DE4139605A1 - Antenne fuer den funktelefonverkehr - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Antenne mit den im Ober­ begriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine solche Antenne ist beispielsweise bekannt aus dem Hauptkatalog 1974/75 der Wilhelm Sihn jr. KG., Seite 5. Die bekannte An­ tenne hat einen Antennenfuß, der mit seinem Unterteil von unten her in eine Bohrung der Karosserie des Automobils eingefügt und darin durch ein Abdeckteil fixiert wird, wel­ ches von oben her auf das Unterteil aufgeschraubt wird. In die sen Fuß wird als linearer Strahler eine Rute aus hoch­ elastischem und rostbeständigem Edelstahl eingeschraubt. Gespeist wird die Antenne durch ein Koaxialkabel mit 50 oder 60 Ohm Wellenwiderstand, für welches am Unterteil des Antennenfußes ein Kabelanschluß vorgesehen ist. Durch ent­ sprechende Bemessung der Länge der Antennenrute ist die Antenne auf die gewünschte Arbeitsfrequenz abgestimmt. Die Länge des Strahlers beträgt meist λ/4 oder λ5/8. Das erforderliche Gegengewicht des Strahlers wird durch die Karosserie des Automobils gebildet. Für einen störungsfreien Empfang muß deshalb eine gute Masseverbindung zwischen dem Fuß der Antenne und dem Karosserieblech sichergestellt wer­ den. Zu diesem Zweck ist es bekannt, am Antennenfuß einen Massekontaktring vorzusehen, der beim Verschrauben des An­ tennenfußes mit dem Karosserieblech zwischen einer Schulter des Antennenfußes und der Unterseite des Karosseriebleches eingespannt wird und dabei mit Zähnen gegen das Karosserie­ blech drückt. Es ist ferner bekannt, zur Herstellung der erforderlichen Masseverbindung den Antennenfuß durch ein ge­ sondertes Massekabel (Kupferlitze) mit dem Karosserieblech zu verbinden. Schließlich ist es auch bekannt, eine Massever­ bindung dadurch herzustellen, daß man den Antennenfuß und das Karosserieblech nicht galvanisch, sondern kapazitiv mitein­ ander verbindet, indem man auf das Karosserieblech im Umgebungs­ bereich der Bohrung eine innenseitige, elektrisch isolierende Beschichtung als Dielektrikum aufträgt, als Elektrode eine Folie aufklebt und diese durch einen Federkontaktring mit dem Antennenfuß verbindet (DE-GM 90 16 130).

Ein λ/4-Strahler hat für den Mobilfunk im C-Netz (451,3-465,7 MHz) eine Länge von rund 18 cm, für die Benutzung im D-Netz (890 bis 965 MHz) gar nur von rund 9 cm. Steht die Antenne wie ge­ wünscht auf einem Kotflügel des Automobils, dann wird das Strahlungsdiagramm der Antenne erheblich verzerrt, insbesondere dann, wenn die Antenne auf einem geneigten Abschnitt eines Kotflügels steht. Die Verzerrung des Strahlungsdiagramms hat entsprechende Empfangsstörungen zur Folge, weil die Basis­ station, mit welcher die Antenne über Funk in Verbindung steht, nicht in der Richtung liegt, in welcher die Antenne am empfindlichsten ist. Um diesem Nachteil zu entgehen, ist es bekannt, die Antenne auf dem Dach des Automobils zu montieren. Dadurch wird der Empfang verbessert. Die Verbesserung wird jedoch durch Nachteile erkauft: Auf dem Dach läßt sich kaum eine versenkbare Antenne montieren und eine auf dem Dach montierte Antenne hindert das Anbringen von Dachaufbauten und stört in Waschanlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne für den Funktelefonverkehr, insbesondere im C-Netz und im D-Netz, zu schaffen, welche bei Montage auf einem Kotflügel des Auto­ mobils ein günstigeres Strahlungsdiagramm hat als eine her­ kömmliche Antenne für diesen Einsatzzweck.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antenne mit den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung erreicht das gesteckte Ziel durch eine Kombi­ nation von Maßnahmen: Der Strahler der Antenne wird hochge­ setzt und damit von den sein Strahlungsdiagramm verzerrenden Karosserieteilen entfernt. Durch Verwendung einer an sich bekannten kolinear gestockten und deshalb höher au fragen­ den Antenne allein würde man das Ziel noch nicht erreichen, weil bei einer solchen gestockten Antenne der unterste Strahlerabschnitt am stärksten und der oberste Strahlerab­ schnitt am schwächsten strahlt, so daß das Aufstocken der Antenne zwar einen höheren Antennengewinn, aber keine wesentliche Verbesserung des Strahlungsdiagramms ergibt. Um das zu erreichen, wird erfindungsgemäß der Strahler der Antenne insgesamt angehoben, im Falle einer kolinear ge­ stockten Antenne alle ihre Strahlungsabschnitte. Mit dem An­ heben des Strahlers der Antenne wird natürlich auch ihr Speisepunkt angehoben; er liegt nicht mehr wie früher im An­ tennenfuß, sondern oberhalb des Antennenfußes, so daß die für das Speisen der Antenne vorgesehene koaxiale Leitung aus dem Antennenfuß hinaus nach oben ragt. Damit allein ist es jedoch nicht getan, denn es zeigt sich, daß eine solche An­ tenne einen verhältnismäßig schlechten Gewinn und eine steil nach oben weisende Richtcharakteristik hat. Das hat eine schlechte Empfangsqualität zur Folge, weil im Hinblick auf die Lage der Basisstationen, mit denen die Antenne über Funk in Verbindung steht, eine waagerechte Richtcharakteristik am besten wäre. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß wei­ terhin vorgesehen, daß die Masseverbindung zwischen der Antenne und der Karosserie, welche bisher stets hergestellt wurde, aufgehoben wird. Die Funktion des Gegengewichtes für den Strahler, die bei gattungsgemäßen Antennen nach dem Stand der Technik von der Karosserie übernommen wurde, über­ nimmt erfindungsgemäß die aus dem Antennenfuß nach oben ragende koaxiale Leitung, auf deren Außenleiter Mantelwellen fließen. Erfindungsgemäß wird zugelassen, daß diese Mantel­ wellen auf dem oberen λ/4-Abschnitt der koaxialen Leitung zu einer Abstrahlung führen. Der Abschnitt des Mantels der koaxialen Leitung, welcher abstrahlen kann, soll nicht wesent­ lich länger als λ/4 sein, weil sich mit zunehmender Länge das Richtdiagramm der Antenne verschlechtert, d. h., die An­ tenne nicht mehr waagerecht, sondern zunehmend nach oben strahlt. Mit einer nicht mehr als λ/4 betragenden Anhebung der Antenne über den Antennenfuß hinaus ist es jedoch auch noch nicht getan. Deshalb ist vorgesehen, daß die koaxiale Leitung mit einer wesentlich größeren Länge als λ/4 aus dem Antennenfuß hinaus nach oben ragt, wobei die koaxiale Lei­ tung in ihrem an den oberen λ/4-Abschnitt nach unten an­ schließenden Abschnitt mit ferritischem Material umgeben ist, welches die Mantelwellen so stark dämpft, daß dort keine Ab­ strahlung mehr stattfindet und der Außenleiter im Bereich des Antennenfußes praktisch stromlos ist. Die Länge, auf wel­ cher die koaxiale Leitung von dem ferritischem Material um­ geben ist, darf nicht zu klein sein, damit über den vom ferritischen Material umgebenen Abschnitt hinweg die An­ tenne nicht hochfrequente Mantelströme in einen eventuellen tieferen, freiliegenden Bereich des Außenleiters der ko­ axialen Leitung induziert. Die koaxiale Leitung sollte des­ halb wenigstens auf einer Länge von λ/4, vorzugsweise auf einer Länge von λ/2 bis 3 λ/4 von dem ferritischem Material umgeben sein. Am besten umgibt man die koaxiale Leitung zwi­ schen dem das Gegengewicht des Strahlers bildenden oberen λ/4-Abschnitt und dem Antennenfuß lückenlos mit dem ferriti­ schem Material.

Da die erfindungsgemäße Antenne einen linearen Strahler in Reihe mit einem λ/4-Koaxstrahler hat, ist ihre Impedanz höher als bei einer herkömmlichen gattungsgemäßen Antenne. Es ist deshalb erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, daß zur Anpassung der Antenne an die koaxiale Speiseleitung, für welche man zweckmäßigerweise ein steifes koaxiales Kabel mit einem Wellenwiderstand von 50 bis 60 Ohm verwendet, am oberen Ende der koaxialen Leitung ein Viertelwellentrans­ formator vorgesehen ist.

Mit einer erfindungsgemäßen Antenne erreicht man auch bei der Montage an ungünstigen Stellen auf einem Kotflügel der Karosserie bei gutem Antennengewinn eine nahezu waagerechte Strahlungscharakteristik, d. h., die Antenne strahlt im wesent­ lichen in waagerechter Richtung ab und ist dabei durch die Karosserie weitgehend ungestört.

Zu diesem Vorteil kommt als weiterer Vorteil hinzu, daß die Antenne einfacher und bequemer eingebaut werden kann, als be­ kannte gattungsgemäße Antennen, weil die Antenne weder galvanisch noch kapazitiv mit der Karosserie des Automobils verbunden werden muß. Deshalb muß weder an unzugänglicher stelle ein Massekabel am Karosserieblech angebracht werden noch muß ein Massekontaktring zwischen Antennenfuß und Karosserie­ blech eingespannt werden, der beim Automobilhersteller ohnehin äußerst unbeliebt ist, weil er mit seinen Zähnen die Korrosions­ schutzschicht des Karosserieblechs durchdringt und zu vor­ zeitigem Rostbefall an dieser Stelle führt; der Rostbefall hat darüberhinaus eine Verschlechterung des Massekontaktes und da­ mit der Empfangsqualität der Antenne zur Folge. Erfindungsgemäß entfällt auch die Notwendigkeit, zur Herstellung einer kapazitiven Masseankopplung das Karosserieblech im Um­ gebungsbereich der für die Antenne vorgesehenen Bohrung zunächst mit einem dielektrischen Werkstoff zu beschich­ ten, dann mit einer Metallfolie zu überkleben und diese schließlich mit einem Federkontaktring zu kontaktieren, der zwischen Antennenfuß und Karosserieblech eingespannt wird. Durch Alterung des Dielektrikums und Korrosion ver­ ändert sich eine solche kapazitive Masseankopplung; eine erfindungsgemäße Antenne ist in ihrer Empfangsqualität hingegen langzeitstabil. Durch den Verzicht auf die Masse­ ankopplung genügt es vollkommen, die Antenne an ihrem Fuß durch ein hülsenförmiges Halteteil aus elastischem, elek­ trisch isolierendem Material, insbesondere aus elastomerem Kunststoff, in der Bohrung des Karosserieblechs zu fixieren. Das Halteteil benötigt zu diesem Zweck auf seiner Außen­ seite lediglich eine Ringnut, in welche der Rand des Karosserieblechs einrasten kann. Mit einem solchen Halte­ teil kann die Antenne einfach von unten her in die Bohrung des Karosserieblechs eingeschoben und darin verrastet wer­ den; man spricht davon, daß die Antenne in das Karosserie­ blech "eingeknüpft" wird. Ein solches einknüpfbares Halte­ teil ist in dem DE-GM 90 16 130 dargestellt, dort aller­ dings ergänzt um einen Federkontaktring, Dielektrikum und Metallfolie auf dem Karosserieblech zur kapazitiven An­ kopplung an das Karosserieblech sowie um ein Massekabel, welche bei der erfindungsgemäßen Antenne nicht benötigt werden. Einfacher als die erfindungsgemäße Antenne kann man eine Antenne im Karosserieblech kaum montieren.

Die aus dem Antennenfuß nach oben ragende koaxiale Speise­ leitung der Antenne kann man dadurch mit ferritischem Ma­ terial umgeben, daß man ferritische Ringe oder Hülsen auf den Außenleiter der koaxialen Leitung auffädelt und fixiert, beispielsweise durch einen Kragen, welcher auf den obersten ferritischen Ring einwirkt. Vorzugsweise wird die koaxiale Leitung jedoch mit einem Verbundwerkstoff fest beschichtet, welcher einen Kunststoff als Bindemittel und darin einge­ lagert das ferritische Material enthält. Das Beschichten kann durch in der Kunststofftechnik übliche Verfahren z. B. durch Umspritzen der koaxialen Leitung mit dem Verbundwerkstoff geschehen.

Der Gewinn der Antenne kann, wenn gewünscht, dadurch erhöht werden, daß man die Antenne als kolinear gestockte Antenne mit zwei bis vier Strahlerabschnitten ausbildet. Am Prinzip der Erfindung ändert sich dadurch nichts. Die erfindungsgemäße Antenne eignet sich besonders für den Mobilfunk im D-Netz, welches die Frequenzbereiche von 890 bis 915 MHz (Unterband für die Mobilstationen) und 935 bis 965 MHz (Oberband für die Basisstationen) hat, weil bei diesen die Strahler besonders kurz sind. Geeignet für die erfindungsgemäße Antenne sind vor allem Strahlerlängen von λ/4, λ/2 und 5 λ/8, aber auch längere Strahler, wie 3 λ/4 oder 5 λ/4.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Ausschnitt aus dieser Antenne im Bereich ihres Viertelwellentrans­ formators,

Fig. 3 zeigt vergrößert den unteren Abschnitt dieser Antenne,

Fig. 4 zeigt ein gerechnetes Strahlungsdiagramm dieser Antenne, und

Fig. 5 zeigt zum Vergleich das gerechnetes Strahlungs­ diagramm einer herkömmlichen Antenne.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Antenne hat einen Fuß 1 mit einem Schaft 2, in welchem unter Zwischenfügung einer Dichtmanschette 3 eine Hülse 4 steckt, durch welche ein steifes Koaxialkabel 5 hindurchgeführt ist, welches zum Anschluß an ein Gerät im unteren Abschnitt des Schaftes 2 seitlich schräg aus diesem herausgeführt ist. Der Schaft 2 hat ein Kopfteil 6, dessen Außenseite die Gestalt eines Kugelflächenabschnittes hat. Dieses Kopfteil steckt in einem hülsenförmigen Halteteil 7 aus elastischem Material, insbesondere aus elastomerem Kunst­ stoff. Dieses Halteteil 7 hat in ihrem oberen Bereich eine dem Kopfteil 6 entsprechende Innenfläche in Form eines Kugelflächen­ abschnittes und stützt sich mit ihrem unteren Ende auf einem Kragen 8 ab, welcher auf der Außenseite des Schaftes 2 ausge­ bildet ist. In der Außenseite des Halteteils 7 ist eine Ringnut 9 vorgesehen, welche zur Aufnahme des Randes der Bohrung 10 im Karosserieblech 11 dient, durch welche die Antenne hindurchgeführt wird. Die Ringnut 9 hat eine durch die Neigung des Karosserieblechs 11 und die vorgesehene Einbaulage der Antenne bestimmte Neigung relativ zur Längsachse der Antenne.

Zum Einsetzen der Antenne in die Bohrung des Karosserie­ blechs 11 wird zunächst das elastische Halteteil 7 in die Bohrung 10 eingeknüpft und dann von unten her die Antenne in das Halteteil 7 eingeschoben, bis der Fuß 1 mit einem Kopfteil 6 im Kugelflächenabschnitt des Halteteils 7 ein­ rastet und mit dem Kragen 8 am Halteteil 7 anschlägt. Eine Masseverbindung zwischen dem Fuß 1 der Antenne und der Karosserie wird dabei nicht hergestellt.

Das Koaxialkabel ragt mit einer Länge von ungefähr 3/8-Wellenlängen des vorgesehenen Betriebsfrequenzbe­ reiches der Antenne über den Fuß 1 nach oben und ist mit einem Viertelwellentransformator 12 verbunden; es handelt sich dabei im vorliegenden Beispiel um ein koaxiales Lei­ tungsstück mit der Länge λ/4, bestehend aus einem Metall­ rohr 13 als Außenleiter, einem Draht 14 als Innenleiter und Luft als Dielektrikum.

An das obere Ende des Viertelwellentransformators schließen sich aufeinanderfolgend eine erste Hülse 15, welche eine λ/2-Phasenleitung enthält, ein erster λ/2-Strahlerabschnitt 16, eine zweite Hülse 17, welche eine zweite λ/2-Phasenlei­ tung enthält, und schließlich ein zweiter λ/2-Strahlerab­ schnitt 18 an. Die λ/2-Phasenleitungen sind als aufgewickel­ te Umwegleitungen ausgebildet.

Das Koaxialkabel 5 ist teilweise im Schnitt dargestellt, so daß man den Innenleiter 19, welcher sich in die λ/2-Strahler­ abschnitte 16 und 18 fortsetzt, das Dielektrikum 20 (beispiels­ weise Polytetrafluoräthylen) und den metallischen Mantel 21 des Koaxialkabels erkennt. Auf den nach oben aus dem Fuß 1 her­ ausragenden Abschnitt des Mantels 21 sind fast auf voller Länge Ringe 22 aus ferritischem Material aufgefädelt und fixiert, z. B. durch Verkleben mit dem Mantel 21.

Von der dargestellten kolinear gestockten Antenne wurde bei einer Frequenz von 925 MHz das Strahlungsdiagramm gerechnet; es ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei waren für die ferritischen Ringe 22 ein ferritisches Material mit einer relativen Permea­ bilität von µ = 250, ein Koaxialkabel 5 mit einem Wellenwider­ stand von 50 Ohm und ein Viertelwellentransformator mit einem Wellenwiderstand von 96 Ohm zur Anpassung an den Wellenwider­ stand von ungefähr 160 Ohm der drei in der Reihe geschalteten Strahlerabschnitte der Antenne gewählt. Die drei Strahlerab­ schnitte sind der erste und zweite λ/2-Strahler 16 und 18 so­ wie der Außenleiter 13 des Viertelwellentransformators 12, welcher als λ/4-Strahler das elektrische Gegengewicht der Antenne bildet.

Fig. 4 zeigt, daß die Hauptstrahlungsrichtung der Antenne in erwünschter Weise waagerecht und ausgeprägt ist.

Zum Vergleich wurde das Strahlungsdiagramm einer herkömm­ lichen, gattungsgemäßen Antenne mit einer Strahlerlänge von 3 λ/2 aufgenommen, welche durch ein Koaxialkabel mit 50 Ohm Wellenwiderstand gespeist und an den Wellenwiderstand des Koaxialkabels angepaßt war. Das Strahlungsdiagramm ist in Fig. 5 dargestellt. Man sieht, daß diese Antenne steil nach oben abstrahlt, ihre Hauptstrahlungsrichtung liegt in einem Winkel von 62° über der Waagerechten; ihre Empfindlichkeit in waagerechter Richtung ist klein.

(Beide Antennen standen auf einer waagerechten Metallplatte).

Man sieht aus dem Vergleich der Fig. 4 und 5, daß sich die erfindungsgemäße Antenne viel besser für den Funktelefonver­ kehr eignet als die bekannte Antenne.

Claims (9)

1. Antenne für den Funktelefonverkehr zum Einbau in Auto­ mobile, bestehend aus einem linearen Strahler, der durch eine koaxiale Leitung gespeist wird und einen Antennenfuß zur Befestigung der Antenne in einer Bohrung der Karosserie des Automobils hat, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Leitung (5) mit einer wesentlich größeren Länge als λ/4 aus dem Antennen­ fuß (1) hinaus nach oben ragt und nach unten anschließend an einen oberen λ/4-Abschnitt (13), welcher ein elektrisches Gegengewicht des Strahlers (16, 18) bildet, von ferritischem Material (22) umgeben ist, und zwar auf einer so bemessenen Länge, daß der Außenleiter (21) der koaxialen Leitung (5) im Bereich des Antennenfußes (1) praktisch stromlos ist,
und daß am oberen Ende der koaxialen Leitung (5) ein Viertel­ wellentransformator (12) vorgesehen ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenfuß (1) so ausgebildet ist, daß er die koaxiale Leitung (5) elektrisch isoliert durch die Bohrung (10) in die Karosserie (11) hineinführt.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenfuß (1) so ausgebildet ist, daß er im Arbeitsfrequenzbereich der Antenne keine kapazitive Massever­ bindung zur Karosserie (11) herstellt.

4. Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die koaxiale Leitung (5) auf einer Länge von wenigstens λ/4 von ferritischem Material umgeben ist.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Leitung (5) auf einer Länge von wenigstens λ/2, vorzugsweise auf einer Länge von ungefähr 3 λ/4, von dem ferritischen Material umgeben ist.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die koaxiale Leitung (5) von ihrem Gegen­ gewicht (13) bis zum Antennenfuß (1) ohne Unterbrechung von dem ferritischen Material umgeben ist.

7. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Leitung (5) mit einem Verbundwerkstoff fest beschichtet ist, welcher einen Kunststoff als Bindemittel und darin eingelagert das ferritische Material enthält.

8. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine kolineare gestockte Antenne mit zwei bis vier Strahlerabschnitten (16, 18) ist.

9. Verwendung einer Antenne nach einem der vorstehenden An­ sprüche für Mobilfunk im D-Netz, welches die Frequenz­ bereiche von 890-915 MHz (Unterband für Mobilstationen) und 935-965 MHz (Oberband für Basisstationen) hat.