DE19706913A1 - Mobilfunk-E-Planarantenne - Google Patents

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturi­ sierten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und koordinatenseitig breiten Sektorstrahlung sowohl in der Horizontal- als auch in der Vertikalebene vorzugsweise innerhalb des Spektralbereiches zwischen 1710 MHz und 1890 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Entwicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre, so daß insbesondere für den Bereich der Fahrzeuganwendungen eine Antennenkompo­ nente entsteht, die es bei Anbringung der Antenne an den verglasten Flächen des Fahrzeuges ermöglicht, den Fahrgastraum aus dem Strahlungsraum des Strahlers auszublenden und hiermit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers gegenüber bekannten Antennenlösungen für diesen Bereich zu mini­ mieren. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montage­ möglichkeit des Planarstrahlers auf den verglasten Flächen und damit voraus­ gehend der konzeptions- bzw. dimensionierungsseitigen Berücksichtigung der elektromagnetisch relevanten Eigenschaften der dem Antennenmodul räumlich vorgeordneten dielektrischen Schichten oder Räume, vorzugsweise der ent­ sprechenden Verglasungen des Fahrgastraumes.

Das Ziel der Erfindung besteht weiterhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukturträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Platten, vorzugs­ weise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwen­ dung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abwei­ chenden Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung mittels verteilter kapazitiver Strukturelemente zu erwirken.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil­ funkbereich innerhalb des Mobilfunk-E-Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente bzw. Ersatzkomponente der Fahrzeug­ außenantenne mit der Montagemöglichkeit innerhalb des Fahrgastraumes. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraum­ anwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Kompo­ nente vom jeweiligen Endgerät bildet und an der betreffenden Raumverglasung innenseitig und flächig montiert wird.

Die Strahlerkomponente ist vorteilhaft in den Fällen anwendbar, in denen der rückwärtig zur Antennenapertur gelegene Raum strahlungsfrei bzw. strahlungs­ arm gehalten und damit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers minimiert werden soll.

Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- oder Mittelstreckenübertragungssysteme für kommuni­ kations-, sensor- oder sicherheitstechnische Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilfunkanwendungen be­ ruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopolanordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Bordantennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät ge­ koppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungsgrad behaftet, wobei diese Komponenten in der Azimutalebene aus­ schließlich rundstrahlend sind. Bekannte Flachantennenlösungen beruhen auf flächenhaft angeordneten, dipolähnlichen Konfigurationen, deren Richtdiagramm unregelmäßig und in Verbindung mit dem jeweiligen Untergrund die Merkmale einer signifikanten Strahlungsfelddeformation aufweisen. Die auf den Anwen­ dungsbereich bezogenen Strahlungseigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungs­ eigenschaften des Strahlungsdiagrammes nicht nachweisbar. Gleichfalls sind keine Lösungen bekannt, deren elektromagnetische bzw. Strahlungseigenschaften auf der Basis unsymmetrischer und offener Wellenleitertechniken, insbesondere der Microstriptechnik, unter Verwendung selbsttragender leitfähiger Folienleiter oder folienähnlicher Leitflächen erzielt werden.

Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständlichen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder ersetzbare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfinderische Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem mini­ aturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und räumlich breiten Sektorstrahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene sowie einer ausge­ prägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre vorzugsweise innerhalb des Spektralbereiches zwischen 1710 MHz und 1890 MHz.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem zwei leitfähige Platten oder Folien in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander angeordnet werden, wobei die leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen Beran­ dung ausgebildet sowie die Funktion einer Massefläche erfüllt und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet wird, wobei die leitfähige Platte oder Folie (2) gegenüber der Vollkreisfläche um einen Sehnenabschnitt reduziert wird und somit die zum Sehnenabschnitt komple­ mentäre Fläche darstellt und die Sehne eine geradlinige Kante (3) der leitfähigen Platte oder Folie (2) bildet. Gegenüber der geradlinigen Kante (3) wird die kreis­ abschnittförmige Platte oder Folie (2) erfindungsgemäß leitfähig mit der kreisför­ migen Platte oder Folie verbunden, wobei die Verbindungselemente (4) punktuell angeordnet werden und der Querschnitt sowie Ort und Anzahl der Verbindungs­ elemente die Schwingungsbedingung des Strahlers beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird die kreisabschnittförmige Platte oder Folie (2) in einer parallel zur geradlinigen Kante (3) verlaufenden Linie mit kreisförmigen Blenden versehen werden, wobei Position, Anzahl und Durchmesser der eingebrachten Blenden (5) in gleicher Weise wie die leitfähigen Verbindungselemente (4) die Schwingungsbedingung des Resonanzstrahlers beeinflussen. Die Anregung bzw. Speisung der elektromagnetisch resonant schwingenden Anordnung erfolgt mittels einer koaxialen Wellenleitung, indem der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisabschnittförmigen Platte oder Folie (2) ver­ bunden und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreis­ förmigen Platte oder Folie (1) verbunden wird. Der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters wird durch eine elektromagnetische Blende (6), die als kreis­ förmige Öffnung innerhalb der kreisförmigen Platte oder Folie (1) ausgeführt ist, axialsymmetrisch zur Blendenberandung und ohne galvanische Verbindung zu dieser geführt, wobei zur Gewahrleistung der Axialsymmetrie der Innenleiter über der Länge der Distanz zwischen den Platten (1) und (2) mit einer dielektrischen Buchse (7), deren Außendurchmesser dem Blendendurchmesser und deren Innendurchmesser dem Durchmesser des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters angemessen ist, umschlossen wird. Hierbei wird der Blendendurchmesser impe­ danzrichtig gewählt, wobei die Eingangsimpedanz durch den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (8) innerhalb der Fläche der kreisabschnittförmigen Platte oder Folie (2) bestimmt ist bzw. festgelegt wird.

Die Anordnung wird geometrieseitig für den Resonanzfall dimensioniert, wobei die der Apertur vorgeordnete dielektrische Montageebene bzw. -schicht, die hierbei durch die entsprechende Raum- oder Fahrzeugverglasung oder auch anderweitige dielektrische Körperebenen vergegenständlicht wird, in ihrer elektromagnetischen, primär kapazitiven Wirkung mittels einer induktiven Verstimmung der dielektrischen Störung äquivalenten Grades berücksichtigt wird. Die für den gegenständlichen Anwendungsfall erforderliche relative spektrale Bandbreite wird insbesondere durch die antiparallele Ausbildung der Verbindungslinie der leitfähigen Verbindungen (4) sowie der Sehnenkante (3) zueinander erzielt.

Ausführungsbeispiel

Die gegenständliche Erfindung soll mittels eines Ausführungsbeispiels für den Frequenzbereich zwischen 1710 MHz und 1890 MHz näher erläutert werden. Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreis­ förmiger Berandung und dem Durchmesser von 90 mm über eine Distanz von 4,8 mm mit einer zweiten leitfähigen metallischen Platte (2), die als Kreisab­ schnitt ausgeführt ist, flächenparallel gekoppelt, wobei die Mittelpunkte sowohl der Vollkreisfläche als auch der Kreisabschnittsfläche auf einer identischen Achse angeordnet werden und gemäß der Abb. 2 die leitfähige Platte (2) an fünf Punkten, wobei einer der fünf Punkte auf der in der Ebene der Kreisabschnitts­ fläche verlaufenden Symmetrielinie der Anordnung positioniert wird, mit der leitfähigen Platte (1) leitfähig gekoppelt wird, indem leitfähige Verbindungs­ elemente (4) gemäß der Abb. 3 an den in der Abb. 1 gekenn­ zeichneten Positionen zwischen der leitfähigen Platte (1) und der leitfähigen Platte (2) eingebracht werden. Die galvanische Kopplung des Innenleiters des koppelnden koaxialen Wellenleiters erfolgt mit der leitfähigen Platte (2) im Punkt (8). Hierbei wird der Innenleiter mittels einer dielektrischen Buchse (7), vorzugs­ weise PTFE-Buchse, zentrisch zwischen den leitfähigen Platten (1) und (2) zur sowie durch die Blende (6) innerhalb der leitfähigen Platte (1) geführt. Die PTFE- Buchse wird hierbei als Zylindermantel der Länge von 4.8+/-0.1 mm ausgeführt, dessen Außendurchmesser mit 1.4-0.1 mm sowie dessen Innendurchmesser über einer Länge von 3.8-0.1 mm mit 1.4 mm sowie über einer Länge von 1 mm mit einem Innendurchmesser von 2.2 mm bemessen werden. Der Außenleiter des signalkoppelnden koaxialen Wellenleiters wird mit der flächenparallel zur Platte (2) angeordneten leitfähigen Platte (1) in unmittelbarer Umgebung der Blende (6) gekoppelt.

Claims (4)

1. Mobilfunk-E-Planarantenne, bestehend aus einer Anordnung geometrisch definierter und leitfähiger Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei leitfähige Platten oder Folien in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander angeordnet werden, indem die leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet wird, wobei die leit­ fähige Platte oder Folie (2) gegenüber der Vollkreisfläche um einen Sehnenab­ schnitt reduziert und die zum Sehnenabschnitt komplementäre Fläche erstellt wird sowie die Sehne eine geradlinige Kante (3) der leitfähigen Platte oder Folie (2) bildet;
• - die kreisabschnittförmige Platte oder Folie (2) gegenüber der geradlinig ver­ laufenden Kante (3) leitfähig mit der kreisförmigen Platte oder Folie (1) ver­ bunden wird, wobei die leitfähige Verbindung mittels punktuell angeordneter Verbindungselemente (4) erzielt wird;
• - die kreisabschnittförmige Platte oder Folie (2) in einer parallel zur geradlinigen Kante (3) verlaufenden Linie mit kreisförmigen Blenden (5) versehen wird;
• - die Anordnung mit einem koaxialen Wellenleiter gekoppelt wird, indem der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisabschnittförmigen Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisförmigen Platte oder Folie (1) verbunden wird, wobei der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters durch eine kreisförmige Blende (6), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der kreisförmigen Platte oder Folie (1) aus­ geführt ist, axialsymmetrisch zur Blendenberandung und ohne galvanische Verbindung zu dieser geführt wird.

2. Mobilfunk-E-Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Verbindung zwischen den leitfähigen Platten (1) und (2) mittels ge­ schlossener leitfähiger und flächenhaft, vorzugsweise streifenförmig, ausge­ bildeter Materialien erfolgt.

3. Mobilfunk-E-Planarantenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berandung der leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) kreisförmig, elliptisch, dreieckförmig oder hexagonal ausgebildet wird, wobei die Anordnung der Verbindungselemente (4) geradlinig derart verläuft, daß die beiden Halb­ längen unter einem Winkel, ausgenommen die Winkelwerte von 0 Winkelgrad sowie 90 bis 359 Winkelgrad, gemessen zwischen einer Halblänge und der Winkelhalbierenden, zueinander angeordnet werden.

4. Mobilfunk-E-Planarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Blenden (6) kreisförmig, elliptisch, dreieckförmig, hexagonal, penta­ gonal, rechteckig, quadratisch oder unregelmäßig ausgeführt wird.