DE4205851C2 - In die Fensteröffnung einer metallischen Kraftfahrzeugkarosserie einzusetzende Antennenscheibe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in die Fensteröffnung einer me­ tallischen Kraftfahrzeugkarosserie einzusetzende Antennen­ scheibe, die für den Mobilfunk im Duoband-Betrieb mit um etwa einen Faktor 2 unterschiedlichen Wellenlängen einge­ richtet sowie mit auf die Wellenlänge abgestimmten Monopolen ausgerüstet ist. - Die kürzere Wellenlänge wird im folgenden mit K bezeichnet. Die größere Wellenlänge wird mit L be­ zeichnet.

Der Mobilfunk arbeitet mit elektromagnetischen Wellen im Dezimeterbereich. Monopol bezeichnet eine lineare Antennen­ spur in oder auf der Antennenscheibe, die eine Einfach­ scheibe oder eine Verbundscheibe sein kann. Die Antennenspur kann beispielsweise aufgedruckt und gegebenenfalls galvanisch verstärkt oder als Drahtspur ausgeführt sein. Ein Monopol, dessen Länge einem Viertel der Wellenlänge entspricht, wird allgemein als Lambdaviertel-Monopol und im Rahmen der Erfindung als L/4-Monopol bzw. K/4-Monopol bezeichnet. Das Sendeverhalten und umgekehrt das Empfangs­ verhalten von Lambdaviertel-Monopolen ist durch eine gute Rundstrahlcharakteristik sowie einen relativ großen vertikalen Erhebungswinkel gekennzeichnet und wird im Mobil­ funkbereich genutzt. Es ist bekannt, im Mobilfunkbereich mit L/4-Monopolen und K/4-Monopolen zu arbeiten.

Bei der aus der Praxis bekannten Antennenscheibe, von der die Erfindung ausgeht, sind der L/4-Monopol und der K/4-Monopol selbständige Antennen, die nicht in elektro­ nenleitender Verbindung stehen. Sie werden separat betrie­ ben. Bei L-Mobilfunk wird der L/4-Monopol geschaltet, bei K-Mobilfunk der K/4-Monopol. Die induktive und/oder kapazi­ tive Wechselwirkung stört nicht, zumal eine elektronisch leitende Verbindung fehlt. Die Sendecharakteristik (ent­ sprechendes gilt reziprok für die Empfangscharakteristik) eines Lambdaviertel-Monopols ist eindeutig definiert für die Anordnung eines Lambdaviertel-Monopols über einer unendlich ausgedehnten, vollkommen leitenden Fläche (sogenannte Erde). In der Praxis werden daher häufig Stabantennen eingesetzt, bei denen die Kraftfahrzeugkarosserie als Erde wirkt und direkt als Masse geschaltet ist. Im Mobilfunk bei Kraft­ fahrzeugen wird die Erde auch durch auf die Wellenlänge abgestimmte Radials simuliert, die ihrerseits induktiv und kapazitiv mit der metallischen Kraftfahrzeugkarosserie wechselwirken. Die Radials verlaufen in der Regel parallel zum metallischen Rand der Fensteröffnung. Das hat sich mobilfunktechnisch bewährt. Die selbständige Anordnung sowie die selbständige antennentechnische Funktion der beiden Lambdaviertel-Monopole verlangt jedoch auf dem Weg zum Sender bzw. zum Empfänger besondere Maßnahmen und besondere anschlußtechnische Maßnahmen (z. B. Antennenweichen), was erheblich stört, wenn in der modernen Kraftfahrzeugfertigung die Antennenscheiben automatisch montiert werden.

Zum Empfang von klassischen Kurzwellen, deren Wellenlänge wesentlich länger ist als die der elektromagnetischen Wellen des modernen Mobilfunks, ist es bekannt (GB 4 60 570, 1937), mit gekreuzten Linearantennen zu arbeiten, deren Kreuzarme beidseits des Kreuzungspunktes unterschiedlich lang sind und einerseits sowie andererseits des Kreuzes zur Resonanz mit entsprechenden Wellen im Kurzwellenspektrum als Lambda­ halbe-Dipole ausgelegt sind. Sie werden nicht im Sinne der vorstehenden Ausführungen separat betrieben. Radials im Sinne der vorstehenden Definition sind hier nicht vorge­ sehen. Eine Übertragung auf Antennenscheiben, die in Fensteröffnungen von Kraftfahrzeugkarosserien einzusetzen und für den Mobilfunk bestimmt sowie bezüglich der Dipol­ länge der Wellenlänge des Mobilfunks anzupassen wären, führt nicht zum Erfolg. Antennenscheiben für Kraftfahrzeuge, die untereinander elektronisch leitend verbundene unterschied­ lich lange Monopole für unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, sind ebenfalls bekannt (JP A 62-43 905, US 47 49 989), jedoch ohne Spezifizierung von Radials. Sie sind nicht für den Mobilfunk im Duoband-Betrieb geeignet.

Im übrigen sind Mehrbandantennen bekannt, die in bezug auf die Antennenleiter mit Längenverhältnissen von 1 : 3 arbeiten (DE 37 32 994) und bei denen das Antennensignal im Fußpunkt abgegriffen wird. Bei Längenverhältnissen von 1 : 3 einerseits und 1 : 2 andererseits verhalten sich die Mehrbandantennen in den jeweiligen Frequenzbereichen in beachtlichem Maße unterschiedlich. - Bekannt ist auch eine Einbereichs- 3/4-Lambda-Mobilfunkantenne, die mit zwei zugeordneten Erdungselementen der Länge 3/8 Lambda und 1/2 Lambda mit besonderem Abstand vom metallischen Rand der KFZ-Fensteröffnung, vorzugsweise in der Mitte der KFZ-Fensteröffnung angeordnet wird (WO 92/02 971).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennen­ scheibe des eingangs beschriebenen Aufbaus sowie der ein­ gangs angegebenen Zweckbestimmung auf einfache Weise so weiter auszugestalten, daß sie sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig allen Anforderungen genügt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung eine in die Fensteröffnung einer metallischen Kraftfahrzeug­ karosserie einzusetzende Antennenscheibe, die für den Mobilfunk im Duoband-Betrieb mit um etwa einen Faktor 2 unterschiedlichen Wellenlängen (L und K; L=2 K) eingerichtet sowie mit auf die Wellenlänge abgestimmten Monopolen ausgerüstet ist, wobei in jedem Frequenzbereich lediglich einer der Monopole resonant und dazu die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht ist: a) ein L/4-Monopol sowie ein K/4- Monopol sind elektrisch parallel geschaltet sowie U-förmig oder V-förmig mit elektronisch leitender Verbindung im Fußpunkt angeordnet; b) dem L/4-Monopol ist ein l-Radial, dem K/4-Monopol ist ein k-Radial zugeordnet, die in der Nähe des Fußpunkts miteinander verbunden sind und parallel zum metallischen Rand der Fensteröffnung verlaufen; c) an den Fußpunkt ist über ein Anschlußstück die Seele eines Koaxialkabels angeschlossen; d) die Abschirmung des Koaxialkabels ist mit den beiden Radials, verbunden, wobei der Ab­ stand der beiden Radials vom metallischen Rand der Fenster­ öffnung ihre Länge l, k sowie durch ihre Breiten die Strahlungscharakteristik einstellbar und der Mantel des Koaxialkabels ausreichend mantelwellenfrei ist. - Das Merkmal b) besagt, daß die Länge des k-Radials auf die Länge des K/4-Monopols und die Länge des l-Radials auf die Länge des L/4-Monopols abgestimmt ist, wobei normalerweise bei U- förmig angeordneten Monopolen des l-Radials zur Seite des L/4-Monopols orientiert sind. Es kann aber auch das l-Radial auf der Seite des K/4-Monopols angeordnet sein (entsprechend das k-Radial auf der L/4-Seite). Es versteht sich, daß die Abschirmung des Koaxialkabels an ihrem geräteseitigen Ende mit der Gerätemasse bzw. mit der Kraftfahrzeugkarosserie verbunden ist.

Die Erfindung beruht auf der Erwägung, daß eine kreisförmige Öffnung in einer unendlich ausgedehnten, vollkommen leitenden Ebene selbst als eine Antenne arbeitet (sogenanntes verallgemeinertes Babinet′sches Prinzip, vgl. Sommerfeld "Optik", 1964, Seiten 177-179). Diese "Lochantenne" zeigt in ihrer Ebene eine ausgeprägte Struktur der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstärken, wenn das Verhältnis der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen und der Durchmesser der Öffnung im ausgeprägten Beugungsbereich liegen, wie es für die Wellen des Mobilfunks und für Antennenscheiben üblicher Kraftfahrzeuge der Fall ist (Handbuch der Physik, Band XXV/1, 1961, Seiten 460-465). Das alles gilt modifiziert für die Fensteröffnungen einer metallischen Kraftfahrzeugkarosserie, ist aber bisher nicht beachtet worden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Monopole (L/4-Monopol und K/4-Monopol) in der Lochantenne, die durch die Fensteröffnung in der Kraftfahrzeugkarosserie gegeben ist, der Anpassung an die Struktur der elektro­ magnetischen Feldstärken bedürfen und daß eine besondere Ankopplung an die "Masse" erforderlich ist, die durch die Kraftfahrzeugkarosserie gegeben ist. Das erreicht die Erfindung im Rahmen der Kombination der genannten Merkmale dadurch, daß der Abstand der beiden Radials vom metallischen Rand der Fensteröffnung sowie ihre Längen und Breiten so gewählt werden, daß die Abschirmung des Koaxialkabels ausreichend mantelwellenfrei ist und die Strahlungs­ charakteristik optimiert ist. Überraschenderweise läßt sich dabei auch die Impedanz dem Koaxialkabel anpassen. Diese Anpassung bzw. Optimierung kann ohne Schwierigkeiten durch Versuche ermittelt werden. Das gilt auch für die Orientierung der Monopole und der Radials in der Fenster­ öffnung insgesamt. Überraschenderweise beeinträchtigen sich die beiden Monopole einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe nicht. Insoweit läßt sich die Funktion wie folgt erläutern: Bei einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe sind die beiden Monopole parallelgeschaltet. Im langen Band ist der lange Monopol resonant, d. h. niederohmig, der kurze Monopol ist zu kurz und darum kapazitiv hochohmig. Folglich arbeitet der kurze Monopol im langen Band nicht. Im kurzen Band ist der lange Monopol zu lang, d. h. hochohmig. Durch die Parallel­ schaltung mit dem resonanten kurzen Monopol sowie die be­ sondere Anordnung der beiden längen- und breitenangepaßten Radials ist das Gesamtgebilde adaptiert. Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung die Monopole in an sich be­ kannter Weise eine kapazitive Verkürzung erfahren können. Das läßt sich insbesondere in bezug auf den langen Monopol auf einfache Weise, nämlich durch T-förmige Gestaltung erreichen. Es versteht sich fernerhin, daß die Ausdrücke L/4-Monopol und K/4-Monopol im Sinne der Antennentechnik zu verstehen sind und Längentoleranzen in bezug auf die zugeordnete Wellenlänge von ±20% umfassen. Die geo­ metrische Länge der Monopole ist gegenüber der Vakuum­ (Luft-)Viertelwellenlänge wegen des Vorhandenseins der dielektrischen Glasscheiben verkürzt. Der Verkürzungsfaktor ist von der Fensteröffnung und daher von der Geometrie der Antennenscheibe, von der Geometrie der Monopole sowie vor allem von der Dicke der verwendeten Glasscheiben abhängig. Er liegt typischerweise bei 0,6-0,8.

Im einzelnen bestehen mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. Insbesondere besteht die Mög­ lichkeit, zusätzlich einen L/4-Monopol anzuordnen sowie die nunmehr zwei L/4-Monopole V-förmig gespreizt vorzusehen, wobei in der V-Achse der K/4-Monopol angeordnet ist. Umgekehrt kann man aber auch zusätzlich einen K/4-Monopol vorsehen sowie die beiden K/4-Monopole V-förmig spreizen, wobei hier in der V-Achse der L/4-Monopol angeordnet ist. Im Rahmen der Erfindung liegt es, bei der Ausführungsform mit U-förmig angeordneten Monopolen einen zusätzlichen L/4-Monopol parallel zum ersten und symmetrisch in bezug auf den K/4-Monopol anzuordnen, wobei die freien Enden der L/4-Monopole elektronisch leitend verbunden sind.

Die Optimierung ist besonders einfach zu erreichen und be­ sonders ausgeprägt, wenn das l-Radial sowie das k-Radial die Länge des jeweils zugeordneten Monopols aufweisen. Man kann aber auch das l-Radial sowie das k-Radial mit einer Länge versehen, die dem (2n-l)-fachen der Länge des jeweils zuge­ ordneten Monopols entspricht, n ganzzahlig größer oder gleich eins.

Sehr vorteilhaft ist es im Sinne einer Optimierung bei der Ausführungsform mit U-förmig angeordneten Monopolen und Abwandlungen davon, wenn der Zwischenraum zwischen den Mono­ polen eine Breite von etwa K/20 oder kleiner als K/20 auf­ weist. Die Radials besitzen zweckmäßigerweise eine Breite von zumindest K/200. Die Radials können verdoppelt werden.

Zu einem besonders großen Nutzen der Antennenelemente kommt man unter Berücksichtigung der üblichen Polarisierung der elektromagnetischen Wellen des Mobilfunks, wenn die Monopole im wesentlichen vertikal angeordnet sind.

Andererseits sind die Radials für zweckmäßigerweise im wesentlichen horizontal angeordnet. In der Ausführungsform als Windschutzscheibe empfiehlt es sich, die Radials am oberen Rand der Scheibe anzuordnen, und zwar so, daß die Monopole nach unten weisen. In der Ausführungsform als Seitenscheibe empfiehlt es sich, die Radials am oberen und/oder unteren Rand anzuordnen, so daß die Monopole jeweils zum gegenüberliegenden Rand weisen. In der Ausfüh­ rungsform als Dreieckscheibe sind die Radials zweckmäßiger­ weise am unteren Rand angeordnet, so daß die Monopole nach oben weisen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 die Ansicht einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe mit angedeuteter Kraftfahrzeugöffnung,

Fig. 2 mit den Teilfiguren a) bis f) besondere Ausge­ staltungen für die Anordnung der Monopole und der Radials in einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe und

Fig. 3 mit den Teilfiguren a) bis d) verschiedene Ausfüh­ rungsformen erfindungsgemäßer Antennenscheiben.

Die in den Figuren dargestellten Antennenscheiben sind in die Fensteröffnung einer metallischen Kraftfahrzeugkarosse­ rie einzusetzen. Insoweit besteht eine zwingende Zuordnung zwischen der Geometrie der Fensteröffnung und der Umfangs­ geometrie der Antennenscheibe, die als ebene Scheibe oder gekrümmt ausgeführt sein kann. Die Antennenscheiben sind für den Mobilfunk im Duoband-Betrieb mit um einen Faktor 2 unterschiedlichen Wellenlängen L und K eingerichtet, wobei L = 2K ist. Die Antennenscheiben sind mit auf die Wellenlängen abgestimmten Monopolen ausgerüstet.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 bis 3 entnimmt man, daß stets ein L/4-Monopol 1 sowie ein K/4- Monopol 2 elektrisch parallel geschaltet sowie U-förmig oder V-förmig mit elektrisch leitender Verbindung im Fußpunkt 3 angeordnet sind. Dem L/4-Monopol 1 ist ein l-Radial 4, dem K/4-Monopol 2 ist ein k-Radial 5 zugeordnet, die parallel zum metallischen Rand 6 der Fensteröffnung verlaufen. Das l-Radial 4 ist zur Seite des L/4-Monopols 1 orientiert, das k-Radial 5 zur Seite des K/4-Monopols 2 hin. Es kann aber auch die umgekehrte Anordnung gewählt werden. An den Fuß­ punkt 3 ist über ein Anschlußstück 7 die Seele 8 eines Koaxialkabels 9 angeschlossen. Die Abschirmung 10 des Koaxialkabels 9 ist mit den beiden Radials 4, 5 verbunden. Das Anschlußstück 7 kann eine Lötverbindung, ein Steck­ element oder dergleichen sein, wobei vorzugsweise der Wellenwiderstand des Anschlußstücks 7 demjenigen des Koaxialkabels 9 entspricht.

Durch Doppelpfeile wurde angedeutet, daß der Abstand der beiden Radials 4, 5 vom metallischen Rand 6 der Fenster­ öffnung sowie ihre Längen und Breiten so gewählt sind, daß der Mantel 10 des Koaxialkabels 9 ausreichend mantelwellen­ frei ist und die Strahlungscharakteristik optimiert ist.

Die Fig. 2 verdeutlicht Abwandlungen des in der Fig. 1 dargestellten Grundprinzips einer erfindungsgemäßen Anten­ nenscheibe. Man entnimmt aus der Fig. 2d), daß zusätzlich ein L/4-Monopol 1 angeordnet ist und daß die beiden L/4- Monopole 1 V-förmig gespreizt sind. In der V-Achse befindet sich bei dieser Ausführungsform der K/4-Monopol 2. Eine andere Ausführungsform erkennt man in den Fig. 2e) und 2f). Diese verdeutlicht, daß ein zusätzlicher K/4-Monopol 2 angeordnet ist und daß die beiden K/4-Monopole 2 V-förmig gespreizt sind, wobei hier in der V-Achse der L/4-Monopol 1 angeordnet ist. Die Fig. 2c) zeigt, daß ein zusätzlicher L/4-Monopol 1 parallel zum ersten und symmetrisch auf den K/4-Monopol 2 angeordnet ist, wobei die Enden der L/4-Monopole 1 verbunden sind. In den Fig. 2b) und 2f) erkennt man fernerhin, daß der L/4-Monopol 1 kapazitiv durch eine T-förmige Gestaltung verkürzt ist. In der Fig. 1 erkennt man, daß das l-Radial 4 sowie das k-Radial 5 die Länge des jeweils zugeordneten Monopols 1 bzw. 2 aufweisen. Auf die zulässigen Längentoleranzen und übliche Verkürzungs­ faktoren wurde bereits verwiesen. Die Fig. 2 macht deutlich, daß die Radials 4, 5 auch verdoppelt werden können. Bezüglich der Zwischenräume zwischen den Monopolen 1, 2 und der Breite der Radials 4, 5 wird auf die Patent­ ansprüche 7 bis 9 verwiesen.

Die Orientierung der Monopole 1, 2 und Radials 4, 5 in einer erfindungsgemäßen Antennenscheibe verdeutlicht die Fig. 3. In der Fig. 3 erkennt man eine Ausführungsform als Windschutzscheibe oder Heckscheibe 11. Die Radials 4, 5 sind am oberen Rand der Scheibe 11 angeordnet, die Monopole 1, 2 weisen nach unten. Bei der Ausführungsform als Seitenscheibe 12, die in den Fig. 3b) und 3c) verdeutlicht ist, sind die Radials 4, 5 am oberen bzw. am unteren Rand angeordnet, während die Monopole 1, 2 zum gegenüberliegenden Rand weisen. Die Fig. 3d) zeigt die Ausführungsform als Seitenscheibe 13 mit Radials 4, 5 am unteren Rand, während die Monopole 1, 2 nach oben weisen. Bei Anordnung der Mono­ pole 1, 2 in einer Scheibenecke können die Radials 4, 5 auch einen Winkel unter 180° einschließen, indem sie parallel zu den in der Ecke zusammenlaufenden Scheibenrändern verlaufen.

Claims (15)

1. In die Fensteröffnung einer metallischen Kraftfahrzeug­ karosserie einzusetzende Antennenscheibe, die für den Mobilfunk im Duoband-Betrieb mit um etwa einen Faktor 2 unterschiedlichen Wellenlängen (L und K; L=2 K) einge­ richtet sowie mit auf die Wellenlänge abgestimmten Monopolen ausgerüstet ist, wobei in jedem Frequenzbereich lediglich einer der Monopole resonant und dazu die Kombination der folgenden Merkmale verwirklicht ist:

• a) ein L/4-Monopol sowie ein K/4-Monopol sind elektrisch parallel geschaltet sowie U-förmig oder V-förmig mit elektronisch leitender Verbindung im Fußpunkt angeordnet,
• b) dem L/4-Monopol ist ein l-Radial dem, K/4-Monopol ist ein k-Radial zugeordnet, die parallel zum me­ tallischen Rand der Fensteröffnung verlaufen,
• c) an den Fußpunkt ist über ein Anschlußstück die Seele eines Koaxialkabels angeschlossen,
• d) die Abschirmung des Koaxialkabels ist mit den beiden Radials verbunden,

wobei der Abstand der beiden Radials vom metallischen Rand der Fensteröffnung, ihre Längen l, k sowie durch ihre Breiten die Strahlungscharakteristik einstellbar und der Mantel des Koaxialkabels ausreichend mantelwellenfrei ist.

2. Antennenscheibe nach Anspruch 1, wobei zusätzlich ein L/4-Monopol angeordnet ist sowie die L/4-Monopole V-förmig gespreizt sind und wobei in der V-Achse der K/4-Monopol an­ geordnet ist.

3. Antennenscheibe nach Anspruch 1, wobei zusätzlich ein K/4-Monopol angeordnet sowie die K/4-Monopole V-förmig gespreizt sind und wobei in der V-Achse der L/4-Monopol angeordnet ist.

4. Antennenscheibe nach Anspruch 1 in der Ausführungsform mit U-förmig angeordneten Monopolen, wobei ein zusätzlicher L/4-Monopol parallel zum ersten und symmetrisch in bezug auf den K/4-Monopol angeordnet ist und wobei die Enden der L/4-Monopole elektronisch leitend verbunden sind.

5. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das l-Radial sowie das k-Radial die Länge der jeweils zugeordneten Monopole aufweisen.

6. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das l-Radial sowie das k-Radial eine Länge aufweisen, die dem (2n-l)-fachen der Länge der jeweils zugeordneten Monopole entspricht, n ganzzahlig größer oder gleich eins.

7. Antennenscheibe nach Anspruch 1 in der Ausführungsform mit U-förmig angeordneten Monopolen oder nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei der Zwischenraum zwischen den Monopolen eine Breite von etwa K/20 oder kleiner als K/20 aufweist.

8. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Radials eine Breite von zumindest K/100 aufweisen.

9. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anzahl der Radials verdoppelt ist.

10. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Monopole etwa vertikal angeordnet sind.

11. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Radials etwa horizontal angeordnet sind.

12. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Ausführungsform als Windschutzscheibe oder Heckscheibe, wobei die Radials am oberen Rand der Scheibe angeordnet sind und die Monopole nach unten weisen.

13. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Ausführungsform als Seitenscheibe, wobei die Radials am oberen und/oder unteren Rand angeordnet sind und die Monopole zum gegenüberliegenden Rand weisen.

14. Antennenscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Ausführungsform als Dreieckscheibe, wobei die Radials am unteren Rand angeordnet sind und die Monopole nach oben weisen.