DE19504577A1

DE19504577A1 - Flachantenne

Info

Publication number: DE19504577A1
Application number: DE1995104577
Authority: DE
Inventors: Shun Ping Chen; Wilhelm Probst; Manfred Burkert
Original assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 1995-02-11
Filing date: 1995-02-11
Publication date: 1996-08-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachantenne, insbesondere für Frequenzen im GHz-Bereich, mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen. Die Antenne ist speziell für den Funkbetrieb auf Kraftfahrzeugen (Mobilfunk) vorgesehen, kann jedoch ebenso als quasi stationäre Antenne bei der Innenraumversorgung von Hallen oder Großraumbüros Verwendung finden.

Die Erfindung geht von einem Wirkprinzip aus, auf dem u. a. die in den deutschen Patenten Nr. 21 53 827 und 26 33 757 sowie in den Europa-Patenten Nr. 0 163 454, 0 176 311 und 0 177 362 beschriebenen Erfindungen basieren: Zwei meist gleich große, rechteckige Leiterflächen sind in einem definierten, in Relation zur mittleren Wellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs geringen Abstand planparallel zueinander angeordnet. Sie sind entlang einer Kante galvanisch, z. B. durch einen Steg, miteinander verbunden. Des weiteren ist eine der beiden Leiterflächen an einem zentralen Punkt an den Innenleiter (Speisepunkt) und die andere Fläche an den Außenleiter eines HF-Koaxialkabels angeschlossen.

Die auch als U-Antenne bezeichnete Anordnung wird mit der an den Außenleiter des Kabels angeschlossenen Fläche dicht über einer größeren leitenden Fläche angebracht. Bei Betrieb bilden die beiden, durch die Stegverbindung masseseitig kurzgeschlossenen Leiterflächen quasi einen Hohlraum resonator, und entlang der offenen Seiten baut sich im Resonanzfall ein Feld auf, das zu einer radialen Abstrahlung mit einer einem Monopol vergleichbaren Rundum-Charakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm (d. h. in der Ebene der Leiterflächen) führt.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Effizienz des Prinzips besteht in der schon erwähnten großen Massefläche. Selbst über die in Patent Nr. 21 53 827 geschilderte "U-förmige" Antenne für ein Sprechfunkgerät, bei der die beiden Schenkel des Antennengebildes übt das Schaltungsgehäuse geschoben werden, wird ausgesagt, daß sie, ". . . am Körper getragen, nur eine geringe Richtwirkung besitzt und somit einen guten allseitigen Empfang gewährleistet".

Der menschliche Körper bildet hier das Massepotential.

Die Abmessungen der an den Innenleiter des Kabels angeschlossenen Leiterfläche (als Strahlerfläche bezeichnet) orientieren sich üblicherweise an dem Maß eines Viertels der dem Betriebsfrequenzbereich entsprechenden Wellenlänge, vermindert um einen vor allem aus der flächigen Ausbildung resultierenden Verkürzungsfaktor.

Der wesentliche Vorteil dieses Antennentyps besteht verständlicherweise in der möglichen flachen Bauweise und im robusten mechanischen Aufbau.

Die elektrischen Werte sind nicht schlechter als die mit herkömmlichen Antennentypen erreichbaren Parameter. Dabei ähneln sich die bekannten Ausführungen der zur Rede stehenden Flachantenne darin, daß die Strahlerfläche und die gewissermaßen primäre Massefläche, wie schon angedeutet, rechteckig ausgebildet sind.

Es wurde nun gefunden, daß das Prinzip der hier beschriebenen Flachantenne nicht zwingend an die Rechteckform gebunden ist. Daraus resultierend, lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Flächenstrukturen vorzuschlagen, die Verbesserungen der Betriebsparameter ermöglichen, und, damit verbunden, Aufbau und Herstellung der Antennen variabler und einfacher zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsdetails und -varianten.

Die Erfindung stellt sich quasi als Multiplikationsprodukt der folgenden Erkenntnisse und Maßnahmen dar:

- Die bogenförmig ausgebildete Kante führt zu einer Erhöhung der relativen Bandbreite im Betriebsfrequenzbereich gegenüber allen Varianten mit nur geradlinigen Kanten. Ebenso wird eine bessere Impedanzanpassung erzielt.
- Die "primäre" Massefläche mit dem Flächeninhalt gleich dem der Strahlerfläche ist nicht erforderlich. Zum einen kann man eine unmittelbare galvanische Verbindung (etwa über den Außenleiter des angeschlossenen HF-Kabels) zu dem eigentlichen Gegengewicht, der großen Massefläche z. B. eines Karosseriedachs, herstellen; eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kurzschlußsteg über einen zusätzlichen kleinen Flächenabschnitt kapazitiv mit der großen Fläche zu koppeln.
- Das allseitige Einbetten der Funktionsteile in einen Kunststoffkörper bietet nicht nur Schutz gegen Beschädigung und gegen Änderung der Positionen und Maßbezüge, sondern mit zunehmender relativer Dielektrizitätskonstante des Einbettungsmaterials ergibt sich eine weitere Verringerung der das Wirkprinzip beeinflussenden Maße, wie Strahler fläche, Abstand zwischen Strahler- und Massefläche usw.
- Mit der Verwendung keramischer Dielektrika kann der Effekt der Verringerung der geometrischen Abmessungen speziell der Strahlerfläche fortgesetzt werden (soweit dem nicht Dämpfungserscheinungen eine Grenze setzen); ein ε_r = 10 (mit einer Verringerung der Maße auf bis 33%) erscheint jedoch zulässig.
Darüber hinaus bieten sich in Gestalt der selektiven Metallisierung eines keramischen Formkörpers weitere interessante Möglichkeiten zur Realisierung der mit der Erfindung angestrebten Aufwandssenkung bei Material und Fertigung in Verbindung mit der Optimierung der Wirkflächen sowie der Leitungsbahnen und -verbindungen.
- Der Gedanke einer Ausführung für die wahlweise Betriebs weise in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen entstand in Weiterentwicklung der kapazitiven Kopplung an Masse. Wie in Anspruch 6 erkennbar, kommen hier alle Vorteile des erfindungsgemäßen Prinzips zum Tragen - vor allem der einfache Aufbau und eine große Variabilität in den Ausführungsformen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung
zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1. Erfindungsgemäße Flachantenne

a) Schnitt in der Seitenansicht
b) Draufsicht, ohne Radom

Fig. 2. Strahler und Kurzschlußelement mit kapazitiver Kopplung an Masse

a) 90°-Anordnung
b) 60°-Anordnung

Fig. 3. Keramik-Körper mit Metallbeschichtung als Flachantenne

a) Seitenschnitt bei Ausführung zum Anschrauben
b) Seitenschnitt bei Ausführung zum lösbaren Aufsetzen
c) Ansicht des Keramik-Körpers nach b von unten

Dabei sind:

Bezugszeichenliste

1 Strahlerfläche,
2 Kurzschlußelement,
3 Bodenblech,
4 Kopplungsfläche,
5 Koaxialkabel,
6 Innenleiter,
7 Außenleiter,
8 Lötstelle,
9 Keramik-Körper,
10 Nut,
11 Radom,
12 Kunststoff-Umhüllung,
M Mittelpunkt,
R Außenkreis-Radius
r Inneres Kantenmaß,
S Speisepunkt
R_S Abstand zwischen Speisepunkt und Mittelpunkt,
A Abstand zwischen Strahlerfläche und Bodenblech oder zwischen Strahlerfläche und Kopplungsfläche

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsvariante mit einem stabilem und relativ großflächig dimensioniertem Bodenblech 3, das die ganze Antennenkonstruktion, einschließlich des Radoms 11, trägt. Das Bodenblech 3 ist hier gleichzeitig "primäre" Massefläche, mit der die Strahlerfläche 1 über das Kurz schlußelement 2, hier ein Stegblech, galvanisch verbunden ist. An das Bodenblech ist weiterhin der Außenleiter 7 des Koaxialkabels 5 über eine Lötstelle 8 angeschlossen. Der Innenleiter 6 ist mit der Strahlerfläche 1 verbunden.

Die Mittel zur mechanischen Halterung des Koaxialkabels 5 am Bodenblech 3 und zur Halterung der gesamten Antenne z. B. über einer Bohrung im Blech einer Fahrzeug-Karosserie sind hier nur angedeutet. Beim Anschrauben der Antenne am Karosserieblech wird eine gezahnte Unterlegscheibe zur Massekontaktierung verwendet.

Eine solche Flachantenne könnte - für den Betrieb in Mobilfunknetzen im 900-MHz-Bereich - mit den in Anspruch 4 angegebenen Maßen ausgeführt werden. Die Form und die Größe des Bodenblechs 3 sind hier vor allem nach mechanischen und gestalterischen Gesichtspunkten gewählt.

Fig. 2 zeigt Ausführungen mit einer Kopplungsfläche 4 zur Masse. Die Fläche 4 ist so zu dimensionieren, daß die kapazitive Kopplung z. B. zum Karosserieblech darunter niederohmig ist. Im Fall a ist die Kopplungsfläche 4 eine Abbiegung am Kurzschluß-Stegblech 2, und im Beispiel b verbindet ein Kurzschlußelement 2 aus einem zylindrischen Teil die Spitze der hier aus einem 60°-Kreissegment bestehenden Strahlerfläche 1 mit einer z. B. kreisförmigen Kopplungsfläche 4.

Die Kopplungsfläche ist in jedem Fall, bei gleicher Wirkung, kleiner als die Masseflächen bei den Lösungen des bekannten Stands der Technik. Wie angedeutet, kann man auch gänzlich auf die Kopplungsfläche verzichten. Die Verbindung kann über ein Leitungsteil zum Koaxialkabel oder durch den direkten galvanischen Anschluß an die tragende Metallfläche realisiert werden.

Fig. 3 zeigt erfindungsgemäße Flachantennen mit einem Keramik-Körper 9 mit selektiver Metallisierung. Bei der Ausführung a möge der Keramik-Körper, in der Draufsicht gesehen, z. B. direkt die Konturen der Strahlerfläche 1 haben. Die das Kurzschlußelement 2 und die Verbindung zum Außen leiter 7 des Kabels 5 bildenden Metallisierungen sind als Flächen und auch in der Ausbildung als Streifenleiter denkbar.

Die Ausführung b/c ist für die lösbare Halterung auf einem Karosseriedach, mittels eines Saugfußes oder einer Magnet platte, geeignet. Das Koaxialkabel wird in der eingeformten Nut 10 im Keramik-Körper geführt und z. B. über Lötungen mit der metallisierten Fläche (Kopplungsfläche) 4 galvanisch verbunden.

Das Kurzschlußelement 2 und die Verbindung zwischen dem Innenleiter 6 und der Strahlerfläche 1 sind hier z. B. als durchmetallisierte Bohrungen im Keramik-Körper 9 ausgebildet. Bei den Ausführungsvarianten nach Fig. 3 übernimmt die Kunststoff-Umhüllung 12 vorzugsweise auch mechanische Aufgaben für den Antennenaufbau und die Halterung auf der Unterkonstruktion.

Die Keramik-Ausführung ist auch für die Antenne für zwei unterschiedliche, alternativ wählbare Frequenzbereiche geeignet. Hier würde man der Einfachheit halber zwei Koaxialkabel und je einen separaten Innenleiter-Anschluß vorsehen, oder man würde zumindest zwei Kabel-Abschnitte bis zu dem Steckverbinder führen, mit dem der Antennenkörper auf dem Karosserie-Blech in den beiden unterschiedlichen Positionen arretiert und kontaktiert werden kann.

Claims

1. Flachantenne, insbesondere für Frequenzen im GHz-Bereich, bestehend aus einem metallischen Flächenelement als Strahlerfläche, das über einer als Masse wirkenden Fläche größerer Ausdehnung, planparallel zu dieser Fläche, angeordnet ist, wobei

- die beiden Flächenkomponenten im Bereich einer Seitenkante der Strahlerfläche über einen Steg oder andere elektrisch leitende Mittel, einen HF-Kurzschluß bildend, miteinander verbunden sind und
- die Strahlerfläche, in einem Speisepunkt, mit dem Innenleiter und die Massefläche mit dem Außenleiter eines HF-Signal führenden Koaxialkabels verbunden ist,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- die Strahlerfläche (1) hat vorzugsweise die Form eines Kreis- oder Kreisringsegments,
- der Öffnungswinkel α des die Strahlerfläche (1) bildenden Flächensegments ist gleich oder größer als 60°,
- das Kurzschlußelement (2) zur Massefläche ist an der Kreismitte bzw. der Innenkreis-Kante des die Strahlerfläche (1) bildenden Flächensegments angeordnet,
- das Kurzschlußelement (2) steht zu der Massefläche in galvanischer Verbindung, oder es wird über eine zusätzliche Kopplungsfläche (4), die im rechten Winkel an das Kurzschlußelement (2) anschließt, eine kapazitive Kopplung bewirkt.

2. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschlußelement (2) mit einem Bodenblech (3) verbunden ist, dessen Außenkontur die Projektion der Strahlerfläche (1) einschließt, und das mit Mitteln

- zur mechanischen Halterung der gesamten Antenne an der die Massefläche bildenden Unterkonstruktion und
- zur Masseverbindung zwischen dem Außenleiter (7) des Koaxialkabels (5) und dem Bodenblech (3) sowie der Unterkonstruktion versehen ist, und an dem auch ein Radom (11) befestigt wird.

3. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kapazitiver Kopplung zwischen dem Kurzschluß element (2) und der Massefläche über eine Kopplungs fläche (4)

- die Größe der Kopplungsfläche (4) so bemessen ist, daß die Verbindung für den Betriebsfrequenzbereich der Antenne kapazitiv niederohmig ist, mit einem Wert von vorzugsweise nicht größer als 5 Ω, und
- alle metallischen Teile der Antenne vorzugsweise in eine Kunststoffmasse mit niedriger relativer Dielektrizitäts konstante eingebettet sind, deren Außenkonturen einen aufmontierbaren Antennenkörper bilden.

4. Flachantenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß für den Betrieb im Bereich 900 MHz und bei einer als Kreisringsegment mit einem Öffnungswinkel von α = 90° ausgebildeten Strahlerfläche (1) vorzugsweise

- der Außenkreis-Radius R = 70 mm,
- der Innenkreisradius r = 20 mm,
- der Abstand des Speisepunkts vom gedachten Mittelpunkt (M)
R_S = 45 mm und
- der Abstand zwischen der Strahlerfläche (1) und dem Bodenblech (3) oder, bei Verwendung einer Kopplungs fläche (4), zur die Massefläche bildenden Unter konstruktion
A = 14 mm

beträgt.

5. Flachantenne nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen scheibenartigen Grundkörper (9) aus einem Dielek trikum, vorzugsweise einem keramischen Material, auf und an dem die HF-leitenden Funktionselemente als Metall flächen, Leiterbahnen und durchmetallisierte Bohrungen ausgebildet sind, die mit einem der bekannten Oberflächen-Be schichtungsverfahren selektiv aufgebracht sind.

6. Flachantenne nach Anspruch 1, 3 und 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- die Antenne hat zwei Strahler (1), die alternativ für jeweils einen anderen Betriebsfrequenzbereich nutzbar sind, indem das sonst als Kopplungsfläche (4) zur Masse vorgesehene Flächenteil ebenfalls als Kreis- oder Kreisringsegment, aber mit auf eine andere Wellen länge abgestimmten Abmessungen, ausgebildet ist,
- beide Strahlerflächen sind mit dem Innenleiter (6) vorzugsweise eines weiterführenden HF-Koaxialkabels (7) zu verbinden, wobei immer nur die Strahlerfläche angeschlossen ist, die jeweils aktuell als Antenne betrieben wird,
- die Strahleranordnung ist vorzugsweise in einen scheibenartigen Körper aus einem dielektrischen Material eingegossen oder eingefügt, und durch Anlegen dieses Körpers mit einer seiner Deckflächen auf der als Masse fläche dienenden Unterkonstruktion stellt die der Masse zugewendete Flächenstruktur die aktuelle Kopplungsfläche (4) und die masseferne Flächenstruktur die aktuelle Strahler fläche (1) dar,
- der Antennenkörper ist vorzugsweise mit einer Steck verbindung mechanisch und elektrisch an der Unterkonstruktion arretierbar, die die alternative Betriebsweise durch Wenden und Umstecken der Anordnung gestattet.