EP0952625B1 - Antenne für mehrere Funkdienste - Google Patents

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EP0952625B1
EP0952625B1 EP99107069.9A EP99107069A EP0952625B1 EP 0952625 B1 EP0952625 B1 EP 0952625B1 EP 99107069 A EP99107069 A EP 99107069A EP 0952625 B1 EP0952625 B1 EP 0952625B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
radio service
conductive
conductor
oriented
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99107069.9A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0952625A2 (de
EP0952625A3 (de
Inventor
Heinz Lindenmeier
Jochen Hopf
Leopold Reiter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuba Automotive GmbH and Co KG
Original Assignee
Delphi Delco Electronics Europe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delphi Delco Electronics Europe GmbH filed Critical Delphi Delco Electronics Europe GmbH
Publication of EP0952625A2 publication Critical patent/EP0952625A2/de
Publication of EP0952625A3 publication Critical patent/EP0952625A3/de
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Publication of EP0952625B1 publication Critical patent/EP0952625B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/30—Combinations of separate antenna units operating in different wavebands and connected to a common feeder system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3275—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle mounted on a horizontal surface of the vehicle, e.g. on roof, hood, trunk
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means

Definitions

  • the invention relates to an antenna according to the preamble of claim 1 ( US5,402,136 ).
  • One in the DE 195 10 236 A1 described antenna has a capacitive surface 1 and a thereto substantially vertically oriented antenna conductor 4. Together with the conductive base 2 and the there decoupled signals from the coupling conductor 15 thus an antenna is formed monopoly character whose polarization direction is given substantially perpendicular to the roof capacity is. By introducing slots into the roof capacity, this frequency-dependent electrically divided, so that there is an antenna for multiple radio services for the monopoly operation with the roof capacity 1 perpendicular polarization oriented. Antennas of this type thus have the limitation of polarization perpendicular to the roof capacity.
  • the antenna concealable function of communicating with a plurality of vertically polarized mobile terrestrial telephone services and the multi-frequency communication with satellite services, which, whether linearly or circularly polarized, are primarily aimed at horizontal polarization is with an antenna of the prior art Technology not possible.
  • the object of the invention is therefore to design an antenna according to the preamble of claim 1 such that a better coupling is given to the horizontally polarized field.
  • an antenna according to the invention the advantage is achieved to cover with a component a whole variety of terrestrial and satellite radio services with correspondingly little effort.
  • mobile radio services can be compact Vehicle antennas designed, for example, the mobile phone services GSM in the D network (about 0.9 GHz) and E network (about 1.8 GHz) with vertical polarization and at the same time the satellite radio service for the location (GPS radio service at about 1.5 GHz ) with predominantly horizontally and circularly polarized incidental waves due to several zenitnaher satellites.
  • the GPS navigation service requires a circularly polarized antenna with a maximum of reception in the zenith. This requirement can be met with little effort with an antenna according to the invention in an advantageous manner.
  • Fig. 1a shows an antenna with the character of a monopoly with a two-dimensional antenna conductor 4, which is conductively connected both to the roof capacitance 1 and with the base. Due to the inductive effect of the antenna conductor 4 and the capacitive effect of the roof capacity, a resonance is formed in the frequency range of a first radio service. Thus, a resonant monopole antenna low height can be formed with polarization perpendicular to the roof capacity. The coupling to this resonant monopole takes place via the coupling conductor 15 to form the first antenna connection point 14.
  • the roof capacity 1 is a closed lambda / 2nd Slot 3 with resonance in the frequency range of the other radio service introduced.
  • a slot open at one end can be designed with approximately lambda / 4 length.
  • Appropriately selected terminal points 9a and 9b opposite each other on the edges of the slot at a distance 25 from the closed end of the slot make the desired antenna impedance and the width of the slot the desired bandwidth.
  • connection points 9a, 9b which is electrically ineffective with respect to the monopole function of the antenna parallel to the conductive surfaces of the roof capacitance 1 and the antenna conductor 4, the connection between the connection points 9a, 9b with the at the conductive base 2 located further antenna connection point 13 made.
  • Fig. 1b also shows a monopole antenna as in Fig. 1a but with a tubular antenna conductor 4.
  • the unbalanced line 10 is guided in its field-free interior.
  • the first antenna connection point 14 is formed at the lower end of the antenna conductor 4 with the conductive base 2.
  • a crossover 16 is formed in the base, in the interior of the continuation of the unbalanced line 10 is designed as a high impedance in the first frequency range choke and the antenna terminal 13 is designed without affecting the monopole function of the antenna.
  • the roof capacitance 1 and the vertically oriented, flat-shaped antenna conductor 4 are designed as printed circuit boards laminated on both sides.
  • the conductive surfaces are formed by the conductive material located on one side of the circuit boards and are electrically connected at the abutting edge.
  • the unbalanced line is designed as stripline 10, wherein the stripline is printed on the opposite side of the conductive surface 1 and the surface forms the ground conductor of the line 10.
  • the connection between the strip conductor of the strip line 10 and the connection point 9a can be done in a simple manner by plated-through.
  • Terminal point 9b is defined by the perpendicular to the slot direction course of the strip conductor as the point 9a opposite point at the slot edge.
  • a further advantageous embodiment of the invention is in Fig. 3a in which the conductive base is horizontally oriented and the monopole antenna is tuned for the frequency band of a vertical polarization terrestrial telephone service as the first service and tuned as a second service to a satellite service with substantially horizontally polarized incident waves.
  • Such an antenna is for example particularly suitable for combining the terrestrial GSM telephone service with the GPS satellite radio for use as a vehicle antenna with horizontal conductive base 2.
  • the roof capacity and the vertically oriented antenna conductor 4 are dimensioned such that in the GSM frequency range Resonance exists and the slot 3 is designed in length and width such that its resonance is suitable for the reception of the GPS signals.
  • two slots 3, each with two connection points and 9a, 9b, each with a connected unbalanced line 10 for the further radio service GPS with circular polarization available are provided.
  • the slots in the conductive plate of the roof capacity are for this purpose oriented at an angle of almost 90 degrees to each other so that the reception of the circularly polarized waves with a predetermined direction of rotation is optimal.
  • Both slots are exemplified as lambda / 4-resonant slot lines with open ends at the edge of the roof capacity realized.
  • the distance 25 of the connection points 9a, 9b from the closed end of the slot is chosen favorably in view of the characteristic impedance of the line connected thereto.
  • the two lines are connected at their other ends to the two inputs of a 90-degree hybrid circuit, in which one of the two received signals is changed by 90 degrees in phase and after correctly polarized summary of the signals on Output of the hybrid circuit is the appropriate circular polarization direction at the antenna connection point 13.
  • a particular advantage of the invention is the ease of implementation by using printed circuit boards for the production of the conductive surfaces and the lines. This technique allows a very good reproducibility of the finely tuned structures in the manufacturing process.
  • the roof capacitance 1 and the vertically oriented, planar-shaped antenna conductor 4 are designed as printed circuit boards laminated on both sides, wherein the conductive material located on one side of the printed circuit boards forms the conductive surface.
  • the unbalanced line 10 is designed as a strip line, wherein the strip conductor is printed on the opposite side of the conductive surface and the conductive surface forms the ground conductor of the line.
  • An advantage of the invention is the relatively good decoupling between the antenna terminals 13 and 14. Due to the extremely large level differences between the transmitted GSM signals and the GPS signals to be received, it is advantageous to the sensitive GPS receiver from non-linear effects by large Signal level to protect the antenna terminal 13 a bandpass filter 27 for this frequency range downstream. In order to achieve good signal / noise ratios in the GPS range, it is also advantageous to add a low noise preamplifier 24 without lossy leads. In order to avoid the sideband noise of GSM radios 28 in the GPS frequency range, it is recommended that a band-stop filter 26 of the antenna terminal 14 upstream.
  • slots 22 can be introduced into the roof capacity 1 in a manner known per se.
  • FIG 4 Such an antenna for the two terrestrial mobile telephone services (D and E network) is shown. With the help of the notches 18, the slot lengths and the roof capacity for the design of the various resonance frequencies can be determined largely separately from each other.
  • the satellite navigation service GPS can also be received via a further connection point 13.
  • the GPS navigation service requires a circularly polarized antenna with a maximum of reception at zenith. Therefore, two further slots, which are arranged at an angle of 90 ° to each other, are introduced into the conductive surface of the roof capacitance 1 and operated as ⁇ / 4-slot antennas.
  • the effective for the edge current of the D-network input impedance of the slots is sufficiently low-impedance, since the slots have a strong resonance at 1575 GHz, so that the radio antenna in the D-network is not affected.
  • the decoupling points of the two GPS slot antennas are combined as close as possible and chosen so that their impedance is 50 ohms.
  • the RF signals of the GPS antennas are guided with coaxial lines by utilizing the conductive surface of the roof capacitance 1 as a ground conductor via the antenna conductor 4 to a 90 ° hybrid.
  • the conductive surface of the roof capacity 1 double-laminated, 1mm thick board material (eg FR4) for the antenna Fig. 4 so on the top of all slots from the applied copper layer can be etched.
  • the two required RF lines for GPS are realized as microstrip lines, with the underside of the board carrying the strip conductors. Via the antenna conductor 4, the GPS signals are also continued as microstrip lines and connected to the also executed in stripline technology 90 ° hybrid on the base plate. This creates an easy-to-set-up and easily reproducible antenna.
  • Fig. 5 shows a measured vertical section of the radiation pattern of the antenna Fig. 4 in the upper hemisphere in circular polarization.
  • the transmission and reception characteristics of the antenna Fig. 4 In the D and E radio service are influenced by the additional GPS slot antennas only little.
  • the total height 20 of the antenna after Fig. 4 is only about 20 mm and can be built on a circular base plate with a diameter of less than 9 cm.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ( US5,402,136 ). Eine in der DE 195 10 236 A1 beschriebene Antenne besitzt eine kapazitive Fläche 1 und einen hierzu im wesentlichen senkrecht orientierten Antennenleiter 4. Zusammen mit der leitenden Grundfläche 2 und der dort angegebenen Auskopplung der Signale über den Ankoppelleiter 15 ist somit eine Antenne mit Monopolcharakter gebildet, deren Polarisationsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Dachkapazität gegeben ist. Durch Einbringung von Schlitzen in die Dachkapazität wirkt diese frequenzabhängig elektrisch unterteilt, so daß sich für den Monopolbetrieb mit zur Dachkapazität 1 senkrecht orientierter Polarisation eine Antenne für mehrere Funkdienste ergibt. Antennen dieser Art besitzen somit die Einschränkung der zur Dachkapazität senkrecht orientierten Polarisation. Die mit einer Antenne abdeckbare Funktion der Kommunikation mit mehreren vertikal polarisierten mobilen terrestrischen Telefonfunkdiensten und der ein bzw. mehrfrequenten Kommunikation mit Satellitenfunkdiensten, welche, ob linear oder zirkular polarisiert, in der Hauptsache auf die horizontale Polarisation abzielen, ist mit einer Antenne nach dem Stande der Technik nicht möglich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu gestalten, daß eine bessere Ankopplung an des horizontal polarisierte Feld gegeben ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
  • Mit einer Antenne nach der Erfindung wird der Vorteil erreicht, mit einer Komponente eine ganze Vielfalt von terrestrischen und Satelliten-Funkdiensten mit dementsprechend kleinem Aufwand abzudecken. Insbesondere für mobile Funkdienste lassen sich kompakte Fahrzeugantennen gestalten, welche z.B. die Mobiltelefondienste GSM im D-Netz (ca. 0,9GHz) und E-Netz (ca. 1,8GHz) mit vertikaler Polarisation und gleichzeitig den Satellitenfunkdienst für die Ortsfeststellung (GPS-Funkdienst bei ca. 1,5GHz) mit aufgrund mehrerer zenitnaher Satelliten vorwiegend horizontal und zirkular polarisiert einfallenden Wellen abdecken. Im Gegensatz zum vertikal polarisierten Funkdienst mit einer Nullstelle des Richtdiagramms im Zenit erfordert der GPS-Navigationsdienst eine zirkular polarisierte Antenne mit einem Maximum des Empfangs im Zenit. Diese Forderung kann mit einer Antenne nach der Erfindung auf vorteilhafte Weise aufwandsarm erfüllt werden.
  • Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
    • Fig. 1a: Antenne mit dem Charakter eines Monopols nach der Erfindung mit flächigem, mit der Grundfläche verbundenem Antennenleiter 4, einer Dachkapazität 1 und darin befindlichem geschlossenem Lambda/2-Schlitz 3 mit Resonanz im Frequenzbereich des weiteren Funkdienstes mit zur Ebene der Dachkapazität paralleler Polarisation mit Anschlußpunkten 9a, 9b, mit unsymmetrischer Leitung 10 und Antennenanschlußstelle 13 für den weiteren Funkdienst und mit Ankoppelleiter 15 und Antennenanschlußstelle 14 für den ersten Funkdienst;
    • Fig. 1b: Antenne wie in Fig. 1a, jedoch mit rohrförmigem Antennenleiter 4 mit unsymmetrischer Leitung 10 in dessem feldfreien Inneren und mit auf der leitenden Grundfläche 2 befindlicher Frequenzweiche 16, in welche die unsymmetrische Leitung 10 eingeführt ist und an welche der vertikal orientierte Antennenleiter 4 angeschlossen ist und mit getrennten Antennenanschlußstellen (14, 13) am Ausgang der Frequenzweiche;
    • Fig.2: Antenne gemäß Fig. 1a, jedoch mit doppelseitig kaschierten Leiterplatten mit zwei offenen, ca. Lambda/4-langen Schlitzen 3 mit unterschiedlichen Längen für zwei weitere Funkdienste bei unterschiedlichen Frequenzen in der die Dachkapazität bildenden leitenden Fläche auf der einen Seite der Leiterplatte mit jeweils einem Anschlußpunkt 9a an eine Streifenleitung auf der anderen Seite der Leiterplatte (grau schattiert), deren Masseleiter durch die leitende Fläche 1 gegeben ist.
    • Fig.3a: Antenne gemäß Fig.2, jedoch mit zwei gleichlangen zueinander unter einem Winkel 21 von ca. 90 Grad angeordneten Schlitzen 3 zur Ausbildung einer Funktion mit Zirkularpolarisation der Antenne in einem weiteren Frequenzbereich mit einer 90-Grad Hybridschaltung 17 am Ende der beiden unsymmetrischen Leitungen 10 und mit der Antennenanschlußstelle 13 und mit zwei zusätzlichen Schlitzen 22 zur Gestaltung der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Monopolantennenfunktion für zwei erste Funkdienste (z.B. D-Netz, E-Netz) mit zur Dachkapazität vertikaler Polarisation;
    • Fig.3b: Blockdiagramm einer Antenne wie in Fig.3a mit einem der weiteren Antennenanschlußstelle 13 vorgeschalteten Frequenzbandpaß 23 zum ausschließlichen Durchlaß der Signale für den weiteren Funkdienst (GPS) und einem rauscharmen Verstärker (24). Um das Seitenbandrauschen von Funkgeräten 28 des ersten Funkdienstes (GSM) im Empfangszweig des weiteren Funkdienstes (GPS) zu vermeiden, ist eine Bandsperre 26 an der Antennenanschlußstelle 14 für den Frequenzbereich des ersten Funkdienstes (GSM) vorgeschaltet;
    • Fig.4 oben: Antenne gemäß Fig.2, jedoch für zwei erste Funkdienste (z.B. D-Netz, E-Netz) mit zur Dachkapazität vertikaler Polarisation mit zwei zusätzlichen Schlitzen 22 zur Gestaltung der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Monopolantennenfunktion und zwei Schlitzen 3 für den weiteren Funkdienst (z.B. GPS) unter 90 Grad. Mit Hilfe der Kontourkerben 18 werden die wirksamen Schlitzlängen und die Dachkapazität weitgehend unabhängig voneinander für die verschiedenen Frequenzbereiche abgeglichen. Fig. 4 unten: Flächiger, vertikal orientierter Antennenleiter 4 als Träger der Mikrostreifenleitungen für den weiteren Funkdienst;
    • Fig. 5: Vertikales Richtdiagramm einer Antenne nach Fig. 4 im GPS-Frequenzband bei zirkularer Polarisation. Als Bezugsantenne wurde eine IEEE Standard Gain Antenne mit an das GPS-Frequenzband angepaßten geometrischen Abmessungen verwendet.
  • Fig. 1a zeigt eine Antenne mit dem Charakter eines Monopols mit einem flächig ausgeführten Antennenleiter 4, der sowohl mit der Dachkapazität 1 als auch mit der Grundfläche leitend verbunden ist. Durch die induktive Wirkung des Antennenleiters 4 und die kapazitive Wirkung der Dachkapazität ist im Frequenzbereich eines ersten Funkdienstes eine Resonanz gebildet. Damit kann eine resonante Monopolantenne niedriger Bauhöhe mit zur Dachkapazität senkrechter Polarisation gebildet werden. Die Ankopplung an diesen resonanten Monopol erfolgt über den Ankoppelleiter 15 zur Bildung der ersten Antennenanschlußstelle 14. Um mit einem Monopol mit Dachkapazität die geforderte Antennenfunktion mit zur Dachkapazität paralleler Polarisation für einen weiteren Funkdienst zu erreichen, ist erfindungsgemäß in die Dachkapazität 1 ein geschlossener Lambda/2-Schlitz 3 mit Resonanz im Frequenzbereich des weiteren Funkdienstes eingebracht. Gleichermaßen kann ein an einem Ende offener Schlitz mit ca. Lambda/4-Länge gestaltet werden. Geeignet gewählte einander auf den Rändern des Schlitzes gegenüberliegende Anschlußpunkte 9a und 9b im Abstand 25 vom geschlossenen Schlitzende lassen die gewünschte Antennenimpedanz und die Breite des Schlitzes die gewünschte Bandbreite gestalten. Mit Hilfe einer an die Anschlußpunkte 9a, 9b angeschlossenen unsymmetrischen Leitung 10, welche elektrisch unwirksam bezüglich der Monopolfunktion der Antenne parallel zu den leitenden Flächen der Dachkapazität 1 und dem Antenneleiter 4 geführt ist, ist die Verbindung zwischen den Anschlußpunkten 9a, 9b mit der an der leitenden Grundfläche 2 befindlichen weiteren Antennenanschlußstelle 13 hergestellt.
  • Fig. 1b zeigt ebenfalls eine Antenne mit Monopolcharakter, wie in Fig. 1a, jedoch mit rohrförmigem Antennenleiter 4. Die unsymmetrische Leitung 10 ist in dessem feldfreien Inneren geführt. Die erste Antennenanschlußstelle 14 ist am unteren Ende des Antennenleiters 4 mit der leitenden Grundfläche 2 gebildet. Zur Herausführung des Antennenanschlusses für den weiteren Funkdienst ist im Fußpunkt eine Frequenzweiche 16 gebildet, in derem Inneren die Fortsetzung der unsymmetrischen Leitung 10 z.B. als eine im ersten Frequenzbereich hochohmige Drossel gestaltet ist und die Antennenanschlußstelle 13 ohne Beeinträchtigung der Monopolfunktion der Antenne gestaltet ist.
  • In Fig. 2 sind in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Dachkapazität 1 und der vertikal orientierte, flächig ausgeführte Antennenleiter 4 als beidseitig kaschierte Leiterplatten ausgeführt. Die leitenden Flächen sind durch das auf einer Seite der Leiterplatten befindliche leitende Material gebildet und sind an der Stoßkante elektrisch verbunden. Die unsymmetrische Leitung ist als Streifenleitung 10 ausgeführt, wobei der Streifenleiter auf der gegenüberliegenden Seite der leitenden Fläche 1 gedruckt ist und die Fläche den Masseleiter der Leitung 10 bildet. Die Verbindung zwischen dem Streifenleiter der Streifenleitung 10 und dem Anschlußpunkt 9a kann auf einfache Weise durch Durchkontaktieren erfolgen. Der Anschlußpunkt 9b ist durch den zur Schlitzrichtung senkrechten Verlauf des Streifenleiters als der dem Punkt 9a gegenüberliegende Punkt am Schlitzrand definiert. Zur Verdeutlichung der Allgemeinheit des Erfindungsgedankens sind in Fig. 2 zwei Schlitze 3 mit unterschiedlichen Längen und unterschiedlichen Polarisationsrichtungen innerhalb der beiden gemeinsamen Polarisationsebenen parallel zur Dachkapazität mit voneinander getrennten unsymmetrischen Leitungen 10 und weiteren Antennenanschlußstellen 13 dargestellt. Dadurch können mehrere weitere Funkdienste mit unterschiedlichen Frequenzen für die Polarisationsebene erfaßt werden.
  • Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig 3a eine Antenne dargestellt, bei der die leitende Grundfläche horizontal orientiert ist und die Monopolantenne für das Frequenzband eines terrestrischen Telefonfunkdienstes mit vertikaler Polarisation als ersten Funkdienst abgestimmt ist und als zweiten Funkdienst auf einen Satellitenfunkdienst mit im wesentlichen horizontal polarisiert einfallenden Wellen abgestimmt ist.
  • Eine derartige Antenne ist beispielsweise besonders geeignet für die Kombination des terrestrischen GSM-Telefondienstes mit dem GPS-Satellitenfunk für die Anwendung als Fahrzeugantenne mit horizontaler leitender Grundfläche 2. Hierbei sind die Dachkapazität und der hierzu vertikal orientierte Antennenleiter 4 derart dimensioniert, daß im GSM-Frequenzbereich Resonanz besteht und der Schlitz 3 ist in Länge und Breite derart gestaltet, daß seine Resonanz für den Empfang der GPS-Signale geeignet ist. Um neben der Forderung der maximalen Strahlung im Zenit, gleichzeitig die Bedingung der Zirkularpolarisation zu erfüllen, sind zwei Schlitze 3 mit jeweils zwei Anschlußpunkten und 9a, 9b mit jeweils einer daran angeschlossenen unsymmetrischen Leitung 10 für den weiteren Funkdienst GPS mit zirkularer Polarisation vorhanden. Die Schlitze in der leitenden Platte der Dachkapazität sind hierfür unter einem Winkel von nahezu 90 Grad derart zueinander orientiert, daß der Empfang der zirkular polarisierten Wellen mit vorgegebener Drehrichtung optimal ist. Beide Schlitze sind beispielhaft als Lambda/4-resonante Schlitzleitungen mit offenen Enden am Rand der Dachkapazität realisiert. Der Abstand 25 der Anschlußpunkte 9a, 9b von dem geschlossenen Ende des Schlitzes ist im Hinblick auf den Wellenwiderstand der daran angeschlossenen Leitung günstig gewählt. Die beiden Leitungen sind an ihren anderen Enden an die beiden Eingänge einer 90-Grad Hybridschaltung angeschlossen, in welcher eines der beiden empfangenen Signale um 90 Grad in der Phase verändert wird und nach richtig polarisierter Zusammenfassung der Signale am Ausgang der Hybridschaltung die zutreffende zirkulare Polarisationsrichtung an der Antennenanschlußstelle 13 vorliegt.
  • Als besonderer Vorteil der Erfindung zeigt sich die einfache Realisierbarkeit durch Verwendung gedruckter Leiterplatten für die Herstellung der leitenden Flächen und der Leitungen. Diese Technik ermöglicht im Herstellungsprozeß eine sehr gute Reproduzierbarkeit der fein abgestimmten Strukturen. Hierbei werden die Dachkapazität 1 und der vertikal orientierte, flächig ausgeführte Antennenleiter 4 als beidseitig leitend kaschierte gedruckte Leiterplatten ausgeführt, wobei das auf einer Seite der Leiterplatten befindliche leitende Material jeweils die leitende Fläche bildet. Die unsymmetrische Leitung 10 ist dabei als Streifenleitung ausgeführt, wobei der Streifenleiter auf der gegenüberliegenden Seite der leitenden Fläche gedruckt ist und die leitende Fläche den Masseleiter der Leitung bildet.
  • Vorteilhaft an der Erfindung ist auch die verhältnismäßig gute Entkopplung zwischen den Antennenanschlußstellen 13 und 14. Aufgrund der äußerst großen Pegelunterschiede zwischen den ausgesendeten GSM-Signalen und den zu empfangenden GPS-Signalen ist es vorteilhaft, um den empfindlichen GPS-Empfänger vor nichtlinearen Effekten durch große Signalpegel zu schützen, der Antennenanschlußstelle 13 einen Bandpaß 27 für diesen Frequenzbereich nachzuschalten. Um gute Signal/Rauschverhältnisse im GPS-Bereich zu erzielen, ist es ferner vorteilhaft, einen rauscharmen Vorverstärker 24 ohne verlustbehaftete Zuleitungen hinzuzufügen. Um das Seitenbandrauschen von GSM-Funkgeräten 28 im GPS-Frequenzbereich zu vermeiden, empfiehlt es sich, eine Bandsperre 26 der Antennenanschlußstelle 14 vorzuschalten.
  • Zur Gestaltung einer Antennenfunktion für einen zusätzlichen ersten Funkdienst mit höherer Frequenz und mit zur leitenden Grundfläche vertikal orientierter Polarisation können auf an sich bekannte Weise Schlitze 22 in die Dachkapazität 1 eingebracht werden. In Fig.4 ist eine derartige Antenne für die beiden terrestrischen mobilen Telefondienste (D- und E-Netz) dargestellt. Mit Hilfe der Kerben 18 können die Schlitzlängen und die Dachkapazität zur Gestaltung der verschiedenen Resonanzfrequenzen weitgehend getrennt voneinander bestimmt werden.
  • Mit der in Fig. 4 dargestellten Antenne kann zusätzlich zu den Funkdiensten des D- und E-Netzes noch der Satellitennavigationsdienst GPS über eine weitere Anschlußstelle 13 empfangen werden.
  • Im Gegensatz zum vertikal polarisierten, ersten Funkdienst mit einer Nullstelle des Richtdiagramms im Zenit erfordert der GPS-Navigationsdienst eine zirkular polarisierte Antenne mit einem Maximum des Empfangs im Zenit. Deshalb werden zwei weitere Schlitze, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, in die leitende Fläche der Dachkapazität 1 eingebracht und als λ/4-Schlitzantennen betrieben. Die für den Kantenstrom des D-Netzes wirksame Eingangsimpedanz der Schlitze ist ausreichend niederohmig, da die Schlitze eine stark ausgeprägte Resonanz bei 1.575 GHz aufweisen, so daß die Funkantenne im D-Netz nicht beeinflußt wird.
  • Die Auskoppelstellen der beiden GPS-Schlitzantennen werden möglichst dicht zusammengelegt und so gewählt, daß ihre Impedanz 50 Ohm beträgt. Die HF-Signale der GPS-Antennen werden mit Koaxialleitungen unter Ausnutzung der leitenden Fläche der Dachkapazität 1 als Masseleiter über den Antennenleiter 4 zu einem 90° Hybrid geführt.
  • Verwendet man für die leitende Fläche der Dachkapazität 1 doppeltkaschiertes, 1mm dickes Platinenmaterial (z.B. FR4) für die Antenne nach Fig. 4, so können auf der Oberseite sämtliche Schlitze aus der aufgebrachten Kupferschicht geätzt werden. Die beiden erforderlichen HF-Leitungen für GPS werden als Mikrostreifenleitungen realisiert, wobei die Unterseite der Platine die Streifenleiter trägt. Über den Antennenleiter 4 werden die GPS-Signale ebenfalls als Mikrostripleitungen weitergeführt und an das ebenfalls in Streifenleitungstechnik ausgeführte 90°-Hybrid auf der Grundplatte angeschlossen. Auf diese Weise entsteht eine einfach aufzubauende und gut reproduzierbare Antenne.
  • Fig. 5 zeigt einen gemessenen Vertikalschnitt des Richtdiagramms der Antenne nach Fig. 4 in der oberen Hemisphäre bei zirkularer Polarisation. Dadurch, daß sich die GPS-Schlitzantennen nach Fig. 4 in einer nicht symmetrischen Umgebung befinden, ergeben sich derzeit noch für andere Azimutwinkel Diagrammeinzüge im Elevationsbereich von 60° bis 90°. Im übrigen wird die Leistungsfähigkeit einer Keramikpatchantenne erreicht.
  • Die Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne nach Fig. 4 beim D- und E-Funkdienst werden durch die zusätzlichen GPS-Schlitzantennen nur wenig beeinflußt.
  • Die gesamte Bauhöhe 20 der Antenne nach Fig. 4 beträgt dabei nur ca. 20 mm und kann auf einer kreisförmigen Grundplatte mit einem Durchmesser von weniger als 9 cm aufgebaut werden.
    • Liste der Bezeichnungen
    • Dachkapazität (1)
    • leitende Grundfläche (2)
    • Schlitz (3)
    • Antennenleiter (4)
    • erste Kante (5)
    • zweite Kante (6)
    • Schlitzlänge (7)
    • Schlitzbreite (8)
    • erster Anschlußpunkt (9a)
    • zweiter Anschlußpunkt (9b)
    • unsymmetrische Leitung (10)
    • Innenleiter (11)
    • Masseleiter (12)
    • weitere Antennenanschlußstelle (13)
    • erste Antennenanschlußstelle (14)
    • Ankoppelleiter (15)
    • Frequenzweiche (16)
    • 90-Grad Hybridschaltung (17)
    • Kontourkerben (18)
    • Anschlußpunkt des ersten Funkdiensts an Dachkapazität (19)
    • Abstand der Dachkapazität 1 zur leitenden Grundebene 2 (20)
    • Winkel (21)
    • zusätzliche Schlitze (22)
    • Frequenzbandpaß (23)
    • rauscharmer Verstärker (24)
    • Abstand (25)
    • Bandsperre (26)
    • Bandpaß (27)
    • Funkgerät (28)

Claims (9)

  1. Antenne für mehrere Funkdienste mit dem Charakter eines Monopols über einer leitenden Grundfläche (2), mit einem Antennenleiter (4) und mindestens einer flächenhaft gestalteten und im Wesentlichen senkrecht zu dem Antennenleiter (4) orientierten Dachkapazität (1) für einen ersten Funkdienst mit zur Dachkapazität (1) senkrecht orientierter Polarisation, wobei ein erster Anschlußpunkt (19) des ersten Funkdiensts an der Dachkapazität gebildet ist, und einer Antennenfunktion für mindestens einen weiteren Funkdienst mit einer zur Dachkapazität (1) parallel orientierten Polarisation, wobei die Dachkapazität in der Form einer leitenden Platte bzw. einer dünnen leitenden Schicht ausgeführt ist, wobei zur Gestaltung der Antennenfunktion für den mindestens einen weiteren Funkdienst in die leitende Platte bzw. Schicht mindestens ein Schlitz (3) eingebracht ist, dessen Schlitzlänge (7) zur Bildung einer Resonanz im Frequenzbereich des weiteren Funkdiensts und dessen Schlitzbreite (8) zur Bildung einer geeigneten Impedanzbandbreite geeignet gewählt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Auskopplung von Signalen in dem weiteren Funkdienst an den Rändern des Schlitzes (3) an einander gegenüberliegenden Punkten ein erster und zweiter Anschlusspunkt (9a, 9b) gebildet sind, und eine unsymmetrische elektrische Leitung (10) mit ihrem Innenleiter (11) an den ersten Anschlusspunkt (9a) und mit ihrem Masseleiter (12) an den zweiten Anschlusspunkt (9b) angeschlossen ist und ohne elektrisch wirksamen Abstand parallel zu der die Dachkapazität (1) bildenden leitenden Platte und ebenso parallel zur Oberfläche des vertikal orientierten Antennenleiters (4) geführt ist und eine Verbindung zu einer Antennenanschlussstelle (13) für den weiteren Funkdienst herstellt.
  2. Antenne nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Antennenleiter (4) flächig leitend ausgeführt ist und mit einer ersten Kante (5) mit der Dachkapazität (1) leitend verbunden ist und mit einer zweiten Kante (6) leitend mit der leitenden Grundfläche (2) verbunden ist und die Antennenanschlussstelle (13) für den weiteren Funkdienst auf der leitenden Grundfläche (2) gebildet ist.
  3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dachkapazität (1) und der vertikal orientierte, flächig ausgeführte Antennenleiter (4) als beidseitig leitend kaschierte gedruckte Leiterplatten ausgeführt sind und durch das auf einer Seite der Leiterplatten befindliche leitende Material jeweils eine leitende Fläche gebildet ist und die unsymmetrische Leitung (10) als Streifenleitung ausgeführt ist, wobei die Streifenleitung auf der gegenüberliegenden Seite der leitenden Fläche gedruckt ist und die leitende Fläche den Masseleiter der Leitung (10) bildet.
  4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die leitende Grundfläche (2) horizontal orientiert ist und die Monopolantenne für das Frequenzband eines terrestrischen Telefonfunkdienstes mit vertikaler Polarisation als ersten Funkdienst abgestimmt ist und als weiteren Funkdienst auf einen Satellitenfunkdienst mit im Wesentlichen horizontal polarisiert einfallenden Wellen abgestimmt ist.
  5. Antenne nach Anspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dachkapazität (1) und der hierzu senkrecht orientierte Antennenleiter (4) derart dimensioniert sind, dass im ersten Funkdienst im GSM-Frequenzbereich Resonanz besteht und der Schlitz (3) in Länge und Breite derart gestaltet ist, dass seine Resonanz für den Empfang des weiteren Funkdienstes im GPS-Frequenzbereich geeignet ist.
  6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwei Schlitze (3) mit jeweils zwei Anschlusspunkten (9a, 9b) und jeweils einer daran angeschlossenen unsymmetrischen Leitung (10) für einen weiteren Funkdienst mit zirkularer Polarisation vorhanden sind und die beiden Leitungen (10) zu zwei Eingängen einer 90-Grad Hybridschaltung (17) geführt sind, an deren Ausgang die Antennenanschlussstelle (13) für den weiteren Funkdienst gebildet ist, und die Schlitze (3) in der leitenden Platte der Dachkapazität (1) unter einem Winkel von nahezu 90 Grad derart zueinander orientiert sind, dass der Empfang der zirkular polarisierten Wellen mit vorgegebener Drehrichtung optimal ist.
  7. Antenne nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an der Antennenanschlussstelle (13) für den weiteren Funkdienst ein Frequenzbandpass (23) zum Durchlass der Signale für den weiteren Funkdienst und ein rauscharmer Verstärker (24) auf einer der leitenden Flächen der Antenne, vorzugsweise auf der leitenden Grundfläche (2) der Antenne angebracht sind.
  8. Antenne nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Gestaltung einer Antennenfunktion für einen zweiten ersten Funkdienst mit höherer Frequenz und mit zur leitenden Grundfläche (2) vertikal orientierter Polarisation auf an sich bekannte Weise Schlitze (22) in die Dachkapazität (1) eingebracht sind.
  9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Antennenleiter (4) als ein dreidimensionaler Körper gestaltet ist und die unsymmetrische Leitung (10) entweder im feldfreien Inneren dieses Antennenleiters oder elektrisch unwirksam parallel zur äußeren Oberfläche dieses Antennenleiters (4) zu der leitenden Grundfläche (2) geführt ist und auf der leitenden Grundfläche (2) eine Frequenzweiche (16) vorhanden ist, in welche die unsymmetrische Leitung (10) eingeführt ist und an welche der vertikal orientierte Antennenleiter (4) angeschlossen ist und an welcher entweder getrennte Antennenanschlussstellen (14, 13) für alle Funkdienste vorhanden sind oder eine gemeinsame Antennenanschlussstelle für alle Funkdienste vorhanden ist.
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