DE3714979C2 - Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen.

Eine derartige Antennenanordnung wird in [1] beschrieben. Die Bilder 3a und 3b in [1] zeigen eine Antenne, bei der der Metallrahmen von dem Fensterrahmen einer Autokarosserie gebildet wird. Dabei sind Leiter­ bahnen als Antennenleiter isoliert innerhalb der Windschutzscheibe verlegt und verlaufen parallel zu den Rahmenkanten.

In dem Beitrag wird ausgeführt, daß die Windschutzscheiben größerer Personenkraftwagen Abmessungen im Bereich von etwa 60 cm × 140 cm haben. Für den UKW-Bereich entspricht die Breite einer solchen Scheibe etwa einer halben Wellenlänge. Der Fensterrahmen wirkt damit im Empfangsfeld ähnlich wie eine an beiden Enden kurzgeschlossene, nicht abgeschirmte Zweidrahtleitung halber Wellenlänge, wobei sich resonanzartig ein Spannungsmaximum in Leitungsmitte und ein Strommaximum an den kurzgeschlossenen Enden ausbildet. Es entsteht somit eine Rahmen-Resonanz. Bei Erregung des Rahmens durch das Empfangsfeld bildet sich innerhalb der von dem Rahmen umgebenen Fläche ein Resonanzfeld aus, dessen elektrische Feldlinien ringsum senkrecht auf den Rahmenkanten stehen. Bei dem in [1] angegebenen Beispiel wird das Empfangssignal mittels des isoliert in der Scheibe verlegten Antennenleiters ausgekoppelt. Unter Ausnutzung der Rahmenresonanz im UKW-Bereich ergibt sich dann eine maximale Empfangsleistung, wenn die Impedanz des Antennenleiters an die Impedanz des Empfängers angepaßt ist. Dies läßt sich durch geeignete Dimensionierung des Antennen­ leiters erreichen.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht jedoch nicht darin, Signalleistung mit Hilfe eines als Auskoppelsonde ausgebildeten Antennenleiters zu empfangen. Vielmehr wird bei der vorliegenden Erfindung die Tatsache ausgenutzt, daß eine metallisch umrahmte Fensteröffnung unter bestimmten Voraussetzungen auch als Schlitzantenne nutzbar ist. Bei Schlitzantennen ist bekanntermaßen die Polarisation gegenüber der Längsausdehnung des Schlitzes um 90° gedreht.

Der Gedanke, unter Nutzung der Fensteröffnung eines Kraftfahrzeugs eine Schlitzantenne zu realisieren, wird in [2] beschrieben. Es wird vorgeschlagen, eine "für einen anderen Zweck bereits vorhandene Öffnung in der Karosserie von Autos, z. B. die Frontscheibenöffnung" direkt - ohne Änderungen - als "Schlitzantenne" zu verwenden. In Versuchen hätte sich gezeigt, daß die Empfangsleistung dieser Anordnung etwa die gleiche wie bei einer Stabantenne sei. - Dabei geht der Autor davon aus, daß die handelsübliche Stabantenne ebenfalls, "besonders für den UKW-Bereich, in elektrischer Hinsicht nicht günstig" sei.

Die für die Messungen nach [2] gewählte Referenz-Stabantenne muß ein besonders ungünstiges Exemplar gewesen sein. Die Fensteröffnungen eines Kraftfahrzeugs mögen für jeden möglichen Zweck mehr oder weniger gut geeignet sein; als Schlitz und, als solcher als Antenne betrachtet, stellen sie alles andere als verlustarme Strahler guter Anpassung dar, es sei denn, man könnte die physikalischen Grundlagen und den Wirkmechanismus des Prinzips der Schlitzantenne verbiegen [3, 4].

So ist fraglich, ob das elektromagnetische Feld die bei den üblichen Kraftfahrzeugen eher gedrungene Form der Front- und der Heckscheiben überhaupt als Schlitzantenne erkennt, denn eine wesentliche Prämisse für die Funktion des Schlitzes als Strahler besteht nach [4] darin, daß die Schlitzbreite im Verhältnis zur Länge (sehr) klein ist.

In [2] ist kein Mittel angegeben, mit dem in irgend einer Weise diese Prämisse zu verwirklichen wäre, um zumindest die geometrischen Verhältnisse herzustellen, die für den Wirkmechanismus einer Schlitz­ antenne unerläßlich sind. Die in [2] beschriebene Anordnung ist nicht geeignet, die an moderne KFz-Antennen gestellten Anforderungen hinsichtlich Empfangsleistung und -qualität zu erfüllen.

Eine Aussage zur Auswahl einer bestimmten Empfangsfrequenz bzw. zum gleichzeitigen oder wahlweisen Empfang mehrerer unterschiedlicher Frequenzen wird nicht gemacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Fensteröffnung einer Kraftfahrzeug-Karosserie eine oder mehrere Schlitzantennen (für Senden und Empfangen) zu realisieren, die in unterschiedlichen. Frequenzbereichen nutzbar sind, und für jede Empfangsfrequenz eine gute Anpassung der Anordnung an die Speiseleitungen oder an weiterführende Netzwerke zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird je durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 3 bis 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Die vorliegende Erfindung verbindet in nicht naheliegender Weise das Prinzip der ebenen Schlitzantenne mit dem der Skelett-Schlitzantenne, indem einer der beiden langen Randteile des Schlitzes von einem Karosserierand und der andere von einer dünnen Leiterbahn in oder auf der Scheibe gebildet wird. Die kurzen End-Randteile des Schlitzes sind Abschnitte auf der Scheibenumrandung oder ebenfalls zusätzliche Leiterabschnitte.

Mit einer derartigen Anordnung - bei der ein Schlitz realisierbar ist, dessen Breite tatsächlich klein im Verhältnis zur Länge ist und wobei die Schlitzmaße zur Optimierung weitgehend beliebig gewählt werden können - wurden ausgezeichnete Strahlungsleistungen gemessen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß, je nach Zuordnung des oder der erfindungsgemäßen Schlitze zu bestimmten Randbereichen der Scheibe und unter Berücksichtigung der Scheibengeometrie vertikal und auch horizontal polarisierte Wellen zu empfangen sind.

Die Antennen gemäß der Erfindung können in Resonanz betrieben werden. Die untere Grenzfrequenz wird von den Randabmessungen des Rahmens bestimmt. Durch die Resonanzabstimmung kann höchster Wirkungsgrad erzielt werden. Die Antennen haben einen ausgeprägten Bezug zur Polarisation der gesendeten bzw. empfangenen Welle. Dies ist bei bisherigen vergleichbaren Antennenstrukturen in Kfz-Scheiben nicht der Fall, von denen die meisten nur aperiodisch betrieben werden können.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 Frontscheibe eines Pkw mit erfindungsgemäßer Schlitzantenne,

Fig. 2 Frontscheibe eines Pkw mit Antenne für zwei Frequenzbereiche,

Fig. 3 Frontscheibe eines Pkw mit Schlitzantenne für einen erhöhten Frequenzbereich,

Fig. 4 Heckscheibe eines Pkw mit Heizleitern und gleichzeitiger Antennenanordnung,

Fig. 5 Kfz-Scheibe mit vertikaler Schlitzanordnung.

Bei den in Fig. 1 bis 4 gezeigten Beispielen sind die beiden Rahmenkanten in horizontaler Erstreckung länger als die in vertikaler Erstreckung. Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die vertikalen Rahmenkanten länger als die horizontalen sind.

In Fig. 1 bis 4 ist mit 10 der metallische Fensterrahmen mit den horizontalen Kanten 10a, mit den vertikalen Kanten 10b und mit einer Sichtscheibe 11 bezeichnet. Mit 12 ist bei den Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 3 der Antennenleiter bezeichnet. Er ist an den Punkten 12a und 12b mit dem Fensterrahmen 10 galvanisch verbunden. Mit 13 ist ein Auskoppelpunkt (Speisepunkt) der Antenne bezeichnet. Der Auskoppel­ punkt 13 kann aus Anpassungsgründen auch außermittig an den Stellen 13a oder 13b angeordnet sein. Der Antennenleiter 12 bildet zusammen mit der Rahmenkante 10a einen Schlitzstrahler.

Bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 sind in den Antennenleiter 12 Blind­ elemente 14 eingefügt. Die Antenne kann dadurch gleichzeitig auch als aperiodische Antenne für einen zusätzlichen Frequenzbereich betrieben werden (z. B. LMK-Empfang neben UKW-Empfang).

Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Bauart mit einem verkürzten Antennenleiter 12, der an seinen Enden 12a, 12b mit der oberen Rahmenkante 10a leitend verbunden ist.

In Fig. 4 ist eine Heckscheibe mit einem Heizfeld aus horizontalen Leiterbahnen 15 dargestellt. Wie in der Zeichnung ersichtlich, wird der (oberste) Heizleiter, der der Rahmenkante 10a am nächsten liegt, gleichzeitig als Antennenleiter der erfindungsgemäßen Schlitzantenne verwendet. Dabei sind mit 14′ Blindelemente bezeichnet, die den notwendigen HF-Kontakt zur Funktion der Schlitzantenne herstellen und gleichzeitig für den Heizstromkreis eine galvanische Trennung zum Rahmen 10 bewirken. Mit 16 sind Siebglieder bezeichnet, mit denen bordeigene HF-Störungen von der Antenne ferngehalten werden können.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist ein Antennenleiter 17 parallel zur etwa vertikalen Rahmenkante 18b des Rahmens 18 angeordnet. Auch hier sind Blindelemente 14 vorgesehen, und mit 19, 19a, 19b sind Auskoppelpunkte auf dem Antennenleiter 17 bezeichnet. Diese Antenne dient zum Empfang bzw. zum Senden für horizontal polarisierte Wellen. Die Anordnung kann in den drei Frequenzbereichen f₁, f₂ und f₃ betrieben werden. Für den Frequenzbereich f₁ wird der Antennenleiter 17 an den Punkten 17a und 17b mit dem Rahmen 18 galvanisch verbunden. Für die Frequenzbereiche f₂ und f₃ erfolgt der galvanische Anschluß zum Rahmen 18 an den Punkten 17c und 17d bzw. 17e und 17f.

Literatur

[1] Lindenmeier, H.: Wirkungsweise und Leistungsvermögen moderner Autoantennen. Nachrichtentechnische Zeitschrift 27 (1974) Heft 1, Seiten 17 bis 23.
[2] Deutsche Patentanmeldung T 10432 VIIIa/21a⁴: Antenne für Autoempfänger, insbesondere für den UKW-Bereich.
[3] Rothammel, K.: Antennenbuch. 10. Auflage, Franck-Kosmos-Verlags- GmbH, Stuttgart 1991, S. 503 bis 505.
[4] Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1992, Seite N17.

Claims (5)

1. Antennenanordnung, bestehend aus einer von einem geschlossenen Metallrahmen umgebenen rechteckigen Öffnung und mindestens einem Leiter, der in der Öffnung parallel zu einer Kante des Rahmens verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Die von einem Metallrahmen (10, 18) umgebene Öffnung ist eine Fensteröffnung oder die Öffnung für ein Glasschiebedach eines Kraftfahrzeugs,
• - der Leiter (12, 17) ist parallel zu einer Kante (10a, 18b) des Metallrahmens angeordnet, deren Länge gleich oder größer der halben mittleren Wellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs der Anordnung ist,
• - der Leiter (12, 17) ist in Punkten (12a und 12b, 17a und 17b) galvanisch mit dem Metallrahmen (10, 18) verbunden und bildet mit der Rahmenkante (10a, 18b) eine teilskelettierte Schlitz­ antenne für den Betriebsfrequenzbereich oder für die höhere von mehreren zugleich empfangenen Frequenzen,
• - als Variable und als Mittel zur Einstellung eines oder mehrerer Betriebsfrequenz-Bereiche der Anordnung dienen die Länge des Leiters (12, 17), das Maß des Abstands des Leiters (12, 17) von der Rahmenkante (10a, 18b) und die Position des oder der Speisepunkte (13, 13a, 13b, 19, 19a, 19b) auf dem Leiter (12, 17).

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante, zu der der Leiter (12, 17) parallel angeordnet ist, in Abhängigkeit von den vorliegenden Maßverhältnissen eine etwa waagerechte (10a) oder eine etwa senkrechte (18b) Rahmenkante ist, wobei die Polarisation des mit der jeweiligen Schlitz­ anordnung zu empfangenden Felds orthogonal zur Längserstreckung des Schlitzes ist.

3. Antennenanordnung, bestehend aus einer von einem geschlossenen Metallrahmen umgebenen rechteckigen Öffnung und mindestens einem Leiter, der in der Öffnung parallel zu einer Kante des Rahmens verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Die von einem Metallrahmen (10, 18) umgebene Öffnung ist eine Fensteröffnung oder die Öffnung für ein Glasschiebedach eines Kraftfahrzeugs,
• - der Leiter (12, 17) ist parallel zu einer Kante (10a, 18b) des Metallrahmens angeordnet, deren Länge gleich oder größer der halben mittleren Wellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs der Anordnung oder des höheren von mehreren, gleichzeitig zu empfangenden Frequenzbereichen ist,
• - in der Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs mit Scheibenheizung ist der zum Antennenaufbau erforderliche rahmenparallele Leiter unter Verwendung des Leiters der Heizstruktur gebildet, der der benachbarten Umrandung am nächsten ist, wobei Blind­ elemente (14′) Verwendung finden, die für den Heiz-Gleichstrom sperrend und für HF-Energie leitend sind, und wobei Sieb­ glieder (16) vorgesehen sind, um die bordeigenen HF-Störungen von der Antenne fernzuhalten.

4. Antennenanordnung, bestehend aus einer von einem geschlossenen Metallrahmen umgebenen rechteckigen Öffnung und mindestens einem Leiter, der in der Öffnung parallel zu einer Kante des Rahmens verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Die von einem Metallrahmen (10, 18) umgebene Öffnung ist eine Fensteröffnung oder die Öffnung für ein Glasschiebedach eines Kraftfahrzeugs,
• - der Leiter (12, 17) ist parallel zu einer Kante (10a, 18b) des Metallrahmens angeordnet, deren Länge gleich oder größer der halben mittleren Wellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs der Anordnung oder des höheren von mehreren, gleichzeitig zu empfangenden Frequenzbereichen ist,
• - der Leiter (12, 17) ist für Frequenzen, deren halbe Wellen­ länge größer als die Länge der dazu parallelen Rahmenkante (10a, 18b) ist, als aperiodisch wirkendes Empfangselement nutzbar, wobei Blindelemente (14) Verwendung finden, die für die Frequenz der Schlitzanordnung niederohmig und für niedrigere Frequenzen sperrend sind.

5. Antennenanordnung, bestehend aus einer von einem geschlossenen Metallrahmen umgebenen rechteckigen Öffnung und mindestens einem Leiter, der in der Öffnung parallel zu einer Kante des Rahmens verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Die von einem Metallrahmen (10, 18) umgebene Öffnung ist eine Fensteröffnung oder die Öffnung für ein Glasschiebedach eines Kraftfahrzeugs,
• - der Leiter (12, 17) ist parallel zu einer Kante (10a, 18b) des Metallrahmens angeordnet, deren Länge gleich oder größer der halben mittleren Wellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs der Anordnung oder des höheren von mehreren, gleichzeitig zu empfangenden Frequenzbereichen ist,
• - zur Nutzung der Anordnung als Mehrbereichsantenne ist der Leiter (12, 17) gleichzeitig in Punkten (12a und 12b, 17a und 17b, 17c und 17d oder 17e und 17f) mit dem Metallrahmen (10, 18) verbunden.