DE202012012609U1

DE202012012609U1 - Antennenanordnung mit flachbauendem Antennenelement

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Publication number: DE202012012609U1
Application number: DE202012012609U
Authority: DE
Original assignee: ANTONICS ICP GmbH; ANTONICS-ICP GmbH
Current assignee: Antonics De GmbH
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-09-16
Anticipated expiration: 2022-09-15
Also published as: DE102012108600B3

Abstract

Antennenanordnung mit einem eine ebene Oberfläche (2) für die Antennenmasse ausbildenden Metallelement (1) und mit mindestens einem als Ringantennenstruktur ausgebildeten, rundstrahlendem Antennenelement, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Antennenelement gebildet ist aus einer gegenüber der Antennenmasse, nämlich gegenüber deren ebener Oberfläche (2), beabstandeten, in einem mittleren Bereich über einen Steg (6) leitend mit der Antennenmasse verbunden Metallscheibe (3) mit einer parallel zur Oberfläche (2) der Antennenmasse angeordneten Kreisfläche und aus zwei leitfähigen, ebenfalls von der Oberfläche (2) beabstandeten und innerhalb des Abstandes zwischen der Metallscheibe (3) und der ebenen Oberfläche (2) konzentrisch zu dem Steg (6) angeordneten geschlossenen Ringen (4, 5), von denen ein innerer Ring (4) einen gegenüber der Metallscheibe (3) geringeren Durchmesser und ein äußerer Ring (5) einen gegenüber der Metallscheibe (3) größeren Durchmesser aufweist, wobei der innere Ring (4) niederohmig gegen die Antennenmasse abgeschlossen ist und der äußere Ring (5) einen Anschlusspunkt (7) zur Verbindung mit dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks oder mit dem signalführen Leiter (9) eines mit seiner Abschirmung (11) mit der Antennenmasse verbundenen Antennenkabels (8) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit mindestens einem Antennenelement, welches in Form einer flachbauenden und rundstrahlenden Ringantennenstruktur ausgebildet ist. Sie bezieht sich dabei auf eine Antennenanordnung, deren vorgenanntes Antennenelement ja nach Einsatzfall als breitbandig angepasste Monobandantenne oder als eine, bezogen auf ein bestimmtes Band, hochselektive Antenne mit einem im Verhältnis zur Baugröße günstigen Antennengewinn nutzbar ist.
Das aktive, das heißt in Bezug auf Sendesignale strahlende Element einer Antenne wird, unter Berücksichtigung gegebenenfalls zur Anpassung erforderlicher Verkürzungsfaktoren, bezüglich seiner Länge in der Regel in einem definierten Verhältnis zur Wellenlänge über die jeweilige Antenne auszusendender und zu empfangender Funksignale ausgelegt. Üblich ist es dabei insbesondere, dieses Element mit einer der Hälfte oder einem Viertel der Wellenlänge entsprechenden Länge auszulegen. Man spricht insoweit von Lambda-Halbe- oder Lambda-Viertel-Strahlern. Insbesondere bei der Übertragung von Funksignalen nicht zu hoher Frequenz, das heißt mit Frequenzen im Megahertzbereich bis hinunter in den Kilohertzbereich, sind dabei wegen der umgekehrten Proportionalität von Frequenz und Wellenlänge sehr große Längen für das strahlende Element erforderlich. Im Hinblick auf Sendemasten, welche nach dem Grundprinzip der Stabantenne ausgebildet sind, bedingt dies sehr hohe Antennenmasten mit Höhen von gegebenenfalls hundert Metern und mehr.
Aber auch im Bereich des Daten- und Mobilfunks, für welchen typischerweise Frequenzen von mehreren hundert Megahertz bis in den Gigahertzbereich hinein genutzt werden, wäre im Falle einer Realisierung von Antennen, wie sie beispielsweise in entsprechenden Endgeräten verbaut werden, durch Stabantennen eine nicht unbeträchtliche Länge für die Antennen erforderlich. Daher sind im Laufe der Zeit Antennenkonzepte entwickelt worden, bei welchen das Prinzip der Stabantenne mit dem Ziel einer mechanischen Verkürzung beziehungsweise einer Erzielung kompakterer Bauformen in unterschiedlicher Weise abgewandelt wurde. Als ein Beispiel hierfür ist im Zusammenhang mit Stabantennen die Verwendung einer so genannten Dachkapazität bekannt geworden. Hierbei wird am Ende eines Antennenstabes, insbesondere eines Sendemastes, eine gitter- oder speichenförmige oder gar eine flächige Struktur aus Metall angeordnet. Diese Struktur wirkt gegenüber der Antennenmasse – im Falle des Antennenmastes gegenüber dem Erdboden – vergleichbar einer Kondensatorscheibe, welche über ein Dielektrikum, nämlich die Luft, von der Antennenmasse räumlich getrennt ist. Durch diese konstruktive Maßnahme wird, ohne die mechanische Länge eines Antennenstabes beziehungsweise die Höhe eines Antennenmastes vergrößern zu müssen, die elektrisch wirksame Länge des Antennenelements vergrößert.
Darüber hinaus sind Antennen bekannt geworden, welche einen schleifenförmigen Aufbau oder, ohne das Grundprinzip des Dipols zu verlassen, die Form eines offenen Ringes aufweisen. Mit Hilfe derartiger Anordnungen lassen sich deutlich flacher bauende beziehungsweise Antennen mit verringerter Länge aufbauen.
Aus der DE 199 38 559 A1 ist ein Dualbandstrahlersystem mit Rundstrahlungscharakteristik bekannt geworden, bei welchem zwischen einem als Antennenmasse fungierenden metallischen Element und mindestens einer im Abstand dazu angeordneten Metallscheibe, welche offenbar vergleichbar einer Dachkapazität wirkt, ein geschlossener metallischer Ring angeordnet ist. Hierbei wird ein zur Weiterleitung abzustrahlender oder empfangender Funksignale dienendes Koaxialkabel, anders als bei Stab- oder Mastantennen mit Dachkapazität, nicht an der vorgenannten Metallscheibe, sondern an den metallischen, zwischen ihr und der Antennenmasse angeordneten geschlossenen Ring geführt. Durch die in der Schrift beschriebene Anordnung wird eine vergleichsweise kompakte Bauform des entsprechenden Strahlersystems bei gleichzeitig guten HF-Eigenschaften erreicht. Allerdings sind die Antennenhöhe und der Durchmesser des Antennenelements, jedenfalls dann, wenn mindestens ein bestimmter Antennengewinn und eine gewisse Breitbandigkeit für die Antennenanordnung gefordert werden, für einige denkbare Anordnungen immer noch zu groß. So werden besonders flach bauende Antennen beispielsweise zur Montage auf Fahrzeugdächern oder in bestimmten Bereich der öffentlichen Infrastruktur benötigt. Beispielsweise bestehen Überlegungen, im Zusammenhang mit der Überwachung des Kanalisationsnetzes Daten von Sensoren, wie die von Pegelmessern oder von Sensoren, welche die Entstehung giftiger Gasen detektieren, über Funk an eine Überwachungszentrale zu übertragen. Unter sicherheitspolitischen Aspekten kann es darüber hinaus sinnvoll sein, dass an eine entsprechende Überwachungszentrale im Falle eines unbefugten Öffnens eines Kanaldeckels Daten zur Signalisierung dessen übertragen werden. Bei Einsatz entsprechender Technik könnte so beispielsweise das im Falle von Staatsbesuchen teilweise übliche Verschweißen der Kanaldeckel gegen ein unbefugtes Entfernen entbehrlich sein.
Im letztgenannten Fall setzt der Einsatz entsprechender Funktechnik jedoch auch voraus, dass Antennenelemente bereitstehen, welche zur Übertragung von Funksignalen über die hierfür in Betracht kommenden Frequenzbänder beziehungsweise Frequenzkanäle geeignet sind und gleichzeitig eine Bauform aufweisen, welche den beschränkten Platzverhältnissen Rechnung trägt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenanordnung bereitzustellen, welche hinsichtlich der unterstützten Frequenzbänder flexibel an die jeweiligen Erfordernisse anpassbar ist und dabei, unabhängig von den vorstehend beispielhaft genannten Einsatzfällen, eine möglichst kompakte, das heißt insbesondere flachbauende Bauform sowie einen im Verhältnis zur Baugröße günstigen Antennengewinn und eine hohe Bandbreite aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben.
Die zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene Antennenanordnung besteht aus einem eine ebene Oberfläche für die Antennenmasse ausbildenden Metallelement und mindestens einem rundstrahlenden Antennenelement, welches als Ringantennenstruktur ausgebildet ist. Das mindestens eine, zusammen mit der Antennenmasse eine Antenne ausbildende Antennenelement besteht dabei aus einer gegenüber der durch das eingangs genannte Metallelement ausgebildeten ebenen Oberfläche der Antennenmasse beabstandeten Metallscheibe und erfindungsgemäß zwei leitfähigen, ebenfalls von der ebenen Oberfläche der Antennenmasse beabstandeten geschlossenen Ringen. Die erstgenannte Metallscheibe ist in einem mittleren Bereich, also jedenfalls nicht im Bereich ihres Außenumfangs, sondern vorzugsweise eher direkt mit ihrem Mittelpunkt, über einen Steg, welcher einen Widerstand ausbildet, leitend mit der Antennenmasse verbunden. Der vorgenannte Steg ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. Darüber hinaus kommt aus praktischer Sicht insbesondere eine quaderförmige Ausbildung des Steges in Betracht, wobei aber letztlich auch andere Formen denkbar sind. Innerhalb des Abstandes zwischen der Metallscheibe und der ebenen Oberfläche der Antennenmasse sind die beiden vorgenannten geschlossenen Ringe konzentrisch zu dem die Metallscheibe mit der Antennenmasse verbindenden Steg angeordnet. Dabei weist ein innerer Ring einen gegenüber der Metallscheibe (die Metallscheibe soll nachfolgend auch als Dachkomponente bezeichnet werden) geringeren Durchmesser auf, wobei der andere Ring als ein äußerer Ring mit einem gegenüber der Metallscheibe größeren Durchmesser ausgebildet ist. Dieser äußere Ring bildet einen aktiven Teil des rundstrahlenden Antennenelements aus und weist demgemäß einen Anschlusspunkt zur Verbindung mit dem signalführenden Leiter eines Antennenkabels oder dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks auf. Die Abschirmung des entsprechenden Antennenkabels ist hierbei, wie üblich, mit der Antennenmasse zu verbinden. Letzteres gilt entsprechend für die nichtsignalführenden metallischen Teile eines gegebenenfalls verwendeten HF-Verbindungsstücks. Der innere Ring des rundstrahlenden Antennenelements ist gegen die Antennenmasse niederohmig, nämlich vorzugsweise mit 50 Ohm abgeschlossen.
Hervorzuheben sind an dieser Stelle nochmals folgende wesentliche Punkte. Bei den beiden Ringen des Antennenelements, von denen einer einen geringeren Durchmesser als die Dachkomponente (Metallscheibe) und einer einen demgegenüber größeren Durchmesser aufweist, handelt es sich jeweils um geschlossene Ringe, die über ihren gesamten Umfang aus einem leitenden Material, vorzugsweise aus Metall, bestehen. Der äußere Ring bildet einen aktiven Teil des rundstrahlenden Antennenelements aus und ist demgemäß für den Anschluss des signalführenden Leiters eines Antennenkabels oder den signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks vorgesehen. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem inneren Ring um eine dem Grunde nach eher passive Komponente des Antennenelements, die niederohmig mit der Antennenmasse verbunden ist, welche gegebenenfalls auch noch mit weiteren Antennenelementen zusammenwirken kann. Im letztgenannten Fall sind entsprechende Strukturen zur Ausbildung weiterer Antennenelemente vorzugsweise unterhalb des Dachelements, aber jedenfalls bezüglich des Durchmessers der gesamten Struktur innerhalb des äußeren Rings des zuvor in seinem Aufbau dargestellten Antennenelements angeordnet.
Im Hinblick auf die spezielle erfindungsgemäße Ausbildung des mindestens einen, als Ringstruktur realisierten Antennenelements wird davon ausgegangen, dass der äußere aktive Ring den inneren Ring infolge einer induktiven Kopplung erregt und dieser seinerseits in Wechselwirkung mit der Dachkomponente tritt, welche vergleichbar einer Dachkapazität wirkt. Im Ergebnis dessen hat es sich gezeigt, dass es bei Verwendung des wie zuvor erläutert aufgebauten rundstrahlenden Antennenelements vorteilhafterweise möglich ist, hinsichtlich ihrer Baugröße äußerst kompakte Antennenanordnungen zu realisieren und dabei einen annehmbaren Antennengewinn zu erzielen, der andernfalls nur mit deutlich größeren geometrischen Strukturen zu erreichen ist. Dieser kompakte Aufbau spiegelt sich in einer Anordnung mit einem vergleichsweise geringen Durchmesser (mit Blick auf das rundstrahlende, als Ringstruktur realisierte Antennenelement) und mit einer sehr geringen Bauhöhe von nur wenigen Zentimetern wider. Angaben zur bevorzugten Dimensionierung des mindestens einen Antennenelements beziehungsweise seiner Komponenten sollen dabei nachfolgend sowie im Zusammenhang mit der Darstellung eines Ausführungsbeispiels gegeben werden.
Wie bereits ausgeführt, ist der äußere Ring zur Verbindung mit dem signalführenden Leiter eines Antennenkabels oder mit dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks ausgebildet. Beabstandet zu dem dafür an dem äußeren Ring ausgebildeten Anschlusspunkt ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung ein Kurzschlusspunkt zur unmittelbar leitenden Verbindung des äußeren Rings mit der Antennenmasse vorgesehen. Dieser Kurzschlusspunkt, an welchem der äußere Ring mit der Antennenmasse kurzgeschlossen ist, ist dabei bezüglich des Anschlusspunktes für den signalführenden Leiter des Antennenkabels oder den signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks unsymmetrisch ausgebildet. Dies meint, dass der auf den Umfang des äußeren Rings bezogene Abstand zwischen dem Anschlusspunkt für das Antennenkabel oder das HF-Verbindungsstück und dem Kurzschlusspunkt im Uhrzeigersinn gemessen verschieden ist von dem entgegen dem Uhrzeigersinn gemessenen Abstand. Es wurde gefunden, dass sich beim Vorhandensein eines entsprechenden Kurzschlusses zwischen dem äußeren Ring und der Antennenmasse die Bandbreite erhöht, für welche eine gute Anpassung des mindestens einen Antennenelements an die durch dieses unterstützte Wellenlänge erreicht wird. Allerdings ist eine nennenswerte Auswirkung auf die Bandbreite der Antennenstruktur nur im Falle einer, wie zuvor beschrieben, gewissermaßen unsymmetrischen Anordnung des Kurzschlusspunktes zum Anschlusspunkt des Antennenkabels beziehungsweise HF-Verbindungsstücks zu verzeichnen. Bezüglich der vom diesem Anschlusspunkt ausgehenden Umfangslänge ist diese dabei durch den Kurzschlusspunkt gewissermaßen in zwei Segmente unterteilt, wobei die Länge des einen Segments vorzugsweise etwa drei Viertel der Gesamtumfangslänge und die des anderen Segments etwa ein Viertel des Gesamtumfangs beträgt. Vorzugsweise sollte die Anordnung des Kurzschlusspunktes jedenfalls so gewählt werden, dass dessen auf den Umfang bezogener Abstand zum Anschlusspunkt des Antennenkabels beziehungsweise des HF-Verbindungsstücks entgegen dem Uhrzeigersinn zwischen 20 % und 40 % des Abstands im Uhrzeigersinn entspricht oder umgekehrt.
Bezüglich der Umfangslängen der Ringe der mindestens einen Antennenstruktur wurde herausgefunden, dass eine gute Anpassung insbesondere dann erreicht wird, wenn der Umfang des inneren Rings dem 0,3-fachen bis 0,4-fachen und der Umfang des äußeren Rings dem 0,55-fachen bis 0,65-fachen der anzupassenden Wellenlänge entspricht. Hinsichtlich der Höhenverhältnisse zwischen der Metallscheibe und den geschlossenen Ringen, also deren jeweiligem Abstand zur ebenen Oberfläche der Antennenmasse beziehungsweise zu dem diese ebene Oberfläche ausbildenden Metallelement, wird vorgeschlagen, dass der Höhenabstand der Metallscheibe zu der ebenen Oberfläche vorzugsweise das 2-fache bis 2,4-fache des Höhenabstands des äußeren Rings zur selben Oberfläche beträgt, wobei dieser Höhenabstand wiederum dem 1,2-fachen bis 1,3-fachen des Höhenabstands des inneren Rings zu der ebenen Oberfläche der Antennenmasse und damit 1,2 % bis etwa 1,3 % der angepassten Wellenlänge entspricht, das heißt der Wellenlänge, für welche das Antennenelement speziell ausgelegt wird. Es hat sich dabei gezeigt, dass über den Abstand zwischen der ebenen Oberfläche der Antennenmasse und der Metallscheibe die Resonanzfrequenz einer mittels der in beschriebener Weis ausgebildeten Antennenstruktur realisierten Antenne eingestellt werden kann.
Für die Anpassung der Impedanz hat es sich darüber hinaus in Versuchen als vorteilhaft erwiesen, wenn der die Metallscheibe beziehungsweise die Dachkomponente mit der Antennenmasse leitend verbindende Steg einen Absatz aufweist, wobei er in dem unmittelbar an der ebenen Oberfläche der Antennenmasse angeordneten Fußbereich einen deutlich vergrößerten Querschnitt (Faktor 4 bis Faktor 5 des sonstigen, vorzugsweise einige Millimeter bis wenige Zentimeter betragenden Durchmessers) aufweist. Im Hinblick darauf, dass sich im Hochfrequenzbereich Ströme weitestgehend an der Oberfläche von Leitern ausbreiten, kann der die Metallscheibe mit der Antennenmasse leitend verbindende Steg zudem ganz oder teilweise als Hohlprofil ausgebildet sein.
Die Antennenanordnung kann, wie bereits angedeutet, noch dadurch weitergebildet sein, dass unterhalb der Metallscheibe und/oder innerhalb des äußeren Rings des mindestens einen Antennenelements ein oder mehrere weitere, an andere Wellenlängen und/oder Funkübertragungsstandards angepasste Antennenelemente ausgebildet sind. Darüber hinaus ist es möglich, unterhalb der Metallscheibe und/oder innerhalb des äußeren Rings des mindestens einen Antennenelements eine oder mehrere elektronische Baugruppen anzuordnen, die zumindest eine mit dem Antennenelement betreibbare Sende- und Empfangseinheit umfassen.
Anhand von Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben werden. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
1: eine mögliche Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung in einer räumlichen Darstellung,
2: die Antennenanordnung gemäß 1 aus seitlicher Ansicht in schematischer Darstellung.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Antennenanordnung in einer räumlichen Darstellung. Hierbei handelt es sich um eine Antennenanordnung mit nur einem rundstrahlenden Antennenelement. Die Antennenanordnung besteht aus einem die Antennenmasse oder einen Teil davon ausbildenden Metallelement 1 in Form einer im Beispiel kreisrunden Grundplatte (Metallelement 1) und dem eigentlichen Antennenelement, wobei das Metallelement 1 auf seiner dem Antennenelement zugewandten Seite eine ebene Oberfläche 2 aufweist. Das Antennenelement besteht gemäß dem Grundprinzip der Erfindung aus einer beabstandet zu der ebenen Oberfläche 2 der Antennenmasse angeordneten Metallscheibe 3 (Dachkomponente) und zwei ebenfalls von dieser Oberfläche 2 beabstandeten, dabei aber innerhalb des Abstandes zwischen der Metallscheibe 3 und dieser Oberfläche 2 angeordneten geschlossenen Ringen 4, 5, welche ebenfalls aus Metall gefertigt sind. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Antennenmasse, je nach den geforderten HF-Eigenschaften des Antennenelements, entweder ausschließlich durch das Metallelement 1 oder aber auch durch das Metallelement 1 und weitere daran angrenzende, mit ihm in einem leitenden Kontakt stehende metallische Bereiche ausgebildet sein kann. Dabei kann das Metallelement 1 gegebenenfalls auch durch einen entsprechenden, am Einbauort schon vorhandenen metallischen Flächenbereich beziehungsweise Flächenabschnitt gebildet sein, sofern dieser eine ebene Oberfläche 2 aufweist. Dies gilt selbstverständlich für die vorgestellte erfindungsgemäße Lösung allgemein und nicht nur für das beschriebene Ausführungsbeispiel. Jedenfalls hat es sich gezeigt, dass Antennen auf der Basis der erfindungsgemäßen Antennenanordnung aufgrund der speziellen Form ihres Antennenelements HF-Eigenschaften, nämlich insbesondere einen hohen Antennengewinn, eine große Bandbreite und einen guten Öffnungswinkel für abzustrahlende Funksignale ermöglichen, die mit Antennenanordnungen anderer Form und Geometrie nur mit deutlich mehr beziehungsweise größerer Antennenmasse, bei daher weniger kompakter Ausbildung, zu erzielen sind.
Die Metallscheibe 3, also die Dachkomponente, ist im Bereich ihres Mittelpunktes über einen zylinderförmigen Steg 6 leitend mit der Antennenmasse verbunden. Wie aus der Figur ersichtlich, sind die beiden Ringe 4, 5 des Antennenelements konzentrisch zu diesem Steg 6 angeordnet, wobei der Durchmesser des inneren Rings 4 geringer ist als der Durchmesser der gewissermaßen das Dach ausbildende Metallscheibe 3 und der äußere Ring 5 im Gegensatz dazu einen größeren Durchmesser aufweist als die Metallscheibe 3.
Bei einem für eine Frequenz von 150 MHz, das heißt für eine Wellenlänge λ von 2 m aufgebauten Prototyp weist der innere Ring 4 einen Durchmesser von etwa λ/8 auf, wobei sich der Durchmesser des äußeren Rings 5 an dem λ/4-Wert der Wellenlänge orientiert und bei Berücksichtigung eines Verkürzungsfaktors ca. 80 % dieses λ/4-Wertes beträgt. Dabei hat die obere Metallscheibe 3 einen Durchmesser von gut 85 % des Durchmessers des äußeren Rings 5. Der die Metallscheibe 3 mit der Antennenmasse leitend verbindende zylinderförmige Steg 6 hat einen vergleichsweise geringen Durchmesser von beispielsweise etwa 1/35 des Durchmessers der Metallscheibe 3 und eine Höhe, welche dem ca. 51/2-fachen des Stegdurchmessers entspricht und dabei den nur wenige Zentimeter (deutlich weniger als 10 cm) betragenden Abstand zwischen der Metallscheibe 3 und der ebenen Oberfläche 2 der Antennenmasse bestimmt. Die Höhe des äußeren Rings 5 über der Oberfläche 2 beträgt demgegenüber 40 % bis 50 % der Höhe der Metallscheibe 3, wobei die Höhe des inneren Rings 4 noch etwas geringer ist als die des äußeren Rings 5 und etwa 80 % der Höhe des äußeren Rings 5 beträgt. Abweichend von der in der 1 gezeigten Ausbildungsform weist dabei der die Antennenmasse mit der Metallscheibe 3 leitend verbindende Steg 6 einen Absatz auf, wobei sein Fußbereich, also das unmittelbar mit der ebenen Oberfläche 2 der Antennenmasse verbundene Ende des Stegs 6, in einem Abschnitt von 3 % bis 4 % der Gesamtsteghöhe gegenüber dem sich anschließenden, bis zu der Metallscheibe 3 erstreckenden Abschnitt des Stegs 6 einen etwa 4-fach vergrößerten Durchmesser aufweist. Es hat sich gezeigt, dass diese geringfügige Modifizierung des Stegs 6 zu einer noch besser angepassten Impedanz des Antennenelements führt und sich außerdem seine Bandbreite etwas vergrößert. Mit dem hinsichtlich der Relationen seiner Elemente zueinander vorstehend erläuterten Prototyp wurde dabei für eine Frequenz von 150 MHz, das heißt für eine angepasste Wellenlänge von 2 m eine Brandbreite von 16 MHz erzielt. Der Antennengewinn einer aus dem betreffenden Antennenelement und der Antennenmasse gebildeten Antenne beträgt dabei entsprechend einer Simulation schätzungsweise 1,61 dBi. Dies mutet zwar nicht übermäßig viel an, da ein Monopol für diese Frequenz einen theoretischen Gewinn von 5,16 dBi aufweist. Jedoch wäre eine entsprechende Antenne eben auch sehr hoch (etwa 41 cm). Insoweit gilt es außerdem zu bedenken, dass sich Bandbreite und Gewinn diametral entgegenstehen, so dass man eine Antenne im Grunde nur auf einen Parameter hin optimieren kann oder einen Kompromiss finden muss. Der beschriebene Prototyp des erfindungsgemäßen Antennenelements ist stärker zu einer großen Bandbreite hin optimiert worden.
Wie aus der in der 1 gezeigten Darstellung gut erkennbar ist, ist der signalführende innere Leiter 9 eines koaxialen Antennenkabels 8 oder der entsprechende Teil eines HF-Verbindungsstücks an den äußeren Ring 5 herangeführt und dort an einem Anschlusspunkt 7 verlötet. Letzteres, nämlich die Verbindung des Anschlusspunktes 7 mit dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks bezieht sich auf die Möglichkeit einer auf Antennenkabel verzichtenden direkten beziehungsweise unmittelbaren Verbindung des Antennenelements mit einer Funksende- oder Funkempfangseinheit oder mit einer Funksende- und Empfangseinheit. Die Abschirmung 11 des Antennenkabels 8 oder der mit einem solchen korrespondierende nichtsignalführende metallische Teil eines HF-Verbindungsstücks ist elektrisch leitend mit der Antennenmasse, hier mit dem deren ebene Oberfläche 2 ausbildenden Metallelement 1, verbunden. Im Abstand zu dem Anschlusspunkt 7 ist der äußere Ring 5 außerdem mittels eines leitenden, vorzugsweise metallischen Stiftes 12 mit der Antennenmasse kurzgeschlossen. Es hat sich hierbei gezeigt, dass der zusätzliche Kurzschluss zwischen dem äußeren Ring 5 und der Antennenmasse zu einer besonders guten Anpassung der Impedanz des Antennenelements führt, und zwar insbesondere dann, wenn der Abstand, welchen der Kurzschlusspunkt 10 des Außenrings 5 gegenüber dem Anschlusspunkt 7, bezogen auf den Uhrzeigersinn aufweist, ein anderer ist, als in entgegengesetzter Richtung, das heißt entgegen dem Uhrzeigersinn. Vorzugsweise beträgt der Abstand in der einen Richtung etwa ein Viertel der Umfangslänge und demgemäß in der anderen Richtung etwa drei Viertel der Umfangslänge des äußeren Rings 5.
Wie aus der 1 weiterhin ersichtlich, ist der innere Ring 4 weder direkt mit der Antennenmasse kurzgeschlossen noch mit dem signalführenden Leiter 9 des Antennenkabels 8 oder dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks verbunden. Er bildet vielmehr eine passive Komponente des Antennenelements aus, welche mit einem Widerstand von vorzugsweise 50 Ohm gegen die Antennenmasse abgeschlossen ist. Neben dem metallischen Stift 12 zum Kurzschluss des äußeren Rings 5 mit der Antennenmasse ist dieser über eine Mehrzahl nicht leitender, steg- beziehungsweise stiftförmiger Elemente 15 auf dem die ebene Oberfläche 2 der Antennenmasse ausbildenden Metallelement 1 abgestützt. Entsprechendes gilt für den inneren Ring 4, der mit dem Metallelement 1, abgesehen von dem 50-Ohm-Widerstand 12, ausschließlich über nicht leitende Stege oder Stifte 14 (beispielsweise aus Kunststoff) abgestützt ist, welche den Ring 3 tragen.
Die in der 1 beispielhaft gezeigte Antennenanordnung ist aufgrund ihrer sehr kompakten kreisförmigen Ausbildung besonders geeignet für den Einsatz in der Kanalisation. Sie kann dabei unmittelbar mit einer gegebenenfalls in dem Freiraum zwischen der ebenen Oberfläche 2 der Antennenmasse und der oberen Metallscheibe 3 angeordneten Elektronik kombiniert sein. Diese Elektronik kann beispielsweise Gasdetektoren oder Sensoren zur Pegelmessung und Einheiten zum Senden und Empfangen von Funksignalen mit der schon genannten Trägerfrequenz von 150 MHz umfassen. Im Hinblick auf die sehr kompakte Bauform und die dabei dennoch erzielten guten Antenneneigenschaften bestehen für die vorgestellte Antennenanordnung vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Hierbei kann die Anordnung zudem durch weitere, unterhalb der Metallscheibe 3 und innerhalb des äußeren Rings 5 angeordnete Antennenelemente für die Nutzung anderer Frequenzbänder ergänzt sein, welche die Antennenmasse mit dem Metallelement 1 gemeinsam mit dem zuvor ausführlich beschriebenen Antennenelement nutzen.
Durch die in der 2 gezeigte schematische (bezüglich 1 nicht maßstabsgetreue) Darstellung der zuvor erläuterten Antennenanordnung mit einem rundstrahlenden Antennenelement sind nochmals die bezüglich der bevorzugten Abstände der das Antennenelement ausbildenden Komponenten gegebenen Höhenverhältnisse erkennbar. Hierbei wird deutlich, dass der Abstand der oberen Metallscheibe 3 gegenüber der Oberfläche 2 der Antennenmasse, das heißt die Höhe h_m der oberen Metallscheibe, in etwa dem Doppelten (1:2 bis 1:2,4) der Höhe h_a des äußeren geschlossenen Rings 5 beträgt. Wie ebenfalls ersichtlich, beträgt die Höhe h_i des geschlossenen inneren Rings 3 in etwa 80 % der Höhe h_a des äußeren Rings 5. Gut erkennbar sind außerdem der metallische, die obere Metallscheibe 3 mit der Antennenmasse verbindende Steg 6 sowie die Verbindung des äußeren Rings 5 mit dem signalführenden Leiter 9 des Antennenkabels 8 oder dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks und dessen im Abstand dazu bestehender Kurzschluss mit der Antennenmasse. Der Steg 6 kann, wie in dem gezeigten Beispiel, mittels einer Schraube 16 an der durch ihn gegenüber der Antennenmasse beziehungsweise deren ebener Oberfläche 2 beabstandeten Metallscheibe 3 befestigt sein. In der 2 ist bewusst auf die Darstellung der weiteren, die Ringe tragenden und sie dabei nicht leitend mit der ebenen Oberfläche 2 des Metallelements 1 der Antennenmasse verbindenden Stege beziehungsweise Stifte verzichtet worden. Die vorstehend angegebenen Relationen zwischen den Durchmessern des Antennenelements und ihren Abständen zu der ebenen Oberfläche 2 stellen nur ungefähre Angaben zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse der erfindungsgemäßen Antennenanordnung gegenüber anderen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen für Antennen dar.
Bezugszeichenliste

1: Metallelement (der Antennenmasse)
2: Oberfläche
3: Metallscheibe (Dachkomponente)
4: (innerer) Ring
5: (äußerer) Ring
6: Steg
7: Anschlusspunkt
8: Antennenkabel
9: signalführender Leiter
10: Kurzschlusspunkt
11: Abschirmung
12: (metallischer) Stift
13: Widerstand
14: nichtleitendes (stiftförmiges) Element
15: nichtleitendes (stiftförmiges) Element
16: Schraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19938559 A1 [0005]

Claims

Antennenanordnung mit einem eine ebene Oberfläche (2) für die Antennenmasse ausbildenden Metallelement (1) und mit mindestens einem als Ringantennenstruktur ausgebildeten, rundstrahlendem Antennenelement, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Antennenelement gebildet ist aus einer gegenüber der Antennenmasse, nämlich gegenüber deren ebener Oberfläche (2), beabstandeten, in einem mittleren Bereich über einen Steg (6) leitend mit der Antennenmasse verbunden Metallscheibe (3) mit einer parallel zur Oberfläche (2) der Antennenmasse angeordneten Kreisfläche und aus zwei leitfähigen, ebenfalls von der Oberfläche (2) beabstandeten und innerhalb des Abstandes zwischen der Metallscheibe (3) und der ebenen Oberfläche (2) konzentrisch zu dem Steg (6) angeordneten geschlossenen Ringen (4, 5), von denen ein innerer Ring (4) einen gegenüber der Metallscheibe (3) geringeren Durchmesser und ein äußerer Ring (5) einen gegenüber der Metallscheibe (3) größeren Durchmesser aufweist, wobei der innere Ring (4) niederohmig gegen die Antennenmasse abgeschlossen ist und der äußere Ring (5) einen Anschlusspunkt (7) zur Verbindung mit dem signalführenden Teil eines HF-Verbindungsstücks oder mit dem signalführen Leiter (9) eines mit seiner Abschirmung (11) mit der Antennenmasse verbundenen Antennenkabels (8) aufweist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ring (4) des mindestens einen Antennenelements mit 50 Ohm gegen die Antennenmasse abgeschlossen ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring (5) des mindestens einen Antennenelements an einem bezüglich seiner Umfangsrichtung gegenüber dem Anschlusspunkt (7) für den signalführenden Leiter (9) des Antennenkabels (8) beabstandeten Kurzschlusspunkt (10) mit der Antennenmasse kurzgeschlossen ist, wobei der im Uhrzeigersinn gemessene Abstand zwischen dem Anschlusspunkt (7) und dem Kurzschlusspunkt (10) ungleich deren entgegen dem Uhrzeigersinn gemessenen Abstand ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Umfangsrichtung des äußeren Rings (5) bezogene Abstand zwischen dem Anschlusspunkt (7) und dem Kurzschlusspunkt (10) entgegen dem Uhrzeigersinn zwischen 20 % und 40 % des Abstandes im Uhrzeigersinn entspricht, oder umgekehrt.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des inneren Rings (4) dem 0,3-fachen bis 0,4-fachen und der Umfang des äußeren Rings (5) dem 0,55-fachen bis 0,65-fachen der Wellenlänge λ entspricht, an welche das mindestens eine Antennenelement angepasst ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenabstand h_m der Metallscheibe (3) zu der ebenen Oberfläche (2) der Antennenmasse das 2-fache bis 2,4-fache des Höhenabstandes h_a des äußeren Rings (4) zu der Oberfläche (2) beträgt, wobei dieser Höhenabstand h_a des äußern Rings (4) das 1,2-fache bis 1,3-fache des Höhenabstands h_i des inneren Rings (3) zur Oberfläche (2) der Antennenmasse beträgt und 1,2 % bis 1,3 % der Wellenlänge λ entspricht, an welche das mindestens eine Antennenelement angepasst ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Metallscheibe (3) mit der Antennenmasse verbindende Steg (6) einen Absatz aufweist, wobei seine Querschnittsfläche in einem unmittelbar an der Oberfläche (2) der Antennenmasse angeordneten Fußbereich vergrößert ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Metallscheibe (3) mit der Antennenmasse leitend verbindende Steg (6) ganz oder teilweise als Hohlprofil ausgebildet ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Metallscheibe (3) und/oder innerhalb des äußeren Rings (5) des mindestens einen Antennenelements ein oder mehrere weitere, an andere Wellenlängen und/oder Funkübertragungsstandards angepasste Antennenelemente ausgebildet sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Metallscheibe (3) und/oder innerhalb des äußeren Rings (5) des mindestens einen Antennenelements eine oder mehrere elektronische Baugruppen angeordnet sind, welche zumindest eine mit dem betreffenden Antennenelement betreibbare Sende- und Empfangseinheit für die Funkübertragung umfassen.