EP0698304B1

EP0698304B1 - Gruppenantenne und verfahren zur messtechnischen und rechnerischen ermittlung der werte von in die antenne einzufügenden impedanzen

Info

Publication number: EP0698304B1
Application number: EP95910427A
Authority: EP
Inventors: Heinz Lindenmeier; Jochen Hopf; Leopold Reiter; Rainer Kronberger
Original assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 2001-04-18
Anticipated expiration: 2015-03-01
Also published as: WO1995025358A1; EP0698304A1; DE59509201D1; ES2156936T3; DE4408744A1

Description

Die Vielzahl der auf Fahrzeugen verwendeten Antennen ist aus der klassischen Antennentechnik abgeleitet. Hauptsächliches Vorbild hierfür ist der vertikale Monopol auf einer horizontalen Grundfläche. Auch bei der im-langen Rundfunkantenne wird auf ein Horizontaldiagramm mit Rundcharakteristik abgezielt. Ebenso wird von vertikalen Stabstrahlern für moderne Telefonfunksysteme ein azimutales Runddiagramm erwartet. Bekanntlich stellt jedoch das Fahrzeug einen in Bezug auf die Antenne rotationsunsymmetrischen Körper dar, welcher, als Grundfläche einer Antenne verwendet, starke azimutale Einzüge verursacht. Als wesentliche Abhilfe dagegen werden bevorzugt Halbwellenstrahler verwendet, welche am Ende relativ langer vertikaler Stäbe am Fahrzeug über Isolierglieder oder Einspeiseleitungen angeregt werden. Mit Hilfe des Abstands des Strahlers von der Karosserie soll dessen Strahlung unbeeinflußt vom Störkörper des Autos ein Runddiagramm liefern. Bislang ist kein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe unter Einbeziehung einer spezifischen Fahrzeugkarosserie eine gewünschte Strahlungscharakteristik einer Antenne am Fahrzeug erzeugt werden könnte. Für Antennendiversityempfang z.B. wäre es wünschenswert, Fahrzeugantennen zu realisieren, von denen jede jeweils einen der vier azimutalen Quadranten in der Strahlung abdeckt. Solche Antennen könnten nach dem Stande der Technik nur durch klassische Richtantennen realisiert werden, welche in relativ großem Abstand von der Fahrzeugkarosserie entfernt fachgerecht angebracht sind. Solche Antennen sind jedoch unter fahrzeugspezifischen Aspekten praktisch nicht einsetzbar. Um diesen Aspekten zu genügen, sollten Antennen so gestaltet sein, daß sie in ihrer Form mit dem Fahrzeug integriert sind und so wenig wie möglich aus der Karosserie herausragen. Zwangsweise ergibt sich für solche Antennen oder Antennenstrukturen eine äußerst starke Strahlungsverkopplung mit der elektrisch leitenden Fahrzeugkarosserie bzw. leitenden Fahrzeugteilen derart, daß die dadurch gegebene Beeinflussung der Strahlungseigenschaften eine gezielte Gestaltung der Antenneneigenschaften nicht zuläßt. Wesentlich ist es somit, die Fahrzeugkarosserie gedanklich als Teil der Antennenanordnung zu betrachten und somit berücksichtigt, daß diese mit ihrer spezifischen Formgebung die Antenneneigenschaften entscheidend mitbestimmt. Für alle fahrzeugintegrierten Antennen oder Antennenstrukturen ist es deshalb für die Erzielung optimaler Strahlungseigenschaften zwingend notwendig, die spezifische Fahrzeugform in den Gestaltungsprozeß der Antenne einzubeziehen. Fahrzeugintegrierte Antennen mit starker Kopplung zur Fahrzeugkarosserie sind z.B. elektrisch kurze Strahler, welche direkt auf der Fahrzeugkarosserie, häufig auf dem Rückfenster montiert sind. Alle Windschutz- und Heckscheibenantennen, welche als eingelegte Drähte oder auf das Glas aufgedruckt sind, weisen diese starke elektromagnetische Verkopplung zur Fahrzeugkarosserie auf. Die Gestaltung solcher Antennen ist aus einer Vielzahl von Patentanmeldungen und Patenten, z. B. aus P 36 197 04, P 39 14 424 bekannt. Diese Antennen bestehen aufgrund ihrer komplexen Form oft aus einer Vielzahl von Leitern oder Leiterabschnitten, welche alle einen Beitrag zur Gesamtstrahlung liefern. Auch die Beschaltung eines Heizfeldes auf der Heckscheibe mit Blindwiderständen verändert die Strahlungseigenschaften des als Antenne ausgebildeten Heizfeldes. Dies ist in P 36 18 452 beschrieben. Wesentlich für die Gestaltung der Strahlungseigenschaften derartiger Antennen ist die Verteilung der Antennenströme auf den Antennenleitern sowie der strahlungsverkoppelten Autokarosserie. Im Gegensatz zu solchen Antennen, bei denen mit Hilfe des Abstands des Strahlers von der Karosserie eine vom Störkörper des Autos unbeeinflußte Strahlung erzielt werden soll, ist somit ein Verfahren zur Einstellung günstiger Stromverteilungen notwendig, um bei fahrzeugintegrierten Antennen unter Einbeziehung der spezifischen Fahrzeugform ein günstiges Strahlungsdiagramm zu bewirken. Bei der Serienherstellung von Kraftfahrzeugen wird die Fahrzeugform von Exemplar zu Exemplar genau reproduziert. Deshalb ist eine im Hinblick auf eine bestimmte Fahrzeugform sorgfältig optimierte Antennenanordnung möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Gruppenantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Ermittlung in diese einzufügenden Impedanzen anzugeben, damit trotz vorhandener Strahlungsverkopplung mit das gewünschte Richtdiagramm störenden Elementen das gewünschte Richtdiagramm sich möglichst optimal einstellen läßt.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 6 näher beschrieben. Im einzelnen zeigen die Figuren:

Fig. 1: Fahrzeugintegrierte Antennengruppe mit kurzen Stabantennen mit Meßanordnung zur Feststellung der Wechselwirkungsparameter (Wellenparameter) zwischen den Toren T1 und T(M + 1) der Fernfeldempfangsantenne in Abhängigkeit vom Azimutwinkel Phi des auf einem Drehstand befindlichen Fahrzeugs

Fig. 2: Meßanordnung zur Feststellung der Wechselwirkungsparameter (Wellenparameter) zwischen den Toren T1 und T2 mit Hilfe eines Netzwerkanalysators (S-Parameter-Meßplatz) - alle anderen Tore T3 bis T9 sind wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen

Fig. 3: Beispiel einer Funkantenne mit netzförmigem elektrischen Gegengewicht 12, welches zur Gestaltung der Richtwirkung über die Tore T1 bis T5 mit zu ermittelnden Blindwiderständen mit den benachbarten Heizleitern verbunden werden soll

Fig. 4: Beispiel einer Funkantenne mit netzförmigem elektrischen Gegengewicht, welches zur Gestaltung der Richtwirkung über die Tore T1 bis T5 mit zu ermittelnden Blindwiderständen mit kapazitiv belasteten Antennenstrukturen 19 verbunden werden soll

Fig. 5: Eine mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltete Antennengruppe, bei der die Blindelemente 16 in den Strahlern 6 und das Speisenetzwerk 17 zur Speisung der Tore T1 und T2 derart gestaltet sind, daß sich die gewünschten Strahlungseigenschaften einstellen

Fig. 6: Prinzipdarstellung des Strahlernetzwerks 18 bestehend aus 1 bis N mit Hilfe eines Speisenetzwerks 17 gespeisten Toren, mit N + 1 bis M mit passiven Elementen 20 beschalteten Toren und dem Tor M + 1 für die im Fernfeld befindliche Meßantenne, wobei das verlustarme Speisenetzwerk 17 mit seinen Toren 1 bis N mit den entsprechenden Toren des Strahlernetzwerks 18 verbunden ist und das Tor N + 1 des Speisenetzwerks 17 die Antennenanschlußstelle der Antennengruppe bildet

Die Verwendung mehrerer Antennenelemente wie z.B. in Fig. 1 erlaubt bei vorgegebener geeigneter Positionierung auf einem bestimmten Kraftfahrzeug eine hierfür spezifische Erzeugung von Stromverteilungen auf den Antennenelementen der Strahlergruppe nach Betrag und Phase derart, daß unter Einbeziehung der Strahlungsverkopplung mit dieser Fahrzeugkarosserie

im Mittel eine erhöhte Bündelung der Strahlung in vertikaler Richtung zu Gunsten kleiner Elevationswinkel entsteht und
dabei möglichst geringe Einzüge des horizontalen Strahlungsdiagramms auftreten,

wodurch bewirkt wird, daß die geringste, im gesamten Horizontalbereich auftretende Flachstrahlungsdichte so groß wie möglich ist.

Eine ähnliche Anordnung von Strahlern ist z.B. in Fig. 5 dargestellt. Dort soll mit Hilfe des Speisenetzwerks 17 an den Toren T1 und T2 für eine Funkantenne nach Amplitude und Phase die hochfrequente Leistung eingespeist werden. In Verbindung mit den Blindelementen 16 an den Toren T3 und T4 soll das azimutale Diagramm optimiert werden.

Durch die nach der Erfindung getroffenen Maßnahmen wird die an sich unerwünschte Abstrahlung der durch Strahlungskopplung angeregten Fahrzeugkarosserie nicht unterbunden. Durch geeignete Stromverteilungen auf den Antennenelementen der Strahlergruppe nach Betrag und Phase wird vielmehr durch die Vielzahl der Strahler ein Wellenfeld überlagert, welches in der Summe Strahlungseigenschaften gemäß der Aufgabe der Erfindung ergibt. Hierbei wurde z.B. die Antennengruppe durch Unterteilung einer Antennenstruktur und durch Beschreibung der Unterteilungsstellen als Tore gebildet.

Auch die Anschlußstellen für Blindwiderstände für Antennen wie sie in der P 36 18 452 angegeben sind, können somit als solche Tore einer Antennengruppe beschrieben werden. Bei Einsatz kurzer elektrischer Strahler einer Strahlergruppe auf der Fahrzeugkarosserie z.B. können die Anschlußpunkte im Fußpunkt jeweils als Tor aufgefaßt werden. Zusätzlich können in der Struktur solcher Strahler weitere Tore eingebracht sein. Je nach Beschaltung dieser Tore mit Blindwiderständen oder abhängig von der Speisung dieser Tore nach Amplitude und Phase stellen sich unterschiedliche Stromverteilungen und somit unterschiedliche Strahlungseigenschaften ein.

Die Anforderungen an das Strahlungsdiagramm können dabei unterschiedlich sein. Mit Hilfe des im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrens läßt sich eine Antennengruppe z. B. im Hinblick auf eine optimale azimutale Rundcharakteristik bzw. z. B. im Hinblick auf eine optimale Richtwirkung bezüglich eines bestimmten Azimutwinkels zum Fahrzeug gestalten.

Z. B. wird für Kraftfahrzeugfunkantennen als Strahlungscharakteristik ein Horizontaldiagramm mit einer möglichst gleichmäßigen Abstrahlung in alle azimutale Raumrichtungen angestrebt. Dies wird in der Praxis deshalb nur durch rotationssymmetrische Antennenelemente in der Mitte des Daches angenähert erreicht. Mit außermittig angebrachten Antennen oder mit den auf die Fahrzeugscheibe aufgeklebten Antennen ergeben sich durch die Strahlungsverkopplung mit der Fahrzeugkarosserie unerwünschte und teilweise nicht mehr tolerierbare Verformungen des Horizontaldiagramms, das sind insbesondere Strahlungskompensationen, welche starke Einzüge im Horizontaldiagramm bewirken. Hierbei wird in der Regel speziell die Abstrahlung im Raumwinkelbereich nach vorne unzulässig reduziert. Außerdem tritt mit höher werdender Frequenz eine ausgeprägte Aufzipfelung des Diagramms ein. Dies führt insbesondere in den Minima der Horizontalstrahlung bei vorgegebener Strahlungsleistung im Sendebetrieb häufig zu unerwünscht kleinen Strahlungsdichten am Empfangsort, d.h. zu unerwünscht großer Funkfelddämpfung. Für die Praxis ist bei Funkantennen wichtig, daß bei vorgegebener Senderleistung in keiner Horizontalrichtung die Strahlungsdichte unter einen minimal geforderten Wert absinkt.

Als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zeigt Fig. 2 eine Antenne in der Heckscheibe eines Fahrzeugs mit Anschlußtoren T1 bis T9. Einige dieser Tore (T2, T3, T6 und T7) sind entweder zwischen Sammelschienen 9a bis 9d der Heizleiter und Masse 10 gebildet. Andere Tore (T4, T5, T8 und T9) entstehen durch zusätzliche Leiter 8a bis 8d, welche senkrecht zu den Heizleitern verlegt sind, zwischen deren Enden am Rand der Fahrzeugscheibe und dem jeweiligen Massepunkt 10. Jedes Tor besitzt bezüglich der Strahlungscharakteristik ein Richtdiagramm, welches von der Beschaltung aller übrigen Tore abhängt. Sollen z. B. bezüglich des Tores 1 unterschiedliche Richtdiagramme durch unterschiedliche Beschaltung der Tore 2 bis 9 erreicht werden, wie es für eine Diversitywirkung im Empfangsfall wünschenswert ist, so können die dafür notwendigen unterschiedlichen Beschaltungen für die Tore 2 bis 9 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Berücksichtigung der Fahrzeugkarosserie ermittelt und gestaltet werden. Die Diversitywirkung wird z. B. dadurch erreicht, daß bei ungenügendem Empfang jeweils die Tore 2 bis 9 mit unterschiedlichen Kombinationen von Blindelementen beschaltet werden. Für diese Anwendung ist es besonders wichtig, die Horizontalstrahlung zu intensivieren und die Strahlung in höheren Elevationswinkeln entsprechend klein zu halten. Azimutale Bündelung ist dann vorteilhaft, wenn mit Hilfe der unterschiedlichen Beschaltungskombinationen der gesamte Azimut überdeckt werden kann. Die Tore T1 und T2 sind in Fig. 2 beispielhaft über die Zuleitungen 5 mit dem Netzwerkanalysator 2 verbunden zur Messung des komplexen Wellenparameters S ₁₂, wobei die restlichen Tore wellenwiderstandrichtig mit dem Wellenwiderstand 7 als Bezugswiderstand des Netzwerkanalysators 2 beschaltet sind. Selbstverständlich können für Antennendiversity mehrere Antennenanschlüsse gebildet sein und durch zusätzliche Wertekombinationen an den verbleibenden Toren eine zusätzliche Vielfalt von Antennenrichtcharakteristiken für die Diversityanlage zur Verfügung gestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ausbildung von Toren zur Gestaltung der Stromverteilung mittels eines netzförmigen elektrischen Gegengewichts 12. Beispielhaft geht dies aus Fig. 3 hervor, wo das netzförmige elektrische Gegengewicht 12 zum Strahler 6 mit Hilfe von Toren T1 bis T5 durch Blindwiderstandsbeschaltung verbunden werden kann, so daß die Heizleiter 14 auf bestmögliche Weise zur Unterstützung der Strahlungseigenschaften der elektrisch kurzen Strahler, bzw. Strahlergruppe miteinbezogen werden können. Zur Messung der Wechselwirkungsparameter (S- Parameter) mit Hilfe des Netzwerkanalysators 2 können dünne elektrische Leitungen entlang der radialen Netzstrahlen. die mit der Masse 10 verbunden sind, verlegt werden.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der vorteilhaften Gestaltung der radialen Ströme am Rande des netzförmigen elektrischen Gegengewichts. Hierzu können z.B. nach Fig. 4 kapazitiv belastete Antennenstrukturen 19 über Tore T1 bis T5 mit dem Netzwerkrand über geeignete Blindelemente verbunden werden derart, sodaß die kapazitiv belasteten Antennenstrukturen 19 auf bestmögliche Weise zur Unterstützung der Strahlungseigenschaften der elektrisch kurzen Strahler 6 bzw. der Strahlergruppe miteinbezogen werden können.

Fig. 6 zeigt das Prinzipschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gestalteten Antenne, welche durch das Strahlernetzwerk 18 in Verbindung mit dem Speisenetzwerk 17 gebildet ist. Das Strahlernetzwerk 18 mit seinen Toren 1 bis N wird von den entsprechenden Toren 1 bis N des Speisenetzwerks 17 gespeist. Die Tore N + 1 bis M des Strahlernetzwerks 18 sind mit geeigneten Zweipolen abgeschlossen, wobei die Abschlüsse durch die komplexen Reflexionsfaktoren r _N ₊₁ bis r _M , bezogen auf den Wellenwiderstand 7 des Meßsystems, beschrieben sind. Für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es am einfachsten, die Antenne im Fernfeld als Empfangsantenne zu verwenden, welche der Einfachheit halber mit dem Wellenwiderstand 7 abgeschlossen ist, so daß das passive Speisenetzwerk 17 an der Antennenanschlußstelle am Tor N + 1 die Sendeleistung aufnimmt und das Speisenetzwerk 17 diese Leistung auf die Tore 1 bis N geeignet verteilt. Das Strahlernetzwerk 18 ist in Fig. 5 symbolisch durch Umrandung dargestellt. Das Strahlernetzwerk 18 sei zunächst als passives Netzwerk ausgebildet, so daß Reziprozität ( S _ik = S _ki ) vorliegt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das Netzwerk und die Abschlußimpedanzen 20 rechnerisch im Hinblick auf die Leistung und deren Richtungsabhängigkeit in der Empfangsantenne optimal gestaltet. Das Verfahren wird im folgenden erläutert:
Dem Fachmann ist bekannt, daß durch Einstellung günstiger Amplituden- und Phasenwerte für die Anregung der Antennenelemente in Gruppenantennen Richtdiagramme gestaltet werden können. Die Aufgabe zur Gestaltung günstiger Amplituden- und Phasenwerte ist von der Fachwelt in der Vergangenheit häufig durch Vorgabe einer Anfangseinstellung dieser Werte erfolgt, welche mit Hilfe von Messungen der Richtdiagramme sukzessive empirisch schrittweise im Sinne der Entwicklung des gewünschten Richtdiagramms verändert wurden. Mit der Verfügbarkeit moderner Rechenanlagen als Hilfsmittel zur Entwicklung von Gruppenantennen kann die erfindungsgemäße Antenne vorteilhaft nach dem im folgenden beschriebenen kombinierten Meß- und Rechenverfahren im Sinne der Lösung der Aufgabe der Erfindung mit günstigen Amplituden- und Phasenwerten für die Anregung der Antennenelemente gestaltet werden. Hierzu wird in drei Schritten vorgegangen:

1. Meßtechnische Ermittlung der durch die Anschlußtore der Antennenelemente gebildeten komplexen Gesamtmatrix.

Betrachtet man die Anschlußstelle eines Antennenelements 6 nach Fig. 5, dessen Prinzip in Fig. 6 in allgemeiner Form dargestellt ist, welches mit dem Speisenetzwerk 17 an ausgesuchten Stellen zu verbinden ist, jeweils als ein Anschlußtor T1, wie dies die Lehre der linearen Mehrtore nahelegt und bezeichnet man auch eine Anschlußstelle eines weiteren Antennenelements 6 mit dem Tor T2, so kann das elektrische Verhalten der unbeschalteten und nicht mit dem Speisenetzwerk 17 verbundenen Antennenelemente 6 bei insgesamt N Anschlußstellen durch eine N × N-Mehrtormatrix beschrieben werden. Erfindungsgemäß kann die Gruppenantenne nach Fig. 5 auch Antennenelemente 6 mit einer Anschlußstelle enthalten, welche nur mit einem Zweipol belastet wird und welche mit dem Speisenetzwerk 17 nicht verbunden ist. Bezeichnet man eine derartige ausgesuchte Anschlußstelle ebenfalls als ein Anschlußtor (sh. Fig. 5), so kann die Mehrtormatrix auf M × M-Tore mit M > N und M, N ganzzahlig erweitert werden. Der leichten Beschreibbarkeit wegen sollen solche Anschlußtore, welche mit dem Speisenetzwerk 17 verbunden sind mit den ganzzahligen Nummern 1...N bezeichnet sein, die mit Zweipolen beschalteten Tore mit den ganzen Zahlen (N + 1)...M.
Um das Richtdiagramm erfassen zu können, wird beispielhaft die Antennenanschlußstelle einer vom Fahrzeug weit ab montierten Meßantenne in allgemeiner Form mit Tor M + 1 bezeichnet. Zur Ermittlung der vom Raumwinkel abhängigen Strahlung, welche für einen niedrigen Elevationswinkel in Abhängigkeit vom Azimutwinkel phi ermittelt werden soll, kann das Fahrzeug z.B. auf eine Drehscheibe gestellt werden. Wie oben geschildert, können somit für die gewünschten Stützstellen des Azimutwinkeis ϕ die Wellenparameter S _i ₍ _M ₊₁₎(ϕ) für i = 1...M gemessen werden. Beispielhaft wird hier zur Erläuterung der Vorgehensweise die Form der Wellenparametermatrix gewählt. Mit Hilfe eines Netzwerkanalysators werden die komplexen Wellenparameter S ₁₁, S ₁₂, ..., S _NN bezüglich der Anschlußtore der auf der geneigten Fensterscheibe nach Fig. 5 angebrachten Antennenelemente meßtechnisch ermittelt. Hierzu wird bei der Messung der Wellenparameter S _ik als das Verhältnis der von dem mit dem Wellenwiderstand 7 als Bezugswiderstand der Wellenparameter abgeschlossenen Anschlußtor k weglaufenden Welle B _k (rücklaufende Wellen) zu der zum Anschlußtor i hinlaufenden Welle ermittelt. Daraus kann das bekannte Gleichungssystem für hinlaufende Wellen A und rücklaufende Wellen B an den Anschlußtoren 1...N angegeben werden. Somit ergibt sich für jeden Azimutwinkel phi(= ϕ) folgendes Gleichungssystem, welches die einzelnen Richtdiagramme nach Betrag und Phase enthält: ( B ) = ( S ) · ( A )

Das vollständige Gleichungssystem ist in Gl. 2 dargestellt. Existieren nur primäre, d. h. gespeiste Strahler, so ist M = N und die Matrix ändert sich sinngemäß. Dieses Gleichungssystem beschreibt somit das Gesamtverhalten der Gruppenantenne, wobei das Fahrzeug mit seiner die Strahlung sehr stark beeinflussenden Wirkung als Teil der Gruppenantenne vollständig enthalten ist.

Die Matrixelemente werden mit einer Anordnung gemessen, wie sie z.B. in Fig. 2 dargestellt ist. Wird eine Welle am Tor 1 eingeprägt, so entsteht z. B. am Tor 2 eine auslaufende Welle, die im Netzwerkanalysator 2 am Port P2 gemessen wird. Der Netzwerkanalysator erlaubt es unter Eineichung der Zuleitungen 5, die S-Parameter zwischen den beiden Toren T1 und T2 unmittelbar zu messen und als Daten in einem angeschlossenen Rechner abzuspeichern. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung sämtlicher Tore zueinander nacheinander festgestellt werden, wenn jeweils alle nicht an den Netzwerkanalysator angeschlossenen Tore wellenwiderstandsrichtig beschaltet sind. Damit lassen sich alle Wechselwirkungsparameter sämtlicher Tore 1 bis M feststellen. Für den Fall passiver also nicht mit Verstärkerelementen beschalteter Tore ist die gesamte Anordnung reziprok und es gilt S _ik = S _ki . Der Einfluß des i-ten Tores auf sich selbst, ist durch den Eingangsreflexionsfaktor am i-ten Tor gegeben und wird als Impedanzmessung durchgeführt. Somit sind alle Parameter der Tore auf dem Fahrzeug bestimmt.

Für die Erfassung der Richtungsabhängigkeit der Empfangsspannungen an den Toren 1 bis M wird eine Meßanordnung wie in Fig. 1 vorgeschlagen. Hierbei wird der Netzwerkanalysator mit seinem Sendeport P1 z.B. an eine im Fernfeld gelegene Sendeantenne angeschlossen, die mit der zu betrachtenden Polarisationsrichtung unter einem bestimmten Azimutwinkel das Fahrzeug bestrahlt. Der Empfangsport P2 des Netzwerkanalysators wird nun der Reihe nach an alle Tore der zu untersuchenden Antennenstruktur auf dem Fahrzeug angeschlossen und die komplexen Wechselwirkungsparameter als das Verhältnis von am Empfangstor empfangener Welle zur von der Sendeantenne ausgestrahlten Welle gemessen und der Parameter S _i ₍ _M ₊₁₎ in den Rechnerspeicher eingelesen. Gleichzeitig sind alle anderen nicht betrachteten Tore der Antennenstruktur auf dem Fahrzeug wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen. Um die Richtungsabhängigkeit der empfangenen Wellen an den einzelnen Toren zu ermitteln, wird das Fahrzeug zweckmäßiger Weise auf einem Drehstand im Azimut gedreht und die Azimutwinkel während der Drehung schrittweise mit Hilfe eines elektrischen Winkelgebers in den Rechner, den entsprechenden S-ParameterMeßwerten zugeordnet, eingelesen. Auf diese Weise enthält man für jeden Azimutwinkel phi einen Parametersatz S ₍ _M ₊₁₎₁ ... S ₍ _M ₊₁₎ _M , welcher die Matrix ( S ) in Gleichung 1 vervollständigt. Der Parameter S ₍ _M ₊₁₎₍ _M ₊₁₎ repräsentiert lediglich den Anpassungsfaktor der Sendeantenne und kann in den folgenden Betrachtungen zu Null gesetzt werden. Ebenso wird angenommen, daß die Antenne im Fernfeld wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen ist. Diese Bedingungen sind zwar für die Anwendung der Methode nicht zwingend notwendig, erleichtern jedoch die Erläuterung der Wirkungsweise des Verfahrens.

2. Ermittlung der Ansteuerung und Beschaltung des Strahlernetzwerks 2.1 Gewinnfunktion

Wird nun die Meßantenne gedanklich als Empfangsantenne aufgefaßt, so ergibt sich an ihrer Antennenanschlußstelle, also am Tor M + 1, repräsentativ für die Strahlungsdichte der betreffenden Polarisationsebene die Leistung P_M ₊₁(ϕ) am Abschlußwiderstand, der der Einfachheit halber gleich dem Bezugswiderstand des Meßsystems gewählt ist ( r _M ₊₁ = 0) (s. Fig. 6). Die an allen gespeisten Toren des Strahlernetzwerks zugeführte Leistung wird mit P_Ant bezeichnet. Das Richtdiagramm und die Strahlungsintensität wird in Abhängigkeit vom Azimutwinkel repräsentativ durch folgende Gewinnfunktion P M+1 PAnt = G(ϕ, A 1, A 2,..., A M ,r N +1,..., r M ) ausgedrückt. Für jeden Azimutwinkel wird G(ϕ, A ₁, A ₂,..., A _N , r _N +1,..., r _M ) für einen bestimmten Satz von hinlaufenden Wellen A ₁, A ₂,..., A _N und einen bestimmten Satz von Reflexionsfaktoren r _N ₊₁,..., r _M maximal. Die Gewinnfunktion kann durch Variationsrechnung im Hinblick auf Vorgaben bezüglich des Richtdiagramms jeweils optimiert werden. Als Ergebnis der Variationsrechnung ergibt sich für den spezifischen Anwendungsfall ein Satz optimaler hinlaufender Wellen A ₁, A ₂,..., A _N und ein bestimmter Satz von Reflexionsfaktoren r _N+ ₁,..., r _M .

2.2 Berechnung der Gewinnfunktion

Die Hauptmatrix ( S ) läßt sich in vier Untermatrizen unterteilen. Matrix ( S _I ) beschreibt die Wechselwirkung zwischen den Toren 1 bis N untereinander in Form komplexer Streuparamter. Das Verfahren verfolgt das Ziel, bei Einspeisung einer gewissen Leistung über alle an das Speisenetzwerk anzuschließenden Tore bezüglich der Strahlungsdichte in einem bestimmten Abstand im Fernfeld gewünschte Richteigenschaften zu erzeugen, wodurch meist die Strahlungsdichte am Empfangsort unter bestimmten Bedingungen maximiert werden soll. Die Matrix in Gleichung 1 erlaubt nun bei Einspeisung bekannter vorgegebener hinlaufender Wellen A ₁ ... A _M sämtliche an diesen Toren zurücklaufenden Wellen B ₁ bis B _M zu ermitteln. Durch wellenwiderstandsrichtigen Abschluß der Empfangsantenne im Fernfeld wird die auf deren Tor M + 1 zulaufende Welle zu Null erzwungen. Die aus diesem Tor austretende Welle B _M ₊₁ läßt sich somit mit Hilfe dieses Gleichungssystems in Abhängigkeit der zunächst unbekannten Wellen A ₁ bis A _M ausdrücken. Zu diesem Zweck unterteilt man die Gesamtmatrix ( S ) in vier Teilmatrixen, die mit ( S _I ), ( S _II ), ( S _III ) und ( S _IV ) bezeichnet werden.

Unterteilt man ferner die Spaltenvektoren der hinlaufenden Wellen A ₁ bis A _M ₊₁ in zwei Spaltenvektoren

wobei A ₁ ... A _N die Wellen an den mit dem Speisenetzwerk zu verbindenden Toren beschreiben und A _N ₊₁ ... A _M die Wellen an den mit Blindelementen zu beschaltenden Toren beschreiben. Eine sinngemäße Unterteilung erfolgt zweckmäßiger Weise für die Spaltenvektoren der rücklaufenden Wellen B ₁ bis B _M ₊₁:

Der Abschluß der beschalteten Tore (s. Fig. 6) wird durch die Reflexionsfaktoren
r _N ₊₁... r _M , deren Beträge im Falle der Blindwiderstandsbeschaltung den Wert eins besitzen, durch folgende Matrix beschrieben:

Drückt man die Wellen A durch die Wellen B und die Reflexionsfaktoren aus, so gilt folgende Matrixgleichung: ( A II ) = ( r ) · ( B II )

Damit ergeben sich für die Vektoren der Wellen B folgende Matrixgleichungen: ( B I ) = ( S I ) · ( A I ) + ( S II ) · ( A II ) = ( S I ) · ( A I ) + ( S II ) · ( r ) · ( B II ) ( B II ) = ( S III ) · ( A I ) + ( S IV ) · ( A II ) = ( S III ) · ( A I ) + ( S IV ) · ( r ) · ( B II )

Nunmehr können die Vektoren der Wellen B aus den hinlaufenden Wellen A der mit dem Netzwerk verbundenen Toren ermittelt werden: ( B I ) = [( S I ) + ( S II ) · ( r ) · [(1) - ( S IV ) · ( r )]-1 · ( S III )] · ( A I ) ( B II ) = [(1) - ( S IV ) · ( r )]-1 · ( S III ) · ( A I ) mit den abgekürzten Matrizen ( T ) und ( U ) ( T ) = ( S I ) + ( S II ) · ( r ) · [(1) - ( S IV ) · ( r )]-1 · ( S III ) ( U ) = [(1) - ( S IV ) · (r)]-1 · ( S III ) können die Vektoren der Wellen B wie folgt aus den hinlaufenden Wellen A der mit dem Netzwerk verbundenen Tore ermittelt werden: ( B I ) = ( T ) · ( A I ) ( B II ) = ( U ) · ( A I )

Nunmehr kann das Leistungsverhältnis P_M ₊₁/P_Ant = G(ϕ, A ₁, A ₂,..., A _N , r _N ₊₁,..., r _M ) durch die Welle B _M ₊₁ am entfernten Empfangsdipol und die Summe der über die Tore 1 bis N zugeführten Wellen wie folgt berechnet werden:

Die Summe der zugeführten Leistungen errechnet sich somit aus den Wellen A ₁ bis A _N und B ₁ bis B _N .

Hierin sind die Matrixelemente ( U ) und ( T ) vom Azimutwinkel und den Reflexionsfaktoren r _N ₊₁ ... r _M abhängig. Mit jedem Wertesatz für die Wellen A ₁ ... A _N bzw.
r _N ₊₁,..., r _M ergibt sich somit ein bestimmtes G(ϕ, A ₁, A ₂,..., A _N , r _N ₊₁,..., r _M ).

3. Gestaltung des Speisenetzwerks

Durch Kenntnis der optimalen Reflexionsfaktoren r _N ₊₁... r _M können die Tore N + 1 bis M mit entsprechenden Impedanzen, zumeist Blindwiderständen, beschaltet werden. Mit Hilfe der Gleichung 14 ( B I ) = ( T ) · ( A I ) liegen die rücklaufenden Wellen B an den gespeisten Toren 1 bis N fest. Die komplexen Verhältnisse A ₁/ B ₁ bis A _N/B _N lassen die Berechnung von Impedanzen zu, die das Speisenetzwerk 17 an seinen Toren T1 bis TN, realisiert durch das Strahlernetzwerk 18, sieht (s. Fig. 6). Gestaltet man das Speisenetzwerk 17 beispielhaft als ein an einem Knotenpunkt parallel verzweigendes Netzwerk an der Antennenanschlußstelle am Tor N + 1, so kann durch entsprechend bemessene transformatorische und laufzeitbehaftete Elemente zwischen dem Knotenpunkt und den jeweiligen Toren sichergestellt werden, daß bei Belastung der Tore mit den, den Reflexionsfaktoren entsprechenden Impedanzen, die Wellen A ₁ bis A _N und B ₁ bis B _N nach Betrag und Phase durch Variationsrechnung den unter Punkt 2 ermittelten Werten entsprechen.

Claims

Gruppenantenne aus zwei oder mehr Einzelstrahlern (6), die auf der Außenhaut eines Kraftfahrzeuges (1) angebracht sind und von denen mindestens einer ein primärer Strahler (T1) ist, für Funkverbindungen mit terrestrischen Funkstellen, mit einem Speisenetzwerk (17), das den oder die primären Strahler mit einer Antennenanschlußstelle (5) verbindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzielung eines gewünschten Richtdiagramms Impedanzen (16) entweder an ausgesuchten Stellen der Strahler (6) in diese eingefügt sind und/oder an den Verbindungsstellen (T1) des bzw. der primären Strahler mit dem Speisenetzwerk und/oder an ausgesuchten Stellen des Speisenetzwerkes (17) eingefügt sind.
Gruppenantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß zumindest einzelne Strahler der Gruppenantenne ganz oder teilweise auf nichtleitenden Flächen der Außenhaut des Kraftfahrzeugs angebracht sind.
Gruppenantenne nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ganz oder teilweise auf nichtleitenden Flächen angebrachte Einzelstrahler Stabantennen sind, die ein leitendes auf oder in der nichtleitenden Fläche angebrachtes netzförmiges elektrisches Gegengewicht besitzen, in welches ebenfalls solche Impedanzen eingefügt sind.
Gruppenantenne nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ganz oder teilweise auf nichtleitenden Flächen angebrachte Einzelstrahler aus auf oder in der nichtleitenden Fläche liegenden Leitern bestehen und daß in deren Verbindung mit einem leitenden Karosserieteil ebenfalls solche Impedanzen eingefügt sind.
Gruppenantenne nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das netzförmige elektrische Gegengewicht über solche Impedanzen mit weiteren auf oder in der nicht leitenden Fläche liegenden leitenden Strukturen verbunden ist.
Verfahren zur meßtechnischen Ermittlung der bei einer Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einzufügenden Impedanzen,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) an den vorgesehenen Einfügungsstellen jeweils eine Anschlußstelle (Tor) gebildet wird,

b) diese Tore als Tore eines Strahlernetzwerkes angesehen werden und durch einen Netzwerkanalysator die Zusammenhänge zwischen den elektrischen Größen an diesen Toren nach Betrag und Phase sequentiell bei Speisung jeweils eines Tores und wellenwiderstandsrichtigem Abschluß der übrigen Tore ermittelt werden (Strahlernetzwerk-Wellenparameter-Matrix),

c) die Gruppenantenne einer horizontal einfallenden Empfangswelle ausgesetzt wird und durch den Netzwerkanalysator die an den wellenwiderstandsrichtig abgeschlossenen Toren durch diese Welle hervorgerufenen Erregungen für alle Azimutwinkelrichtungen nach Betrag und Phase erfaßt werden (Erregungsmatrix für alle Azimutwinkel),

d) daß unter Zugrundelegung der ermittelten Matrix-Werte durch Variationsrechnung die für die Erzielung des gewünschten Richtdiagramms günstigen Amplituden und Phasenwerte an den einzelnen Toren ermittelt werden, woraus sich die jeweils einzufügenden Impedanzen ergeben.