-
Die Erfindung betrifft eine vertikale Breitband-Monopolantenne für zwei durch eine Frequenzlücke getrennte Frequenzbänder – das Unterband für die niedrigeren Frequenzen und das Oberband für die höheren Frequenzen – beide im Dezimeterwellenbereich gelegen – für Fahrzeuge und für Senden und/oder Empfang mit terrestrisch ausgestrahlten vertikal polarisierten Funksignalen über einer im Wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche 6 als Fahrzeugmasse mit einer im Monopol-Fußpunkt befindlichen Antennenanschlussstelle 3, bestehend aus dem Antennenanschlusspunkt 5 und dem Masse-Anschluss 7.
-
Breitbandantennen mit diesen Merkmalen sind zum Beispiel bekannt aus der japanischen Offenlegungsschrift mit der Nummer
JP 10-242740 . Diese Antennen sind als mehrfach resonante Stabantennen gestaltet, wobei die Abdeckung mehrerer in der Frequenz durch Frequenzlücken voneinander getrennter Frequenzbänder anhand von mehrfachen, auf den länglichen Stab aufgebrachten Drahtwicklungen erfolgt, welche sich teilweise überdecken. Solche Antennen werden für Senden und Empfang im Dezimeterwellenbereich auf Fahrzeugen, vorzugsweise jeweils auf dem Fahrzeugdach eingesetzt. Antennen dieser Art besitzen zum einen den Nachteil, dass sie nur für relativ schmalbandige voneinander durch Frequenzlücken getrennte Frequenzbänder vorgesehen sind und für breite Frequenzbänder nur sehr bedingt infrage kommen. Insbesondere für den Einsatz auf Fahrzeugen sind die Bauhöhe, ihre aerodynamische Form und ihr Windwiderstandswert von Bedeutung. Die besondere Bedeutung kommt jedoch aufgrund der im Fahrzeugbau üblichen großen Stückzahlen der Wirtschaftlichkeit der Herstellung einer derartigen Antenne zu. Hierbei zeigt sich, dass die Aufbringung verschiedener Drahtwicklungen mechanisch sehr eng toleriert sein muss, damit die erforderliche Frequenzgenauigkeit erreicht wird. Weiterhin sind die Aufbringung der Wicklungen auf den Stab, ihre Befestigung und die Herstellung ihrer Langzeitbeständigkeit und die Reproduzierbarkeit der Leistungsfähigkeit der Antenne vergleichsweise kompliziert und wirtschaftlich aufwändig.
-
Die Vielzahl moderner Mobilfunknetze, wie sie zum Beispiel nach dem Mobilfunkstandard LTE (Long Term Evolution gestaltet oder noch in Entwicklung sind, erfordert Antennen mit extremer Bandbreite. Für den LTE-Mobilfunk Standard sind zum Beispiel ein Frequenzbereich zwischen 698 und 960 MHz vorgesehen – im Folgenden mit Unterband bezeichnet – und oberhalb einer Frequenzlücke der hier im Folgenden mit Oberband bezeichnete Frequenzbereich zwischen 1460 MHz und 2700 MHz vorgesehen, wie in 1 dargestellt. Häufig wird zusätzlich ein Mittelband im Frequenzbereich zwischen 1460 MHz und 1700 MHz vorgesehen, welches dem Oberband zuzuordnen ist. Bezüglich der Antennenfunktion wird die Frequenzlücke zwischen Unterband und Oberband zum Schutz gegen die dort angesiedelten Funkdienste gewünscht. Für diese Anwendung werden Antennen benötigt, welche neben der elektrischen Funktion für Fahrzeuge geeignet sind, wobei der Wirtschaftlichkeit der Herstellung eine besondere Bedeutung zukommt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Antenne für zwei durch eine Frequenzlücke getrennte Frequenzbänder anzugeben, welche bei geringer Bauhöhe und günstigen aerodynamischen Eigenschaften die nötige mechanische Stabilität aufweist und die vor allem in einem einfachen Herstellungsprozess wirtschaftlich wenig aufwändig hergestellt werden können.
-
Gemäß der Erfindung umfasst die Antenne eine vertikale Breitband-Monopolantenne für zwei durch eine Frequenzlücke getrennte Frequenzbänder – das Unterband für die niedrigeren Frequenzen und das Oberband für die höheren Frequenzen – beide im Dezimeterwellenbereich gelegen, für Fahrzeuge und für Senden und/oder Empfang mit terrestrisch ausgestrahlten vertikal polarisierten Funksignalen über einer im Wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche 6 als Fahrzeugmasse mit einer im Monopol-Fußpunkt befindlichen Antennenanschlussstelle 3, bestehend aus dem Antennenanschlusspunkt 5 und dem Masse-Anschlusspunkt 7 und besitzt die folgenden Merkmale
- – Die Breitband-Monopolantenne 0 ist aus einem Oberband-Monopol 1 und einem Unterband-Monopol kombiniert gebildet und ist aus einer mechanisch steifen elektrisch leitenden Folie 33 als zusammenhängende, elektrisch leitende flächige Struktur über einer leitenden Grundfläche 6 im Wesentlichen in einer senkrecht zu dieser orientierten Ebene verlaufend gestaltet.
- – Am unteren Ende der Breitband-Monopolantenne 0 ist eine auf der Spitze stehende flächige Dreieckstruktur 4 als Oberband-Monopol 1 mit im Wesentlichen horizontal orientierter Grundlinie in der Oberband-Mnopolhöhe 8 über der leitenden Grundfläche 6 vorhanden, deren Spitze mit dem Antennenanschlusspunkt 5 verbunden ist.
- – Angrenzend an das in der Antennenhöhe 9 über der leitenden Grundfläche 6 befindliche obere Ende der Breitband-Monopolantenne 0 ist darunter eine im Wesentlichen als flächige Rechteckstruktur 16 ausgeführte Dachkapazität 10 gestaltet.
- – Die flächige Dreieckstruktur 4 und die flächige Rechteckstruktur 16 als Dachkapazität 10 sind durch mindestens einen Leiterstreifen 15 mit schmaler Streifenleiterbreite 14 zur Abtrennung von Funksignalen im Oberband induktiv hochohmig verbunden, wodurch der Unterband-Monopol 2 gebildet ist.
-
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1: Frequenzbereiche nach dem LTE-Mobilfunk Standard als Beispiel für zwei durch eine Frequenzlücke getrennte Frequenzbänder im Dezimeterwellenbereich mit einem Frequenzbereich zwischen 698 und 960 MHz als Unterband und einem Frequenzbereich zwischen 1460 MHz und 2700 MHz als Oberband oberhalb einer Frequenzlücke
-
2: Zweidimensionale Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung über der elektrisch leitenden Grundfläche 6 und der im Fußpunkt gebildeten Antennenanschlussstelle 3 mit auf der Spitze stehender flächiger Dreieckstruktur 4 als Oberband-Monopol 1 und der Dachkapazität 10, welche über zwei Leiterstreifen 15 mit mäanderförmiger Ausprägung 24 mit der Dreiecksstruktur 4 zur Bildung des Unterband-Monopols 2 verbunden sind. Die Struktur der Breitband-Monopolantenne 0 kann ganzheitlich beispielhaft aus Blech gestanzt oder geschnitten werden.
-
3: Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung wie in 2, kombiniert mit einer konzentrisch zur Spitze der flächigen Dreieckstruktur 4 konzentrisch gestalteten, ringförmigen Satellitenempfangsantenne 25. Zur weiteren Erhöhung der induktiven Wirkung der Leiterstreifen 15 sind beispielhaft weitere mäanderförmige Ausprägungen 24 ausgebildet.
-
4: Beispiel einer aus leitender Folie oder Blech durch Stanzen oder Schneiden herstellbaren Struktur mit dem Frequenzverhalten eines elektrischen Parallelschwingkreises 29 im Leiterstreifen 15 zur Gestaltung der frequenzselektiven Trennung des Unterband-Monopols 2 vom Oberband-Monopol 1. Der Parallelschwingkreis 29 ist durch Interdigitalstruktur 26 als Parallelkapazität 27 und die Leiterschleife als Parallelinduktivität 28 gebildet.
-
5: Zweidimensionale Breitband-Monopolantenne 0 wie in den 2 und 3, wobei die flächige Dreieckstruktur 4 des Oberband-Monopols 1 durch in der Dreiecksebene fächerartig angeordnete und an der unteren Dreiecksspitze zusammen laufende streifenförmige Lamellen 20 gestaltet ist. Die ausschließlich über die Dreiecksspitze miteinander leitend verbundenen Lamellen 20 bewirken die elektromagnetische Entkopplung des Oberband-Monopols 1 von der ringförmigen Satellitenempfangsantenne 25.
-
6:
- a) Schwankung des Antennengewinns über dem Azimutwinkel Phi der Satellitenempfangsantenne 25 in dBi bei Vorhandensein der flächigen Dreiecksstruktur 4 als geschlossene elektrisch leitende Fläche
- b) wie in a) jedoch mit durch fächerartig verlaufende, streifenförmige Lamellen 20 gestaltete Dreieckstruktur 4.
-
Die azimutalen Schwankungen sind jeweils für die Zenitwinkel Theta (Winkel gegen die vertikale, d. h. z-Achse) 20°, 45° und 60° dargestellt.
-
7: Monopolantenne wie in 4 mit ringförmiger Satellitenempfangsantenne 25 wobei jedoch zur Verbesserung der elektromagnetischen Entkopplung zwischen dieser und dem Unterband-Monopol 2 die die Dachkapazität 10 bildende flächige Rechteckstruktur 16 durch vertikal voneinander getrennt verlaufende, jedoch an ihrem oberen Ende über einen verbleibenden Streifen 31 zusammenhängende streifenförmige Dachlamellen 19 gebildet ist.
-
8: Monopolantenne wie in 7, jedoch mit nur einem Leiterstreifen 15 mit größerer Blechstärke zu Gunsten besonderer mechanischer Steifigkeit und zur Erreichung der notwendigen eigenen Induktivität des Leiterstreifens 15 mit entsprechen mehreren mäanderförmigen Ausprägungen 24.
-
9: Monopolantenne wie in 7, jedoch mit einem anstelle der flächigen Dreieckstruktur kegelförmig und auf der Spitze stehend ausgebildeten Oberband-Monopol 1 zur Vergrößerung der Bandbreite im Oberband. Der elektrisch leitende Kegelmantel ist punktiert angedeutet.
-
10: Oberband-Monopol 1 wie in den 5, 7 und 8, wobei jedoch die in der unteren Dreiecksspitze fächerartig zusammen laufenden streifenförmigen Lamellen 20 des Oberband-Monopols 1 in der Weise aus der Ebene der flächigen Dreiecksstruktur 4 ausgewinkelt sind, dass sie etwa wie die Mantellinien eines gemäß 8 auf der Spitze stehenden Kegels mit kreisrundem bzw. elliptischem Querschnitt verlaufen.
-
11: Draufsicht auf eine Antenne nach der Erfindung gemäß der in 10 angedeuteten Schnittlinie A-A' zur Klarstellung des Verlaufs der fächerartig verlaufenden streifenförmigen Lamellen 20. Die ringförmigen Satellitenempfangsantenne 25a und 25b sind durch unterbrochene Linien angedeutet.
-
12: Maximalwert der azimutal in Schwankung des Antennengewinns in dBi bei geschlossenem elektrisch leitendem Kegelmantel und bei einem aus streifenförmigen Lamellen 20 gebildetem Kegelmantel in Abhängigkeit vom Zenitwinkel (Winkel gegen die z-Achse).
-
13: Einbausituation einer Breitband-Monopolantenne unter einer Abdeckhaube 32 mit Blick auf die Antenne quer zur Fahrtrichtung (y-Richtung) zusammen mit einer ringförmigen Satellitenempfangsantenne 25 die schwarz unterlegten und mit a) gekennzeichneten Leiterteile, das sind die Leiterstreifen 15a, die Dachlamellen 19a sowie die streifenförmigen Lamellen 20a sind aus der y-z-Ebene der flächigen Dreiecksstruktur 4 in Richtung der x-Achse ausgewinkelt und entsprechend die Leiterstreifen 15b, die Dachlamellen 19b sowie die streifenförmigen Lamellen 20b sind in Richtung der negativen x-Achse ausgewinkelt, so dass eine räumliche Antennenstruktur gebildet ist.
-
14: Einbausituation gemäß 13 jedoch mit Blick auf die Anordnung in Fahrtrichtung.
-
15: Einbausituation von zwei Breitband-Monopolantennen 0 und 0a gemäß 14 in Fahrtrichtung hintereinander unter einer gemeinsamen Abdeckhaube 32 bestehend aus Oberband-Monopol 1 bzw. 1a und Untererband-Monopol 2 bzw. 2a mit jeweils einer ringförmigen Satellitenempfangsantenne 25a bzw. 25b am Fußpunkt der Breitband-Monopolantenne 0 bzw. 0a.
-
16: Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung wie in 2, wobei die elektrisch leitende Folie 33 durch die metallische Beschichtung einer Leiterplatte gegeben ist und die Leiterplatte mit ihrer Beschichtung ungefähr gemäß den Umrissen der Breitband-Monopolantenne 0, dargestellt durch die Schnittlinien der dielektrischen Platte 34, gestaltet ist.
-
Ein besonderer Vorteil einer Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung ist die Eigenschaft, dass die an der Antennenanschlussstelle 3 messbare Impedanz breitbandig in die Nähe der für Antennensysteme für Fahrzeuge vorgeschriebene genormte Impedanz von Z0 = 50 Ohm weitgehend problemfrei gestaltet werden kann. Daraus ergibt sich weiterhin der wirtschaftliche Vorteil, dass ein Anpassnetzwerk zwischen der Antennenanschlussstelle 3 im Fußpunkt der Breitband-Monopolantenne und der weiterführenden Schaltung zumeist entfallen oder zumindest besonders aufwandsarm gestaltet werden kann. Im Folgenden wird beispielhaft eine Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung für die beiden durch eine Frequenzlücke getrennten Frequenzbereiche gemäß dem in 2 dargestellten Unterband und dem Oberband erläutert. Die Breitband-Monopolantenne in ihrer flächig gestalteten Grundausführung in 2 ist im Wesentlichen aus einem Unterband-Monopol 2 zur Abdeckung des Unterbandes mit einer dafür erforderlichen Antennenhöhe 9 in Kombination mit einem Oberband-Monopol 1 mit der Oberband-Monopolhöhe 8 mit einer gemeinsamen Antennenanschlussstelle 3 gebildet. Zur Vermeidung einer zu großen wirksamen Antennenhöhe 9 im Frequenzbereich des Oberbandes ist der Unterband-Monopol 2 aus im Frequenzbereich des Oberbandes induktiv hochohmigen Leiterstreifen 15 mit schmaler Streifenleiterbreite 14 in Verbindung mit einer Dachkapazität 10 gestaltet. Letztere ist im Wesentlichen als flächige Rechteckstruktur 14 ausgeführt mit im Vergleich zur Vertikalausdehnung 22 großen Horizontalausdehnung 23 gestaltet.
-
Um die Forderung nach einer möglichst einfachen und wirtschaftlichen Herstellungsweise zu erfüllen, ist die Monopolantenne nach der Erfindung aus einer elektrisch leitenden Folie 33 als zusammenhängende, elektrisch leitende flächige Struktur im Wesentlichen senkrecht zur leitenden Grundfläche 6 ausgedehnten Ebene verlaufend gestaltet. Hierbei zeigt es sich als besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, metallisch leitendes Blech als leitende Folie 33 zu verwenden, woraus sich für die gesamte Breitband-Monopolantenne 0 eine mechanisch selbsttragende Struktur herstellen lässt. Diese Struktur kann beispielhaft durch einen Standvorgang oder durch einen gesteuerten Schneidevorgang, zum Beispiel durch gesteuertes Laserschneiden hergestellt werden. Hierbei wird sich bei besonders großen Stückzahlen die Herstellung eines Stanzwerkzeugs als wirtschaftlich vorteilhaft erweisen, weil die Monopolantenne durch automatisierte Stanzvorgänge extrem kostengünstig vervielfältigt werden kann. Andererseits kann bei kleineren Stückzahlen das vom Computer gesteuerte Laserschneiden sich als wirtschaftlicher zeigen. Die Herstellung der Breitband-Monopolantenne 0 aus Blech bietet den besonderen Vorteil der metallischen Steifigkeit, welche für die Verwendung als Fahrzeugantenne von besonderer Bedeutung ist. Als besonderer Vorteil dieser flächig gestalteten Struktur ist ihr vernachlässigbarer Windwiderstand, wenn sie in vorteilhafter Weise in einer Ebene verlaufend gestaltet ist, deren Normale senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs orientiert ist. Weiterhin kann die elektrisch leitende Folie 33 in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung durch die metallische Beschichtung einer dielektrischen Platte, also einer Leiterplatte, gewählt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass ein aus wirtschaftlichen Gründen in Betracht kommendes Material für die Leiterplatte im Dezimeterwellenbereich verlustbehaftet ist, so dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, die Struktur der Breitband-Monopolantenne 0 auf die Leiterplatte auf an sich bekannte Weise zu drucken, diese jedoch etwa gemäß den Umrissen der Breitband-Monopolantenne 0 mit geringfügigem Überstand zu beschneiden, um den Verlauf elektrische Feldlinien in der verlustbehafteten dielektrischen Platte möglichst klein zu halten. Die Beschneidung der dielektrischen Platte längs der strich-punktierten Schnittlinien 34 ist in 16 dargestellt. Diese Form der Darstellung ist insbesondere bei komplizierter geometrischer Struktur der Breitband-Monopolantenne 0 vorteilhaft, weil die Schnittlinien 34 weniger fein der geometrischen Struktur folgend gestaltet werden können und deshalb ein weniger aufwändiges Stanzwerkzeug bedingen.
-
Bei einer Breitband-Monopolantenne 0 dieser Art wird zum Beispiel für die Anpassung von Antennensystemen an die für Fahrzeuge vorgeschriebene genormte Impedanz von Z0 = 50 Ohm im oben bezeichneten Unterband das VSWR (voltage standing wave ratio) < 3 gefordert. Dieser Wert kann bei einer Antenne nach der Erfindung in ihrer vollständigen Ausführung an der Antennenanschlussstelle 3 bereits mit einer Antennenhöhe 9 von 6 cm grundsätzlich erreicht werden. Die Eigenschaften des Unterband-Monopols 2 sind im Wesentlichen bestimmt durch seine Antennenhöhe 9 und durch die Größe der flächigen Dachkapazität 10, deren Horizontalausdehnung 23 mit ca. 6 cm wesentlich größer, das heißt etwa mindestens dreimal größer gestaltet ist als die Vertikalausdehnung 22. Eine wesentlich größere Vertikalausdehnung 22 vergrößert zwar den Kapazitätswert der Dachkapazität 10, mindert jedoch die wirksame Höhe des Unterband-Monopols 2, welche im Gegensatz zum Kapazitätswert quadratisch in die Bildung der Frequenzbandbreite des Unterband-Monopols 2 eingeht.
-
Die Bildung des Oberband-Monopols 1 ist im Wesentlichen durch die flächige Dreieckstruktur 4 gegeben, sofern die induktive Wirkung der Leiterstreifen 15 mit schmaler Streifenleiterbreite 14 zur Abtrennung von Funksignalen im Oberband von der Dachkapazität 10 hinreichend groß ist. Zur Erhöhung dieser abtrennenden Wirkung ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Leiterstreifen 15 mit mäanderförmigen Ausprägungen 24 zu versehen. Naturgemäß ist die funktionelle Unterteilung der Breitband-Monopolantenne 0 in den Unterband-Monopol 2 und den Oberband-Monopol 1 nicht streng zu sehen. Vielmehr ist der Übergang zwischen den Wirkungen fließend und die Unterteilung als Beschreibung für die hauptsächlichen Wirkungen in den beiden Frequenzbereichen zu verstehen. Die Wirkungsweise des über der leitenden Grundfläche 6 befindlichen Oberband-Monopols 1 ist im Wesentlichen durch die Gestaltung der flächigen Dreieckstruktur 4 gegeben. Im Interesse eines besonders breitbandigen Verhaltens ist erfindungsgemäß eine auf der Spitze stehende flächige Dreieckstruktur 4 mit Dreieck-Öffnungswinkel 12 vorgesehen, deren Spitze mit dem Antennenanschlusspunkt 5 verbunden ist. Durch diesen ist zusammen mit dem Masse-Anschlusspunkt 7 auf der leitenden Grundfläche 6 die Antennenanschlussstelle 3 für die Breitband-Monopolantenne 0 gebildet. Die Höhe der Grundlinie der flächigen Dreieckstruktur 4 über der leitenden Grundfläche 6 bildet im Wesentlichen die wirksame Oberband-Monopol-Höhe 8, durch welche das Frequenzverhalten der Oberband-Monopols 1 wesentlich bestimmt ist. Aus Gründen des vertikalen Strahlungsdiagramms für die Kommunikation mit terrestrischen Sende- und Empfangsstellen sollte die Oberband-Monopolhöhe 8 bei der oberen Frequenzgrenze des Oberbands nicht größer sein als etwa 1/3 der Freiraumwellenlänge bei dieser Frequenz. Als Dreieck-Öffnungswinkel 12 haben sich Werte zwischen 30 und 90 Grad als günstig erwiesen. Die dadurch entstandene breitbandig wirkende Dreieckstruktur ermöglicht es zum Beispiel die häufig gestellte Forderung für die Impedanzanpassung im Fußpunkt den Wert von VSWR < 2,5 im Frequenzbereich des Oberbandes einzuhalten.
-
Entsprechend der Aufgabenstellung im Hinblick auf die geforderte mechanische Stabilität zur Halterung der Dachkapazität 10 durch schmale Leiterstreifen 15 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, diese mechanisch hinreichend steif auszuführen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einer aus gestanztem oder geschnittenem Blech als leitende Folie 33 ausgeführten Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung ist eine Rahmenstruktur 11 zur Erreichung einer besonderen Steifigkeit gestaltet. Dabei ist die Rahmenstruktur 11, wie in den 2 und 3 dargestellt, aus zwei in hinreichendem Abstand 13 voneinander geführten schmalen Leiterstreifen 15, der Grundlinie der flächigen Dreieckstruktur 4 und der flächigen Rechteckstruktur 16 der Dachkapazität 10 gebildet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die elektrisch leitende Folie 33 aus einem Material besonderer Steifigkeit. Bei Verwendung solcher Materialien kann die Breitband-Monopolantenne 0 mit nur einem Leiterstreifen 15, wie in 8 dargestellt, gestaltet werden. Im Interesse der mechanischen Stabilität ist für diesen jedoch dann eine größere Streifenleiterbreite 14 vorzusehen. Zur Gestaltung einer hinreichend großen induktiven Wirkung des Leiterstreifens 15 erweisen sich in der Regel mehrere mäanderförmige Ausprägung 24 als notwendig.
-
Zur Feinabstimmung des Zusammenwirkens zwischen dem Unterband-Monopol 2 und dem Oberband-Monopol 1 ist es in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen, ein Schaltelement mit der Wirkungsweise eines Parallelschwingkreises 28 in die Leiterstreifen 15 einzubringen. Dieser Parallelschwingkreis dient zur Unterstützung der frequenzselektiven Trennung des Unterband-Monopols 2 von Signalen im Oberband. Erfindungsgemäß besteht der Parallelschwingkreis 28, wie in 4 dargestellt, jeweils aus einer als Interdigitalstruktur 26 ausgeführten Parallelkapazität 27 und einer als Streifenleiter ausgeführten Parallelinduktivität 28. Auch dieses Schaltelement kann beispielhaft aus Blech gestanzt oder geschnitten über die Leiterstreifen 15 in die Gestaltung der mechanisch selbsttragenden Breitband-Monopolantenne 0 einbezogen werden.
-
Zur weiteren Verbesserung der Frequenzbandbreite des Oberband-Monopols 1 wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für diesen eine dreidimensionale Struktur, welche aus der zweidimensionalen Struktur in der Weisegebildet ist, dass anstelle der flächigen Dreieckstruktur 4 eine etwa kegelförmige Struktur angestrebt wird. Die Form eines derartigen Monopols ist in 9 anhand des kegelförmigen Monopols 18 mit elektrisch leitenden Mantelflächen angedeutet. Dabei soll die wirtschaftlich vorteilhafte Herstellbarkeit aus gestanztem oder geschnittenem Blech beibehalten bleiben. Erfindungsgemäß ist es deshalb vorgesehen, die flächige Dreiecksstruktur 4 durch in der unteren Dreiecksspitze fächerartig zusammen laufende streifenförmige Lamellen 20, wie in 5 dargestellt, auszuführen. Durch Auswinkeln der Lamellen 20 in Form der Mantellinien eines auf der Spitze stehenden Kegels zu Kegel-Lamellen 30 wird der kegelförmige Monopol 18 in 9 im Hinblick auf seine Wirkung als Oberband-Monopol 1 nachgebildet. Dies ist in 10 detailliert dargestellt und ebenso gemäß der Schnittangabe A-A' in 11 als Draufsicht ersichtlich. In 11 ist der in 10 angedeutete Kegelquerschnitt elliptisch und somit der Kegel-Öffnungswinkel 17a in x-Richtung aufgrund der Anforderungen im Hinblick auf die aerodynamischen Eigenschaften der Antenne kleiner gewählt als der Kegel-Öffnungswinkel 17 in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (y-Richtung).
-
Aufgrund der knappen Bauräume besteht bei Fahrzeugantennen die wesentliche Anforderung nach Kleinheit und insbesondere auch danach, den Grundriss der Antenne zu minimieren. Insbesondere für Satellitenfunkdienste und Antennen für andere Funkdienste auf engem Raum ist dabei die Verformung des Richtdiagramms der Satellitenantenne aufgrund der Strahlungskopplung zwischen den Antennen problematisch. Diese Problematik besteht auch dann, wenn – wie in den 3, 5, 7, 8, 10, 11 und 15 – mindestens eine konzentrisch zur Antennenanschlussstelle 3 einer Breitband-Monopolantenne 0 angeordnete ringförmige Satellitenempfangsantenne 25, 25a vorhanden ist. Für diese besteht z. B. nach dem Standard des Satellitenrundfunks SDARS im Zenitwinkelbereich (Winkel gegenüber die z-Achse) z. B. zwischen 0 und 60 Grad die strenge Forderung nach einem Antennengewinn, welcher je nach Betreiber für zirkulare Polarisation von konstant z. B. 2 dBi bzw. z. B. 3 dBi bei einer azimutalen Schwankung von weniger als 0,5 dB beträgt. In 3 ist eine konzentrisch zur Antennenanschlussstelle 3 einer Breitband-Monopolantenne 0 angeordnete ringförmige Satellitenempfangsantenne 25 vorhanden. Bei Ausbildung des Oberband-Monopols 1 als geschlossene flächige ergeben sich die in 6a gargestellten azimutalen Schwankungen des Antennengewinns der Satellitenempfangsantenne 25 bei ca. 2,3 GHz. Bei einem Zenitwinkel von 45 Grad ist die Gewinnschwankung mit 0,6 dBi bereits über dem Toleranzwert und ist bei 60 Grad mit 1,2 dBi untolerierbar. In diesem Zusammenhang ist die Gestaltung der flächigen Dreieckstruktur 4 aus an der Spitze fächerartig zusammen laufenden Lamellen 20, wie in 5, günstiger als eine geschlossene flächige Dreieckstruktur 4 gemäß 3. Dieser Vorteil der geringen Beeinflussung der Strahlungseigenschaften der Satellitenempfangsantenne 25 ist bei der Gestaltung des Oberband-Monopols 1 aus Kegel-Lamellen 30 besonders ausgeprägt. Dies geht beispielhaft aus den in 6b unter verschieden Zenitwinkeln dargestellten azimutalen Schwankungen des Antennengewinns hervor, welche selbst bei einem Zenitwinkel von 60 Grad eine experimentell kaum nachweisbare Schwankung von 0,07 dB besitzt. Der Unterschied zwischen den Einflüssen des Oberband-Monopols 1 in Form eines elektrisch leitfähigen Kegelmantels und eines Mantels aus Kegel-Lamellen 30 auf die azimutale Schwankung des Antennengewinns der Satellitenempfangsantenne 25 in Abhängigkeit vom Zenitwinkel geht weiterhin auch eindrucksvoll aus 12 hervor. Durch Vermeidung von Ringströmen, welche von den Strömen auf der Satellitenantenne 25 auf einem leitfähigen Kegelmantels durch Strahlungskopplung der beiden Antennen hervorgerufen werden, ist bei Gestaltung des Kegelmantels aus Kegel-Lamellen 30 der Oberband-Monopols 1 dieser ohne Einfluss auf die Strahlungseigenschaften der Satellitenempfangsantenne 25.
-
Um auch die elektromagnetische Entkopplung zwischen der Satellitenempfangsantenne 2 und der die Dachkapazität 10 bildenden flächigen Rechteckstruktur 16 des Unterband-Monopols 2 zu vervollkommnen, wird diese erfindungsgemäß im Wesentlichen durch vertikal elektrisch leitend voneinander getrennt verlaufende, jedoch an ihrem oberen Ende über einen verbleibenden Streifen 31 zusammenhängende streifenförmige Dachlamellen 19, wie in den 7, 8 und 9 dargestellt, ausgeführt. Dabei sollte deren Streifenbreite 21 nicht größer sein als 1/8 der Freiraumwellenlänge der höchsten Frequenz im Oberband.
-
Häufig ist es vorgesehen, eine Breitband-Monopolantenne 0 unter einer Abdeckhaube 32, aus Plastikmaterial unterzubringen, wie es in 13 mit Sicht auf quer zur Fahrtrichtung (–x-Richtung) und in 14 mit Sicht auf Fahrtrichtung (y-Richtung) dargestellt ist. Hierbei ermöglicht die in 14 sichtbare Ausdehnung der Abdeckhaube 32 quer zur Fahrtrichtung die Möglichkeit einer weiteren räumlichen Gestaltung der ursprünglich flächenhaft hergestellten Breitband-Monopolantenne 0 mit den Vorteilen der Vergrößerung der Bandbreiten beider Monopole 1 und 2. Dies drückt sich durch eine bessere Gestaltbarkeit der Antennenimpedanz im Hinblick auf den VSWR-Wert an der Antennenanschlussstelle 3 aus. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, auf ein Anpassnetzwerk weitgehend verzichten zu können.
-
Zur Gestaltung der Räumlichkeit des Unterband-Monopols 2 werden erfindungsgemäß die an ihrem oberen Ende über einen verbleibenden Streifen zusammenhängenden streifenförmigen Dachlamellen 19 der Dachkapazität 10 in der Weise ausgewinkelt, dass sie in der Projektion auf eine zur Fahrtrichtung quer liegenden Ebene V-förmig angeordnet sind. Hierzu sind einander abwechselnd die in 13 schwarz ausgefüllt gekennzeichneten Dachlamellen 19a in x-Richtung und die weiß ausgefüllt gekennzeichneten Dachlamellen 19b in negativer x-Richtung ausgelenkt, so dass die in der Projektion in 13 sichtbare V-förmige Struktur gegeben ist. Durch die seitliche Auslenkung quer zur Fahrtrichtung wird der Kapazitätswert der Dachkapazität 10 größer. Dies führt zu einer Vergrößerung der Bandbreite des Unterband-Monopols 2 und erleichtert die Einhaltung der Bedingung für Impedanzanpassung bei dem einzuhaltenden VSWR-Wert.
-
In Analogie zur Gestaltung eines Kegels mit elliptischen Querschnitt durch entsprechende Auslenkung der Lamellen 20, 20a, 20b des Oberband-Monopols 1 in 11 können in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Lamellen 20, 20a, 20b etwa der inneren Berandung der Abdeckhaube 32 folgend ausgewinkelt werden. Das heißt, die in der unteren Dreiecksspitze zusammen laufenden streifenförmigen Lamellen 20, 20a, 20b des Oberband-Monopols 1 werden aus der Ebene der flächigen Dreiecksstruktur 4 aufeinanderfolgend in der Weise ausgebogen, sodass sie in der Projektion auf eine zur Fahrtrichtung quer liegenden Ebene etwa V-förmig angeordnet sind. Ebenso wie oben für die Dachlamellen 19, 19a, 19b beschrieben, sind die Lamellen 20 in der Weise ausgewinkelt, dass die in 13 schwarz ausgefüllt gekennzeichneten Lamellen 20a in x-Richtung und die weiß ausgefüllt gekennzeichneten Lamellen 20b in negativer x-Richtung ausgelenkt, so dass die in der Projektion in 14 sichtbare V-förmige Struktur gegeben ist. Auch hier dient diese Maßnahme zur Vergrößerung der Frequenzbandbreite des Oberband-Monopols 1 mit dem damit verbundenem Vorteil bei der Realisierung der Impedanzanpassung im Antennenfußpunkt. Bei der Realisierung von Antennen, wie sie in den 13, 14 und 15 dargestellt sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auch die mindestens zwei Leiterstreifen 15, 15a, 15b in der Weise räumlich auszuführen, dass sie z. B. durch Auswinkeln in halber Antennenhöhe 9 um ca. 45°, bzw. –45° gegenüber der y-Achse die für sie verfügbare horizontale Ausdehnung quer zur Fahrtrichtung innerhalb der Abdeckhaube 32 ausfüllen.
-
Generell ist zu beobachten, dass die erfindungsgemäße räumliche Gestaltung ausgehend von der beschriebenen zweidimensionalen Gestaltung der erfindungsgemäßen Monopolantenne 0 bezüglich der Problematik der Impedanzanpassung über große Frequenzbereiche zusätzlich vorteilhaft ist. Mit der vorliegenden Erfindung ist somit der besondere Vorteil verbunden, dass diese räumlich gestaltete Antenne aus einer flächigen elektrisch leitenden Folie gestanzt oder geschnitten und durch einfaches anschließend Biegen, wie oben beschrieben, gestaltet werden kann.
-
Häufig ist gefordert zwei Breitband-Monopolantennen 0 und 0a nach der Erfindung unter einer Abdeckhaube 32 in Fahrtrichtung hintereinander, wie in 15, anzubringen. Hierbei zeigt sich in der Praxis in vorteilhafter Weise, dass die ringförmige Satellitenantennen 25 im Fußpunkt der einen Breitband-Monopolantenne 0 durch das Vorhandensein der anderen Breitband-Monopolantennen 0a keine störende Beeinflussung ihrer Strahlungseigenschaften erfährt. Umgekehrt gilt dies ebenso im Hinblick auf die Wirkung der Breitband-Monopolantenne 0 auf die Satellitenantennen 25a im Fußpunkt der einen Breitband-Monopolantenne 0a.
-
In einer weiteren vorteilhaften Anwendung einer Breitband-Monopolantenne 0 nach der Erfindung ist diese durch eine weitere, zu dieser gleichen Breitband-Monopolantenne auf an sich bekannte Weise zu einem Dipol ergänzt. Dabei wird das Spiegelbild der Breitband-Monopolantenne 0 an der leitenden Grundfläche 6 unter deren Wegfall durch diese weitere Breitband-Monopolantenne in der Weise ersetzt, dass ein zur Ebene der leitenden Grundfläche 6 symmetrischer Dipol gegeben ist. Dabei ist die symmetrische Antennenanschlussstelle dieses Dipols zwischen dem Antennenanschlusspunkt 5 der Breitband-Monopolantenne 0 und dem – diesem entsprechenden – an der leitenden Grundfläche 6 gespiegelten Antennenanschlusspunkt 5 gebildet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 0, 0a
- Breitband-Monopolantenne
- 1, 1a
- Oberband-Monopol
- 2, 2a
- Unterband-Monopol
- 3
- Antennenanschlussstelle
- 4
- flächige Dreieckstruktur
- 5
- Antennenanschlusspunkt
- 6
- Leitende Grundfläche
- 7
- Masse-Anschlusspunkt
- 8
- Oberband-Monopol-Höhe
- 9
- Antennenhöhe
- 10
- Dachkapazität
- 11
- Rahmenstruktur
- 12
- Dreieck-Öffnungswinkel
- 13
- Abstand
- 14
- Streifenleiterbreite
- 15, 15a, 15b
- Leiterstreifen
- 16
- Flächige Rechteckstruktur
- 17
- Kegel-Öffnungswinkel in y-Richtung
- 17a
- Kegel-Öffnungswinkel in x-Richtung
- 18
- kegelförmiger-Monopol
- 19, 19a, 19b
- Dachlamelle
- 20
- streifenförmige Lamellen
- 21
- Streifenbreite
- 22
- Vertikalausdehnung
- 23
- Horizontalausdehnung
- 24
- mäanderförmige Ausprägung
- 25, 25a, 25b
- ringförmige Satellitenempfangsantenne
- 26
- Interdigitalstruktur
- 27
- Parallelkapazität
- 28
- Parallelinduktivität
- 29
- Parallelschwingkreis
- 30, 30a, 30b
- Kegel-Lamelle
- 31
- Verbleibender Streifen
- 32
- Abdeckhaube
- 33
- elektrisch leitende Folie
- 34
- Schnittlinien der dielektrischen Platte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
