DE19904943A1

DE19904943A1 - Spiralantenne

Info

Publication number: DE19904943A1
Application number: DE1999104943
Authority: DE
Inventors: Christian Pasmann; Thomas Wixforth; Eberhard Gschwendtner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-02-06
Filing date: 1999-02-06
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2019-02-07
Also published as: DE19904943B4

Abstract

Es wird eine Spiralantenne (1) vorgeschlagen, die eine einfache und in weiten Bereichen frequenzunabhängige Art der Speisung und/oder des Empfangs ermöglicht und besonders für die Ausführung als scheibenintegrierte Antenne günstig ist. Die Spiralantenne (1) umfaßt zwei elektrisch leitfähige Spiralarme (5, 10). Die Spiralarme (5, 10) sind an ihrem jeweiligen äußeren Spiralarmende (15, 20) über eine gemeinsame Zuleitung (25), insbesondere eine Bandleitung von einem Außenrand der Spiralantenne (1) bis zu mindestens einem Tor (30, 35) der Spiralantenne (1) zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen geführt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Spiralantenne nach der Gattung des Hauptanspruches aus.

Aus dem Artikel "Two arm slot spiral antenna", H. Nakano, S. Okuzawa, der Zeitschrift "Electromagnetics", vol 14 Seiten 397 bis 413, 1994 ist eine Spiralantenne mit zwei etwa parallel geführten und elektrisch leitfähigen Spiralarmen bekannt, bei der die äußeren Enden der Spiralarme an einem Außenrand der Spiralantenne gegenüberliegen und die Spiralantenne über die einander gegenüberliegenden äußeren Enden der Spiralarme von außen gespeist wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Spiralantenne mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß die Spiralarme an ihrem jeweiligen äußeren Spiralarmende über eine gemeinsame Zuleitung, insbesondere eine Bandleitung, von einem Außenrand der Spiralantenne bis zu mindestens einem Tor der Spiralantenne zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen geführt sind.

Durch die Verwendung einer gemeinsamen Zuleitung wird eine besonders einfache und in weiten Bereichen frequenzunabhängige Art der Speisung und/oder des Empfangs von Signalen über die Spiralantenne realisiert, die besonders für die Ausführung der Spiralantenne als scheibenintegrierte Antenne, beispielsweise in einer Kraftfahrzeugscheibe, günstig ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Spiralantenne möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die gemeinsame Zuleitung einerseits zu einem symmetrischen Tor zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen für Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz und andererseits zu einem asymmetrischen Tor zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen für Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz geführt ist. Auf diese Weise läßt sich die Spiralantenne besonders breitbandig einsetzen, so daß sie viele Funkdienste abdecken kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Spiralantenne auf oder in einer Scheibe, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, angeordnet ist. Dies ermöglicht eine unauffällige Anordnung einer Antenne, die insbesondere bei einem Kraftfahrzeug das Fahrzeug-Design nicht stört und eine lochlose Montage zuläßt. Die Scheibe wirkt dabei zusätzlich als Substrat, so daß die elektrischen Eigenschaften der Antenne beeinflußt werden können.

Eine Zusatznutzung der Spiralantenne ergibt sich besonders bei Anordnung auf oder in einer Scheibe eines Kraftfahrzeuges, wenn die Spiralantenne beheizbar ausgeführt ist, so daß die Scheibe mittels der Spiralantenne auch beheizt werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die Anordnung einer Spiralantenne in der Heckscheibe eines Fahrzeuges, Fig. 2 eine detaillierte Ansicht einer Spiralantenne, Fig. 3a) eine logarithmische Spirale und Fig. 3b) eine archimedische Spirale.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 kennzeichnet 50 ein Kraftfahrzeug mit einer Heckscheibe 45. Die Heckscheibe 45 umfaßt eine Spiralantenne 1, die auf der Heckscheibe 45 beispielsweise durch Kleben aufgebracht oder in die Heckscheibe 45 integriert ist. Die Spiralantenne 1 umfaßt einen ersten Spiralarm 5 und einen zweiten Spiralarm 10, die in der Mitte der Spiralantenne 1 miteinander verbunden sind, wobei die mittige Verbindung der beiden Spiralarme 5, 10 für die Verwendung der Spiralantenne 1 jedoch unerheblich ist. Die beiden Spiralarme 5, 10 sind dabei vorzugsweise etwa parallel geführt und elektrisch leitfähig. An einem Außenrand der Spiralantenne 1 gehen die beiden Spiralarme 5, 10 in eine gemeinsame Zuleitung 25 über, die insbesondere als Bandleitung ausgeführt sein kann und die bis zu einem ersten Tor 30 und einem zweiten Tor 35 der Spiralantenne 1 zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen geführt ist.

Dabei ist das erste Tor 30 als symmetrisches Tor ausgebildet und über die gemeinsame Zuleitung 25 zwischen den beiden Spiralarmen 5, 10 angeordnet. Das zweite Tor 35 ist hingegen asymmetrisch ausgebildet und über die gemeinsame Zuleitung 25 zwischen einem der beiden Spiralarme 5, 10, in diesem Beispiel dem zweiten Spiralarm 10, und einem Bezugspotential 40 angeordnet. Das Bezugspotential 40 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Fahrzeugkarosserie und dem mit ihr elektrisch leitend verbundenen metallischen Rahmen 65 der Heckscheibe 45 gegeben. Das zweite Tor 35 ist somit in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zwischen dem zweiten Spiralarm 10 und dem metallischen Rahmen 65 angeordnet. Dabei dient das symmetrische erste Tor 30 zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen für Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz f_g. Das asymmetrische zweite Tor 35 hingegen dient zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen von Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz f_g. Bei Speisung und/oder Empfang über das symmetrische erste Tor 30 ist das asymmetrische zweite Tor 35 im Leerlauf. Bei Speisung und/oder Empfang über das asymmetrische zweite Tor 35 ist das symmetrische erste Tor 30 im Leerlauf oder kurzgeschlossen.

Anhand von Fig. 2 wird im folgenden die Geometrie der Spiralantenne 1 und die Ermittlung der Grenzfrequenz f_g näher erläutert. In Fig. 2 kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in Fig. 1. Gegenüber der aus dem Artikel "Two arm slot spiral antenna" von H. Nakano, S. Okuzawa in der Zeitschrift "Electromagnetics" vol 14 Seiten 397 bis 413, 1994 bekannten Spiralantenne mit zwei etwa parallel geführten und elektrisch leitfähigen Spiralarmen, deren äußere Spiralarmenden am Außenrand der Spiralantenne einander gegenüberliegen, ist gemäß Fig. 2 der erste Spiralarm 5 um eine halbe Umdrehung am Außenrand der Spiralantenne 1 gegenüber dem zweiten Spiralarm 10 weitergeführt, so daß ein erstes äußeres Spiralarmende 15 des ersten Spiralarms 5 und ein zweites äußeres Spiralarmende 20 des zweiten Spiralarms 10 am Außenrand der Spiralantenne 1 benachbart sind, und somit in die gemeinsame Zuleitung 25 übergehen können. Die Funktionsweise der Abstrahlung und/oder des Empfangs bei der Spiralantenne 1 tritt bei einem Spiralradius auf, bei dem die Ströme in benachbarten Spiralarmen 5, 10 in Phase sind. Auf der gemeinsamen Zuleitung 25 sind die speisenden und/oder empfangenen Ströme gegenphasig orientiert. Durch die Drehung auf der Spiralantenne 1 muß die elektromagnetische Welle auf dem äußeren Spiralarm, d. h. gemäß Fig. 2 dem ersten Spiralarm 5, eine größere Wegstrecke zurücklegen als auf dem inneren Spiralarm, d. h. gemäß Fig. 2 dem zweiten Spiralarm 10. Bei einer Wegstreckendifferenz von ½ Wellenlänge zwischen den beiden Spiralarmen 5, 10 von der gemeinsamen Zuleitung 25 aus gesehen sind die Ströme in Phase und Abstrahlung und/oder Empfang kann erfolgen. Diese Wegstreckendifferenz wird bei einem Abstand s vom Außenrand der Spiralantenne 1 in Richtung zu einem Mittelpunkt M der Spiralantenne 1 erreicht.

Der Abstand s wird im folgenden bestimmt. Die in Fig. 2 dargestellte Spiralantenne 1 ist dabei als archimedische Spirale ausgebildet, deren Grundform in Fig. 3b) mit dem Bezugszeichen 55 gekennzeichnet ist. Für die Abstände der beiden Spiralarme 5, 10 vom Mittelpunkt M der archimedischen Spirale gelten die folgenden Gleichungen:

r₁ = a(ϕ + π) r₂ = aϕ (1)

Dabei ist r₁ der Abstand des ersten Spiralarms 5 vom Mittelpunkt M der Spiralantenne 1, r₂ ist der Abstand des zweiten Spiralarms 10 vom Mittelpunkt M der Spiralantenne 1, ϕ ist der zurückgelegte Winkel der Spiralarme 5, 10 bezüglich eines zylindrischen Koordinatensystems mit dem Mittelpunkt M für Spiralantenne 1 als Mittelpunkt des zylindrischen Koordinatensystems und a ist der Steigungskoeffizient der beiden Spiralarme 5, 10. Der Weglängenunterschied Δl zwischen den beiden Spiralarmen 5, 10 bei einer Umdrehung ins Innere der Spiralantenne 1 ist die Differenz der Umfänge der Spiralarme 5, 10,
also:

Δl = U₁-U₂ = 2π(r₁-r₂) (2)

Dabei ist Δl der Umfang des ersten Spiralarms 5 und U₂ der Umfang des zweiten Spiralarms 10. Der Abstand Δr zwischen den beiden benachbarten Spiralarmen 5, 10 beträgt

Δr = r₁-r₂ = aπ (3)

Die beiden Spiralarme 5, 10 haben sich nach n Windungen um den Abstand s nach innen in Richtung zum Mittelpunkt M der Spiralantenne 1 bewegt, also:

s = n2Δr = 2naπ (4)

Die Abstrahl- bzw. Empfangsbedingung wird erreicht, wenn die Ströme in Phase sind, wenn also die Wegstreckendifferenz zwischen den beiden Spiralarmen 5, 10 λ_eff/2 beträgt wobei λ_eff die effektive Wellenlänge auf den beiden Spiralarmen 5, 10 ist. Das ist der Fall, wenn

nΔl = n2πaπ = sπ = λ_eff/2 (5)

Daraus ergibt sich die Abstrahl- bzw. Empfangsbedingung bei

s = λ_eff/(2π) (6)

Für die effektive Wellenlänge λ_eff gilt

λ_eff = c₀/(f (7)

Da der Abstand s maximal so groß werden kann wie der Radius r der Spiralantenne 1, liegt damit die theoretische Grenzfrequenz f_g,theor bei

f_g,theor = c₀/2πr (8)

Dabei ist c₀ die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Freiraum und ε_r,effdie effektive relative Dielektrizitätszahl des Mediums, d. h. in diesem Fall der Heckscheibe 45 und der umgebenden Luft. In der Praxis liegt die reale Grenzfrequenz f_g,real bei etwa

f_g,real ≈ c₀/(πr (9)

was etwa der doppelten Frequenz der theoretischen Grenzfrequenz f_g,theor entspricht. Dies erklärt sich aus der Auslöschung der Ströme auf den gegenüberliegenden Spiralarmen 5, 10 im Zentrum der Spiralantenne 1 bei tiefen Frequenzen.

In Fig. 2 ist durch das Bezugszeichen 70 ein aktiver Bereich gekennzeichnet, der ungefähr im Abstand s vom Außenrand der Spiralantenne 1 ringförmig und konzentrisch zum Mittelpunkt M angeordnet ist und in dem Abstrahlung und/oder Empfang von Funksignalen erfolgt. Gleichung (6) deutet an, daß mit zunehmender Funkfrequenz der aktive Bereich 70 in Richtung zum Außenrand der Spiralantenne 1 wandert.

Die Gegenphasigkeit der Ströme in der gemeinsamen Zuleitung 25 ist durch entgegengesetzte Pfeile in Fig. 2 dargestellt. Im aktiven Bereich 70 sind die Ströme in den benachbarten Spiralarmen 5, 10 gleichphasig, wie durch die beim aktiven Bereich 70 gemäß Fig. 2 angebrachten Pfeile mit gleicher Pfleilrichtung verdeutlicht ist.

Die Eingangsimpedanz der Spiralantenne 1 entspricht der charakteristischen Impedanz der gemeinsamen Zuleitung 25, da die Spiralantenne 1 als reflexionsfreier Abschluß für die gemeinsame Zuleitung 25 wirkt. Damit ist die Eingangsimpedanz der Spiralantenne 1 in weiten Bereichen oberhalb der Grenzfrequenz frequenzunabhängig und die Spiralantenne 1 besonders breitbandig einsetzbar. Bei der Realisierung der Spiralantenne 1 als scheibenintegrierte Antenne lassen sich am ersten Tor 30 Eingangsreflexionsfaktoren erzielen, die über einen Frequenzbereich von 400 MHz bis 2.800 MHz kleiner als -10 dE betragen, so daß die Spiralantenne 1 über einen großen Frequenzbereich eine sehr gute Anpassung aufweist. Dabei ergäbe sich für eine Spiralantenne 1 über einen großen Frequenzbereich mit dem Radius r = 25 cm als theoretische Grenzfrequenz f_g,theor = 200 MHz.

Für niedrigere Frequenzen erfolgt die Speisung und/oder der Empfang von Signalen über das zweite Tor 35.

Die gemeinsame Zuleitung 25 kann auch ein Antennen- bzw. Koaxialkabel umfassen, wobei gegebenenfalls eine Transformation der Antennenimpedanz beispielsweise durch eine Baluntransformation oder eine aus der DE 196 44 339 A bekannte Antennenimpedanztransformation vorgesehen sein kann.

Es kann auch vorgesehen sein, nur das erste Tor 30 bzw. nur das zweite Tor 35 zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen vorzusehen, wobei dann jeweils nur der für das entsprechende Tor vorgesehene und beschriebene Frequenzbereich zum Senden und/oder Empfangen von Signalen zur Verfügung steht.

In einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, die Spiralantenne 1 als logarithmische Spirale auszuführen, deren Grundform in Fig. 3a) dargestellt und durch das Bezugszeichen 60 gekennzeichnet ist. Die Anordnung gemäß Fig. 2 ist dann auf die logarithmische Spirale entsprechend anzuwenden, so daß die beiden äußeren Spiralarmenden 15, 20 wieder benachbart sind und in die gemeinsame Zuleitung 25 übergehen.

In einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, daß die Spiralantenne 1 zusätzlich beheizbar ist, so daß sie auch zur Beheizung der Heckscheibe 45 verwendet werden kann.

Claims

1. Spiralantenne (1) mit zwei elektrisch leitfähigen Spiralarmen (5, 10), dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralarme (5, 10) an ihrem jeweiligen äußeren Spiralarmende (15, 20) über eine gemeinsame Zuleitung (25), insbesondere eine Bandleitung, von einem Außenrand der Spiralantenne (1) bis zu mindestens einem Tor (30, 35) der Spiralantenne (1) zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen geführt sind.

2. Spiralantenne (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Spiralarme (5, 10) am Außenrand der Spiralantenne (1) um eine halbe Umdrehung gegenüber dem anderen der beiden Spiralarme (5, 10) weitergeführt ist.

3. Spiralantenne (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Zuleitung (25) zu einem symmetrischen Tor (30) zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen für Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz geführt ist.

4. Spiralantenne (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das symmetrische Tor (30) zwischen den beiden Spiralarmen (5, 10) angeordnet ist.

5. Spiralantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Zuleitung (25) zu einem asymmetrischen Tor (35) zur Speisung und/oder zum Empfang von Signalen für Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz geführt ist.

6. Spiralantenne (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das asymmetrische Tor (35) zwischen einem der beiden Spiralarme (5, 10) und einem Bezugspotential (40), insbesondere einer Fahrzeugkarosserie, angeordnet ist.

7. Spiralantenne (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung und/oder Empfang über das symmetrische Tor (30) das asymmetrische Tor (35) im Leerlauf ist.

8. Spiralantenne (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung und/oder Empfang über das asymmetrische Tor (35) das symmetrische Tor (30) im Leerlauf oder kurzgeschlossen ist.

9. Spiralantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralantenne (1) auf oder in einer Scheibe (45), insbesondere eines Kraftfahrzeugs (50), angeordnet ist.

10. Spiralantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralantenne (1) in Form einer archimedischen Spirale (55) oder als logarithmische Spirale (60) ausgeführt ist.

11. Spiralantenne (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralantenne (1) beheizbar ist.