DE10303540B4

DE10303540B4 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE10303540B4
Application number: DE10303540.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Schöneberg; Wilhelm Probst
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: DE10303540A8; DE10303540A1

Abstract

Eine Antennenanordnung für zwei Mobilfunk-Frequenzen besteht aus einer Flachantenne und einer Vertikalantenne, wobei die Vertikalantenne einen Monopol aufweist und die Flachantenne aus einer metallischen Grundfläche als Massebezugsfläche und einer dazu koplanaren, darüber liegenden Deckfläche besteht. Die Vertikalantenne besteht dabei aus einem Monopol mit Dachkapazität, der auf einer vertikalen Platine zusammen mit einem Speiseleiter der Flachantenne ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für Kraftfahrzeuge für den Betrieb in zwei Mobilfunkfrequenzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ( DE 201 06 005 U1 ). Die Anordnung eignet sich für Antennen des GHz-Bereichs, z. B. für die Dienste des 900 MHz- und des 1,8 GHz-Bereichs.
Die Erfindung geht dabei grundsätzlich von einer Flachantenne aus- auch bekannt als L- bzw. U-Antenne. Die Antenne besteht aus zwei mit geringem Abstand übereinanderliegenden, elektrisch leitenden Flächen, die in einem Randbereich in elektrischem Kurzschluss miteinander verbunden sind. Die Antenne wird über einen Leiterabschnitt gespeist, der innerhalb des Raums zwischen den beiden Flächen von der Grundfläche (gleichzeitig Massebezugsfläche) zu einem Anschlusspunkt in der Deckfläche reicht. Das Speisekabel ist mit seinem Außenleiter an die Grundfläche angeschlossen und innenleiterseitig mit dem besagten Leiterabschnitt verbunden.
Die Anordnung bietet den Vorteil geringer Bauhöhe bei zufriedenstellender Strahlungscharakteristik (Rundumstrahlung im horizontalen Strahlungsdiagramm).
Um die Vorteile dieses Prinzips auch für den gleichzeitigen Betrieb in zwei, etwa um eine Oktave differierenden Frequenzen zu nutzen (wie das D-Netz und das E-Netz des GSM-Standards), kann man zwei derartige Flachantennen mit unterschiedlichen, für je eine der Frequenzen elektrisch wirksamen Abmessungen nebeneinander anordnen.
Als Alternative dazu wurde nach einem Vorschlag ( EP 0 952 625 A2 ) die Deckfläche einer für den unteren Frequenzbereich dimensionierten Flachantenne in strahlenartiger Anordnung mit Schlitzen versehen. Mit einer bestimmten Längenbemaßung der Schlitze kann man nach der Erfindung die zusätzliche Bildung einer Resonanz in dem zweiten, höheren Frequenzbereich und mit einer bestimmten Schlitzbreite die Bildung einer geeigneten Impedanzbandbreite für diesen Bereich bewirken. Die gemeinsame Deckfläche erhält für jede der beiden Frequenzen einen separaten Anschlusspunkt.
Die Lösungsvariante mit zwei Einzelantennen nebeneinander bedingt einen erhöhten Platz- und Kostenaufwand. Dagegen ist es bei der Kombinationslösung schwierig, eine zufriedenstellende Performance für beide Frequenzen gleichermaßen zu erzielen. So besteht dort z. B. das Problem, dass der Abstand zwischen Grund- und Deckfläche in aller Regel auf die untere Frequenz abgestimmt ist. Er würde aber und müsste an sich für einen effektiven gleichzeitigen Betrieb in der höheren Frequenz geringer dimensioniert werden, d. h. etwa die Hälfte betragen.
Als weitere, mögliche Lösung ist nur die Aggregation unterschiedlicher Strahlertypen bekannt, z. B. Flachantenne und darauf oder mit Abstand daneben angeordnete Vertikalantenne (Monopol). Bezüglich der Vertikalantenne ist es jedoch bisher nicht gelungen, die geometrische Länge annähernd an die geringe Höhe der Flachantennen anzugleichen – z. B. um ein ansprechendes Design für die Gesamtanordnung zu erzielen.
Aus der DE 100 45 452 A1 ist ein Munitionsartikel mit Antenne für die Satellitennavigation bekannt, bei dem zur Verkleinerung der Abmessungen eines Dipols Dachkapazitäten vorgesehen werden.
Aus der DE 100 39 427 A1 ist die Verwendung von Platinenmaterial für die Herstellung von Flachantennen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter weitgehender Beibehaltung des Prinzips der Flachantenne und seiner Vorteile eine Strahleranordnung für zwei unterschiedliche Mobilfunk-Frequenzen im GHz-Bereich auszubilden. Der Aufbau soll einfach und kostengünstig sein und gute Betriebsparameter für beide Frequenzen gleichermaßen gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt zwei breitbandige Antennen, die für den Mobilfunk-Betrieb in allen international üblichen Bändern nutzbar sind (Europa/Deutschland, USA, Japan):

– unterer Bereich: 810 bis 960 MHz,
– oberer Bereich: 1710 bis 2170 MHz

Die Besonderheit ergibt sich jedoch aus den Abmessungen und dem extrem einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Kombination.
Es ist mit der Erfindung gelungen, das geometrische Höhenmaß einer Vertikalantenne auf einfache Weise an das der Flachantenne anzugleichen. Der Monopol mit Dachkapazität, der mit der Flachantenne kombiniert wurde, braucht nicht höher als die Flachantenne selbst zu sein. Der Abstand zwischen Grund- und Deckfläche der Flachantenne kann zwischen 1/15 bis 1/20 der Betriebswellenlänge im unteren Bereich liegen. Dieses Maß, auf die Vertikalantenne übertragen, bedeutet 1/8 bis 1/10 von deren Betriebswellenlänge. Beides entspricht einer geometrischen Höhe von etwa 20 mm. Dieses Maß ist hier auch für die Vertikalantenne ausreichend.
Der überraschende erfindungsgemäße Effekt ist auf Wirkzusammenhänge zwischen der Dachkapazität der Vertikalantenne und der gleichfalls metallischen Deckfläche der Flachantenne beim Aufbau des Feldes im höheren Frequenzbereich zurückzuführen. So wird u. a. durch den Abstand zwischen der Dachkapazität und dem ihr benachbarten Rand der Deckfläche die Performance der Vertikalantenne beeinflusst und ist durch Optimierung dieses Abstands ihrerseits zu optimieren.
Last but not least stellt die erfindungsgemäße Kombination der Vertikalantenne mit dem Speiseleiter der Flachantenne ein technologisches Optimum mit dem Ergebnis einer einfachen und kostengünstigen Fertigung und Montage dar.
Ein in diesem Zusammenhang interessanter Nebeneffekt der Erfindung wurde durch Prüfung von Möglichkeiten einer weiteren Kostensenkung, u. a. durch Skelettierung bzw. Teilskelettierung der Deckfläche, gefunden: Man kann tatsächlich z. B. eine Fläche von der Größe des Platinenteils, das die Kombination des stabförmigen Abschnitts der Vertikalantenne mit dem Speiseleiterabschnitt der Flachantenne trägt, aus der Deckfläche heraustrennen, ohne die Funktion der Antennenanordnung im unteren Frequenzbereich zu beeinträchtigen. Bei der Metallisierung der Deckflächenplatine werden im gleichen Arbeitsgang diese Leiterstrukturen herausgeätzt.
Nach Heraustrennen des rechteckigen Platinenteils verbleibt ein Platinen-Randbereich der Deckfläche von mindestens 4 mm Breite. Das Platinenteil wird aus einem seitlichen hälftigen Bereich der Deckfläche herausgelöst. Die Strahlungscharakteristik wird durch die im Ergebnis einseitige rechteckige Aussparung in der Deckfläche nicht beeinträchtigt.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1. Erfindungsgemäße Antennenkombination in reiner Platinenausführung
2. Weitere Variante der Platinenausführung
3. Nicht beanspruchte Kombination von Platinenmaterial und Draht
Dabei sind
Bezugszeichenliste

1: Grundplatte/Massebezugsfläche
2: Deckfläche
3: Kurzschluss
4: Masseanschluss
5: Antennenkabel
6: Anschlusspunkt
7: Speiseleiter Flachantenne
8: Vertikalantenne
9: Dachkapazität auf vertikaler Platine
10: Dachkapazität auf horizontaler Platine
11: Spulenstruktur

Die Ausführungsvarianten basieren auf der Verwendung von Platinenmaterial mit ein- bzw. zweiseitiger, zonenweiser oder vollständiger Metallisierung.
So sind bei den Beispielen in 1 und 2 die Grundplatte 1, die Deckfläche 2 und der Kurzschluss 3 der Flachantenne vollständig metallisiert, während bei dem Platinenteil mit der Vertikalantenne 8/9 und dem Speiseleiter 7 jeweils nur die Leiterstrukturen Metallaufträge darstellen. Dieses Platinenteil kann beidseitig metallisiert sein – z. B. zur Bildung der Spulenstruktur 11 bei der Ausführung in 2.
Die Strahlungsparameter werden bei den Ausführungen nach 1 und 2 – abgesehen von den Maßverhältnissen von Grund- und Deckfläche und des Kurzschlusses – vor allem über die differenzierte Dimensionierung der Leiterstrukturen 7 sowie 8 und 9 beeinflusst. Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist das Maß A zwischen der Dachkapazität 8 und dem benachbarten Rand der Deckfläche 2.
Bei der nicht beanspruchten Gestaltung nach 3 werden die Strahlungseigenschaften der Vertikalantenne 8/10 über die Abmessungen B und C der Dachkapazität 10 bestimmt. Der wesentliche Einflussfaktor ist jedoch auch hier – in Realisierung des Erfindungsgedankens – das Maß A zwischen den waagerechten Elementen der beiden Antennen.
Bei der benachbarten Anordnung der beiden waagerechten Flächen nach 3 werden die durch den Abstand A gegebenen Einflussmöglichkeiten noch durch das Längenmaß C als zweite Variable ergänzt.
Die Optimierung der Maße und Maßverhältnisse erfolgt, wie für die Antennenentwicklung charakteristisch, auf empirischem Wege, da die Zahl der Einflussgrößen, die der Entwickler als gegeben hinnehmen muss, bekanntermaßen groß und immer wieder unterschiedlich ist. Das beginnt beim Umfeld, sprich Einsatzgebiet, und reicht bis zum speziellen Einbauort.
Die hier gezeigten Ausführungsvarianten sind realisiert und hinsichtlich Funktionalität und Parameter getestet worden. Neben den konstruktiven und technologischen Vorteilen, die schon aus den schematischen Darstellungen ersichtlich sind, wurden die Ziele hinsichtlich Pegel und Bandbreite voll erreicht.
Offenbart ist somit eine Antennenanordnung für zwei Mobilfunk-Frequenzen, bestehend aus einer Flachantenne für eine untere und einer Vertikalantenne für eine obere Betriebsfrequenz, mit den folgenden Merkmalen:
Die Flachantenne besteht aus einer metallischen Grundfläche 1 als Massebezugsfläche und einer dazu koplanaren, darüberliegenden Deckfläche 2, die beide an einem Randbereich durch einen elektrischen Kurzschluss 3 miteinander verbunden sind.
Zur Speisung dient ein Leiterteil 7 zwischen den beiden Flächen, das von der Grundfläche 1 zu einem Anschlusspunkt 6 in der Deckfläche 2 reicht.
Der Anschlusspunkt 6 ist mit dem Innenleiter eines Antennenkabels 5 verbunden, dessen Außenleiter mit der Grundfläche 1 in Kontakt steht.
Die Vertikalantenne besteht aus einem kurzen Monopol 8 mit einer Dachkapazität 9, 10, die in kapazitiver Verbindung mit der Deckfläche 2 der Flachantenne steht.
Die Vertikalantenne ist im Bereich der Anbindung des Antennenkabels 5 an die Grundfläche 1 der Flachantenne ebenfalls an den Innenleiter des Kabels angeschlossen.
Zur Frequenzselektion dient eine Weiche vor dem Anbindungspunkt 4 des Innenleiters des Antennenkabels.
Das Platinenteil mit den Strukturen 7, 8, 9, 11 kann fertigungsmäßig ein Bestandteil der Deckfläche 2 sein, wobei die Deckfläche 2 nach Auslösung des Platinenteils zumindest halbseitig skelettiert ist und die verbleibende Umrandung der Deckfläche mindestens 4 mm breit ist.

Claims

Antennenanordnung für zwei Mobilfunk-Frequenzen, bestehend aus einer Flachantenne für eine untere und einer Vertikalantenne (8) für eine obere Betriebsfrequenz, wobei – die Flachantenne aus einer metallischen Grundfläche (1) als Massebezugsfläche und einer dazu koplanaren, darüberliegenden Deckfläche (2) besteht, die beide an einem Randbereich durch einen elektrischen Kurzschluss (3) miteinander verbunden sind, – zur Speisung der Flachantenne ein Speiseleiter (7) zwischen den beiden Flächen vorgesehen ist, der von der Grundfläche (1) zu einem Anschlusspunkt (6) in der Deckfläche (2) reicht, – der Speiseleiter (7) mit dem Innenleiter eines Antennenkabels (5) verbunden ist, dessen Außenleiter mit der Grundfläche (1) in Kontakt steht, und wobei – die Vertikalantenne (8) einen Monopol aufweist, der im Bereich der Anbindung des Antennenkabels (5) an die Grundfläche (1) der Flachantenne ebenfalls an den Innenleiter des Antennenkabels (5) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vertikalantenne (8) aus einem Monopol mit Dachkapazität (9) besteht, – dass die Vertikalantenne (8) und der Speiseleiter (7) der Flachantenne als leitende Strukturen auf ein und derselben vertikalen Platine ausgeführt sind, und – dass die Dachkapazität (9) auf der vertikalen Platine ausgebildet ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Strukturen auf der Platine zumindest partiell als doppelseitige Metallisierung ausgeführt sind.