erhält man einen umgekehrten Windungssinn.
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In der dargestellten Ausführungsform umgrenzt die ”geschlossene” Schleifenstruktur eine rechteckförmige Fläche. Sind die beiden Antennenzweige 1 und 2 wie in der 1 dargestellt (in z-Richtung) senkrecht übereinander angeordnet, so umgrenzen die von den beiden gebildeten Leiterschleifen einen quaderförmigen Hohlraum. Sind die beiden Antennenzweige 1 und 2 (in z-Richtung) dagegen schräg versetzt übereinander angeordnet, so hat dieser Hohlraum die Form eines schiefen Parallelepipeds.
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In der 2 sind die Stromverteilungen auf den Leiterstrukturen der aufgelösten und schematisierten Antennenvorrichtung von 1 und die hierüber erzeugten Felder veranschaulicht. Die erste Leiterstruktur der Antennenvorrichtung wird vom ersten Antennenzweig 1 ab dem Anschluss 4, die zweite Leiterstruktur vom zweiten Antennenzweig 2 ab dem Anschluss 5 gebildet. Gespeist wird die Antennenanordnung über die HF-Einspeisung 8, die über die Anschlüsse 4 und 5 an die als Antenne wirksame Leiterstruktur angeschlossen ist. Die HF-Einspeisung ist schaltungstechnisch parallel zur Stegverbindung 3 angeschlossen. In Verbindung mit den Abschnitten der jeweiligen Antennenzweige bis zu den Anschlüssen 4 und 5 wirkt die Stegverbindung 3 als an die HF-Einspeisung angepasste Impedanz. Die Anpassung an die Quellimpedanz (üblicherweise im Bereich von 50 bis 200 Ohm) erfolgt bei der vorgestellten Struktur somit unmittelbar über die Länge dieses Abschnitts bzw. die Länge der Speisezuleitungen.
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Die Stromrichtung auf den Leiterstrukturen ist durch Pfeilspitzen angedeutet. Die angegebene Stromrichtung ist nur für eine der beiden Halbwellen der leitungsgebundenen Welle gültig. Bei der anderen Halbwelle kehren sich die Stromrichtung und damit auch die Richtungen des erzeugten elektrischen und magnetischen Feldes um. Die physikalischen Verhältnisse sind jedoch für beide Halbwellen gleich.
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Die Einleitung des von der HF-Einspeisung 8 generierten Speisestroms IS in die von den Antennenzweigen 1 und 2 zusammen mit der Stegverbindung 3 gebildete Leiterstruktur erfolgt über die beiden Anschlüsse 4 und 5. Durch den Stromfluss nehmen die beiden Antennenzweige 1 und 2 eine zueinander entgegen gesetzte Polarität an. Der Antennenstrom I nimmt entlang der Leiterstruktur unterschiedliche Amplitudenwerte an. Da die Stegverbindung 3 die beiden Antennenzweige 1 und 2 zu einer fortgesetzten Windung zusammenschließt, verläuft der Antennenstrom I im oberen Antennenzweig 1 gleichsinnig parallel zum Antennenstrom im unteren Antennenzweig 2. Daher addieren sich die von den Stromflüssen in den beiden Antennenzweigen erzeugten Magnetfelder phasengleich, so dass der H-Feld-Verlauf im Inneren des von den Leiterschleifen umschlossenen Hohlraums in erster Näherung den in der 2 veranschaulichte Richtungsverlauf aufweist. Die unterschiedliche Polarität der beiden Antennenzweige 1 und 2 führt zur Ausbildung eines elektrischen Feldes E, dessen Feldlinien in der 2 angedeutet sind. Daher sind die beiden über den Antennenstrom I erzeugten Felder, d. h. das elektrische E-Feld und das magnetische H-Feld, im Bereich des von den Leiterschleifen 1 und 2 umschlossenen Hohlraums im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Diese parallele Ausrichtung der beiden Feldanteile ist auch im Fernfeld der Antennenanordnung gegeben, so dass die sich daraus ergebenden E-Vektoren senkrecht aufeinander stehen. Ihre Phasen unterscheiden sich somit um π/2.
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Im Ergebnis erzeugt die in der 1 dargestellte Antennenstruktur daher eine zirkular polarisierte Welle, die von einer beliebig im Raum orientierten linear polarisierten Antennenstruktur mit geringen Verlusten empfangen werden kann. Die Antennenvorrichtung 10 von 1 gewährleistet somit eine Polarisationsanpassung der Signalübertragung, da eine orthogonale Ausrichtung der Polarisationsrichtungen von Funkwelle und Empfangsantenne in der Regel ausgeschlossen ist.
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Im Gegensatz zu Dipolantennen, bei denen der Antennenstrom durch die HF-Einspeisung bzw. das Anpassungsnetzwerk fließt, die die beiden Antennenzweige seriell verbinden, ist die HF-Einspeisung in der in 1 vorgestellten Antennenanordnung parallel zum Mittelsegment der mit der Stegverbindung 3 verbundenen Antennenzweige 1 und 2 geschaltet. Dadurch kann der Antennenstrom I ungehindert in der Leiterstruktur fließen. Die von der Stegverbindung 3 und den beiden Antennenzweigen 1 und 2 gebildete Leiterstruktur entspricht einem Resonator, der über die angekoppelte HF-Einspeisung erregt wird. Aufgrund der Resonanzbedingungen kann der Antennenstrom I somit ein Vielfaches des Speisestroms IS betragen. Bei einer elektrischen Länge des Resonators (entspricht der Länge der Leiterstruktur) von λ/2 werden in der Praxis beispielsweise Antennenströme erzielt, die das Zehnfache des Speisestroms IS und mehr betragen können.
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Die in der 1 vorgestellte Antennenstruktur stellt eine Doppel-IFA (IFA = invertierte F-Antenne) mit gedrehter Symmetrie dar. Bei einer IFA 20 ist, wie in 3a veranschaulicht ist, über einer Massefläche 22 ein L-förmiges Strahlerelement 21 angeordnet. Das Strahlerelement ist mit seinem kur Zweig am Massekontakt 24 der Massefläche 22 angeschlossen. Der Speisestrozenm wird über einen am langen Ast des Strahlerelements 21 angeordneten Speisepunkt 23 eingekoppelt. Die HF-Einspeisung 8 ist zwischen dem Speisepunkt 23 und der Massefläche angeordnet. Werden zwei symmetrisch aufgebaute Strahler 21 und 21' wie in 3b dargestellt zu einer Doppel-IFA 20' miteinander verbunden, dann erfolgt das Einkoppeln des von der HF-Einspeisung 8 erzeugten Speisestroms über die beiden Speisepunkte 23 und 23'. Durch die Symmetrie wird die Massefläche 22 mit dem Massekontakt 24 durch eine virtuelle Massefläche mit einem virtuellen Massekontakt 24' ersetzt, wodurch die Handempfindlichkeit der Antenne 20' deutlich reduziert wird. Sind die L-förmigen Strahlerelemente 21 und 21'' um 180° gegeneinander verdreht angeordnet, so erhält man die in der 3c gezeigte Doppel-IFA 20'' mit gedrehter Symmetrie, die die Speisepunkte 23 und 23'' aufweist. Aus dieser Struktur ist die Antennenstruktur von 1 abgeleitet, wobei deren Strahlerelemente dann so ausgebildet sind, dass sich ein zum E-Feld paralleles H-Feld ergibt.
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Die Abstrahlungscharakteristik bzw. der Gesamtgewinn 11 der Antennenstruktur 10 von 1 ist in der 4 wiedergegeben. Es zeigt sich eine näherungsweise isotrope Verteilung des Gesamtgewinns, ähnlich der einer Schleifenantenne bzw. der eines verkürzten Dipols. Der Unterschied zwischen (den dunkler dargestellten) Maxima und (den heller dargestellten) Minima beträgt in großen Bereichen nur wenige dB.
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5 zeigt ein für die Antennenvorrichtung 10 von 1 berechnetes Diagramm in der x-y-Ebene 12, worin die Richtungsabhängigkeiten des Gewinns für die horizontale Polarisation (12a) und für die vertikale Polarisation (12b) dargestellt sind. Beide Kurven zeigen eine relativ homogene Verteilung. Die Amplituden der beiden orthogonalen Feldanteile sind dabei nahezu identisch, womit eine nahezu ideal zirkular polarisierte Abstrahlcharakteristik erreicht wird.
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Die Richtungsabhängigkeiten beider Wellenabstrahlungen in der x-z-Ebene sind in der 6 gezeigt. Das Diagramm 13a (horizontale Polarisation) zeigt wie das Diagramm 13b (vertikale Polarisation) eine deutliche kardioidische Ausprägung, wobei die maximale Strahlungsleistung in einen Winkel von etwa neunzig Grad rotationssymmetrisch um die z-Achse abgegeben wird.
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In der 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Antennenvorrichtung 30 zum Erzeugen eines zirkular polarisierten Fernfeldes dargestellt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform 10 von 1 ist jeder der beiden Antennenzweige 31 und 32 nicht nur als Dreiviertelwindung, sondern als nahezu, aber nicht ganz vollständige Windung ausgeführt. Die Einspeisung der HF-Signale erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel über die Anschlüsse 34 und 35, wobei einer der beiden Anschlüsse mit der Masse 36 einer elektronischen Schaltung verbunden sein kann. Die Ausführung der Antennenzweige 31 und 32 mit einem weiteren Segment bzw. einer weiteren Faltung am freien Ende ermöglicht, da sich die Gesamtlänge der von den beiden Antennenzweigen 31 und 32 zusammen mit dem Stegverbinder 33 gebildeten Leiterstruktur gegenüber der des ersten Ausführungsbeispiels nicht ändert, eine kompaktere, d. h. schmälere Ausführung der Antennenanordnung 30.
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Eine weitere Ausführungsform mit gegenüber 1 abgewandelter Form der Antennenzweige ist in der 8 veranschaulicht. Im Gegensatz zu den Antennenzweigen 1 und 2 sind die freien Enden 41b und 42b der Antennenzweige 41 bzw. 42 so zurückgeführt, so dass der letzte Leiterabschnitt 41b bzw. 42b eines Antennenzweigs parallel und nahe zum vorhergehenden Leiterabschnitt 41a bzw. 42a angeordnet ist. Hierdurch können die Enden der Antennenpfade, die sehr empfindlich auf kapazitive Effekte reagieren, weiter von störenden Gehäuseteilen oder der Hand des Benutzers platziert werden. Da die Stromstärken auf den Antennenzweigen in der Weise ungleich verteilt sind, dass sie in der Mitte der Antennenzweige die größten Amplituden aufweisen, an deren Enden jedoch praktisch Null sind, trägt der Bereich um das freie Ende eines Antennenzweigs nur wenig zur Ausbildung des H-Feldes bei. Die dargestellte Rückführung der Enden der Antennenzweige ermöglicht daher eine der jeweils geforderten Resonanz entsprechende Länge der Antennenzweige auf verkleinertem Raum, ohne dabei die Abstrahlcharakteristik und -leistung der Antennenanordnung zu stark negativ zu beeinflussen. Ferner kann der 8 entnommen werden, dass die vertikale Beabstandung der beiden Antennenzweige 41 und 42 nur in den Bereichen erforderlich ist, in denen diese zum Erzeugen des E-Feldes übereinander angeordnet werden müssen, d. h. in den Bereichen mit den größten Potentialunterschieden. Der Bereich nahe der Stegverbindung befindet sich zusammen mit den Anschlüssen 44 und 45 in einer Ebene.
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9 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform 50 einer als Doppel-IFA ausgebildeten Antennenanordnung zum Erzeugen einer zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen 10, 30 und 40 sind die beiden Antennenzweige 51 und 52 hierbei ringförmig ausgestaltet. Die beiden Antennenzweige 41 und 42 umgrenzen so einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum. Beide schließen an die Stegverbindung 53 an, die zusammen mit den Anschlüssen 54 und 55 in der Ebene eines beispielsweise als Platine ausgeführten Schaltungsträgers 57 angeordnet ist. Einer der Anschlüsse ist vorzugsweise mit der auf der Platine ausgebildeten masse 56 verbunden. Die beiden Antennenzweige 51 und 52 weisen eine helixförmige Struktur auf, wobei der Windungssinn vom Anschluss an den Stegverbinder zum freien Ende der Antennenzweige gegensinnig zueinander verläuft. Aufgrund der schraubenlinienförmigen Ausgestaltung ist der Abstand zwischen den beiden Antennenzweigen 51 und 52 konstant. Die Konturen 58 veranschaulichen eine Gehäusegeometrie zur Unterbringung der Antennenanordnung 50 und der zugehörigen Beschaltung auf der Platine 57.
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In 10 ist eine weitere Ausführungsform einer als Resonanzstruktur ausgebildeten Doppel-IFA Antennenanordnung 60 dargestellt, die veranschaulicht, dass die Windungs- bzw. Schleifengeometrie der Antennenzweige 61 und 62 in weitem Umfang an eine vorgegebene Gehäuseform angepasst werden können. Die kleinen stufen- bzw. treppenförmigen Faltungen wie auch die einen halbrohrförmigen Hohlraum umschließende Ausgestaltung der beiden Antennenzweige 61 und 62 dienen der Anpassung an ein Gehäuse mit konisch abgerundeter Formgebung. Neben den beiden Anschlüssen 64 und 65 an der Stegverbindung 63 weist die Struktur noch Befestigungsklammern 66 auf, die nicht zur elektrischen Kontaktierung sondern lediglich der mechanischen Befestigung der Leiterstruktur auf einem Schaltungsträger dienen.
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Auch wenn die Erfindung bisher unter Bezugnahme auf bestimmte Formen der Antennenzweige beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann doch selbstverständlich, dass auch davon abweichende Formen der Antennenzweige mit demselben oder einem ähnlichen Ergebnis verwendet werden können. Insbesondere ist die in den Ausführungsbeispielen von 1, 7, 8, 9 und 10 dargestellte Anordnung der Antennenstruktur, bei der das erzeugte E- und H-Feld senkrecht zu den Hauptflächen des Schaltungsträgers 7 ausgerichtet ist, nicht erforderlich. Zur Anpassung an bestimmte Gehäusevorgaben kann die Antennenanordnung in einer beliebigen Orientierung zum Schaltungsträger 7 angeordnet sein. In gleicher Weise kann auch die Anordnung der Speisegeometrie anders als in den oben ausgeführten Ausführungsbeispielen angeordnet sein. Beispielsweise erleichtern mit um einen bestimmten Winkel gedrehte Speisegeometrien die Anpassung an unterschiedliche Aufbaukonzepte.
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In den oben angegebenen Beispielen betrug die Schleifenlänge eines Antennenzweigs weniger als eine vollständige Windung. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Antennenzweig auch die Form einer Leiterschleife mit mehreren Windungen umfassen. Die möglichen Formen der Querschnittsgeometrien der Windungen sind nur dadurch begrenzt, dass über den Stromfluss durch die beiden Antennenzweige ein zum E-Feld im Wesentlichen paralleles H-Feld erzeugt wird. Dabei muss keine hundertprozentig zirkulare Polarisation erzielt werden, da die Antennenstruktur auch dann noch zufriedenstellend funktioniert, wenn sich die Feldstärken der beiden Polarisationsanteile um wenige dB voneinander unterscheiden. Werden Antennenzweige mit mehreren Windungen verwendet, so können diese zur Ausbildung des Resonatorsystems sowohl nebeneinander angeordnet, als auch ähnlich einer Doppelhelix ineinander verschränkt sein.
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Ferner muss der Abstand zwischen den Antennenzweigen nicht konstant sein. Stattdessen kann, um beispielsweise die Antennenstruktur an den verfügbaren Raum anzupassen, das Abstandsprofil einen nahezu beliebigen Verlauf aufweisen. Ebenso müssen die beiden Antennenzweige nicht zwingend symmetrisch ausgeführt sein. Vielmehr kann die Struktur bei geeigneter Dimensionierung auch von der Symmetrie abweichen, wobei eine der symmetrischen Anordnung ähnliche Abstrahlcharakteristik erreicht werden kann.
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Die Einkopplung der HF-Leistung erfolgt bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen mittels metallischer Anschlüsse. Alternativ kann die HF-Einspeisung jedoch auch über HF-Koppler erfolgen, die ähnlich einem Richtkoppler keinen galvanischen Kontakt zur Antennenstruktur haben müssen. Selbstverständlich ist die Verbindung der beiden Antennenzweige auch in diesem Fall so auszuführen, dass sie bei der verwendeten Hochfrequenz niederohmig ist.
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Die Befestigung und Stabilisierung der Antennenanordnung kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen. Beispielsweise können an den Antennenzweigen selbst und/oder am Verbindungssteg Stütz- bzw. Befestigungselemente vorgesehen sein, die so ausgeführt bzw. angeordnet sind, dass sie bei Verwendung der Antenne nahezu stromlos sind, und somit praktisch keinen negativen Einfluss auf die Stromverteilung der strahlenden Struktur ausüben. Zum Beispiel kann die Montierbarkeit der Antenne an einem Schaltungsträger oder innerhalb eines Gehäuses verbessert werden, wenn die Enden der Antennenzweige zur Ausbildung einer Stütze in die Gegenrichtung zurückgeführt werden. Eine andere Möglichkeit zur Vereinfachung der Montage und zur Stabilisierung der Antennenstruktur bietet das Aufbringen der Antennenstruktur auf einem Träger, z. B. auf einem als Stützstruktur ausgebildeten Kunststoffträger. Die Antenne kann dabei unter anderem als elektrisch leitfähige Beschichtung aufgedruckt, mittels metallisierter Folien aufgebracht, oder durch Strukturieren einer PCB-Metallisierung realisiert werden.
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Eine erfindungsgemäße Antennenanordnung kann auch als Stanzbiegeteil oder als Kombination mehrerer unterschiedlicher Bauelemente, beispielsweise einer mit Drahtelementen oder Gehäuseteilen fortgeführten gedruckten Struktur oder dergleichen, realisiert werden.
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Wesentlich ist, dass die Geometrie der Antennenstruktur dazu geeignet ist, ein zum E-Feld im Wesentlichen paralleles H-Feld zu erzeugen, und die beiden Antennenzweige bei der Einsatzfrequenz so niederohmig miteinander verbunden sind, dass ein von außen erregtes Resonatorsystem gebildet wird. Die beschriebenen Antennenanordnungen eignen sich hervorragend zur Verwendung in mobilen Funkstationen von z. B. Fahrzeugzugangssystemen mit bidirektionaler Kommunikationsschnittstelle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Antennenzweig gemäß erster Ausführungsform
- 2
- zweiter Antennenzweig gemäß erster Ausführungsform
- 3
- Stegverbindung gemäß erster Ausführungsform
- 4
- Anschluss an ersten Antennenzweig gemäß erster Ausführungsform
- 5
- Anschluss an zweiten Antennenzweig gemäß erster Ausführungsform
- 6
- Massefläche
- 7
- Schaltungsträger/Platine
- 8
- HF-Einspeisung
- 10
- Antennenvorrichtung gemäß erster Ausführungsform
- 11
- Abstrahlungscharakteristik der Antennenanordnung gemäß erster Ausführungsform
- 12
- Horizontaldiagramm der Antennenanordnung gemäß erster Ausführungsform
- 12a
- Horizontaldiagramm der H-Feld angeregten Welle
- 12b
- Horizontaldiagramm der E-Feld angeregten Welle
- 13
- Vertikaldiagramm der Antennenanordnung gemäß erster Ausführungsform
- 13a
- Vertikaldiagramm der H-Feld angeregten Welle
- 13b
- Vertikaldiagramm der E-Feld angeregten Welle
- 20
- IFA
- 20'
- Doppel-IFA
- 20''
- Doppel-IFA mit gedrehter Symmetrie
- 21
- L-förmiges Strahlerelement
- 21'
- L-förmiges Strahlerelement
- 21''
- L-förmiges Strahlerelement
- 23
- Speisepunkt
- 23'
- zweiter Speisepunkt bei symmetrischer Doppel-IFA
- 23''
- zweiter Speisepunkt bei Doppel-IFA mit gedrehter Symmetrie
- 24
- Massekontakt
- 24'
- virtueller Massekontakt
- 30
- Antennenvorrichtung gemäß zweiter Ausführungsform
- 31
- erster Antennenzweig gemäß zweiter Ausführungsform
- 32
- zweiter Antennenzweig gemäß zweiter Ausführungsform
- 33
- Stegverbindung gemäß zweiter Ausführungsform
- 34
- Anschluss an ersten Antennenzweig gemäß zweiter Ausführungsform
- 35
- Anschluss an zweiten Antennenzweig gemäß zweiter Ausführungsform
- 36
- Massefläche der zweiten Ausführungsform
- 40
- Antennenvorrichtung gemäß dritter Ausführungsform
- 41
- erster Antennenzweig gemäß dritter Ausführungsform
- 41b
- rückgeführtes freies Ende des ersten Antennenzweigs gemäß dritter Ausführungsform
- 42
- zweiter Antennenzweig gemäß dritter Ausführungsform
- 42b
- rückgeführtes freies Ende des zweiten Antennenzweigs gemäß dritter Ausführungsform
- 43
- Stegverbindung gemäß dritter Ausführungsform
- 44
- Anschluss an ersten Antennenzweig gemäß dritter Ausführungsform
- 45
- Anschluss an zweiten Antennenzweig gemäß dritter Ausführungsform
- 46
- Massefläche der dritten Ausführungsform
- 50
- Antennenvorrichtung gemäß vierter Ausführungsform
- 51
- erster Antennenzweig gemäß vierter Ausführungsform
- 52
- zweiter Antennenzweig gemäß vierter Ausführungsform
- 53
- Stegverbindung gemäß vierter Ausführungsform
- 54
- Anschluss an ersten Antennenzweig gemäß vierter Ausführungsform
- 55
- Anschluss an zweiten Antennenzweig gemäß vierter Ausführungsform
- 56
- Massefläche der vierten Ausführungsform
- 57
- Schaltplatine der vierten Ausführungsform
- 58
- Gehäuse für vierte Ausführungsform
- 60
- Antennenvorrichtung gemäß fünfter Ausführungsform
- 61
- erster Antennenzweig gemäß fünfter Ausführungsform
- 62
- zweiter Antennenzweig gemäß fünfter Ausführungsform
- 63
- Stegverbindung gemäß fünfter Ausführungsform
- 64
- Anschluss an ersten Antennenzweig gemäß fünfter Ausführungsform
- 65
- Anschluss an zweiten Antennenzweig gemäß fünfter Ausführungsform
- 66
- Befestigungsmittel für Antennenanordnung gemäß fünfter Ausführungsform
