DE19646100A1 - Flachantenne - Google Patents
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- H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
- H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element
Description
Die Erfindung betrifft Flachantennen für terrestrisch abgestrahlte
Signale und für Funkverbindungen mit Frequenzen im GHz-Bereich,
insbesondere für den Mobilfunk im 900-MHz- und im 1,8-GHz-Band,
mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungs
merkmalen.
Die Erfindung geht von einem Wirkprinzip aus, das u. a. in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 195 04 577 an Hand typischer Lösungen
des vorangegangenen Stands der Technik charakterisiert wurde:
Zwei zueinander planparallele Flächenelemente aus elektrisch
leitendem Material, die durch einen seitlichen Kurzschluß
verbunden sind und von denen eines (die "Massebezugsfläche")
an den Außenleiter und das andere (das "Flächensegment" mit den
funktionsbestimmenden Konturen und Abmessungen) an den Innenleiter
eines speisenden Koaxialkabels angeschlossen ist, bilden bei
Betrieb quasi einen Hohlraumresonator. An den offenen Seiten
bereichen baut sich im Resonanzfall ein Feld auf, das zu einer
radialen Strahlung in nutzbaren Größenordnungen führt.
Wenn bei dieser Anordnung die Massebezugsfläche ausreichend größer
als das mit dem Innenleiter verbundene Flächensegment ist, oder
wenn sie unmittelbar über einer größeren leitenden Fläche
positioniert wird, erhält man eine Strahlungscharakteristik ähnlich
der eines Monopols.
Das im wesentlichen funktionsbestimmende Maß des an den Innenleiter
angeschlossenen Flächensegments, der Abstand von der Seite mit der
Kurzschlußverbindung zum gegenüberliegenden Flächenrand, orientiert
sich üblicherweise an dem Maß eines Viertels der dem mittleren
Betriebsfrequenzbereich entsprechenden Wellenlänge.
Weiterführende Untersuchungen hatten die in der deutschen Patent
anmeldung Nr. 196 14 068 beschriebene Erfindung zum Ergebnis:
Wenn man die Massebezugsfläche zumindest in einer Koordinate
beidseitig zum Rand hin aufwölbt, sie z. B. ähnlich einer flachen
Mulde oder Kalotte ausbildet, dann können die Abmessungen der
Massebezugsfläche verringert werden, ohne daß die Antennenfunktion
und die Strahlungsparameter beeinträchtigt werden.
Einen Nachteil hat das hier beschriebene Antennenprinzip: Es
verlangt annähernd symmetrische Verhältnisse in der Zuordnung
der beiden flächigen Komponenten, d. h. eine möglichst zentrische
Anordnung des Flächensegments über der Massebezugsfläche. Das führt
zu Problemen bei der Positionierung derartiger Antennen z. B. an
Fahrzeugkarosserien, für die sie auf Grund der flachen Bauweise
an sich prädestiniert sind. Wenn die Flachantenne nicht als
zusätzliches Außen- und Anbauteil - z. B. auf dem metallischen Dach
oder einer Haube - "geduldet" wird, dann bietet sich am ehesten
noch die Anbringung im Fahrzeuginneren unterhalb der Front- oder
der Heckscheibe an. Dazu sollte die Scheibe möglichst flach geneigt
sein. Eine Anordnung z. B. an einer Heckscheibe ist in der schon
erwähnten DE 196 14 068 beschrieben; sie wurde ermöglicht durch
die Verringerung der Abmessungen der Massebezugsfläche durch die
sphärische Ausbildung. Dabei haben die Scheibenschräge und ein
gewisses, durch das anschließende Fahrzeugdach gegebenes Masse
ungleichgewicht zur Folge, daß sich die Strahlungscharakteristik
in der Horizontalen etwas verschiebt, d. h. die Kurve der Strahlungs
charakteristik erscheint als in Richtung des Fahrzeughecks
verschobener Kreis, und der Pegel ist in Richtung Fahrzeugfront
etwas schwächer. Dieses Ergebnis galt es zu verbessern.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur
Beeinflussung der Betriebsparameter von Flachantennen der im
Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung zu entwickeln,
damit die Antennen besser an die Spezifika unterschiedlicher
Einbaupositionen angepaßt werden können und die Flexibilität in
der Anwendung des Prinzips erweitert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche
enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.
Durch die Erfindung gelingt es, Einfluß auf die Strahlungs
charakteristik der Flachantenne zu nehmen und dadurch die typische
Rundumstrahlung auch bei für das Prinzip zunächst ungünstigen
Einsatzbedingungen zu gewährleisten.
Parallel dazu wird mit den erfindungsgemäßen Mitteln abgesichert,
daß unabhängig von allen Modifikationen bei Antennen des hier
beschriebenen Aufbaus immer auch eine gute Anpassung und eine guter
Gewinn erzielt werden kann.
Die Variation der Strahlungscharakteristik wird durch die Teilung
des Flächensegments in Verbindung mit der zweiten Kurzschluß
verbindung ermöglicht. Die Teilung in zwei etwa gleiche Hälften
unter Beibehaltung des Gesamtmaßes λ/4 hat sich in Versuchen als
günstige Ausgangsposition erwiesen; mit geringen Änderungen des
Teilungsverhältnisses sowie der Breite des Spalts oder des Maßes
der Überlappung der Teilflächen sind dann ergänzende Korrekturen
möglich.
Zur Einstellung bzw. Korrektur der Impedanz im Speisepunkt dienen
die kurzen, bandartigen Leitungsstücke beidseits der an den
Innenleiter des Antennenkabels galvanisch angeschlossenen
Teilfläche. Die Bemaßung erfolgt experimentell. Die Abmessungen
werden bei sphärischer Ausbildung der Massebezugsfläche auch noch
vom Abstand zum Rand der Kalotte bestimmt.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen konnte auch die Strahlungs
charakteristik der Antenne nach DE 195 14 068 "korrigiert" werden:
Durch das Teilungsprinzip und mit den Leitungsstücken wurde eine
fast vollkommene Rundumstrahlung bei guter Anpassung erzielt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in
schematischer Darstellung
Fig. 1 Flachantenne, Stand der Technik,
Fig. 2 Flachantenne mit kalottenartiger Massebezugsfläche,
Stand der Technik,
Fig. 3 Prinzip der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 Erfindungsgemäße Antenne für Funkbetrieb mit kalotten
artiger Massebezugsfläche, in Kombination mit einer
Patch-Antenne für Satellitenempfang.
Fig. 1 verdeutlicht den grundsätzlichen Aufbau der Flachantenne
gemäß dem Stand der Technik. Die Antenne besteht aus dem Blechsegment
1, dem Steg 2 als Kurzschlußverbindung und der Blechplatte
3 als Massebezugsfläche. Das Speisekabel 4 ist durch den Außen
leiter im Punkt 5 mit der Blechplatte 3 und durch den Innenleiter
im Speisepunkt 6 mit dem Blechsegment 1 verbunden.
Charakteristische Maße, die in einem Ausführungsbeispiel des
bekannten Stands der Technik z. B. für einen Betriebsfrequenzbereich
bei 900 MHz angegeben wurden, sind
- - Blechsegment: 76 × 87 mm,
- - Abstand zwischen Blechsegment und Blechplatte: 13 mm,
- - Blechplatte: 254 × 332 cm.
(Die Angaben für die Blechplatte stellen Mindestmaße dar; bei dem
Ausführungsbeispiel befindet sich unterhalb der Blechplatte sogar
noch ein weiteres - noch größeres - flächiges Element aus leitendem
Material.)
Fig. 2 zeigt eine Ausführung nach der oben erwähnten deutschen
Anmeldung Nr. 196 14 068. Die Massebezugsfläche ist hier, mit
allseitig aufgebogenem Rand, als flache Kalotte 7 ausgebildet.
Die Kalotte ist an einer Seite leitend an die Masse 8
angeschlossen, z. B. an den metallischen Dachrand oberhalb der
Kfz-Heckscheibe 9.
Die Abmessungen der Kalotte sind auf ein Viertel der Maße der
Massebezugsfläche 3 gemäß Fig. 1 reduziert, und bis auf die
erwähnten Pegelunterschiede in der Fahrzeug-Längsachse sind
gegenüber der Antenne nach Fig. 1 keine Beeinträchtigungen der
Antennenparameter festzustellen.
In Fig. 3 sind Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Die neue Antenne besteht aus zwei Teilflächen 10
und 11, die jede über einen separaten Steg 12, 13 - als Kurzschluß
verbindungen - mit der Massebezugsfläche 3 verbunden sind
Die Breite des Spalts 14 bei der Variante in Fig. 3a und b ist so
gewählt, daß der Spalt von dem der Betriebsfrequenz entsprechenden
Feld nicht als solcher erkannt wird und daß für dieses Feld eine
durchgehende Fläche vorliegt.
Ein gleiches Ergebnis erzielt man mit der Überlappung der
Teilflächen 10, 11, die Fig. 3c zeigt.
Durch Variation der Breite des Spalts 14 sowie der Maße A und B
der Überlappung und darüber hinaus der relativen Dielektrizitäts
konstante des Dielektrikums im Überlappungsbereich kann man die
Antennenparameter im weiteren beeinflussen.
Die an die Teilfläche 11 angesetzten Abschnitte 15 dienen, durch
Variation der Maße C und D, der präzisen Anpassung an die
Kabelimpedanz.
Mit Fig. 4 wird nochmals das Thema Flachantenne mit verringerten
Abmessungen der Massebezugsfläche in Kombination mit einer Antenne
für einen anderen Frequenzbereich aufgegriffen. Hier wird eine
erfindungsgemäße Flachantenne für Funkbetrieb, z. B. im Bereich
900 MHz, mit einer Antenne 16 für satellitengestützte Fahrzeug
navigation (GPS) kombiniert.
Der die Kurzschlußverbindung der Teilfläche 10 bildende Steg 12
schließt in einem extrem stumpfen Winkel an die Teilfläche an, so
daß auf einfache Weise die für die Funktion der Patchantenne 16
günstige größere Massefläche gewonnen wurde.
Auch diese Anordnung ist für die Positionierung unterhalb einer
Abdeckung oder eines flächigen Konstruktionselements aus einem
dielektrischen Material geeignet, ob nun Fahrzeugscheibe 9 oder
Dach oder Haube aus einem Kunststoff-Material.
Es wird betont, daß mit allen hier gezeigten Ausführungsvarianten
für den Funkbereich wie auch - bei Kombination zweier Antennen -
für den Betrieb in einer zusätzlichen Frequenz gute bis sehr gute
Strahlungscharakteristika erzielt wurden.
Claims (4)
1. Flachantenne für Frequenzen im GHz-Bereich, bestehend aus einem
Flächensegment aus elektrisch leitendem Material, das über einer
größeren leitenden Fläche, mit einem definierten Abstand und
vorzugsweise planparallel dazu, angeordnet ist und das in einem
Randbereich mit der größeren Fläche kurzschlußartig in leitender
Verbindung steht, wobei
- - das Flächensegment mit dem Innenleiter des Antennenkabels und die größere leitende Fläche mit dem Außenleiter des Antennenkabels verbunden ist,
- - die größere leitende Fläche die Massebezugsfläche der Anordnung darstellt und
- - die größere leitende Fläche in mindestens einer Koordinate zum Rand hin beidseitig hochgewölbt sein kann, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- - Das Flächensegment ist geteilt, wobei jede Teilfläche (10, 11) eine eigene Kurzschlußverbindung (12, 13) zur Massebezugs fläche (3, 7) hat,
- - die Teilung erfolgt in einer Ebene parallel zur Ebene der ursprünglich einzigen Kurzschlußverbindung (2), und es ergibt sich, im Schnitt gesehen, eine Anordnung aus 1. Kurzschluß (12)/1. Teilfläche (10) - 2. Kurzschluß (13)/2. Teilfläche (11) in Reihe,
- - die beiden Teilflächen (10, 11) sind voneinander durch einen Spalt (14) getrennt, oder die 1. Teilfläche (10) überlappt die 2. Teilfläche (11) unter Zwischenfügung eines Dielektrikums,
- - der Speisepunkt (6) als galvanische Verbindung mit dem Innen leiter des Antennenkabels (4) ist der 2. Teilfläche (11) zugeordnet, und die 1. Teilfläche (10) ist im Bereich des Spalts (14) oder der Überlappung für die Betriebsfrequenzen mit der 2. Teilfläche (11) gekoppelt,
- - die 2. Teilfläche (11) ist mit als offene Leitungsstücke wirkenden Flächenabschnitten (15) in symmetrischer Anordnung zur Beeinflussung der Impedanz im Speisepunkt (6) versehen.
2. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das HF-wirksame Gesamtmaß zwischen dem Anschluß der äußeren
Kurzschlußverbindung (12) an die Teilfläche (10) und dem
gegenüberliegenden Außenrand der Teilfläche (11) vorzugsweise
gleich dem Maß eines Viertels der dem mittleren Betriebs
frequenzbereich entsprechenden Wellenlänge λ ist und daß die
Teilung vorzugsweise mittig erfolgt.
3. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kurzschlußverbindung (12) der 1. Teilfläche (10) vorzugsweise
nicht rechtwinklig, sondern in einem stumpfen Winkel an die
Teilfläche angeschlossen ist.
4. Flachantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Kombination mit einer Antenne für eine höhere Frequenz, vorzugs
weise einer Patchantenne (16), wobei die Teilflächen (10, 11)
und die Kurzschlußverbindung (12) die Massefläche für die
Patchantenne (16) bilden.
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