EP1445828B1 - Antenne mit Monopolcharakter für mehrere Funkdienste - Google Patents

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EP1445828B1
EP1445828B1 EP04002304.6A EP04002304A EP1445828B1 EP 1445828 B1 EP1445828 B1 EP 1445828B1 EP 04002304 A EP04002304 A EP 04002304A EP 1445828 B1 EP1445828 B1 EP 1445828B1
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ring structures
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading
    • 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
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/321—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors within a radiating element or between connected radiating elements

Definitions

  • the invention relates to an antenna with a monopole character for at least two radio services, consisting of a monopole element 10 designed substantially along a straight line 11.
  • Monopole antennas for several radio services are known, for example from the DE 101 63 793 A1 , There is shown in Fig. 21b the block diagram of an antenna for a plurality of radio services.
  • the radiator length of the vertical antenna conductor is chosen to be sufficiently large for the radio service with the lowest frequency.
  • interruption points are inserted in the vertical antenna conductor suitable dummy elements for the design of the vertical diagram and the personally Vietnamesesimpedanz.
  • An antenna with a desired low design for multiple services is in the EP 0 952 625 A2 specified.
  • Such an antenna has the disadvantage that it does not have a sufficiently omnidirectional directional pattern due to its azimuthal shape deviating from the rotational symmetry. Furthermore, it can not, for example, due to their design as in the DE 101 63 793 A1 specified as a radio antenna for several radio services with the specified antenna for satellite reception.
  • Resonance circuits for frequency-selective separation or connection of antenna parts are made US 2 282 292 A1 known.
  • a monopole antenna having roof capacitance divided into concentric rings by annular gaps is known from US 5,378,237 EP 0 963 004 A2 .
  • a resonant circuit is present in each case at one point of the circumference of a slot.
  • this form of point connections between the annular portions of the roof capacitance has the disadvantage of the azimuthal asymmetry of the arrangement and - concomitantly - the azimuthal asymmetry of the directivity of the monopole antenna result.
  • Object of the present invention is to provide an antenna according to the preamble of claim 1, which allows for rotationally symmetric properties a small height and in each of the different frequency ranges of the given radio services has the directional diagram of an electrically short monopole antenna and each one favorable for the impedance matching antenna impedance has.
  • Fig. 1 is given a monopole antenna over the conductive base 9 according to the proposed invention.
  • the roof capacitance 1 consists in the present example of two mutually concentric ring structures 2.
  • the monopole element 10 is on its upper end via reactance circuits 4 connected to an inner ring structure 2.
  • the outer ring structure 2 is connected via further reactance circuits 4 with the inner Ring structure 2 connected.
  • the reactance circuits 4 are advantageously illustrated by dummy elements 8, the reactance X (f) is designed such that the reactance circuits 4, which connect the outer ring structure 2 with the inner ring structure 2, correspondingly high impedance in the frequency range of the radio service with the higher frequency , so that the outer ring structure 2 is largely ineffective.
  • the reactance circuits 4 are divided into a plurality of individual circuits comprising dummy elements 8, which are distributed uniformly over the circumference of the ring structures 2.
  • the inner radius of the innermost ring structure 2 is chosen to be zero, so that the innermost ring structure 2 degenerates into a circular closed surface 5.
  • the antenna for three frequency ranges, so that it operates in all three areas as an electrically short antenna.
  • Fig. 3 an antenna for radio services for two frequency ranges shown.
  • the reactance circuits are 4 in Fig. 3 in an advantageous manner as in Fig. 4 specified, designed.
  • the specified there circuit of reactive elements 8 can be divided into four reactance circuits 4, for example, so that the reactances shown in each individual circuit are four times higher impedance to choose.
  • Such an antenna can therefore due to the given rotational symmetry of the overall arrangement, which is indispensable for the combination of the satellite radio antenna specified therein, in Advantageously, instead of the radiator 20 in Fig. 22 of the DE 101 63 793 A1 be used.
  • the condition of rotational symmetry due to the small compared to the outer dimension of the outer ring 7 of the individual ring structures 2 in the relevant frequency ranges in conjunction with the ineffectiveness of the outer frequencies switched off at higher frequencies outer ring structures 2 is also satisfied when the ring structures 2 of the deviate circular structure.
  • Such an antenna as in Fig. 5 is designed with a square shaped closed surface 5 as the innermost ring structure 2 and a square shaped outer ring structure 2, has at the higher frequency an azimuthal directional diagram, which in Fig. 6a is shown. At this frequency, the outer dimension 7 corresponds to a relative length of .5. This shows in a surprising way that due to the high impedance of the reactance circuits 4 in Fig.
  • the outer ring structure 2 does not distort the azimuthal diagram.
  • Figures 6b and 6c show that the vertical diagrams in both frequency ranges correspond to those of an electrically short monopole.
  • Fig. 7 the impedances are marked for both frequency ranges and show values for which impedance matching can be easily achieved.
  • the gap width 6 should be chosen to be sufficiently large. On the other hand, however, this should not be too large, so that the space capacity of the remaining surface of the ring structures 2 is not too small.
  • Fig. 8a and 8b are possible reactance circuits 4 for an antenna according to Fig.2 for three frequency ranges with the frequencies occurring therein f3 as the lowest and f1 as the highest frequency specified.
  • Fig. 8a shows the frequency response of the reactance X1 (f) for the connected between the inner closed surface 5 and the subsequent ring structure 2 reactance circuits 4 with low values in the ranges 2 and 3 and high-impedance values for the separation of the outermost ring structure 2 in the highest frequency range 1.
  • Fig. 8a the frequency response of the reactance X1 (f) for the connected between the inner closed surface 5 and the subsequent ring structure 2 reactance circuits 4 with low values in the ranges 2 and 3 and high-impedance values for the separation of the outermost ring structure 2 in the highest frequency range 1.
  • Fig. 8a shows the frequency response of the reactance X1 (f) for the connected between the inner closed surface 5 and the subsequent ring structure 2 reactance circuits 4 with low values in the ranges 2 and 3

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste, bestehend aus einem im Wesentlichen längs einer geraden Linie 11 ausgeführten Monopolelement 10.
  • Monopolantennen für mehrere Funkdienste sind z.B. bekannt aus der DE 101 63 793 A1 . Dort ist in Fig. 21b das Blockdiagramm einer Antenne für mehrere Funkdienste angegeben. Die Strahlerlänge des vertikalen Antennenleiters wird für den Funkdienst mit der niedrigsten Frequenz hinreichend groß gewählt. Für den Fall einer erforderlichen frequenzselektiven Verkürzung der elektrisch wirksamen Strahlenlänge für höhere Funkkanalfrequenzen werden im vertikalen Antennenleiter Unterbrechungsstellen geeignete Blindelemente zur Gestaltung des Vertikaldiagramms und der Fußpunktsimpedanz eingefügt. Vielfach besteht jedoch der Wunsch, die Strahlerlänge nicht für den niedrigsten Frequenzbereich hinreichend groß zu wählen, sondern verkürzte Strahler für mehrere Funkdienste einzusetzen. Eine Antenne mit einer gewünscht niedrigen Bauform für mehrere Funkdienste ist in der EP 0 952 625 A2 angegeben. Eine derartige Antenne besitzt den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer von der Rotationssymmetrie abweichenden Form azimutal kein hinreichend omnidirektionales Richtdiagramm besitzt. Weiterhin kann sie z.B. aufgrund ihrer Bauform nicht wie in der DE 101 63 793 A1 angegeben als Funkantenne für mehrere Funkdienste mit der dort angegebenen Antenne für den Satellitenempfang verwendet werden.
  • Resonanzschaltungen zur frequenzselektiven Abtrennung beziehungsweise Verbindung von Antennenteilen sind aus US 2 282 292 A1 bekannt. Eine Monopolantenne mit in konzentrische Ringe durch ringförmige Spalte unterteilter Dachkapazität ist bekannt aus der EP 0 963 004 A2 . Mit dem Ziel eine frequenzselektive elektrische Verbindung bzw. Abtrennung zwischen den Ringen zu bewirken ist jeweils an einer Stelle des. Umfangs eines Schlitzes eine Resonanzschaltung vorhanden. Diese Form der punktuellen Verbindungen zwischen den ringförmigen Teilen der Dachkapazität hat jedoch den Nachteil der azimutalen Unsymmetrie der Anordnung und - damit einhergehend - die azimutale Unsymmetrie der Richtcharakteristik der Monopolantenne zur Folge. Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es, eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche bei rotationssymmetrischen Eigenschaften eine kleine Bauhöhe ermöglicht und in den unterschiedlichen Frequenzbereichen der vorgegebenen Funkdienste jeweils das Richtdiagramm einer elektrisch kurzen Monopolantenne besitzt und jeweils eine für die Impedanzanpassung günstige Antennenimpedanz besitzt.
  • In Fig. 1 ist eine Monopolantenne über leitender Grundfläche 9 gemäß der vorgeschlagenen Erfindung angegeben. Die Dachkapazität 1 besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Ringstrukturen 2. Das Monopolelement 10 ist an seinem oberen Ende über Reaktanzschaltungen 4 mit einer inneren Ringstruktur 2 verbunden. Die äußere Ringstruktur 2 ist über weitere Reaktanzschaltungen 4 mit der inneren Ringstruktur 2 verbunden. Die Reaktanzschaltungen 4 werden in vorteilhafter Weise aus Blindelementen 8 dargestellt, deren Blindwiderstand X(f) derart gestaltet ist, dass die Reaktanzschaltungen 4, welche die äußere Ringstruktur 2 mit der inneren Ringstruktur 2 verbinden, im Frequenzbereich des Funkdienstes mit der höheren Frequenz entsprechend hochohmig ist, so dass die äußere Ringstruktur 2 weitgehend unwirksam ist. Im Frequenzbereich des Funkdienstes mit der niedrigeren Frequenz sind alle in Fig. 1 dargestellten Reaktanzschaltungen 4 hinreichend niederohmig. Durch die angegebene Anordnung kann bei geeigneter Wahl der Außenabmessungen 7 der Ringstrukturen 2 sichergestellt werden, dass das Vertikaldiagramm der Monopolantenne mit Dachkapazität 1 in beiden Frequenzbereichen dem eines elektrisch kleinen Strahlers entspricht. Weiterhin kann durch geeignete Wahl der Reaktanzschaltungen 4 sichergestellt werden, dass die Impedanz am Fußpunkt des Monopols in beiden Frequenzbereichen nahezu reell ist und Anpassung leicht hergestellt werden kann.
  • Je nach Anforderung an die Rotationssymmetrie der Richtdiagramme werden in einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Erfindung die Reaktanzschaltungen 4 aufgeteilt auf mehrere einzelne Schaltungen aus Blindelementen 8, welche über den Umfang der Ringstrukturen 2 gleichmäßig verteilt werden.
  • In Fig. 2 ist der Innenradius der innersten Ringstruktur 2 zur Null gewählt, so dass die innerste Ringstruktur 2 zu einer kreisförmigen geschlossenen Fläche 5 entartet. In der dargestellten Form mit weiteren zwei Ringstrukturen 2 ist es mit der vorgeschlagenen Erfindung möglich, die Antenne für drei Frequenzbereiche auszugestalten, so dass sie in allen drei Bereichen als elektrisch kurze Antenne arbeitet.
  • Auf ähnliche Weise ist in Fig. 3 eine Antenne für Funkdienste für zwei Frequenzbereiche dargestellt. Im Falle der kombinierten Abdeckung mehrerer Telefondienste in einer Antenne gemäß dem AMPS/GSM900-Standard in einem ersten Frequenzbereich von 824 MHz bis 960 MHz und dem GSM1800/PCS/UMTS-Standard in einem zweiten Frequenzbereich zwischen 1710 MHz und 2170 MHz sind die Reaktanzschaltungen 4 in Fig. 3 auf vorteilhafte Weise wie in Fig. 4 angegeben, gestaltet. Die dort angegebene Schaltung aus Blindelementen 8 kann z.B. in vier Reaktanzschaltungen 4 aufgeteilt werden, so dass die dargestellten Blindwiderstände in jeder Einzelschaltung viermal hochohmiger zu wählen sind. Eine solche Antenne kann demnach aufgrund der gegebenen Rotationssymmetrie der Gesamtanordnung, welche für die Kombination der dort angegebenen Satellitenfunkantenne unabdingbar ist, in vorteilhafter Weise anstelle des Strahlers 20 in Fig. 22 der DE 101 63 793 A1 eingesetzt werden.
  • Bei einer Strahlerform nach der Erfindung ist die Bedingung der Rotationssymmetrie aufgrund der im Vergleich zur Wellenlänge kleinen Außenabmessung 7 der einzelnen Ringstrukturen 2 in den betreffenden Frequenzbereichen in Verbindung mit der Wirkungslosigkeit der bei höheren Frequenzen abgeschalteten äußeren Ringstrukturen 2 auch erfüllt, wenn die Ringstrukturen 2 von der kreisrunden Struktur abweichen. Eine derartige Antenne welche, wie in Fig. 5 mit einer quadratisch gestalteten geschlossenen Fläche 5 als innerste Ringstruktur 2 und einer quadratisch gestalteten äußeren Ringstruktur 2 gestaltet ist, besitzt bei der höheren Frequenz ein azimutales Richtdiagramm, welches in Fig. 6a dargestellt ist. Bei dieser Frequenz entspricht die Außenabmessung 7 einer relative Länge von .5. Damit zeigt sich auf überraschende Weise, dass aufgrund der Hochohmigkeit der Reaktanzschaltungen 4 in Fig. 5 bei der höheren Frequenz die äußere Ringstruktur 2 das azimutale Diagramm nicht verfälscht. Ebenso geht aus den Figuren 6b und 6c hervor, dass die Vertikaldiagramme in beiden Frequenzbereichen denen eines elektrisch kurzen Monopols entsprechen. In Fig. 7 sind die Impedanzen für beide Frequenzbereiche markiert und zeigen Werte, für welche auf einfache Weise Impedanzanpassung erreicht werden kann.
  • Um die kapazitive Kopplung zwischen den Ringstrukturen 2 ausreichend vorteilhaft klein zu gestalten, sollte die Spaltbreite 6 hinreichend groß gewählt sein. Andererseits sollte diese jedoch nicht zu groß gewählt sein, damit die Raumkapazität der verbleibenden Fläche der Ringstrukturen 2 nicht zu klein ist.
  • In Fig. 8a und 8b sind mögliche Reaktanzschaltungen 4 für eine Antenne nach Fig.2 für drei Frequenzbereiche mit den darin auftretenden Frequenzen f3 als der niedrigsten und f1 als der höchsten Frequenz angegeben. Hierin zeigt Fig. 8a den Frequenzverlauf des Blindwiderstands X1(f) für die zwischen der inneren geschlossene Fläche 5 und der anschließenden Ringstruktur 2 geschalteten Reaktanzschaltungen 4 mit niederohmigen Werten in den Bereichen 2 und 3 und hochohmigen Werten zur Abtrennung der äußersten Ringstruktur 2 im höchsten Frequenzbereich 1. Analog hierzu zeigt Fig. 8b den Frequenzverlauf des Blindwiderstands X2(f) für die zwischen der äußersten und der nächst inneren Ringstruktur 2 geschalteten Reaktanzschaltung 4 mit niederohmigen Werten im Frequenzbereich 3 und hochohmigen Werten zur Abtrennung der beiden äußeren Ringstrukturen 2 in den höheren Frequenzbereichen f2 und f1.
    • Liste der Bezeichnungen
  • Dachkapazität 1 Ringstruktur 2 Ringförmiger Spalt 3 Reaktanzschaltungen 4 geschlossene Fläche 5 Spaltbreite 6 Außenabmessungen 7 Blindelemente 8 Leitende Ebene 9 Monopolelement 10 gerade Linie 11 Flächennormale 12

Claims (9)

  1. Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste, bestehend aus einem im Wesentlichen längs einer geraden Linie (11) ausgeführten Monopolelement wobei das Monopolelement (10) mit einer im Wesentlichen flächenhaft ausgeführten Dachkapazität (1), deren Flächennormale (12) in Richtung der geraden Linie (11) weist und diese mit dem Monopolelement (10) verbunden ist und die Dachkapazität (1) im Wesentlichen rotationssymmetrisch und aus einander umgebenden und durch ringförmige Spalte (3) voneinander getrennten flächenhaften Ringstrukturen (2), die konzentrisch zu der geraden Linie (11) orientiert sind, gebildet ist und Reaktanzschaltungen (4) vorhanden sind, durch welche die Ringstrukturen frequenzabhängig miteinander verbunden sind in der Weise, dass für einen Funkdienst mit der niedrigsten Frequenz alle flächenhaften Ringstrukturen wirksam sind und für den Funkdienst mit der nächst höheren Frequenz die äußerste Ringstruktur (2), durch Hochohmigkeit der Reaktanzschaltungen (4) im Wesentlichen unwirksam ist und diese Gesetzmäßigkeit bei Vorhandensein von mehr als zwei Funkdiensten dahingehend fortgesetzt ist, dass mit höherer Frequenz der Funkdienste die Abmessung des äußersten der miteinander durch niederohmige Reaktanzschaltungen (4) verbundenen wirksamen Ringstrukturen (2) kleiner ist und dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, gleichmäßig am Umfang der Ringstrukturen (2) angebrachte Reaktanzschaltungen (4) vorhanden sind, deren parallele elektrische Wirkung einen großen wirksamen Blindwiderstand X(f) für die höheren Frequenzbereiche bildet, der für die Anschaltung des nächsten äußeren Ringes bei den tieferen Frequenzen jedoch niederohmig ist.
  2. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius der innersten Ringstruktur (2) zu Null gewählt ist, so dass diese als geschlossene Fläche (5) gestaltet ist und diese mit dem Monopolelement (10) verbunden ist (Fig. 2).
  3. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius der innersten Ringstruktur (2) mit einer Spaltbreite (6) ausgebildet und die Verbindung zwischen der innersten Ringstruktur (2) und dem Monopolelement (10) durch mindestens eine mehrere Reaktanzschaltung en (4) gegeben ist (Fig. 1).
  4. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanzschaltungen (4) aus Blindelementen (8) gestaltet sind, welche derart gewählt sind, dass alle Ringstrukturen, welche im Frequenzbereich eines der Funkdienste zur Bildung der wirksamen Dachkapazität beitragen jeweils über die Kette der Reaktanzschattungen (4) in diesem Frequenzbereich niederohmig mit dem Monopolelement (10) verbunden sind.
  5. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 4 für die Funkdienste AMPS/GSM900 in einem ersten Frequenzbereich und die Funkdienste GSM1800/PCS/UMTS in einem zweiten Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Dachkapazität (1) eine geschlossene Fläche (5) und eine diese umgebende Ringstruktur (2) enthält und die Reaktanzschaltungen (4) aus Blindelementen (8) derart gestaltet sind, dass der Blindwiderstand X(f) im höher gelegenen zweiten Frequenzbereich einen Pol enthält und hinreichend hochohmig ist und im niedriger gelegenen ersten Frequenzbereich eine Nullstelle besitzt und hinreichend niederohmig ist.
  6. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 6 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (6) einerseits hinreichend groß gewählt ist, damit die kapazitive Kopplung zwischen den Ringstrukturen (2) ausreichend klein ist und andererseits nicht zu groß gewählt ist, damit die Raumkapazität der verbleibenden Fläche der Ringstrukturen (2) nicht zu klein ist.
  7. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Fläche (5) quadratisch und der äußere und innere Rand der Ringstruktur (2) quadratisch gestaltet sind und der ringförmige Spalt (3) hinreichend groß ist und mit gleichbleibender Spaltbreite (6) längs des Umfangs der quadratischen Ringstruktur (2) verläuft.
  8. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dachkapazität (1) aufgrund einer konstruktiven Anforderung in Längs- und Querrichtung unterschiedliche Abmessungen besitzt und das Verhältnis von Längs/Querabmessung nicht größer ist als 3.
  9. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Fläche (5) und alle Ränder der Ringstrukturen (2) kreisrund und konzentrisch gestaltet sind und der ringförmige Spalt (3) somit mit gleichbleibender Spaltbreite (6) längs dem Umfang der kreisförmigen Ringstrukturen (2) ausgebildet ist.
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