DE3486135T2

DE3486135T2 - Antenne fuer den mobilen telefonverkehr.

Info

Publication number: DE3486135T2
Application number: DE8484111340T
Authority: DE
Inventors: James Hadzoglou
Original assignee: Orion Industries Inc
Current assignee: Allen Telecom LLC
Priority date: 1983-09-23
Filing date: 1984-09-21
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2004-09-22
Also published as: EP0137391A1; NZ209019A; CA1223339A; AU577539B2; ZA845849B; DE3486135D1; AU3192484A; JPH0374846B2; ATE88837T1; JPS6077501A; EP0137391B1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationsantennen und insbesondere mobile Kommunikationsantennen für Frequenzen im Bereich des 800-MHz-Frequenzbandes der Art, die dafür vorgesehen sind, an einer nichtleitenden Oberfläche wie einer Fahrzeugwindschutzscheibe angebracht zu werden.

Hintergrund der Erfindung

Die kürzliche Einführung des zellularen Telephondienstes, bei dem Frequenzen im 800-MHz-Frequenzband und darüber verwendet werden, hat das Interesse an wirksamen mobilen Antennensystemen für diese Frequenzen erhöht. Solche Dienste wenden typischerweise eine ziemlich große Bandbreite an. Zum Beispiel arbeiten existierende und/oder vorgesehene Systeme über Frequenzbänder von etwa 800-870 MHz, 820-900 MHz und 860-940 MHz. Wie aus diesen Zahlen hervorgeht, liegt die Bandbreite solcher arbeitenden Systeme zwischen etwa 60 bis etwa 80 MHz. Jede zur Anwendung bei solchen Systemen vorgesehene Antenne sollte daher über diese Bandbreiten effektive Strahlungseigenschaften und ein kleines Spannungs-Stehwellenverhältnis haben.
Zusätzlich sind mobile Antennen für solche Kommunikations- Systeme dafür vorgesehen, an Fahrzeugen angebracht zu werden. Es ist oft eine bestimmte Art einer dauerhaften Anbringung erforderlich. An günstigen Stellen, solchen, die die gleichmäßigsten Strahlungsmuster ergeben, wie der Dachfläche, ist eine Anbringung an ein Fahrzeug wie einem Automobil mit dem Schneiden von Löchern in die Karosserie und das dauerhafte Anbringen der Antenne an Ort und Stelle verbunden. Das stellt jedoch eine für den Fahrzeugbesitzer nicht immer zufriedenstellende Anordnung dar.
Alternative Anbringungsstellen, wie Kotflügel oder Kofferraumdeckel, die eventuell eine andere Anbringungsart gestatten, ergeben eine Verschlechterung in der gewünschten Gleichmäßigkeit des Strahlungsmusters. Es ist daher wünschenswert, eine Antenne zu haben, die bei diesen UHF-Frequenzen betrieben werden kann und die gleichzeitig die gewünschten Betriebseigenschaften hat, ohne daß Anbringungsarten erforderlich sind, die ein Fahrzeug dauerhaft beschädigen und die eine Karosseriereparatur erfordern, wenn das Antennensystem wieder vom Fahrzeug abgebaut wird.
Für wesentlich kleinere Frequenzen ist das Anbringen einer Kommunikationsantenne an isolierten Oberflächen wie der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges bekannt. Ein solches Antennensystem ist in dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 4 238 799, ausgegeben am 9. Dezember 1980, beschrieben.
Das dort im einzelnen beschriebene Antennensystem ist besonders für den Betrieb bei Frequenzen vorgesehen, die weit unterhalb der Frequenzen liegen, die für zellulare Telephon- Kommunikationssysteme verwendet werden. Die dort beschriebene Antenne ist für den Betrieb im CB-Band und entsprechenden Bändern bei etwa 28-29 MHz vorgesehen.
Der in dem erwähnten US-Patent Nr. 4 238 799 beschriebenen Antenne ähnliche und davon abgeleitete Antennen wurden auch für etwas höhere Frequenzen vorgesehen und verwendet wie in diesem Patent genannt. Obwohl jedoch die schematische elektrische Darstellung der Schaltung die gleiche bleibt wie die in der Fig. 4 dieses Patents, wenn die Frequenzen ansteigen und diejenigen Frequenzen erreichen, die bei zellularen Telephonsystemen verwendet werden, nämlich jene im und über dem 800-MHz-Band, ist der für kleinere Frequenzen verwendete Aufbau dafür nicht mehr geeignet.
Außerdem ist die in dem erwähnten Patent beschriebene Antenne eine relativ schmalbandige Antenne, die über die weiten Frequenzbänder, die bei zellularen Telephonsystemen erforderlich sind, nicht zufriedenstellend arbeitet.
Das Antennensystem, das die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus der US-A-4 238 799 bekannt. Dieses bekannte System kann jedoch in einem Frequenzbereich, der 800 MHz übersteigt, nicht betrieben werden, und es umfaßt keine künstliche Antennenerde, die vom Fahrzeugaufbau getrennt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Kommunikationsantenne geschaffen, die dafür geeignet ist, im und über dem 800-MHz-Frequenzband betrieben zu werden, und die dafür vorgesehen ist, an einer isolierten Oberfläche wie der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges angebracht zu werden und die sowohl einen hervorragenden Wirkungsgrad und Gewinn als auch die gewünschte Bandbreite aufweist, um einen effizienten Gebrauch bei den in Betracht gezogenen Frequenzen für die zellulare Kommunikation zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeugfenster, z. B. die Windschutzscheibe dazu verwendet, HF-Energie mit hoher Effizienz an einen kollinearen Zwei-Element-Strahler anzukoppeln, der an der Außenseite der Windschutzscheibe angebracht ist. Um die HF- Energie zwischen der Antenne und einem Sende-Empfangsgerät zu übertragen, ist an der Innenseite des Fensters in der Nähe der Antennenbefestigung eine besonders konstruierte Koppelkonfiguration angebracht. Der Koppler verbindet das abstrahlende Element reaktiv mit einer Übertragungsleitung, wobei die gewünschte 50-Ohm-Eingangsimpedanz aufrechterhalten wird.
Der erfindungsgemäße Koppler ergibt daher zusammen mit dem für die Verwendung damit vorgesehenen Strahler die gewünschten Spannungs-Stehwellenverhältniseigenschaften über die Betriebs- Bandbreitenbereiche von 60 bis 80 MHz, die für die Verwendung bei zellularen Telephonsystemen in Betracht gezogen werden.
Erfindungsgemäß werden besonders konstruierte Abstimmkreiselemente verwendet, die in einer leitenden Kopplerbox angeordnet sind, die als künstliche Antennenerde für den Antennenstrahler dient. Die an einem Fenster angebrachte Antenne, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird, ist in der Lage, Strahlungseigenschaften zu ergeben, die mit denen von Antennen vergleichbar sind, die auf den Dachflächen von Fahrzeugen angebracht sind, und sie produzieren den gewünschten allseitigen Sendebereich und zufriedenstellenden Gewinn ohne die Störungen, die sich aus der Anbringung von Antennen an Kofferraumdeckeln und anderen weniger zufriedenstellenden Orten an einem Fahrzeug ergeben.
Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Kommunikationsantennensystem ein kollinearer Strahler mit einem oberen 5/8- Wellenlängen-Strahler und einem unteren Strahler mit einer elektrischen Länge zwischen etwa 1/4 und 1/2 Wellenlänge verwendet, die durch eine Luft-Phasenabstimmspule getrennt sind.
Ein Vorteil des auf Glas angebrachten Antennensystems nach dem oben erwähnten Patent ist die Beseitigung der Erdebene und die sich ergebende Gleichmäßigkeit des Strahlungsmusters unabhängig von der Fahrzeugform. Bei den Frequenzen, bei denen die erfindungsgemäße Anordnung verwendet wird, liegt jedoch ein Problem darin, daß die Übertragungsleitung, die die Antennenanordnung mit dem Sende-Empfangsgerät verbindet, "heiß" wird.
Um dieses Problem zu beseitigen, ist die Koppel- oder Zuführanordnung in ein leitendes Gehäuse eingebaut, das als künstliche Antennenerde dient. In dem leitenden Gehäuse sind diejenigen Komponenten untergebracht, die eine Koppelkondensatorplatte bilden, sowie der abgestimmte Kreis, der dazu dient, die Antenne abzustimmen und den an der Außenseite der Scheibe angebrachten Strahler an die Übertragungsleitung anzukoppeln.
Die Konfiguration der in dem Koppel- oder Zuführgehäuse untergebrachten Komponenten unterscheidet sich wesentlich von der, die für die in dem erwähnten Patent beschriebene Antenne brauchbar ist. So ist die Koppelkondensatorplatte, die einen Teil des Zuführgehäuses bildet, eine gedruckte Folienschaltung, die in eine dielektrische Platte eingebettet ist, die eine Seite des Gehäuses bildet. Die Platte des Koppelkondensators dient auch als Platte des einstellbaren Abstimmkondensators. Die andere Platte des Abstimmkondensators ist ein im wesentlichen U-förmiges Element. Die Basis des U's ist an dem metallischen Gehäuse, das die künstliche Antennenerde bildet, angebracht und steht damit in Kontakt. Ein Schenkel der U-förmigen Platte, der im wesentlichen eine Orientierung von 90º zu der Basis hat, ergibt die Erd- oder Abschirmverbindung mit einem Übertragungsleitungs-Verbindungsstecker. Der zweite Schenkel bildet die andere Platte des Abstimmkondensators. Der zweite Schenkel erstreckt sich unter einem stumpfen Winkel zu der Basis des U's und weist ein freies Ende auf, das zurückgebogen ist, um einen zurücklaufenden Abschnitt zu bilden, der im wesentlichen parallel zur Basis verläuft. Der zurücklaufende Abschnitt erstreckt sich wenigstens über einen Abschnitt der Koppelplatte oder des eingebetteten Folienelements, um den einstellbaren Koppelkondensator zu bilden.
Die Einstellung des Kondensators erfolgt durch Einstellen der Position des zurücklaufenden freien Abschnitts und damit durch Einstellen des Ausmaßes der Überlappung zwischen dieser Platte des Abstimmkondensators und der Folien-Koppelplatte. Das dielektrische Element, in das die Koppelplatte eingebettet ist, bildet eine Abdeckung für das leitende Gehäuse oder die künstliche Antennenerde.
Die Induktionsspule wird durch ein gerades Drahtstück gebildet, das Abmessungen hat, die für die Frequenzen geeignet sind, auf die die Antenne abgestimmt werden soll. Das Drahtstück erstreckt sich zwischen der Basis des im wesentlichen U-förmigen Leiters und der Folien-Koppelplatte und ist damit elektrisch verbunden. Der Mittenkontakt des Übertragungsleitungs-Verbindungssteckers ist elektrisch mit der Induktionsspule an einem geeigneten Abgreifpunkt an deren Länge verbunden, wodurch die Impedanz des Abstimmkreises an die 50-Ohm-Impedanz der Übertragungsleitung angepaßt ist.
Mit der Anwendung einer durch-das-Glas-Antennenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich ein Antennensystem, das in der Lage ist, eine allseitige Abstrahlung im und über dem 800-MHz-Band mit einer Bandbreite zu erzeugen, die durch ein Spannungs-Stehwellenverhältnis von weniger als 1,5 über einen Bereich von 60-80 MHz bestimmt ist, wodurch die Antenne für den Gebrauch als zellulare Telephonsystemantenne mit dem erwünschten Gewinn und erwünschten Bandbreiteneigenschaften geeignet ist. Gleichzeitig ist beim Gebrauch des erfindungsgemäßen Antennensystems die Übertragungsleitung, die die Antenne mit dem Sende- Empfangsgerät verbindet, nicht heiß, wodurch Bedenken bezüglich der Sicherheit beseitigt sind.
Aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung und von Ausführungen davon, aus den Ansprüchen und den beiliegenden Zeichnungen, in denen die Details der Erfindung vollständig und komplett als Teil dieser Spezifikation dargelegt sind, gehen zahlreiche weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Anbringung einer Antenne an einer Windschutzscheibe;
die Fig. 2 ein vergrößerter Querschnitt längs der Linie 2-2 in der Fig. 1;
die Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise weggebrochen, einer erfindungsgemäßen Zuführ- oder Koppelanordnung;
die Fig. 4 eine Ansicht des Koppelgehäuses;
die Fig. 5 eine Ansicht eines geeigneten Antennenstrahlers; und
die Fig. 6 und 7 sind Darstellungen des Spannungs-Stehwellenverhältnisses für die erfindungsgemäße Antenne.

Genaue Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

In den Zeichnungen ist ein erfindungsgemäßes Antennensystem gezeigt. Das Antennensystem beinhaltet einen länglichen kollinearen Strahler 10 mit einem oberen Abschnitt 10a mit einer elektrischen Länge von etwa einer 5/8 Wellenlänge und einem unteren Abschnitt 10b mit einer elektrischen Länge von mehr als 1/4 Wellenlänge, die durch eine Luft-Phasenabstimmspule 10c getrennt sind, die eine Länge hat, die für eine passende Phasenabstimmung bei den Frequenzen, bei denen die Antenne verwendet werden soll, geeignet ist.
Der Strahler endet in einer Basis oder einem Fuß 12 der Art, wie es im US-Patent Nr. 4 266 227 gezeigt ist, der eine im wesentlichen flache Oberfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, geeignet an der Außenseite eines dielektrischen Elementes wie einer Windschutzscheibe 14 eines Fahrzeugs 16 befestigt zu werden. An der Innenseite der Windschutzscheibe ist dem Antennenbasiselement 12 gegenüberliegend eine Koppel- oder Zuführanordnung 20 angebracht.
Die Zuführanordnung 20 beinhaltet ein leitendes Gehäuse 22 mit einer Vorderseite 24 und vier Seitenwänden 26 sowie einer offenen Rückseite 28. Das leitende Gehäuse dient als künstliche Antennenerde für das Antennensystem und hat daher zum Ergebnis, daß die Zuführ- oder Übertragungsleitung zwischen dem Antennensystem und dem Sende-Empfangsgerät "kalt" bleibt. Die offene Rückseite 28 wird durch eine dielektrische Leiterplatte 30 verschlossen, in der eine leitende Folienplatte 33 ausgebildet ist, die die zweite Platte eines Koppelkondensators an gegenüberliegenden Seiten der Windschutzscheibe 14 bildet.
Die innere Koppelplatte 33 bildet auch die eine Platte eines einstellbaren Abstimmkondensators. Die andere Platte des Kondensators wird durch ein im wesentlichen U-förmiges, gebogenes Element 38 gebildet, das einen im wesentlichen ebenen Basisabschnitt 38a aufweist, der sich längs der Innenfläche der Vorderseite 24 des leitenden Gehäuses 22 erstreckt und daran befestigt ist. In einer Seitenwand 26a des Gehäuses 22 ist ein Standard-Koaxial-Übertragungsleitung-Verbindungsstecker 42 vorgesehen. Der Abschirmkontakt des Steckers 42 ist elektrisch mit dem Gehäuse 22 und mit einem Schenkel 38b der zweiten Abstimmkondensatorplatte oder dem U-förmigen Element 38 verbunden, der sich im wesentlichen senkrecht zu der Basis 38a der Kondensatorplatte erstreckt.
Der andere freie Schenkel 38c des gebogenen Elementes 38 erstreckt sich unter einem im wesentlichen stumpfen Winkel von der Basis 38 weg, wobei das freie Ende zurückgebogen ist, um einen zurücklaufenden Abschnitt 38d zu bilden, der die Folien- Koppelplatte 33 überlappt und davon beabstandet ist. Die Einstellung des Kondensators wird mittels eines nichtleitenden Elements 44 erreicht, das durch die Seitenwand 26b verläuft und am freien Ende oder Schenkel 38c der Abstimmkondensatorplatte 38 angreift, um den Schenkel 38c nach innen und außen zu verschieben. Dadurch wird das Ausmaß der Überlappung zwischen dem zurücklaufenden Abschnitt 38d der Kondensatorplatte und der Koppelplatte 33 eingestellt, um in allgemein bekannter Weise die Größe der Kapazität davon einzustellen.
Eine Induktionsspule 46 in der Form eines geraden Drahtstücks mit einem Durchmesser, der eine Induktanz ergibt, die für die Frequenz geeignet ist, auf die das System abgestimmt werden soll, ist elektrisch mit der Basis 38a der einstellbaren Kondensatorplatte 38 und mit der in der dielektrischen gedruckten Leiterplatte ausgebildeten Folie 33 verbunden. Der Mittenkontakt des Übertragungsleitung-Verbindungssteckers 42 ist elektrisch mit der Induktionsspule bzw. dem Drahtstück 46 an einer Stelle zwischen dessen Enden so verbunden, daß eine Anpassung an die Impedanz der Übertragungsleitung von etwa 50 Ohm erfolgt.
Das so aufgebaute System ist in der Lage, eine erhebliche Bandbreite über den erwünschten Bereich von wenigstens 60 bis 80 MHz zu ergeben. Zum Beispiel wurde bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Antennensystems eine Antenne auf 806 MHz abgestimmt und zeigte ein Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR) von unter 1,5 zwischen Frequenzen von etwa 800 MHz und etwa 860 MHz, wie es bei A in der Fig. 6 dargestellt ist. Eine auf 820 MHz abgestimmte Antenne zeigte ein Spannungs-Stehwellenverhältnis von gleich oder kleiner als 1,5 zwischen einer Frequenz von etwa 802 MHz bis über 865 MHz, wie es bei B in der Fig. 6 dargestellt ist. Eine andere Antenne, die für den Gebrauch im 812-896-MHz- Band vorgesehen war, zeigte ein Spannungs-Stehwellenverhältnis von oder unter 1,5 zwischen den Frequenzen 820 MHz und 895 MHz, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist.
Ein solches Antennensystem war in der Lage, als Funktion des Abstrahlwinkels ein gleichmäßiges Strahlungsmuster mit einer Gleichmäßigkeit zu erzeugen, die im wesentlichen der einer auf dem Dach montierten Antenne vergleichbar und wesentlich besser als bei auf dem Kofferraum oder der Stirnwand angebrachten Antennen ist. Diese Gleichmäßigkeit ist insbesondere für zellulare Telephonsysteme wichtig, da die bei solchen Systemen auftretende Kommunikation in allen Richtungen erfolgt und jede Verringerung des Gewinns in einer bestimmten Richtung die Qualität und Möglichkeiten des mobilen Systems zur Aufrechterhaltung der Kommunikation negativ beeinflußt.
Es wurde damit eine mobiles Kommunikationsantennensystem beschrieben, das im 800-MHz-Frequenzband und darüber verwendet werden kann und das keine Befestigung an metallischen oder leitenden Oberflächen eines Fahrzeugs mit den sich ergebenden Beschädigungen daran erfordert, das die gewünsche Gleichmäßigkeit der Übertragung als Funktion des horizontalen Winkels ergibt, das einen zufriedenstellenden Gewinn in alle Richtungen zeigt und das alle Bedenken oder jedes Problem bezüglich des Vorhandenseins eines heißen Kabels im Passagierraum des Kraftfahrzeuges beseitigt.

Claims

1. Mobiles Kommunikations-Antennensystem mit - einem länglichen abstrahlenden Element (10), das mit einem Ende an einem leitenden Antennen-Basiselement (12) angebracht ist, das an der Außenfläche einer nichtleitenden dielektrischen Einrichtung (14) eines Fahrzeugs (16) befestigt ist; und mit - einer Zuführanordnung (20), die an der Innenfläche der dielektrischen Einrichtung (14) angeordnet ist und dem Antennen- Basiselement (12) gegenüberliegt, wobei die Zuführanordnung ein Koppelelement (33), das dem Antennen-Basiselement (12) gegenüberliegt, um damit einen Koppelkondensator für HF-Energie zu bilden, einen mit dem Koppelelement (33) verbundenen abgestimmten Kreis und ein Verbindungselement (42) zu einer Koaxial-Übertragungsleitung aufweist, das mit dem abgestimmten Kreis an einer Stelle elektrisch verbunden ist, an der die Impedanz der mit dem Verbindungselement (42) verbundenen Übertragungsleitung im wesentlichen gleich der des abgestimmten Kreises ist, dadurch gekennzeichnet, daß

das Antennensystem zur Verwendung im UHF-Frequenzbereich über 800 MHz vorgesehen ist;

daß die Zuführanordnung (20) ein leitendes Gehäuse (22) beinhaltet, das eine künstliche Antennenerde für das Antennensystem bildet;

daß das Koppelelement (33) elektrisch vom leitenden Gehäuse (22) isoliert ist; und

daß der abgestimmte Kreis innerhalb des leitenden Gehäuses (22) angeordnet ist, um das Antennensystem auf eine gewünschte Frequenz innerhalb des 800-MHz-Bandes abzustimmen und um eine große Bandbreite zu erreichen.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, wobei das Koppelelement (33) eine gedruckte Folienschaltung ist, die in einem nichtleitenden dielektrischen Element (30) ausgebildet ist, wobei das dielektrische Element (30) eine Seite des Gehäuses (22) verschließt; und wobei eine Einrichtung zur Befestigung des nichtleitenden dielektrischen Elementes (30) an der Innenfläche der dielektrischen Einrichtung (14) des Fahrzeugs vorgesehen ist, wobei die Folie im wesentlichen der Antennenbasis (12) gegenüberliegt.

3. Antennensystem nach Anspruch 2, wobei der abgestimmte Kreis einen einstellbaren Kondensator und eine Induktionsspule (46) aufweist, die parallel dazu angeschlossen ist, wobei das Koppelelement (33) eine Platte des Abstimmkondensators und die andere Platte eine im wesentlichen U-förmige leitende Platte (38) ist mit einem Basisabschnitt (38a), der an einer leitenden Wand (24) des Gehäuses (22) befestigt ist, mit einem ersten Schenkel (38b), der mit dem Verbindungselement (42) verbunden ist, und mit einem zweiten verstellbaren Schenkel (38c) mit einem freien Abschnitt (38d), der dem Koppelelement (33) gegenüberliegt und davon beabstandet ist.

4. Antennensystem nach Anspruch 3, mit einer Einrichtung (44) zum Einstellen des Grades der Überlappung zwischen den Platten (33, 38d) des einstellbaren Kondensators.

5. Antennensystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Induktionsspule (46) ein gerades Drahtstück ist, das sich zwischen dem Koppelelement (33) und der U-förmigen Platte (38) erstreckt und damit verbunden ist.

6. Antennensystem nach Anspruch 5, wobei das Verbindungselement (42) ein Koaxial-Verbindungsstecker ist, dessen Abschirmkontakt mit dem ersten Schenkel (38b) und dem leitenden Gehäuse (22) verbunden ist und dessen Mittenkontakt (48) an den Induktionsspulendraht (46) zwischen dessen Enden angeschlossen ist.

7. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das längliche abstrahlende Element ein kollinearer Strahler (10) ist mit einem ersten Abschnitt (10a) mit einer Länge, die etwa gleich 3/4 der Wellenlänge ist, einem zweiten Abschnitt (10b), der die Basis einschließt und eine Länge zwischen etwa 1/4 und 1/2 der Wellenlänge hat, und mit einer Phasenabgleichspule (10c) dazwischen.