DE2136759C2 - Antenne mit metallischem Rahmen und den Rahmen erregendem Unipol - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne, bestehend aus einem ebenen rechteckfönmgen metallischen Rahmen, dessen elektrisch wirksame Breite etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge der Betriebsfrequenz ist, und einem den metallischen Rahmen erregenden Unipol, als dessen Grundfläche eine Breitseite des Rahmens dient, während der Leitendes Unipols sich in der Rahmenfläche senkrecht von der Mitte der ersten Breitseite zur zweiten Breitseite hin erstreckt

Eine Antenne solcher Form auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs ist in der De-OS 19 55 004 beschrieben. Diese Antenne dient für den Rundfunkempfang in zwei Frequenzbereichen, einem AM-Frequenzband von 550 bis 1600 kHz und einem FM-Frequenzband. Um im AM-Bereich mit üblichen Empfängern empfangen zu kö;aien, benötigt diese Antenne eine große Antennenkapazität, die dadurch erzielt wird, daß die Antennenleiter mit Querteilen nahe an und parallel zu der Oberkante des Rahmens 14 liegen. Die Längsteile der Leiter erstrecken sich quer über die Scheibe zu einem Anschluß. Ein koaxiales Kabel führt zu einem Empfänger 26. Für den FM-Empfang wird eine Antennenresonanz in der Mitte des FM-Bandes bei 100 MHz dadurch erzeugt, daß die Leerlauf-Impedanz der durch die Querteile des Antennenleiters und die Oberkante des Rahmens gebildeten Übertragvngsleitungen und der Blindwiderstand der Längsteile insgesamt den Blindwiderstand Null cgeben. Dieses wird erreicht durch passende Wahl der Drahtdicke, der Drahtlänge und des Abstandes /.wischen Draht und Rahmen. Außerdem gibt es neben der Resonanz im FM-Band eine weitere Resonanz der Anordnung bei einer Frequenz von 27 MHz, die als eine Resonanz-Hohlraumcharakteristik der Windschutzscheibenöffnung bezeichnet wird.

Eine ähnliche Antenne ist bekannt aus der DE-OS 70 10571. Dabei sind innerhalb des Rahmens einer Auto-Windschutzscheibe die Antennenleiter, die als Faltdipol oder als Unipol ausgeführt sein können, auf oder in der Scheibe angebracht. Unmittelbar an ihren Ausgangsanschlüssen sind Abstimmglieder, wie Induktivitäten, Kapazitäten und/oder abgeschirmte Leitungen, angeordnet, wodurch die Antenne an das Zuleitungskabel angepaßt werden soll. Eine Mitwirkung des Rahmens als Antennenteil ist bei dieser bekannten Antenne nicht in Betracht gezogen.

Beide in den genannten Schriften dargelegten Leiterkonfigurationen bieten keine optimale Ankopplung an die im Rahmen bestehenden Felder. Die Erfinder haben erkannt, daß aufgrund der festen elektrischen Ankopplung der Antenne an den Rahmen eine Verstimmung der Eigenresonanz des Rahmens erfolgt und so im FM-Bereich eine Ausbildung der Grundresonanz des Rahmens bei dieser Frequenz nicht möglich ist. Die feste Ankopplung des Unipols gemäß der DE-OS 19 55 004, die zu einer Erniedrigung der Resonanzfrequenz des Rahmens auf fast 1/4 führt, hat

entsprechende Folgen für die Kreisgüte der Rahmenresonanz, die sich dann auch etwa auf J/4 vermindert Eine zusätzliche Verminderung der Kxeisgüte im Fall der genannten DE-OS tritt im FM-Frequenzband dadurch ein, daß dort bei diesen Frequenzen eine Resonanz höherer Ordnung verwendet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Auskopplung der Energie aus dem Rahmen im Empfangsfall, bzw. die Abstrahlung der Energie im Sendefall unter Berücksichtigung der Feldverteilung im Rahmen optimal erfolgt und dennoch an der Antennenanschlußstelle Resonanz vorliegt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Antenne der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Leiter des Unipols eine solche Länge hat, daß er mitsamt einer flächenhaft ausgebildeten Dachkapazität sich nur wenig über die Mitte der Rahmenhöhe, maximal bis zu 2/3 der Rahmenhöhe, erstreckt und die beiden Eingangsanschlüsse des Unipols mit dem ersten Tor eines veriustarmen Vierpols verbunden sind und das zweite Tor dieses Vierpols an das zugehörige Sendebzw. Empfangsgerät angeschlossen ist und der verlustarme Vierpol so gestaltet ist, daß am zweiten Tor des Vierpols annähernd Resonanz in einem möglichst breiten Betriebsfrequenzbereich besteht

Eine Antenne dieser Art gewährt in dem Betriebsfrequenzbereich, in dem die Rahmenbreite etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge ist, die optimale Strah-Iungsverkopplung mit dem umgebenden Raum.

Die Erfindung wird anhand folgender Bilder dargelegt Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Antenne nach der Erfindung mit metallischem Rahmen und Unipol, jedoch ohne den Vierpol an den Anschlüssen;

Fig.2 Rahmenströme und elektrische und magnetische Feldlinien im Rahmen bei Resonanz des Rahmens;

Fig.3 Erhöhung des Strahlungswiderstandes eines Unipols durch die Eigenresonanz des Rahmens;

F i g. 4 das. elektrische Ersatzschaltbild einer Antenne nach der Erfindung;

Fig.5 eine Antenne wie Fig. 1, jedoch mit ausgeprägterer Dachkapazität;

Fig.6 Ersatzschaltbild wie Fig.4, jedoch mit Einzelelementen des Vierpols.

In Fig. i ist 1 der metallische Rahmen und 4 der Unipol. Die Anschlußklemmen der Antenne sind im Punkt 3 des Rahmens und an einem Ende des Unipols 4 im Punkt 2, dessen Entfernung vom Punkt 3 klein gegen die Wellenlänge, beispielsweise kleiner als 1/20 der Wellenlänge ist. Der Unipol liegt in der Mitte des Rahmens. Der Unipol 4 hat eine Dachkapazität in Form eines flächenhaften Leiters. Der Metallrahmen kann mit einer nichtleitenden Fläche (z. B. Glas) ausgefüllt sein, also der metallische Rahmen eines Fensters, beispielsweise der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges sein. Der Unipol 4 kann in an sich bekannter Weise die Glasscheibe des Fensters als Halterung verwenden, parallel zur Glasscheibe oder auf ihr oder in ihr verlaufen, beispielsweise auf das Glas aufgeklebt oder in &o das Glas eingegossen sein.

Um die Wirkungsweise einer Antenne nach der Erfindung zu erläutern, ist zunächst eine Betrachtung der Resonanz des Rahmens in F i g. 2 notwendig.

Man verwendet d'e einfachste Form einer solchen μ Resonanz, die unter allen möglichen Resonanzen die niedrigste Resonanzfrequenz und die einfachste Feldverteilung hat. Diese Resonanz tritt ein, wenn die größte Breite des äußeren Rahmens in der Größenordnung einer halben Wellenlänge liegt Der Metallrahmen besitzt dann bei der Betriebsfrequenz oder in der Nähe der Betriebsfrequenz eine Resonanz, die zur Folge hat daß sich im Sendefall mit Hilfe des Unipols 4 und mit relativ kleinen Sendeleistungen ein starkes elektromagnetisches Feld im Nahbereich des Rahmens anregen läßt, wobei dieses starke Nahfeld entsprechend gute Abstrahlung in den umgebenden Raum ergibt Diese zusätzliche Abstrahlung ist daran zu erkennen, daß der Strahiungswiderstand des im Resonanzrahmen befindlichen Unipols 4 wesentlich größer ist als für einen Unipol gleicher Größe ohne Rahmen. F i g. 3 zeigt ein gemessenes Beispiel für den Strahlungswiderstand R_s eines Stabes im freien Raum (Kurve 1) und des gleichen Stabes auf der Windschutzscheibe eines Personenkraftwagens bei Ultrakurzwellen (Kurve 2). Man erkennt den typischen Verlauf der Resonanzkurve des Strahlungswiderstandes Rs- Im Empfangsfall regt eine ankommende Welle in dem Rahmen bei P:.;>onanz ein relativ starkes Nahfeld an, das nun wieder w. dem u'nipoi 4 empfangen wird.

Bei dieser Resonanz liegt das elektrische Feld nach Fig.2 vorzugsweise in der Mitte des Rahmens, und zwar senkrecht zu den längeren, in F i g. 2 waagerechten Seiten des Rahmens (Ein F i g. 2). Das magnetische Feld wird vorzugsweise an der Außenseite des Rahmens liegen und Feldlin.'en um die kürzeren in F i g. 2 senkrechten Rahmenteile bilden (i-'eldlinien H in Fig.2). Die Pfeile /geben die Richtung der Ströme im Metallrahmen an. Diese Stromkreise schließen sich durch die Verschiebungsströme längs der elektrischen Feldlinien E Der in Resonanz befindliche Rahmen verstärkt somit die abstrahlende Wirkung des Unipols 4 im Sendefall und die empfangende Wirkung im Empfangsfall.

Wichtig für eine Antenne nach der Erfindung ist die lose Ankopplung des Unipols an den Rahn.en. D.es wird dadurch erreicht, daß der die Koppelkapazität bildende Teil des Unipols möglichst weit vom Metallrahmen en.iernt ist.

Fig.4 zeigt ein angenähertes Ersatzbild einer Antenne nach der Erfindung. L\ ist die Induktivität des stabförmigen Leiters 4, Q die Teilkapazität zwischen dem Stabende und dem in Fig. 1 oberhalb des Stabes liegenden, waagerechten Rahmenteil, Ci die Teilkapazität zwischen dem Stab und dem in F i g. 1 unterhalb des Stabes liegenden, waagerechten Rahmenteil, Ci die Kapazität zwischen dem oberen, waagerechten Teil und unteren, waagerechten Teil des Rahmens, La und L] die Induktivitäten der beiden senkrechten Rahmenteile R ein Strahlungswiderstand, der die Abstrahlung von Wel!'.n.;nergie aus dem Nahfeld des Rahmens in den umgebenden Raum beschreibt Die Punkte 2 und λ der Schaltung sind die in Fig. 1 gezeichneten Anschlußpunkte. Rs aus Fig.3 ist die Wirkkomponente der zwischen den Punkten 2 und 3 gemessenen Impedanz. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß an die Klemmen ein transformierender Vierpol aus Blindwiderständen angeschaltet ist, der in Fig.4 die Eingangsklemmen 7 und 8 hat. Parallel zu diesem Eingang liegt die Impedanz Z, die im Sendefall der Innenwiderstand des speisenden Generators, im Empfangsfall der Eingangswiderstand des nachfolgenden Fmpfangssystems ist. Falls die an die Antenne anschließenden Verstärkerstufen mit der Antenne integriert sind, besteht Z im wesentlichen aus der Ausgangs-, bzw. Eingangskapa/ität des anschließenden Transistors.

Resonanz entsprechend der Erfindung wird verlangt für die Summenimpedanz, die in F i g. 4 zwischen den Anschlüssen 7 und 8 liegt. Die Resonanz der Antenne ist daran erkennbar, daß bei der Resonanzfrequenz die zwischen den Punkten 7 und 8 erscheinende Impedanz ein Wirkwiderstand ist. Eine solche Antenne wird nicht ohne weiteres eine Resonanz bei einer durch die Betriebsfrequenz vorgeschriebenen Frequenz haben. Ein so kompliziertes Gebilde aus vielen Blindwiderständen bedarf spezieller Maßnahmen, um bei den im allgemeinen vorgegebenen Dimensionen des Rahmens die gewünschte Resonanz zu erzielen.

Falls der Rahmen 1 zu groß ist, wird die Resonanzfrequenz des aus Lj, Lj und Cj bestehenden Kreises niedriger als die vorgeschriebene Resonanzfrequenz sein und dieser Kreis daher im Betriebsfrequenzbereich kapazitive Wirkungen haben. In diesem Fall benötigt man Maßnahmen, die induktive Zusatzwirkun-

erhöhen.

Eine solche Erhöhung kann durch eine Erhöhung der Induktivität L\ des Antennenstabes 4, z. B. durch bekannte indulctivitätserhöhende Maßnahmen hinsichtlich der Form des Stabes 4 (Verkleinerung der Stabdicke, Zickzackform, Mäanderform) oder Vergrößerung des Ci (Verkleinerung des Abstandes zum Rahmen oder Verbreiterung der Dachkapazität wie in Fig.5). Alle diese Maßnahmen können einzeln oder gleichzeitig angewendet werden.

Falls der Rahmen 1 zu klein ist, wird die Resonanzfrequenz des aus L2, Lj und Cj bestehenden Kreises höher als die vorgeschriebene Resonanzfrequenz sein und dieser Kreis daher in der Schaltung von Fig. 4 im Betriebsfrequenzbereich induktive Wirkungen haben. In diesem Fall benötigt man Maßnahmen, die kapazitive Zusatzwirkungen ergehen, um die Resonanzfrequenz entsprechend zu erniedrigen.

Eine Maßnahme zur Erniedrigung der Resonanzfrequenz der Gesamtschaltung der Fig. 4 ist eine geeignete Veränderung des Unipols 4. z. B. eine Verkleinerung des L\ oder des Q durch Vergrößern der Stabbreite oder ähnlich wirkende bekannte Maßnahmen oder durch Vergrößern des Abstandes des Stabendes vom oberen Rahmen oder durch Verkleinern der Dachkapazität.

Oftmals beeinflußt auch die Kapazität C2 und die bei integrierten Verstärkern im Z enthaltene Transistorkapazität Ct die gewünschte Resonanz merklich. In solchen Fällen benötigt man zusätzliche induktive Wirkungen. Diese können beispielsweise darin bestehen, daß der in F^;. g. 4 gezeigte transformierende Vierpol eine Serieninduktivität U oder eine Parallelinduktivität L=, oder beides, wie in F i g. 6, enthält.

Die bisher geschilderten Maßnahmen zur Gestaltung des Rahmens und des Unipols in Verbindung mit den Zusatzinduktivitäten U und L·, aus F i g. 6 sind wegen der ausreichenden Anzahl frei verfügbarer Parameter ebenfalls ausreichend, um die zusätzliche Forderung zu erfüllen, daß die mittlere Eingangsimpedanz der Gesamtschaltung an den Klemmen 7 und 8 bei der mittleren Betriebsfrequenz einen vorgeschriebenen Wert hat, z. B>. gleich dem Wellenwiderstand eines angeschlossenen Kabels ist oder bei direktem Anschluß eines Transistors im Sendefall gleich dem optimalen Lastwiderstand des Transistors ist oder im Empfangsfall bei Rauschanpassung gleich dem optimalen Quellwiderstand isL

In vieien Fällen tritt noch die Forderung auf. eine bestimmte Bandbreite genau einzuhalten. Das Minimum der einzustellenden Bandbreite ist durch den vorgeschriebenen Betriebsfrequenzbereich gegeben. Die Bandbreite soll aber auch nicht wesentlich größer als

^r, dieses Minimum sein, um unerwünschte Frequenzen außerhalb des Betriebsbereichs weitgehend auszuschalten: Im Sendefall unerwünschte Signalfrequenzen, die im Empfänger nichtlinearö Effekte erzeugen würden.
An sich hat eine erfindungsgemäße Antenne wegen des bereits erwähnten, relativ großen Strahlungswiderstandes schon eine relativ große Bandbreite. Wenn jedoch der geforderte Betriebsfrequenzbereich größer ist als die natürliche Frequenzbandbreite der Antenne, können zusätzliche Maßnahmen zur Vergrößerung der

π Bandbreite erforderlich sein. Auch kann es aus Gründen besserer Selektion wünschenswert sein, steuere Filterflanken als bei einem einfachen Resonanzkreis zu besitzen. Es ist ein weiterer Vorteil der Anordnung nach pi σ 1 πηΗ ijpr Schältü!}⁰ HBCh F I ^σ. 4, daß S!S Ohne zusätzliche Elemente bei spezieller Dimensionierung eine Vergrößerung der Bandbreite und steile Filterflanken durch Blindwiderstandskompensation geben kann. Ein Parallelresonanzkreis (L], Lj, Cj) mit Wirkkomponente R und ein dazu in Serie geschalteter Serienreso-

2Ί nanzkreis (L\ und Ci) können eine breitbandige Blindwiderstandskompensation ergeben, vgl. z. B. H. Meinke, Einführung in die Elektrotechnik höherer Frequenzen Band 1, 2. Auflage, Berlin 1965, dort Abb. 114c. Aus den dort angegebenen Formeln geht hervor, daß bei gegebenen Rahmenbestandteilen (Li, Li, Cj und R) sowohl L\ wie Ci eine bestimmte Größe haben müssen. Bei gleichzeitiger Anwendung der bereits beschriebenen oder änderet bekannter Maßnahmen zur Beeinflussung des L\ und Ci kann eine solche bandfilterähnliche Blindwiderstandskompensation erreicht werden. Sie ist daran zu erkennen, daß die zwischen den Punkten 2 und 3 gemessene Impedanz der Antenne in der komplexen Impedanzebene im vorgeschriebenen Betriebsfrequenzbereich mit wachsender Frequenz eine

kleine Schleife durchläuft, vgl. das oben genannte Buch in Abb. 109. Kurve I. Verwendet man die Schaltung von F i g. 6 mit Zusatzinduktivität L5, so hat man auch am Schaltungseingang einen Parallelresonanzkreis, der bei passender Abstimmung zusammen mit der übrigen

Schaltung ein symmetrisches Bandfilter ergibt, das eine noch größere Bandbreite ergibt, vgl. das oben genannte Buch, Abb. 129. Ein Bandfilter wie in Fig. 6 kann in bekannter Weise auch mit ungleichen Parallelresonanzkreisen aufgebaut und dann zur breitbandigen Wider-

so Standstransformation verwendet werden; vgl. das genannte Buch, Abb. 134.

Die erfindungsgemäße Antenne kann neben dem Empfang im UKW-Bereich gleichzeitig für den Empfang im Lang-Mittel-Kurzwellenbereich (LMK)

verwendbar sein. Dieser Verwendung kommt im Falle des Einsatzes der Antenne in der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges die erfindungsgemäße Anordnung des Unipols samt seiner Dachkapazität entgegen, wie im folgenden dargelegt wird:

Es wird vorausgesetzt, daß bei LMK vertikale Polarisation des elektrischen Feldes besteht und daß die elektrischen Feldlinien E senkrecht von oben auf das Auto treffen. Der Oberteil des Fensterrahmens zieht einige Feldlinien so an sich, daß im oberen Drittel des

Fensterglases die elektrische Feldstärke nach oben gerichtet ist. Feidiinien, die durch die Mitte des Fensters gehen, treten etwa senkrecht durch das Glas. Weitere Feldlinien landen auf dem Unterteil des Fensterrahmens

rt\l u^m _c μ /I" ^Dn,i^{lel deS Fenster}8^{lases dic dan}" "'Chi, wenn durch die Verlängerung das elektri- elektnsche Feldstärke nach unten zeigt. Wegen der so sehe Feld auf dem An.ennenleiter in entgegengesetzten durch den Rahmen entscheidend beeinflußten Feldver- Richtungen wirksam wird. D>es ist bei der erfindungsgc- teilung gelten für d!e LMK-Antenne im Rahmen völlig mäßen Anordnung des Unipols vermieden Somit kann andere Dimens.onierungsregeln als für eine Antenne im ; eine Antenne nach der Erfindung auch im Frequenzbefreien Raum. BeispteliwciM wird der Empfang nicht reich LMK verwendet werden.
imme^r mit wachsender AhtennenlMnge besser, und zwar

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Antenne bestehend aus einem ebenen rechteckförmigen metallischen Rahmen, dessen elektrisch wirksame Breite etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge der Betriebsfrequenz ist, und einem den metallischen Rahmen erregenden Unipol, als dessen Grundfläche eine Breitseite des Rahmens dient, während der Leiter des Unipols sich in der Rahmenfläche senkrecht von der Mitte der ersten Breitseite zur zweiten Breitseite hin erst erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (4) des Unipols eine solche Länge hat, daß er mitsamt einer flächenhaft ausgebildeten Dachkapazität (6) sich nur wenig über die Mitte der Rahmenhöhe, maximal bis zu 2/3 der Rahmenhöhe, erstreckt und die beiden Eingangsanschlüsse (2,3) des Unipols mit dem ersten Tor eines verlustarmen Vierpols verbünde« sind und das zweite Tor (7, 8) dieses Vierpols ar. das zugehörige Sende- bzw. Empfangsgerät angeschlossen ist und der verlustarme Vierpol

so gestaltet ist, daß am zweiten Tor des Vierpols annähernd Resonanz in einem möglichst breiten Betriebsfrequenzbereich besteht.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (4) des Unipols breitflächig ist

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunkt des Leiters (4) des Unipols dir. Form einer gegen den Rahmen (1) gerichteten Spitze hat.

4. Antenne nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (4) des Unipols ganz oder teilweise zickzackförmig oder mäanderförmig verlegt ist.

5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenhafte Dachkapazität (6) um den Mittelpunkt der Rahmenöffnung her um angeordnet ist.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen und vertikalen Abmessungen der Dachkapazität (6) nicht größer als ein Drittel der zugehörigen Abmessungen des Rahmens (1) sind (F ig. 5).

7. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im verlustarmen Vierpol parallel zu den Anschlußklemmen (2, 3) des Unipols eine Induktivität (L 5) liegt.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im verlustarmen Vierpol sowohl eine Serieninduktivität (L 4) als auch die Parallelinduktivität (L 5) vorhanden ist.

9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an das zweite Tor (7, 8) des verlustarmen Vierpols ein Kabel angeschlossen ist und durch passende Wahl der Serieninduktivität (L 4) und der Parallelinduktivität (L 5) die am zweiten Tor (7, 8) des Vierpols erscheinende Impedanz der Antenne im Betriebsfrequenzbereich hinreichend genau gleich dem Wellenwiderstand des Kabels ist.

10. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Sendeverstärker integriert ist und die Impedanz der Antenne am zweiten Tor des Vierpols im Betriebsfrequenzbereich hinreichend genau mit der für Leistungsabgabe optimalen Impedanz erscheint.

U. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Empfangsverstärker integriert ist und die Impedanz der Antenne am zweiten Tor des Vierpols im Betriebsfrequenzbereich hinreichend genau mit dem für Rauschanpassung optimalen Wert erscheint