DE29703841U1

DE29703841U1 - Mobile radio planar antenna

Info

Publication number: DE29703841U1
Application number: DE29703841U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2007-02-20

Description

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

-Bezeichnung der Erfindung:
Mobüfunk-Planarantenne-Title of the invention:
Mobile radio planar antenna

Ziel der Erfindung:Aim of the invention:

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten 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 in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie 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 fur den Bereich der Fahrzeuganwendungen eine Antennenkomponente 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 minimieren. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montagemöglichkeit des Planarstrahlers auf den verglasten Flächen und damit vorausgehend der konzeptions- bzw. dimensionierungsseitigen Berücksichtigung der elektromagnetisch relevanten Eigenschaften der dem Antennenmodul räumlich vorgeordneten dielektrischen Schichten oder Räume, vorzugsweise der entsprechenden 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, vorzugsweise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwendung dielektrischer Basismateriaslien mit einer vom evakuierten Raum abweichenden Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung mittels verteilter kapazitiver Strukturelemente zu erwirken.The aim of the invention is to configure an extremely miniaturized and primarily extensive antenna component with the property of being able to generate a linearly polarized and coordinate-wide sector radiation in both the horizontal and vertical planes, preferably in the spectral ranges between 890 MHz and 960 MHz and between 1710 MHz and 1890 MHz. The aim of the invention is also to develop a planar radiator arrangement with a pronounced reflection attenuation and thus a useful radiation exclusively within a spatial hemisphere, so that an antenna component is created, particularly for the field of vehicle applications, which, when the antenna is attached to the glazed surfaces of the vehicle, makes it possible to exclude the passenger compartment from the radiator's radiation space and thus to minimize the user's electromagnetic radiation exposure compared to known antenna solutions for this range. Furthermore, the invention pursues the goal of being able to mount the planar radiator directly on the glazed surfaces and thus prior to the consideration of the electromagnetically relevant properties of the dielectric layers or spaces spatially arranged in front of the antenna module, preferably the corresponding glazing of the passenger compartment, during the design and dimensioning. The goal of the invention is also to replace the dielectric structural supports required for the configuration of the planar radiator by using exclusively electrically conductive and self-supporting thin plates, preferably metallic plates or foils, and to achieve the geometric shortening caused by the use of dielectric base materials with a dielectric constant that differs from the evacuated space by means of distributed capacitive structural elements.

• Anwendungsgebiet der Erfindung:• Field of application of the invention:

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobilfunkbereich innerhalb des Mobilfunk-D-Netzes sowie des Mobilfunk-E-Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente bzw. Er-. satzkomponente der Fahrzeugaußenantenne mit der Montagemöglichkeit innerhalb des Fahrgastraumes. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraumanwendungen, indem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Komponente 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 strahluzngsfrei bzw. strahlungsarm gehalten und damit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers minimiert werden soll.The application area of the invention primarily relates to the mobile communications area within the mobile communications D network and the mobile communications E network. Here, the planar radiator forms an optional antenna component or replacement component of the vehicle's external antenna with the option of mounting inside the passenger compartment. The application area also relates to general interior applications, in that the radiator component forms a spatially separated component from the respective terminal and is mounted on the inside and flat of the relevant room glazing. The radiator component can be used advantageously in cases in which the space behind the antenna aperture is to be kept radiation-free or low-radiation, thus minimizing the user's exposure to electromagnetic radiation.

Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- oder Mittelstreckenübertragungssysteme für kommunikations-, sensor- oder sicherheitstechnische Anwendungen.Furthermore, the radiator component according to the invention forms a basic module for short or medium-distance transmission systems for communication, sensor or security applications.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik:Characteristics of the known state of the art:

Bekannte Antennenlösungen fur den Bereich der Mobilfunkanwendungen beruhen 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 gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richtfaktor und Wirkungsgrad behaftet, wobei diese Komponenten in der Azimutalebene ausschließlich 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 Anwendungsbereich bezogenen Strahlungseigenschaften sind denen der klassischen Linearantennen deutlich unterlegen. Gleichfalls sind gezielte Ausblendungseigenschaften 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.Known antenna solutions for mobile radio applications are based on linear antenna concepts in the form of monopole arrangements in shortened or unshortened versions. These linear antennas are known both as externally mountable on-board antennas and as components directly coupled to the terminal device and have different directivity and efficiency, whereby these components are exclusively omnidirectional in the azimuthal plane. Known flat antenna solutions are based on planar, dipole-like configurations whose directional diagram is irregular and, in conjunction with the respective background, exhibits the characteristics of a significant radiation field deformation. The radiation properties related to the application area are clearly inferior to those of classic linear antennas. Likewise, targeted suppression properties of the radiation diagram cannot be detected. Likewise, no solutions are known whose electromagnetic or radiation properties are achieved on the basis of asymmetrical and open waveguide techniques, in particular microstrip technology, using self-supporting conductive foil conductors or foil-like conductive surfaces.

Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständhchen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder einsetzbare Technik gegebüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.The electrical and usage properties of known antenna solutions preclude the achievement of the objectives of the present invention, so that the present invention expands the technology that can be used for the named fields of application compared to the known state of the art.

■ Darstellung des Wesens der Erfindung:■ Description of the essence of the invention:

Die erfinderische Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisierten 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 ausgeprägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz bzw. 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 Berandung ausgebildet sowie die Funktion einer Massefläche erfüllt und die leitfahige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisförmigen Berandung ausgebildet wird, wobei die leitfahige Platte oder Folie (2) gegenüber der Vollkreisfläche um einen Sehnenabschnitt reduziert wird und somit die zum Sehnenabschnitt komplementäre Fläche darstellt und die Sehne eine geradlinige Kante (3) der leitfahigen Platte oder Folie (2) bildet. Gegenüber der geradlinigen Kante (3) wird die kreisabschnittförmige Platte oder Folie (2) erfindungsgemäß leitfähig mit der kreisförmigen Platte oder Folie verbunden, wobei die Verbindungselemente (4) punktuell angeordnet werden und der Querschnitt sowie Ort und Anzahl der Verbindungselemente 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 (5) versehen, wobei Position, Anzahl und Durchmesser der eingebrachten Blenden (5) in gleicher Weise wie die leitfahigen 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) verbunden und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der kreisförmigen Platte oder Folie (1) verbunden wird. Der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters wird durch eine elektromagnetische Blende (6), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der kreisförmigen Platte oder Folie (1) ausgeführt ist, axialsymmetrisch zur Blendenberandung und ohne galvanische Verbindung zu dieser gefuhrt, wobei zur Gewährleistung 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 impedanzrichtig 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.The inventive task consists in configuring an extremely miniaturized and planar radiator component with the property of being able to generate a linearly polarized and spatially wide sector radiation in both the azimuthal and the elevation plane as well as a pronounced reflection attenuation and thus a useful radiation exclusively within a spatial hemisphere, preferably in the spectral ranges between 890 MHz and 960 MHz or 1710 MHz and 1890 MHz. The object is achieved according to the invention in that two conductive plates or foils are arranged parallel to one another at a defined distance, whereby the conductive plate or foil (1) is designed with a circular edge and fulfills the function of a ground surface and the conductive plate or foil (2) is also designed with a circular edge, whereby the conductive plate or foil (2) is reduced by a chord section compared to the full circular surface and thus represents the surface complementary to the chord section and the chord forms a straight edge (3) of the conductive plate or foil (2). According to the invention, the circular segment-shaped plate or foil (2) is conductively connected to the circular plate or foil opposite the straight edge (3), whereby the connecting elements (4) are arranged at points and the cross section as well as the location and number of the connecting elements influence the oscillation condition of the radiator. According to the invention, the circular segment-shaped plate or film (2) is provided with circular apertures (5) in a line running parallel to the straight edge (3), whereby the position, number and diameter of the apertures (5) introduced influence the oscillation condition of the resonance radiator in the same way as the conductive connecting elements (4). The excitation or feeding of the electromagnetically resonantly oscillating arrangement takes place by means of a coaxial waveguide, in which the inner conductor of the coaxial waveguide is conductively connected to the circular segment-shaped plate or film (2) and the outer conductor of the coaxial waveguide is conductively connected to the circular plate or film (1). The inner conductor of the coaxial waveguide is guided through an electromagnetic aperture (6), which is designed as a circular opening within the circular plate or foil (1), axially symmetrical to the edge of the aperture and without a galvanic connection to it, whereby to ensure axial symmetry the inner conductor is enclosed over the length of the distance between the plates (1) and (2) with a dielectric bushing (7), the outer diameter of which is appropriate to the aperture diameter and the inner diameter of which is appropriate to the diameter of the inner conductor of the coaxial waveguide. The aperture diameter is selected to be impedance-correct, whereby the input impedance is determined or set by the location of the coupling-in or coupling-out (8) within the area of the circular plate or foil (2).

Die Anordnung wird geometrieseitig fur 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.The arrangement is dimensioned in terms of geometry for the resonance case, whereby the dielectric mounting plane or layer arranged in front of the aperture, which is represented by the corresponding room or vehicle glazing or other dielectric body planes, is taken into account in its electromagnetic, primarily capacitive effect by means of an inductive detuning of the dielectric disturbance of an equivalent degree. The relative spectral bandwidth required for the application in question is achieved in particular by the antiparallel formation of the connecting line of the conductive connections (4) and the chord edge (3) to one another.

Ausflihrungsbeispiel:Implementation example:

Die gegenständliche Erfindung soll mittels eines Ausfuhrungsbeispiels für den Frequenzbereich zwischen 890 MHz und 960 MHz näher erläutert werden. Gemäß der Abbildung 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreisförmiger Berandung und dem Durchmesser von 90 mm über eine Distanz von 4,8 mm mit einer zweiten leitfähigen metallischen Platte (2), die als Kreisabschnitt ausgeführt ist, flächenparallel gekoppelt, wobei die Mittelpunkte sowohl der Vollkreisfläche als auch der Kreisabschnittsfläche auf einer identischen Achse angeordnet werden und gemäß der Abbildung 2 die leitfähige Platte (2) in einer parallel zur Sehne verlaufenden Linie mit vier kreisförmigen Blenden (5) versehen wird und an drei Punkten, wobei einer der drei Punkte auf der in der Ebene der Kreisabschnittsfläche verlaufenden Symmetrielinie der Anordnung positioniert wird, mit der leitfähigen Platte (1) leitfähig gekoppelt wird, indem leitfähige Verbindungselemente (4) gemäß der Abbildung 3 an den in der Abbildung 1 gekennzeichneten Positionen zwischen der leitfähigen Platte (1) und der leitfähigen Platte (2) eingebracht werden. Zwecks mechanischer Stabilisierung wird zwischen der leitfähigen Platte (1) und der leitfähigen Platte (2) ein auf der Symmetrielinie der Anordnung positionierter Stützzylinder (9) gemäß der Abbildung 3 mit dem Durchmesser von 6 mm eingeführt. 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), vorzugsweise PTFE-Buchse, zentrisch zwischen den leitfähigen Platten (1) und (2) zur sowie durch die Blende (6) innerhalb der leitfähigen Platte (1) gefuhrt. 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.The present invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment for the frequency range between 890 MHz and 960 MHz. According to Figure 1, a conductive metal plate (1) with a circular edge and a diameter of 90 mm is coupled parallel to the surface over a distance of 4.8 mm to a second conductive metal plate (2), which is designed as a circular section, whereby the centers of both the full circular surface and the circular section surface are arranged on an identical axis and according to Figure 2, the conductive plate (2) is provided with four circular apertures (5) in a line running parallel to the chord and is conductively coupled to the conductive plate (1) at three points, whereby one of the three points is positioned on the symmetry line of the arrangement running in the plane of the circular section surface, by introducing conductive connecting elements (4) according to Figure 3 at the positions marked in Figure 1 between the conductive plate (1) and the conductive plate (2). For the purpose of mechanical stabilization, a support cylinder (9) with a diameter of 6 mm is inserted between the conductive plate (1) and the conductive plate (2) as shown in Figure 3 and positioned on the symmetry line of the arrangement. The galvanic coupling of the inner conductor of the coupling coaxial waveguide takes place with the conductive plate (2) at point (8). The inner conductor is guided by means of a dielectric bushing (7), preferably a PTFE bushing, centrally between the conductive plates (1) and (2) to and through the aperture (6) within the conductive plate (1). The PTFE bushing is designed as a cylinder jacket with a length of 4.8+/-0.1 mm, with an outer diameter of 1.4-0.1 mm and an inner diameter of 1.4 mm over a length of 3.8-0.1 mm and an inner diameter of 2.2 mm over a length of 1 mm. The outer conductor of the signal-coupling coaxial waveguide is coupled to the conductive plate (1) arranged parallel to the plate (2) in the immediate vicinity of the aperture (6).

Claims

PROTECTION CLAIMS

1. Mobile fiber optic planar antenna, consisting of an arrangement of geometrically defined and conductive layers, characterized in that

- two conductive plates or foils are arranged at a defined distance parallel to one another, in that the conductive plate or foil (1) is formed with a circular edge and the conductive plate or foil (2) is also formed with a circular edge, whereby the conductive plate or foil (2) is reduced by a chord section compared to the full circular area and the surface complementary to the chord section is created, and the chord forms a straight edge (3) of the conductive plate or foil (2);

- the circular segment-shaped plate or film (2) is conductively connected to the circular plate or film (1) opposite the straight edge (3), the conductive connection being achieved by means of point-arranged connecting elements (4);

- the circular segment-shaped plate or film (2) is provided with circular apertures (5) in a line running parallel to the straight edge (3);

- the arrangement is coupled to a coaxial waveguide by conductively connecting the inner conductor of the coaxial waveguide to the circular-segment-shaped plate or foil (2) and conductively connecting the outer conductor of the coaxial waveguide to the circular plate or foil (1), whereby the inner conductor of the coaxial waveguide is guided through a circular aperture (6), which is designed as a circular opening within the circular plate or foil (1), axially symmetrical to the aperture edge and without a galvanic connection to it;

2. Mobile radio planar antenna according to claim 1, characterized in that the conductive connection between the conductive plates (1) and (2) is made by means of closed conductive and planar, preferably strip-shaped, materials.

3. Mobile radio planar antenna according to claim 1 and 2, characterized in that the edge of the conductive plates or foils (1), (2) is circular, elliptical, triangular or hexagonal, the arrangement of the connecting elements (4) being straight in such a way that the two half-lengths are arranged at an angle to one another, excluding the angle values of 0 degrees and 90 to 359 degrees, measured between a half-length and the angle bisector.

4. Mobile radio planar antenna according to claim 1 to 3, characterized in that the conductive plate or film (2) is designed as a closed surface without the introduction of apertures (6).

5. Mobile radio planar antenna according to claims 1 to 4, characterized in that the contour of the apertures (6) is circular, elliptical, triangular, hexagonal, pentagonal, rectangular, square or irregular.