Die Erfindung betrifft eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige, zum Empfang und Senden von Hochfrequenzsignalen insbesondere in
den Mobilfunkbereichen (0,8-1,9 GHz) bestimmte Antennen sind in verschiedenen
Ausführungen als Stabantennen oder integrierte Antennen aus der Praxis bekannt.
Stabstrahler in gerader oder geknickter Ausbildung für Mobilfunk sind insbesondere
als λ/4-lange oder kurze dicke Monopole ("Stummelantennen") im Einsatz, die alter
nativ zur Lochmontage an einem Karosserieteil, z. B. dem Fahrzeugdach, zum Auf
kleben auf Fahrzeug-Scheiben als sogenannte "On-Glass"-Antennen oder als inte
grierte Antennen (wie etwa in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmel
dung 198 41 187.1 beschrieben) ausgebildet sind.
Viertelwellen-Monopole weisen hinsichtlich ihrer Strahlungsleistung ein Optimum
auf, sind jedoch aufgrund ihrer vertikalen Länge von bis zu etwa 8 cm bei den tiefe
ren Frequenzen der Mobilfunkbereiche für einen Einbau in flache Räume, wie etwa
zwischen einem Fahrzeugdach und dessen Innenverkleidung, dem sogenannten
Himmel, nicht geeignet.
Verkürzte Monopolantennen mit einer Länge von etwa λ/10 oder darunter, die me
chanisch für solche Montageorte in Betracht kommen, weisen jedoch nicht die ge
wünschte bzw. erforderliche Strahlungsleistung auf Dies gilt auch für abgewinkelte
Monopole, deren Gesamtlänge zwar λ/4 sein kann, deren vertikal polarisierter Anteil
der Strahlungsleistung jedoch entsprechend der Länge des vertikalen Strahlerteils für
viele Anwendungsfälle zu gering ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antenne der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei der die Vertikalstrahler eine dem λ/4-Monopol vergleichbare Strah
lungsleistung aufweisen, deren Länge in vertikaler Richtung jedoch möglichst klein
und damit zum Einbau an Montageorten geringer Höhe geeignet sind.
Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Aufgrund der Anordnung des wenigstens einen Vertikalstrahlers in einer elektrischen
Entfernung von λ/4 vom gespeisten Vertikalleiter der Antenne in Verbindung mit der
Anpassung durch die Impedanztransformations-Einrichtung(en) fließt durch jeden
Vertikalstrahler bei über dessen gesamte Länge etwa konstanter Strombelegung ein
großer Strom und bewirkt damit eine hohe Strahlungsleistung in vertikaler Polarisa
tionsrichtung. Außerdem liefert auch der gespeiste Vertikalleiter zwischen der An
schlußstelle der Speisequelle und der bzw. den Impedanztransformations-
Einrichtung(en) einen vertikal polarisierten Strahlungsanteil, so daß die Antenne ins
gesamt bei einer Länge des wenigstens einen Vertikalstrahlers von weniger als λ/10
bei der niedrigsten Mobilfunkfrequenz eine dem λ/4-Monopol vergleichbare Strah
lungsleistung aufweist. Diese minimierte Bauhöhe der Antenne in vertikaler Rich
tung von maximal etwa 2,2 cm ermöglicht ihren Einbau in niedrigen Hohlräumen
wie beispielsweise zwischen dem Dach und seiner Innenverkleidung von Fahrzeu
gen.
Die Impedanztransformations-Einrichtung kann in einer elektrischen Schaltung aus
diskreten Schaltungselementen bestehen oder als Hochfrequenzleitung mit entspre
chendem Wellenwiderstand ausgeführt sein, die insbesondere dann zweckmäßig ist,
wenn sie - wie bei Fahrzeugen - unabhängig von klimatischen Bedingungen und
Rüttelbewegungen dauerhaft störungsfrei arbeiten soll.
Der bzw. die Vertikalstrahler können aus Draht bestehen, im Hinblick auf mechani
sche Stabilität und geringe ohmsche Verluste ist es jedoch günstiger, ihn bzw. sie
entweder als dicke, z. B. zylindrische, Metallteile auszubilden oder aus Blechstreifen
herzustellen.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der
erfindungsgemäßen Antenne angegeben.
So ist eine Anordnung nach Anspruch 2 zwar länger und aufwendiger, weist jedoch
eine bessere Anpassung an eine 50 Ohm-Speisequelle sowie ein in vielen Fällen er
wünschtes oder gar erforderliches symmetrisches Strahlungsdiagramm auf.
In Anspruch 3 ist ein besonders einfacher und kostengünstig herstellbarer Antennen
aufbau beschrieben, der überdies mechanisch stabil ist sowie geringe ohmsche Ver
luste aufweist und dessen Vertikalstrahler leicht - etwa durch Löten oder Punkt
schweißen - mit Masse verbindbar ist. Darüber hinaus ist es ohne Mehrkosten mög
lich, die einzelnen Blechteile in bestimmter Formgebung auszuführen.
Mit einer Ausbildung der Antenne nach Anspruch 4 kann eine in vielen Anwen
dungsfällen erwünschte Richtwirkung erzeugt werden, die durch Anordnung und
Form des Reflektors in Grenzen den Anforderungen des Einzelfalls anpaßbar ist.
Ist der Reflektor gemäß Anspruch 5 zwischen einem Fahrzeuginnenraum und der
Einheit aus Vertikalstrahler, Impedanztransformations-Einrichtung(en) und gespei
stem Vertikalleiter angeordnet, so ist überdies der Vorteil erzielt, daß allenfalls eine
stark reduzierte Strahlung ins Fahrzeuginnere dringen kann, was zumindest im Sen
defall einen wichtigen Schutz für die Insassen und darüber hinaus vor Gerätestörun
gen darstellt.
Ein besonders einfacher Aufbau ist durch eine Doppelfunktion des Reflektors nach
Anspruch 6 ermöglicht.
Nachdem Fahrzeugantennen stets in der Nähe der Karosserie angeordnet sind, ist es
dabei vorteilhaft, diese als Massefläche zu benutzen (Anspruch 7). Sie kann dazu mit
dem Reflektor entweder galvanisch oder kapazitiv verbunden sein. Die letztgenannte
Alternative ist häufig die günstigere Lösung, da die vor der Antennenmontage er
folgte Lackierung der Karosserie dabei nicht - wie für eine galvanische Kontaktie
rung - an der Anschlußstelle entfernt werden muß.
Durch eine in Anspruch 8 angegebene Anordnung ist die Antenne auf einfache Weise
vor Umwelteinflüssen, Manipulationen und Beschädigungen gesichert. Durch die
Abdeckung ist sie außerdem von außen nicht sichtbar und gibt somit keinen uner
wünschten Hinweis auf die Fahrzeug-Ausstattung mit Mobiltelefon. Als Montageorte
kommen insbesondere die metallischen Randbereiche von Fahrzeug-Scheiben oder
auch Kunststoff-Dächer von Fahrzeugen oder Kunststoffbereiche (etwa Schiebedä
cher) von metallischen Fahrzeugdächern in Betracht.
Zur Sichtabdeckung z. B. von Fahrzeugscheiben ist in an sich bekannter Weise ein
Schwarzdruck des betreffenden Bereiches nicht nur besonders einfach und kosten
günstig sondern zugleich als Blendschutz wirksam.
Bei einer vorteilhaften Positionierung gemäß Anspruch 9 sind mit geringstem Auf
wand ins Fahrzeuginnere abragende Teile vermieden. Außerdem ist durch die An
ordnung zwischen Karosserie und Innenverkleidung zumeist bereits ohne besondere
Befestigungsmittel eine ausreichende Halterung der Antenne gewährleistet.
Ein besonders geeigneter Montageort für Fahrzeug-Mobilfunkantennen ist in An
spruch 10 angeführt. Vorteilhafterweise liegt dabei gemäß Anspruch 11 ein Teilbe
reich des Reflektors direkt oder über ein Zwischenteil am Dachflansch an.
Das Zwischenteil kann metallisch sein oder zur Beeinflussung des Koppelfaktors
einer kapazitiven Kopplung zwischen Reflektor und Metallkarosserie aus Kunststoff
mit passender Dielektrizitätskonstante bestehen. Zugleich kann dieses Zwischenteil
erforderlichenfalls als Halteteil ausgebildet und einsetzbar sein.
Ein besonderer Vorteil des genannten Montageortes besteht darin, daß eine Anten
nenabstrahlung nicht nur gemäß der durch den Reflektor bedingten Richtwirkung
erfolgt, sondern zusätzlich durch eine Wellenführung über das Fahrzeugdach auch in
etwa entgegengesetzter Richtung. Dieses Strahlungsdiagramm bewirkt eine erhebli
che Verbesserung des Sende- bzw. Empfangswirkungsgrades.
Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Antenne nach Anspruch 12 ist auf einfache
Weise mechanisch stabil, ohne daß die Antennenelemente als solche stabil sein müs
sen. Durch entsprechende Wahl des Materials kann darüber hinaus das Trägerteil den
Bedürfnissen des Einzelfalls angepaßt werden. Beispielsweise ist ein Träger aus Sty
ropor leicht und kostengünstig. Bei Verwendung eines Materials mit hoher Dielektri
zitätskonstante kann auch eine weitere Verkleinerung der Antenne bewirkt werden.
Besonders unkompliziert und kostengünstig ist es, die Antennenelemente gemäß An
spruch 13 als Metallbeläge des Trägerteils auszubilden und/oder nach Anspruch 14
im Trägerteil einzugießen bzw. zu umspritzen, wobei die Spritzgußmasse das Trä
gerteil bildet.
Selbstverständlich sind auch Kombinationen derartiger Ausführungen möglich. Ei
ne vorteilhafte Ausgestaltung besteht z. B. darin, Vertikalstrahler, Impedanztransfor
mations-Einrichtung(en), vertikalen Speiseleiter und Anschlußkabel mit Kunststoff
zu umspritzen und den Reflektor als Metallbelag - etwa eine auf das als Spritzgußteil
ausgebildete Trägerteil aufgeklebte Metallfolie - vorzusehen.
Sofern im Einzelfall Befestigungsteile erforderlich sind, können diese als Teil des
Trägerteils selbst oder als darin eingegossene Teile kostengünstig bereit gestellt wer
den (Anspruch 15.)
Eine vorteilhaft einfache und in der Regel platzsparende Anordnung des Trägerteils
und damit der vollständigen Antenne ist in Anspruch 16 angegeben. Zumeist können
dabei komplizierte Befestigungsmittel vermieden werden. Dies gilt insbesondere für
eine Befestigung durch Kleben (Anspruch 17) z. B. an einer Fahrzeug-Heckscheibe.
Vollständig ohne jegliches Befestigungsmaterial kann ein nach Anspruch 18 ausge
bildetes Trägerteil auskommen, wenn die es umfassenden Teile - etwa ein Fahrzeug
dach und die Dach-Innenverkleidung - so profiliert sind, daß die dazwischen einge
brachte Antenne nach der Montage der sie einschließenden Teile fixiert ist.
Von den Fällen abgesehen, in denen an dem gespeisten Vertikalleiter direkt ein ver
stärkendes Element angeschlossen ist (aktive Antenne), erfolgt der Anschluß an rele
vante Senderausgangs- bzw. Empfängereingangs-Schaltungen über eine Speiselei
tung. In den Ansprüchen 19 und 20 sind zwei Möglichkeiten für deren Anschluß an
gegeben. Falls der in vertikaler Richtung zur Verfügung stehende Raum des Monta
geortes es zuläßt, kann die Speiseleitung durch eine Ausnehmung der Massefläche
bzw. des Reflektors hindurch dem gespeisten Vertikalleiter zugeführt sein. In diesem
Fall sind keinerlei Störungen des elektromagnetischen Feldes zwischen Strahlerteilen
und dem Reflektor durch die Speiseleitung gegeben.
Kommt es hingegen auf minimale Abmessungen der Antenne inklusive Speiseleitung
an, so ist die Alternative gemäß Anspruch 20 günstiger, wobei ein störender Einfluß
der Speiseleitung auf das Feld zwischen Strahlerteilen und Reflektor durch ihre Füh
rung auf der Massefläche bzw. dem Reflektor minimiert ist.
Vorteilhafterweise ist die Speiseleitung ein Koaxialkabel, das gemäß Anspruch 21 an
den vertikalen Speiseleiter angeschlossen ist.
Eine breitbandige Anpassung des Antennenanschlusses an die Speiseleitung ist ge
mäß Anspruch 22 kostengünstig dadurch zu erreichen, daß der vertikale Speiseleiter
sich vom Kabelanschluß zum Übergang auf die Impedanztransformations-
Einrichtung(en) hin zunehmend verbreitert. Im Falle der Ausbildung der Strahlerele
mente als Stanzbiegeteil ist der vertikale Speiseleiter einfach als ein dreieckförmiges
abgewinkeltes Teil ausgebildet, dessen Spitze mit dem Innenleiter des koaxialen
Speisekabels kontaktiert ist.
Optimal für eine breitbandige Anpassung ist es, den Wellenübergang vom Kabel auf
den Speiseleiter noch dadurch störungsfreier zu machen, daß der vertikale Speiselei
ter im Bereich des Kabelanschlusses etwa auf einem Viertel seiner Länger von einer
sich konisch erweiternden Massefläche umfaßt ist.
In Anspruch 23 ist eine in Herstellung und Montage äußerst einfache und kostengün
stige Realisierung der Speiseleitung beschrieben, die überdies den Vorteil hat, daß sie
ohne Vergrößerung der vertikalen Antennenabmessungen auf der Unterseite der
Massefläche seitlich herausgeführt ist und damit auch keine Feldstörungen im An
tennen-Nahfeld verursachen kann.
Die in Anspruch 24 vorgeschlage mäanderförmige Ausbildung einer aus Metallstrei
fen, Draht oder auf einem dielektrischen Träger aufgebrachten Metallbelag bestehen
den Impedanztransformations-Leitung(en) ermöglicht eine Verkürzung der mechani
schen Antennenlänge und ist damit insbesondere für den Fall geeignet, daß der zur
Verfügung stehende Einbauraum für die Antenne auch in dieser Richtung gering ist.
Die Impedanztransformations-Einrichtung kann gemäß Anspruch 25 mit Elementen
zur Verbesserung der breitbandigen Transformation ausgestattet sein. Im Falle der
Ausbildung dieser Einrichtung als Drähte oder bandförmige Leiter sind solche Ele
mente sehr einfach und kostengünstig durch Verstärkungen der Drähte bzw. Flä
chenvergrößerungen bestimmter Formgebung der bandförmigen Leiter, insbesondere
in der Umgebung der Verbindungsstelle zwischen Impedanztransformations-Einrich
tung und vertikalem Speiseleiter, realisierbar (Anspruch 26).
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die Diagrammform zu beeinflussen und sie
den Bedürfnissen des Einzelfalls anzupassen, besteht gemäß Anspruch 27 bei einer
erfindungsgemäßen Antenne nach Anspruch 2 darin, die beiden Vertikalstrahler nicht
in gerader Linie über die Impedanztransformations-Einrichtungen zu verbinden, son
dern in einem Winkel <180° zueinander anzuordnen, wobei die Verbindungsstelle
der Impedanztransformations-Einrichtungen miteinander und mit dem vertikalen
Speiseleiter den Scheitelpunkt bildet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Antenne ist in An
spruch 28 angeführt. Bei ihr sind besondere Befestigungsmittel zumeist unnötig, weil
diese fest innerhalb der sie umfassenden Teile, z. B. Fahrzeugteile, angeordnet sind.
Dabei ragen sie an keiner Stelle in unerwünschter Weise vom Montageort ab (etwa in
einen Fahrzeug-Innenraum) und können ihrerseits als Stütze zum Beispiel für eine
Innenraumverkleidung von Fahrzeugen dienen.
Bei einer Anordnung der Antenne in Fahrzeugen asymmetrisch zur Fahrzeug-Längs
achse (Anspruch 29), z. B. in der Nähe der rechten oberen Ecke der Heckscheibe, ist
der Vorteil erzielt, daß das Strahlungsdiagramm auch zur Seite hin verbessert ist.
Bei Verwendung der Antenne in Fahrzeugen mit Kunststoffkarosserie ist es beson
ders vorteilhaft, sie nach Anspruch 30 in diese zu integrieren, insbesondere sie ko
stengünstig bereits bei der Karosserieherstellung in einem Fertigungsgang einzubrin
gen.
Die beschriebenen Antennen können gemäß den Ansprüchen 31 oder 32 miteinander
und/oder mit anderen Antennen zu einem vorteilhaften Antennensystem kombiniert
werden, um beispielsweise das Strahlungsdiagramm auf beiden Seiten des Fahrzeugs
zu verbessern, den Antennengewinn zu vergrößern oder auch eine Diversity-Einrich
tung zu schaffen.
Die Erfindung wird nachfolgend noch anhand eines als Mobilfunkantenne für Fahr
zeuge eingesetzten Ausführungsbeispiels in den Figuren erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Prinzipaufbau der Mobilfunktantenne ohne Trägerteil und
Fig. 2 einen Schnitt durch die innerhalb des oberen Randbereichs der Fahrzeug
heckscheibe angeordneten Mobilfunkantenne.
Die Mobilfunkantenne 1 besteht aus zwei, etwa 1/10 der mittleren Betriebswellen
länge langen Vertikalstrahlern 2, zwei diese miteinander und mit dem mittig ange
ordneten vertikalen Speiseleiter 3 verbindende Impedanztransformations-Leitungen 4
sowie einem mit einer Massefläche 5 elektrisch verbundenen Reflektor 6, einem
koaxialen Anschlußkabel 7 und einem dielektrischen Trägerteil 8.
Vertikalstrahler 2, vertikaler Speiseleiter 3 und Impedanztransformations-Leitungen
4 sind einstückig als Stanzbiegeteil aus Blech kostengünstig hergestellt und mittels
abgewinkelten Laschen 9 der Vertikalstrahler 2 zugleich an der Massefläche 5 bzw.
dem Reflektor 6 befestigt und elektrisch damit verbunden.
Zur breitbandigen Anpassung an den 50 Ohm-Wellenwiderstand des Koaxialkabels 7
weist zum einen der Verbindungsbereich 10 der Impedanztransformations-Leitungen
4 eine vergrößerte Fläche bestimmter Gestaltung auf, deren Größe und Form experi
mentell ermittelt wurde. Zum anderen ist der von dem Verbindungsbereich 10 zur
Massefläche 5 hin abgebogene Speiseleiter 3 derart dreieckförmig ausgebildet, daß er
sich zum Anschlußpunkt 11 hin verjüngt, an dem seine Spitze mit dem Kabel-
Innenleiter 12 galvanisch verbunden ist. Der Kabelaußenleiter 13 ist mittels einer
Schelle 14 mit der Massefläche 5 bzw. dem Reflektor 6 kontaktiert. Das koaxiale
Anschlußkabel 7 ist auf der Massefläche 5 bzw. dem Reflektor 6 seitlich weggeführt
und verringert damit die sehr kleine Bauhöhe der Antenne 1 von etwa 2,5 cm nicht.
Bei dem beschriebenen Aufbau ist trotz der geringen Bauhöhe aufgrund der über die
gesamte Länge der Vertikalstrahler 2 etwa konstanten hohen Strombelegung sowie
der breitbandigen Anpassung eine dem λ/4-Monopol vergleichbar große Strah
lungsleistung erzielt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten konkreten Ausführung sind die als Einheit aufgebau
ten Antennenelemente 2, 3 und 4 zusammen mit dem Endbereich des an den Speise
leiter 3 angeschlossenen Koaxialkabels 7 in ein Kunststoffträgerteil 8 eingegossen.
Auf der zum Fahrzeug-Inneren hinweisenden Oberfläche ist ein als Reflektor 6 die
nender Metallbelag auf das Trägerteil 8 aufgebracht, mit dem die Lasche 9 der Verti
kalstrahler 2 und der Kabelaußenleiter 13 galvanisch verbunden sind.
Durch die Wahl eines Kunststoffes mit einer relativen Dielektrizitätskonstante <2 ist
die Größer der Antenne noch weiter verringerbar.
Die Mobilfunkantenne 1 ist im Fahrzeug-Inneren im oberen Randbereich der Heck
scheibe 15 zwischen dieser, einem Flansch 16 des metallischen Fahrzeugdachs 17
und dem als Innenverkleidung des Fahrzeugdachs 17 angebrachten sogenannten
Himmel 18 asymmetrisch, d. h. im oberen rechten Eckbereich der Heckscheibe 15
angeordnet.
Zur Halterung der Mobilfunkantenne 1 ist das Trägerteil 8 an der Innenfläche der
Heckscheibe 15 festgeklebt und von Haltewinkeln 19, 20 des Himmels 18 umfaßt,
der dadurch an dieser Stelle selbst befestigt ist.
Der Reflektor 6 kann galvanisch mit dem Flansch 16 des die Massefläche bildenden
Fahrzeugdachs 17 verbunden sein, im vorliegenden Fall ist er durch den Endabschnitt
des einen Haltewinkels 19 vom Dachflansch 16 getrennt, so daß eine kapazitive Ver
kopplung gebildet ist.
Zur Abdichtung der Karosserieöffnung zwischen der Heckscheibe 15 und dem Fahr
zeugdach 17 ist eine Kleberaupe 21 vorgesehen.
Der obere Bereich der Heckscheibe 15 ist auf der Innenseite derart mit einem
Schwarzdruck 22 versehen, daß die Mobilfunkantenne 1 von außen nicht sichtbar ist.