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Die
Erfindung betrifft eine Funkantenne auf der Fensterscheibe eines
Kraftfahrzeugs für
Funkverbindungen mit terrestrischen Funkstellen im Frequenzbereich
des Dezimeterwellenbereichs, insbesondere oberhalb 800 MHz, mit
einem Antennenelement mit im Wesentlichen vertikalem Polarisationsanteil.
Eine derartige Funkantennen-Anordnung kann vorteilhaft für die Mobilkommunikation
(Autotelefon im D- oder E-Netz oder für Bündelfunksysteme) eingesetzt
werden.
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Derartige
Antennen sind aus der täglichen Funkpraxis
und, wie z.B. aus der WO93/23890, bekannt und sind in der Regel
stabförmige
Antennen mit dem Charakter eines elektrischen Monopols oder Dipols
und werden – wenn
kein Montageloch in der Fahrzeugkarosserie angebracht werden soll – meist im
oberen Bereich der Fahrzeugheckscheibe aufgebracht, wobei das Antennenelement
dann außen
auf der Fensterscheibe befestigt wird und häufig kapazitiv durch die Fensterscheibe
hindurch gespeist wird. Weiterhin ist aus der
DE 34 86 135 T2 eine Antenne auf
der Außenseite
einer Fensterscheibe des Kraftfahrzeugs bekannt, wobei – um die
HF-Energie zwischen der Antenne und einem Sende-Empfangsgerät zu übertragen – in der
Nähe der
Antennenbefestigung auf der Innenseite der Fensterscheibe eine Koppelkonfiguration
angebracht ist, welche das abstrahlende Element reaktiv mit einer Übertragungsleitung
verbindet. In der als leitende Kopplerbox ausgeführten Koppelkonfiguration werden
besonders konstruierte Abstimmkreiselemente als Netzwerk verwendet.
Das abstrahlende Element auf der Außenseite des Fensters ist als
kollinearer Zwei-Element-Strahler ausgeführt mit einem oberen 5/8-Wellenlänge-Strahler
und einem unteren Strahler mit einer elektrischen Länge zwischen
etwa 1/4 und 1/2 Wellenlänge,
welche durch eine Luft-Phasenabstimmspule getrennt sind. Aufgrund
der erheblichen und nachteiligen Länge des abstrahlenden Elements auf
der Außenseite
des Fensters kommt dem Netzwerk innerhalb der Kopplerbox, welche
mit einer offenen Seite am Fenster befestigt ist, aufgrund der elektrischen
Kleinheit der Kopplerbox keine Strahlungswirkung zu.
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Nachteile
dieser bekannten Antennenformen ergeben sich aus der fahrzeugtechnisch
bedingten Forderung, eine möglichst
kleine Aufbauhöhe
des Antennenelements außerhalb
der Fensterscheibe zu realisieren. Dies trifft insbesondere auch
auf Mobilfunkantennen bei 900 MHz für das D-Mobilfunknetz zu. Solche
Antennen nach dem Stande der Technik sind auch bei einer Länge von
Lambda/4- langen Antennen zu groß. Insbesondere kürzere, im
wesentlichen vertikal polarisierte Monopol-Antennenelemente mit
einer Länge
von Lambda/4 führen
im Speisepunkt starke Ströme
und verursachen im Fahrzeuginnenraum häufig eine zu große, die
Passagiere im Fahrzeug zu stark belastende Strahlungsexposition.
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Die
Praxis zeigt, daß bei
einer Aufbauhöhe von
bis zu 4 cm in Autowaschanlagen auch bei feststehendem äußeren Antennenelement
bei geeigneter Ausgestaltung der Kontur dieses Antennenelements
keine Beschädigung
der Antenne verursacht werden kann. Auch die Gefahr von Verletzungen, welche
bei Unfällen
mit einem derart kurzen äußeren Antennenelement
verursacht werden können,
ist äußerst gering.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, eine Funkantenne nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 anzugeben, welche bei kleinen Verlusten im Antennenelement
nicht mehr als 4 cm über
die Fensteroberfläche
hinausragt und die Strahlungsbelastung der Passagiere im Inneren
des Kraftfahrzeugs klein hält.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Funkantenne durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Erfindung liegt somit der Gedanke zugrunde, durch Schaffung eines
inneren Antennenelements im elektromagnetisch abgeschirmten Hohlraum
auf der Innenseite der Fensterscheibe einen Schutz der Fahrzeuginsassen
herbeizuführen,
in dem die in unmittelbarer Nachbarschaft des Antennenelements starken
elektromagnetischen Felder durch den Schirm im Fahrzeuginneren stark
herabgesetzt werden. Der Hohlraum selbst kann hierbei vorzugsweise
zumindest für
die teilweise Unterbringung des Antennenelements genutzt werden.
Hierbei zeigt sich, daß insbesondere
bei der Frequenz des D-Mobilfunknetzes eine Tiefe der Kavität von 3–4 cm ausreichend
ist, um Teile eines stabförmigen
Antennenelements derart einbringen zu können, daß der restliche Teil des stabförmigen Antennenelements auf
der Außenseite
der Fensterscheibe eine Höhe von
4 cm nicht übersteigt
und das gesamte Antennenelement damit dennoch groß genug
gestaltet werden kann, damit die Verluste in dem Antennenelement
klein sind. Die Kavität
wirkt hierbei als Gegengewicht zum stabförmigen Monopol und dient zur
Abschirmung der elektromagnetischen Felder im Nahbereich des Antennenelements.
Die Reduktion des mittleren azimutalen Antennengewinns durch das teilweise
Einbringen des Antennenelements in das Innere des Fahrzeugs, kann
dabei so gering gehalten werden, daß sich dies beim praktischen
Einsatz nicht nachteilig bemerkbar macht. Durch besondere Ausgestaltung
des Antennenelements, z.B. als kapazitiv belasteter Stabmonopol,
kann dieses auch zur Gänze
in diesem Hohlraum untergebracht werden. Hiermit ist jedoch eine
gewisse Reduktion der Antennenleistung verbunden, welche bei Vollausbau
des Mobilfunknetzes häufig
hingenommen werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung einer
Antenne nach dem Erfindungsgedanken ist die Aufbringung des Antennenelements
auf der Scheibenfläche als
Druck bzw. als in das Glas eingelegter Leiter. Auch in diesem Fall
ist die Kavität
notwendig, um den Innenraum des Fahrzeugs vor den starken Strahlungsfeldern
in der unmittelbaren Umgebung des Antennenelements abzuschirmen.
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Ausführungsbeispiele
sind in den 1 bis 7 dargestellt und werden
im folgenden beschrieben. Im einzelnen zeigt
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1: Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels
einer Funkantenne mit Kavität 35 auf der
Fensterscheibe 1 eines Kraftfahrzeugs mit innerem Antennenelement 3 und äußerem Antennenelement 8,
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2: Draufsicht auf die Fensterscheibe 1 mit
Funkantenne und Kavität 35,
sowie für
die Frequenzen des Funkdienstes undurchlässigem Schirm 29,
gebildet aus radialen und konzentrischen aufgedruckten Leitern 20,
der mit der elektrisch leitenden Berandung 31 verbunden
ist,
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3: Ausführungsbeispiel einer Funkantenne
mit Kavität 35,
wobei das innere Antennenelement 3 eine Verlängerungsspule 11 enthält,
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4: Ausführungsbeispiel einer Funkantenne
mit Kavität 35,
wobei das innere Antennenelement 3 als kapazitiv belasteter
Stabmonopol ausgeführt
ist,
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5: Ausführungsbeispiel einer Funkantenne
mit Kavität 35,
bei der die hochfrequent leitende Verbindung zwischen der elektrisch
leitenden Berandung 31 und der Karosserie 5 über einen
auf die Scheibe aufgedruckten Leiter 39, der mit der elektrisch
leitenden Berandung 31 verbunden ist, und über den
Scheibenkleber 6 erfolgt,
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6: Ausführungsbeispiel einer Funkantenne
mit Kavität 35,
bei der ausschließlich
das innere Antennenelement 3 das Antennenelement 9 bildet, wobei
das innere Antennenelement aus auf der Scheibe innen aufgedruckten
Leitern besteht,
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7: Ausführungsbeispiel einer Funkantenne
mit Kavität 35,
bei der das innere und äußere Antennenelement
vertikal orientiert sind und die Kavität im Querschitt eine dreiecksförmige Form
aufweist.
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In 1 ist eine Schnittdarstellung
einer Funkantenne mit Kavität 35 nach
der Erfindung wiedergegeben. Auf der Fensterscheibe 1 eines
Kraftfahrzeugs ist in der Nähe
der oberen Dachkante 10 der leitenden Fahrzeugkarosserie 5 die
Funkantenne auf der Innenseite der Fensterscheibe 1 aufgesetzt. Die Öffnung der
Kavität 35 weist
zur Fensterscheibe 1. Die Kavität kann dabei in einer besonders
einfachen Ausführungsform
als Quader ausgeführt
sein. Den Erfordernissen im Fahrzeugbau entsprechend wird die Kavität jedoch
häufig,
um die Sichteinengung möglichst
gering zu halten, mit schrägen
seitlichen Berandungen und um die Verletzungsgefahr gering zu halten,
mit abgerundeten Ecken ausgeführt
werden. Die Öffnung
der Kavität 35 weist
als horizontale Mittelabmessung 36 und als breitseitige
Mittelabmessung 37 jeweils mindestens eine Viertelwellenlänge des
Betriebsfrequenzbereichs auf. Unter Mittelabmessung wird dabei z.B.
bei einer trapezförmigen Kontur
der elektrisch leitenden Berandung der arithmetische Mittelwert
aus der Abmessung der Deckfläche
und der Grundfläche
verstanden. Bei komplizierteren Konturen ergibt sich die Mittelabmessung
sinngemäß. Die elektrisch
leitende Berandung 31 der Kavität 35 ist im Beispiel
der 1 mit der leitenden Fahrzeugkarosserie 5 über eine
oder mehrere in der Fahrzeugtechnik übliche, elektrisch gut leitende Schraubverbindungen 38 verbunden.
Die hochfrequent leitende Verbindung der elektrisch leitenden Berandung 31 mit
der Karosserie 5 kann kostengünstig und daher vorteilhaft
auch dadurch erfolgen, daß ein
auf der Fensterscheibe aufgedruckter leitfähiger Streifen 39,
der durch Lötung
oder leitfähige
Verklebung mit der elektrisch leitfähigen Berandung 31 verbunden
ist, durch den Scheibenkleber 6 flächig eine niederohmige kapazitive
oder resistive Verbindung bildet.
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Die
Kavität 35 besitzt
mindestens an einer Stelle als senkrechten Abstand von der Fensterscheibe 1 zu
einem Punkt auf der elektrisch leitenden Berandung 31 eine
Tiefe 7 von mindestens 2,5cm. Ein inneres Antennenlement 3 befindet
sich in der Kavität 35 zwischen
der leitenden Berandung 31 und der Fensterscheibe 1 und
bildet zusammen mit dem äußeren Antennenelement 8 das
Antennenelement 9.
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Erfindungsgemäße Funkantennen
erzeugen im wesentlichen vertikale Polarisationsanteile. Dieses
ist mit der in 1 dargestellten
Anordnung dann gegeben, wenn die Neigung der Scheibe gegenüber der
Horizontalen nicht zu groß ist.
Dies ist bei modernen Limousinen in der Regel gegeben. Bei sehr
flachen Scheiben kann auf das äußere Antennenelement 8 verzichtet
werden, wenn die Tiefenabmessung 7 der Kavität 35 ausreichend
groß gewählt ist. Ein
Ausführungsbeispiel
einer solchen erfindungsgemäßen Antenne
zeigt 4. Hierbei ist
das Antennenelement 9 aus dem inneren Antennenelement 3 gebildet.
Es besitzt die Form eines kapazitiv belasteten Stabmonopols, dessen
Achse senkrecht zur Scheibenmitte orientiert ist und dessen Dachkapazität 14 als
parallele Platte zur Fensterscheibe ausgeführt ist. Dadurch entstehen
bevorzugt Vertikalkomponenten des elektrischen Feldes und die Bauform kann
kürzer
als bei stabförmigen
Strahlern gewählt werden.
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Die
Strahlungseigenschaften einer Funkantenne nach 1 mit üblicher Scheibenneigung mit nur
innerem Antennenelement reichen nur in gut versorgten Funkzellen
aus. Um auch in Randgebieten der Funkzellen ausreichende Strahlungseigenschaften
zu erhalten ist für
erfindungsgemäße Funkantennen
ein äußeres Antennenelement 8 auf
der Außenseite
der Fensterscheibe 1 erforderlich. Dieses kann einfach
durch die dielektrisch wirkende Fensterscheibe 1 hindurch
mit dem inneren Antennenelement 3 kapazitiv verkoppelt
werden und bildet dann gemeinsam mit dem inneren Antennenelement 3 das
Antennenelement 9. Sind das innere Antennenelement 3 und
das äußere Antennenelement 8 stabförmig gestaltet
und im wesentlichen normal zur Fensterscheibe 1 und axial
deckungsgleich zueinander angeordnet, erfolgt die kapazitive Verkopplung
durch die dielektrisch wirkende Fensterscheibe 1 hindurch
mit Hilfe von an den beiden einander gegenüberstehenden Stabenden angebrachten
Platten 12 und 13.
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Das
Antennenelement 9 ist mit seinem der leitenden Berbndung
der Kavität 35 zugewandten Ende
mit einem Netzwerk 4 verbunden. Das Netzwerk 4 stellt
eine hochfrequente Verbindung 17 zwischen Antennenanschlußstelle 2,
die sich auf der leitenden Berandung 31 der Kavität 35 befindet,
und dem Antennenelement 9 her. In einer besonders einfachen
Ausführungsform
ist das Netzwerk 4 als Hochfrequenzleitung ausgebildet.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann das Netzwerk 4 auch Anpaßelemente zur Anpassung der Impedanz
des Antennenelements 9 an den Wellenwiderstand der koaxialen
Leitung 28 enthalten, die zum Funkgerät führt. Besonders preisgünstig kann
das Netzwerk 4 für
den Frequenzbereich des Funkdienstes des D-Netzes mit kleinen Abmessungen
als Streifenleistungsschaltung 19 ausgestaltet werden.
Eine solche Streifenleitungsschaltung ist schematisch in 2 in einer Draufsicht dargestellt.
Das Netzwerk 4 wird dabei zweckmäßig z.B. auf die der Öffnung der Kavität 35 abgewandte
Seite gebracht.
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Die
Länge 32 des
inneren Antennenelements 3 und die Länge 33 des äußeren Antennenelements 8 wird
in der Summe maximal etwa eine Viertelwellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs
gewählt.
Derartige Längen
sind bekanntlich sehr verlustarm und strahlen daher mit gutem Wirkungsgrad und
sind wegen des reellen Fußpunktwiderstandes leicht
an den Wellenwiderstand üblicher
Koaxialleitungen anpaßbar.
Dies führt
im D-Netz zu Abmessungen von etwa 8.5cm. Auch bei Aufteilung dieser Länge zu gleichen
Teilen auf das innere und äußere Antennenelement
ergeben sich sowohl nach innen als auch nach außen unerwünscht große Abmessungen. Um die Länge des äußeren Antennenelements möglichst
klein zu halten, muß alternativ
die Tiefe 7 der Kavität 35 noch
größer gewählt werden.
Daher ist es bei erfindungsgemäßen Funkantennen
vorteilhaft, die gesamte Länge
beider Antennenelemente zusammen kürzer zu wählen. Bei geringen Längenreduktionen
kann ohne Wirkungsgradverlust die Blindkomponente der Impedanz im
Netzwerk 4 durch Anpaßelemente
kompensiert werden. Eine weitere Verkürzung ohne größere Einbuße an Wirkungsgrad
ist nur dann möglich,
wenn entsprechend 5 eine Verlängerungsspule 11 in
das äußere Antennenelement 8 eingebracht
wird. Dies ergibt zusätzlich
den Vorteil einer Federwirkung des Antennenelements im Hinblick
auf mechanische Belastungen. Ist das äußere Antennenelement 8 jedoch
bereits sehr kurz, wie dies bei erfindungsgemäßen Antennen der Fall ist, kann
auf die Federwirkung meist verzichtet werden und die Verlängerungsspule 11 in
das innere Antennenelement 3 integriert werden, wie dies 3 zeigt. In einer weiteren
Ausführungsform
kann die Verlängerungsspule
auch in die Koppelplatte 12 bzw. 13 eingebracht
werden. Mit derartigen Maßnahmen
können
dann für
den Frequenzbereich des D-Netzes die Länge 33 zu 4 cm und
die Länge 32 zu
3 cm gewählt werden
oder alternativ die Länge 33 zu
3 cm und die Länge 32 zu
4 cm.
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Bei
steilen Fensterscheiben, z. B. Heckscheiben von Kombi-Fahrzeugen,
empfiehlt sich für erfindungsgemäße Funkantennen
eine Anordnung nach 6,
bei der vertikale Strahlungskomponenten durch auf die Fensterscheibe
aufgedruckte und im wesentlichen vertikal orientierte Leiter, die
das innere Antennenelement 3 und damit das gesamte Antennenlement 9 bilden,
erzeugt werden. Durch die v-förmige
Leiteranordnung kann eine erhöhte
Breitbandigkeit im Vergleich zu einem Einzelleiter erreicht werden.
Die Abmessung 34 darf dabei nicht zu klein gewählt werden
und sollte 2,5 cm nicht unterschreiten, wenn keine Leistungseinbußen in Kauf
genommen werden sollen bezüglich
der Ausbildung der vertikalen Feldkomponenten.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird das Eindringen elektromagnetischer
Strahlung in das Innere des Fahrzeugs dadurch vermindert, daß ein für die Frequenzen
des Funkdienstes undurchlässiger, flächiger Schirm 29 auf
die Innenseite der Fensterscheibe aufgebracht ist. Dieser optisch
transparente Schirm kann aufgedampft oder aufgedruckt werden. In 2 ist ein Ausführungsbeispiel
für einen
gedruckten Schirm dargestellt. Konzentrisch und radial aufgedruckte
Leiter 20 führen
zu einem breiteren Massedruck 26 auf der Innenseite der
Scheibe. Dieser Massedruck 26 ist hochfrequent leitend
mit der elektrisch leitenden Berandung 31 der Kavität 35 verbunden.
Diese Verbindung kann z.B. durch einen leitfähigen Kleber erfolgen, der
gleichzeitig die Kavität auf
der Fensterscheibe fixiert. Somit ist durch die leitfähige Berandung
der Kavität
und durch den Schirm eine durchgehende elektromagnetische Abschirmfläche ins
Fahrzeuginnere hin gegeben mit der Folge reduzierter elektromagnetischer
Strahlungsbelastung im Fahrzeuginneren. Gleichzeitig verbessert dieser
Schirm im Zusammenwirken mit der Kavität die Strahlungseigenschaften
der Funkantenne, da dadurch eine durchgehende Groundplane für das Antennenelement 9 geschaffen
ist. Die Öffnung
der Kavität 35 wird
dabei im auf der Fensterscheibe aufgebrachten Schirm 29 ausgespart.
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In 7 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der Funkantenne dargestellt, bei der zur verstärkten Ausbildung vertikaler
Feldkomponenten bei nicht zu flachen Fensterscheiben das innere
und das äußere Antennenelement
vertikal orientiert sind und damit nicht mehr normal zur Scheibe angeordnet
sind. Zur Vermeidung von Totkapazitäten ist im speziellen der Abstand 34 nicht
zu klein zu wählen
und sollte 2,5cm nicht unterschreiten.
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Soll
eine erfindungsgemäße Funkantenne nicht
nur für
das D-Netz sondern gleichzeitig auch für das E-Netz verwendet werden,
ist vorteilhaft das Antennenelement 9 eine Viertelwellenlänge des
Frequenzbereichs des D-Netzes zu wählen, woraus sich für das E-Netz
näherungsweise
ein Lambda/2-Strahler ergibt. Das Netzwerk 4 ist dann frequenzselektiv entsprechend
dem Stand der Technik derart zu gestalten, daß für beide Funkdienste an der
Anschlußstelle 2 Leistungsanpassung
vorliegt.