EP2756550B1 - Mehrbereichsantenne für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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EP2756550B1
EP2756550B1 EP12745639.0A EP12745639A EP2756550B1 EP 2756550 B1 EP2756550 B1 EP 2756550B1 EP 12745639 A EP12745639 A EP 12745639A EP 2756550 B1 EP2756550 B1 EP 2756550B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cone
emitter
monopole
radiator
antenna
Prior art date
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Active
Application number
EP12745639.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2756550A1 (de
Inventor
Andreas Kwoczek
Yuanhao WANG
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.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to EP14190846.7A priority Critical patent/EP2858176B1/de
Publication of EP2756550A1 publication Critical patent/EP2756550A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2756550B1 publication Critical patent/EP2756550B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • 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
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • 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
    • 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
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/40—Element having extended radiating surface

Definitions

  • the invention relates to a multi-range antenna, in particular a multi-range antenna for use in a motor vehicle, which is suitable for a car-to-car communication.
  • multi-range antennas are required for use in motor vehicles, ie antennas that are capable of multiband. That is, the antennas used in the motor vehicle should be capable of transmitting and receiving radio signals in different frequency bands.
  • radio signals for digital radio as well as future services such as LTE, WiMAX, WiBro, WLAN and UWB are to be operated.
  • these additional services may use another frequency range around 5.9 GHz for transmitting information between vehicles, i. H. for a car-to-car communication.
  • the receive and transmit characteristics of a multirange antenna used be direction independent for all desired frequency ranges in the horizontal and that there be no shadowing by individual radiator elements in certain directions.
  • the multigrade antenna this means that the directional diagram over a high bandwidth has a good omnidirectional characteristic, ie no larger indentations, and the energy can be radiated uniformly in horizontal directions to the communication receivers.
  • the publication DE 10 2007 061 740 A1 discloses a multi-region antenna with two monopoles extending perpendicular to a plane.
  • the monopoles have lower antenna sections which extend in a V-shape from an antenna base on the plane.
  • One of the legs is followed by a simple monopole section aligned with a vertical plane.
  • the other of the legs is followed by an L-shaped monopole section.
  • a cone antenna embedded in a dielectric material is known.
  • the cone antenna is arranged on a round plate and widens with increasing distance from the base plate.
  • a multi-region antenna structure in which a cone-shaped antenna portion is arranged with its tip on a base plate. At the broad end of the cone-shaped antenna section is followed by a cylindrical section. Parallel to the base plate extending from the edge of the cylindrical portion antenna structures, which are aligned parallel to the base plate.
  • the US 2005/134511 A1 describes a broadband antenna having a tapered portion and a monopole shape portion.
  • the US 6,693,600 B1 discloses a broadband antenna comprising a monocone and a monopole.
  • the US 2011/012802 A1 describes an antenna comprising a conically radiating element and a circular radiating element.
  • An idea of the above multigrade antenna is to prevent, by a stacking arrangement of individual radiating elements, the cone radiator (cone-shaped radiator) and the first monopole radiator, shading in certain directions in a horizontal plane perpendicular to the axis of symmetry of the cone radiator. Furthermore, it is advantageous that the overall height of the multigrade antenna can be reduced by the active coupling of the cone radiator with the first monopole radiator and thus a very broadband antenna behavior can be achieved, especially for lower frequencies. This is achieved in particular by designing a cone radiator for high frequency ranges and arranging the first monopole radiator on it. In order for the overall height of the assembly to be utilized, it is necessary that the monopole radiator be connected to a side surface of the cone radiator.
  • the impedance matching is achieved by the dimensioning of the monopole radiator.
  • first monopole radiator can be flush with the side surface of the cone radiator.
  • a second monopole radiator is provided, which adjoins the cone radiator in the direction of the axis of symmetry, wherein the second monopole radiator is electrically connected to a side surface of the cone radiator.
  • the second monopole radiator can be flush with the side surface of the cone radiator.
  • the second monopole radiator can be arranged opposite the first monopole radiator with respect to the cone radiator.
  • the second monopole radiator can have a roof capacity, which extends in particular transversely to the axis of symmetry over the cone radiator.
  • the multigrade antenna can be made contactable at the outgoing end of the cone radiator by an inner conductor of a coaxial cable.
  • a wider end of the cone radiator may have a conductive cone surface, on which a GPS antenna is arranged, wherein the GPS antenna is koritaktierbar through a isolated from the cone radiator conductor through the cone radiator.
  • a connection adapter may be provided to interconnect the inner conductor of the coaxial cable and the cone radiator.
  • a multirange antenna arrangement is provided with the above multigrade antenna and a ground plane, in particular a body outer surface of a motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a multi-region antenna 1, which can be arranged on a ground plane 2.
  • the ground plane 2 may be, for example, a car roof or a separately provided ground surface.
  • a cone radiator 3 electrically insulated from the ground plane 2 by the ground plane 2 is arranged with an electrically conductive surface, wherein the axis of symmetry R of the cone radiator 3 is arranged perpendicular to the ground plane 2.
  • the cone radiator 3 has an outgoing first end (end with a smaller cross-sectional diameter or the cover side of the cone radiator corresponding end), with which it rests on the ground surface 2, so that a second end, with respect to axis of symmetry R of the cone radiator 3 with respect to the expiring End having a larger diameter, spaced from the ground surface 2 is arranged.
  • the cone radiator 3 has a circular cross-section with respect to a plane parallel to the ground plane 2 and thus has an optimum omnidirectional characteristic.
  • deviating from the circular cross section cross sections, such as oval cross sections, are possible to adapt to a desired omnidirectional characteristic.
  • the cone radiator 3 can be made entirely of a conductive material, such. As a metal, or as a coated with a metal layer plastic body. Alternatively, the cone radiator 3 may also be formed as a hollow body.
  • the cone radiator 3 is electrically conductive and isolated from the ground plane 2.
  • the ground plane 2 has a feed opening 4, through which an inner conductor 5 of a coaxial cable 6 is guided without electrically contacting the ground plane 2.
  • An outer conductor 7 of the coaxial cable 6 (shield) is connected to the ground plane 2.
  • the inner conductor 5 of the coaxial cable 6 is connected to the outer surface of the cone radiator 3.
  • a fastening ring 8 is provided, which surrounds the cone radiator 3 and is supported on the ground surface 2.
  • the cone radiator 3 can be reliably held in the aligned position on the ground surface 2, and in particular, bending of the cone radiator 3 such that its symmetry axis R comes out of the perpendicular with respect to the ground surface 2 can be prevented.
  • the mounting ring 8 is preferably formed of a non-conductive, dielectric material, such as Plexiglas, plastic or the like.
  • the cone antenna 3 is preferably glued to the contact surface 8 at the contact surfaces between the outer surface of the cone radiator 3 and corresponding surfaces of the mounting ring 8 and on the support surface 10 of the mounting ring 8 on the ground surface 2 or secured in any other way.
  • the cone radiator 3 thus has a circumferentially extending, electrically conductive side surface 9 and a conical surface 11, which may be open or closed, electrically conductive or non-conductive.
  • the conical surface 11 is made closed and closes the wider end of the cone radiator 3.
  • the conical surface 11 carries a first monopole emitter 12 and a second monopole emitter 13, which are each formed electrically conductive.
  • the first monopole radiator 12 is flush with the edge of the cone surface 11 and is in the direction of the axis of symmetry R of the cone antenna 3, d. H. perpendicular to the ground plane 2, from the cone surface 11 (in a direction away from the ground surface 2 direction).
  • the second monopole radiator 13 is disposed substantially at an opposite portion of the edge of the cone surface 11 and is also perpendicular to the ground surface 2, d. H. in the same direction as the first monopole emitter 12, from.
  • the first monopole radiator 12 is formed as a rectilinear conductor, while the second monopole radiator 13 has a rectilinear conductor provided with a transverse roof capacitance 14.
  • the second monopole radiator 13 is L-shaped with two legs 14, 15.
  • a first leg 15 extends perpendicular to the ground surface 2 and a second leg 14 substantially parallel to the ground surface 2. wherein the first leg 14 of the L-shaped second monopole radiator 13 remote from the cone radiator 3 projects transversely in the direction of the first monopole radiator 12 over the cone surface 11 ,
  • the length of the projecting over the conical surface 11 roof capacity 14 is preferably less than the diameter of the conical surface eleventh
  • the length of the first monopole radiator 12 is less than the adjoining the cone radiator 3 second leg 15 of the second monopole radiator 13th
  • cone angle a as the angle spanned by the side face 9 of the cone radiator 3
  • cone radiator height H c as the length of the cone radiator 3 in the direction of its axis of symmetry R
  • first monopole radiator height H u as the length of the first monopole radiator 12
  • second Monopole radiator height H g as the length of the second leg 15 of the second monopole radiator 13
  • length of the roof capacitance D t as the Length of the first leg 14 of the second monopole radiator 13
  • first monopole radiator width B u as the width of the first monopole radiator 12 in the radial direction to the symmetry axis R of the cone radiator 3
  • first monopole radiator depth T u as the width of the first monopole radiator 12 in the tangential direction to the symmetry axis R of the cone radiator 3
  • second monopole radiator width B g as the width of the first monopole radiator 12
  • the dimensioning of the cone radiator 3 depends on the input impedance, so that a broadband adaptation of the antenna to the impedance of the coaxial cable 6 can be achieved.
  • a preferred opening angle ⁇ 48.65 ° given assumed infinite extent of the cone radiator 3.
  • the cone angle ⁇ between 45 ° and 66 ° and the cone radiator height H c should be between 16 mm and 30 mm.
  • the Konusstrahler Love H c should be between 24 mm and 30 mm, while the cone angle ⁇ is preferably between 60 ° and 70 °.
  • optimum values can be given as conical radiator height H c 27 mm and as cone angle ⁇ 66 °.
  • a modern radio communication system in a motor vehicle operates in a frequency range of 780 MHz to 5.925 GHz and usually comprises seven different radio services.
  • the proposed multirange antenna 1 should therefore have a bandwidth of more than 5 GHz and a corresponding omnidirectional characteristic.
  • the following is a table showing the current radio services for a motor vehicle and the corresponding frequency ranges.
  • UWB ultra wide band
  • UWB ultra wide band services in the range of up to 10.6 GHz
  • the total bandwidth that would have to be provided by the multirange antenna 1 is 5.145 GHz.
  • To provide such a bandwidth alone with the cone radiator leads to a diameter of at least 65 mm at an opening angle of 60 °.
  • Such a cone structure would be too large and, moreover, mechanically problematic.
  • a reduction in the cone radiator height usually also leads to good impedance matching, but the lowest operating frequency increases to a frequency above 780 MHz.
  • a 21.5 mm high cone radiator has a good impedance match of 2.33 GHz to 27.5 GHz at an aperture angle of 51 at 50 ⁇ .
  • the antenna diameter here is only 20.5 mm, which represents a significant reduction in comparison to a cone radiator of 65 mm diameter.
  • the frequency gap in the range between 780 MHz to 2.3 GHz is now with other antenna structures, ie. H. the monopole emitters 12, 13, covered.
  • the monopole radiators 12, 13 By choosing the two narrowband monopole radiators 12, 13, the missing frequency ranges of the services located in the frequency ranges not covered by the cone radiator 3, namely LTE low, GSM 900 and UMTS, can be operated. So that the monopole radiators 12, 13 do not disturb the omnidirectional characteristic of the cone radiator 3, they are arranged above the cone radiator 3.
  • the monopole radiators 12, 13 are placed in contact with the side surface 9 of the cone radiator 3, so that the cone radiator 3 and the monopole radiators 12, 13 now jointly act as narrowband monopole radiators.
  • the entire Bäu go the multirange antenna 1 can be kept low.
  • the antenna formed with the first monopole radiator 12 is dimensioned so that it has a size of zu4, due to the coupling with the outer surface of the cone radiator 3, the effective height of the first monopole radiator height H u and the cone radiator height H c composed.
  • the preferred cone radiator height H c of 27 mm results in a first monopole radiator height H u of 41.6 mm for UMTS and a second monopole radiator height H g of 94 mm to cover the services GSM 900 and LTE low.
  • the first monopole radiator height H u should be between 15 and 25 mm, preferably between 15 and 19 mm and more preferably between 17 and 18 mm.
  • the second monopole radiator height H g should be between 30 and 45 mm, preferably between 35 and 41 mm and in particular between 40 and 42 mm.
  • the length of the roof capacitance D t should not be longer than the cone diameter, ie the diameter of the conical surface 11 due to the compact design of the multigrade antenna 1.
  • the length of the roof capacitance D t ie the first leg 14 of the second monopole radiator 13, is between 0 and 35 mm, preferably between 20 and 35 mm and in particular 35 mm.
  • the first monopole radiating width B u and the second monopole radiating width B g and the first monopole radiating depth T u and the second monopole radiating depth T g influence the bandwidth of the antennas formed by the monopole radiators 12, 13.
  • the second monopole radiator 13 as a GSM radiator for a bandwidth of 180 MHz and the first monopole radiator 12 as a UMTS radiator for a bandwidth of 460 MHz are each to ensure a good impedance matching. Therefore, the width and depth of the individual monopole radiators 12, 13 should not be chosen too small, so that the slenderness can remain low.
  • the widths of the monopole radiators B g , B u are selected between 2 and 10 mm, preferably between 4 and 9 mm and in particular at 7 mm.
  • the width of the roof capacity B gt is preferably between 0 and 15 mm, more preferably between 5 and 10 mm and more preferably 8 mm.
  • the second monopole radiator depth T g is preferably selected between 0.5 and 7 mm, more preferably between 2 and 4 mm and more preferably 3 mm. Since the roof capacity 14 is part of the second monopole radiator 13, it should also have the same depth.
  • the first monopole radiator 12 Since the first monopole radiator 12 must provide a larger working bandwidth than the second monopole radiator 13, it will is preferably made slightly wider, so that its depth is preferably in a range between 0.5 and 7 mm, more preferably between 4 and 6 mm and more preferably 5 mm.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the structure of the multi-region antenna described above 1.
  • the inner conductor 5 of the coaxial cable 6 is inserted through a corresponding opening of the ground surface 2 and a corresponding opening of the fixing ring 8 and thus enters the connection adapter 20 in order to connect the cone radiator 3 to the inner conductor 5.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of a multi-region antenna 1, which additionally has a GPS antenna 22.
  • a coaxial cable 6 with additionally an additional inner conductor 21 which is guided through the cone radiator 3 and the GPS antenna 22 between the monopole radiators 12, 13 contacted. This is possible because the conical surface 11 is normally de-energized. If this is made conductive, it can serve as a ground plane for the GPS antenna 22.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Mehrbereichsantenne, insbesondere eine Mehrbereichsantenne zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, die für eine Car-to-Car-Kommunikation geeignet ist.
    • Stand der Technik
  • Insbesondere für den Mobilfunk sind innerhalb Europas mehrere Frequenzbänder in Benutzung, beispielsweise 890-960 MHz und 1710-1880 MHz für GSM und 1920-2170 MHz für UMTS. Daher benötigt man für den Einsatz in Kraftfahrzeugen Mehrbereichsäntennen, also Antennen die multibandfähig sind. Das heißt, die in dem Kraftfahrzeug verwendeten Antennen sollen zum Senden und Empfangen von Funksignalen in verschiedenen Frequenzbändern geeignet sein.
  • Neben den bisher realisierten Frequenzbändern, beispielsweise für Telekommunikationsdienste, sollen auch Radiosignale für digitales Radio sowie zukünftige Dienste wie LTE, WiMAX, WiBro, WLAN und UWB, bedient werden. Diese zusätzlichen Dienste können beispielsweise einen weiteren Frequenzbereich um 5,9 GHz zum Übertragen von Informationen zwischen Fahrzeugen nutzen, d. h. für eine Car-to-Car-Kommunikation.
  • Für alle Frequenzbereiche ist es wünschenswert, dass die Empfangs- und Abstrahlcharakteristik einer verwendeten Mehrbereichsantenne für alle gewünschten Frequenzbereiche in der Horizontalen richtungsunabhängig ist und es keine Abschattungen durch einzelne Strahlerelemente in bestimmten Richtungen gibt. Für die Mehrbereichsantenne bedeutet dies, dass das Richtdiagramm über eine hohe Bandbreite eine gute Rundstrahlcharakteristik, d. h. keine größeren Einzüge, aufweist und die Energie gleichmäßig in horizontale Richtungen an die Kommunikationsempfänger abgestrahlt werden kann.
  • Die Druckschrift DE 10 2007 061 740 A1 offenbart eine Mehrbereichsantenne mit zwei Monopolen, die sich senkrecht zu einer Ebene erstrecken. Die Monopole weisen untere Antennenabschnitte auf, die sich V-förmig von einem Antennenfußpunkt auf der Ebene erstrecken. An einen der Schenkel schließt sich ein einfacher, auf eine senkrechte Ebene ausgerichteter Monopolabschnitt an. An den anderen der Schenkel schließt sich ein L-förmiger Monopolabschnitt an.
  • Aus der Druckschrift EP 1 189 305 A2 ist eine Konusantenne bekannt, die in einem dielektrischen Material eingebettet ist. Die Konusantenne ist auf einer Rundplatte angeordnet und verbreitert sich mit zunehmendem Abstand von der Grundplatte.
  • Auch aus der Druckschrift US 7,286,095 ist eine Konusantenne bekannt, die teilweise in einem Kunststoffkörper aufgenommen ist. Die Konusantenne ist auf einer scheibenförmigen Grundplatte angeordnet, so dass die Konusantenne mit ihrer Spitze auf der Grundplatte steht.
  • In der Druckschrift US 2003/0103008 A1 ist eine Mehrbereichsantennenstruktur dargestellt, bei der ein konusförmiger Antennenabschnitt mit seiner Spitze auf einer Grundplatte angeordnet ist. An das breite Ende des konusförmigen Antennenabschnitts schließt sich ein zylinderförmiger Abschnitt an. Parallel zur Grundplatte erstrecken sich von dem Rand des zylinderförmigen Abschnitts Antennenstrukturen, die parallel zur Grundplatte ausgerichtet sind.
  • Die US 2005/134511 A1 beschreibt eine Breitband-Antenne, welche einen konisch verlaufenden Abschnitt und einen Abschnitt der Form eines Monopols aufweist.
  • Die US 6,693,600 B1 offenbart eine Breitband-Antenne, welche einen Monokonus und einen Monopol umfasst.
  • Die US 2011/012802 A1 beschreibt eine Antenne, welche ein konisch abstrahlendes Element und ein kreisförmig abstrahlendes Element umfasst.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mehrbereichsantenne insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, die eine richtungsunabhängige Rundstrahlcharakteristik in mehreren Frequenzbereichen aufweist.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch die Mehrbereichsantenne gemäß Anspruch 1 sowie die Mehrbereichsantennenanordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Mehrbereichsantenne, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen. Die Mehrbereichsantenne umfasst:
    • einen Konusstrahler mit einer Symmetrieachse, um den Konusstrahler mit seinem auslaufenden Ende senkrecht auf eine Massefläche aufzusetzen; und
    • einen ersten Monopolstrahler, der sich in Richtung der Symmetrieachse an den Konusstrahler anschließt, wobei der erste Monopolstrahler mit einer Seitenfläche des Konusstrahlers elektrisch verbunden ist.
  • Eine Idee der obigen Mehrbereichsantenne besteht darin, durch eine Stapelanordnung einzelner Strahlerelemente, des Konusstrahlers (konusförmiger Strahler) und des ersten Monopolstrahlers zu vermeiden, dass es zu Abschattungen in bestimmten Richtungen in einer horizontalen Ebene kommt, die senkrecht zur Symmetrieachse des Konusstrahlers liegt. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Gesamthöhe der Mehrbereichsantenne durch die aktive Kopplung des Konusstrahlers mit dem ersten Monopolstrahler reduziert und somit insbesondere für niedrigere Frequenzen ein sehr breitbandiges Antennenverhalten erreicht werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein Konusstrahler für hohe Frequenzbereiche ausgelegt wird und der erste Monopolstrahler auf diesem angeordnet wird. Damit die Gesamthöhe der Anordnung genutzt werden kann, ist es notwendig, dass der Monopolstrahler mit einer Seitenfläche des Konusstrahlers verbunden ist. Außerdem ist es bei der obigen Mehrbereichsantenne möglich, eine Impedanzanpassung für die Strahlerelemente für einen Frequenzbereich ab 2-3GHz alleine durch Dimensionierung des Konusstrahlers vorzunehmen. Im unteren Frequenzbereich bis 2-3 GHz wird die Impedanzanpassung durch die Dimensionierung des Monopolstrahlers erreicht.
  • Weiterhin kann sich der erste Monopolstrahler bündig an die Seitenfläche des Konusstrahlers anschließen. Ein zweiter Monopolstrahler ist vorgesehen, der sich in Richtung der Symmetrieachse an den Konusstrahler anschließt, wobei der zweite Monopolstrahler mit einer Seitenfläche des Konusstrahlers elektrisch verbunden ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann sich der zweite Monopolstrahler bündig an die Seitenfläche des Konusstrahlers anschließen. Insbesondere kann der zweite Monopolstrahler bezüglich des Konusstrahlers dem ersten Monopolstrahler gegenüberliegend angeordnet sein.
  • Weiterhin kann der zweite Monopolstrahler eine Dachkapazität aufweisen, die sich insbesondere quer zur Symmetrieachse über den Konusstrahler erstreckt.
  • Die Mehrbereichsantenne kann an dem auslaufenden Ende des Konusstrahlers durch einen Innenleiter eines Koaxialkabels kontaktierbar ausgebildet sein.
  • Weiterhin kann ein breiteres Ende des Konusstrahlers eine leitende Konusfläche aufweisen, auf der eine GPS-Antenne angeordnet ist, wobei die GPS-Antenne über einen von dem Konusstrahler isolierten Leiter durch den Konusstrahler koritaktierbar ist.
  • Ein Anschlussadapter kann vorgesehen sein, um den Innenleiter des Koaxialkabels und den Konusstrahler miteinander zu verbinden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Mehrbereichsantennenanordnung mit der obigen Mehrbereichsantenne und einer Massefläche, insbesondere einer Karosserieaußenfläche eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Seitenansicht einer Mehrbereichsantenne;
    Figur 2
    eine Explosionsdarstellung der Mehrbereichsantenne der Figur 1; und
    Figur 3
    eine alternative Ausführungsform einer Mehrbereichsantenne mit einer zusätzlichen GPS-Antenne.
    Beschreibung von Ausführungsformen
  • Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mehrbereichsantenne 1, die auf einer Massefläche 2 anordenbar ist. Die Massefläche 2 kann beispielsweise ein Autodach oder eine separat vorgesehene Massefläche sein.
  • Auf der Massefläche 2 ist ein von der Massefläche 2 elektrisch von der Massefläche 2 isolierter Konusstrahler 3 mit einer elektrisch leitenden Oberfläche angeordnet, wobei die Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3 senkrecht auf der Massefläche 2 angeordnet ist.
  • Der Konusstrahler 3 weist ein auslaufendes erstes Ende (Ende mit kleinerem Querschnittsdurchmesser bzw. das der Deckseite des Konusstrahlers entsprechenden Ende) auf, mit dem er auf der Massefläche 2 aufsteht, so dass ein zweites Ende, das bezüglich Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3 gegenüber dem auslaufenden Ende einen größeren Durchmesser aufweist, von der Massefläche 2 beabstandet angeordnet ist.
  • Der Konusstrahler 3 hat einen bezüglich einer zur Massefläche 2 parallelen Ebene kreisförmigen Querschnitt und weist dadurch eine optimale Rundstrahlcharakteristik auf. Alternativ sind zur Anpassung an eine gewünschte Rundstrahlcharakteristik auch von dem kreisförmigen Querschnitt abweichende Querschnitte, wie beispielsweise ovale Querschnitte, möglich.
  • Der Konusstrahler 3 kann vollständig aus einem leitenden Material, wie z. B. einem Metall, oder als ein mit einer Metallschicht beschichteter Kunststoffkörper ausgebildet sein. Alternativ kann der Konusstrahler 3 auch als Hohlkörper ausgebildet sein.
  • Der Konusstrahler 3 ist elektrisch leitend und von der Massefläche 2 isoliert angeordnet. Die Massefläche 2 weist eine Zuführöffnung 4 auf, durch die ein Innenleiter 5 eines Koaxialkabels 6 geführt ist, ohne die Massefläche 2 elektrisch zu kontaktieren. Ein Außenleiter 7 des Koaxialkabels 6 (Abschirmung) ist mit der Massefläche 2 verbunden. Der Innenleiter 5 des Koaxialkabels 6 ist dabei mit der Außenfläche des Konusstrahlers 3 verbunden.
  • Zur mechanischen Stabilisierung des Konusstrahlers 3 ist ein Befestigungsring 8 vorgesehen, der den Konusstrahler 3 umgibt und auf der Massefläche 2 abstützt. Dadurch kann der Konusstrahler 3 zuverlässig in ausgerichteter Position auf der Massefläche 2 gehalten werden und insbesondere kann ein Umbiegen des Konusstrahlers 3, so dass dessen Symmetrieachse R aus der Senkrechten bezüglich der Massefläche 2 gelangt, verhindert werden.
  • Der Befestigungsring 8 ist vorzugsweise aus einem nicht leitenden, dielektrischen Material ausgebildet, wie beispielsweise Plexiglas, Kunststoff oder dergleichen. Die Konusantenne 3 ist vorzugsweise mit dem Befestigungsring 8 an den Kontaktflächen zwischen der Außenfläche des Konusstrahlers 3 und entsprechenden Flächen des Befestigungsrings 8 sowie an der Auflagefläche 10 des Befestigungsrings 8 auf der Massefläche 2 verklebt oder in sonstiger Weise befestigt.
  • Der Konusstrahler 3 weist also eine in Umfangsrichtung verlaufende, elektrisch leitfähige Seitenfläche 9 auf sowie eine Konusfläche 11, die offen oder geschlossen, elektrisch leitend oder nicht leitend ausgebildet sein kann.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Konusfläche 11 geschlossen ausgeführt und verschließt das breitere Ende des Konusstrahlers 3. Die Konusfläche 11 trägt einen ersten Monopolstrahler 12 und einen zweiten Monopolstrahler 13, die jeweils elektrisch leitend ausgebildet sind. Der erste Monopolstrahler 12 schließt sich bündig an den Rand der Konusfläche 11 an und steht in Richtung der Symmetrieachse R der Konusantenne 3, d. h. senkrecht zur Massefläche 2, von der Konusfläche 11 ab (in einer von der Massefläche 2 wegführenden Richtung). Der zweite Monopolstrahler 13 ist im Wesentlichen an einem gegenüberliegenden Abschnitt des Randes der Konusfläche 11 angeordnet und steht ebenfalls senkrecht zur Massefläche 2, d. h. in gleicher Richtung wie der erste Monopolstrahler 12, ab.
  • Der erste Monopolstrahler 12 ist als ein geradliniger Leiter ausgebildet, während der zweite Monopolstrahler 13 einen geradlinigen Leiter aufweist, der mit einer querstehenden Dachkapazität 14 versehen ist. Zur Ausbildung der Dachkapazität 14 ist der zweite Monopolstrahler 13 L-förmig mit zwei Schenkeln 14, 15 ausgebildet. Ein erster Schenkel 15 verläuft senkrecht zur Massefläche 2 und ein zweiter Schenkel 14 im Wesentlichen parallel zur Massefläche 2. wobei der von dem Konusstrahler 3 entfernte erste Schenkel 14 des L-förmigen zweiten Monopolstrahlers 13 quer in Richtung des ersten Monopolstrahlers 12 über die Konusfläche 11 ragt. Die Länge der über die Konusfläche 11 ragenden Dachkapazität 14 ist vorzugsweise geringer als der Durchmesser der Konusfläche 11.
  • Die Länge des ersten Monopolstrahlers 12 ist geringer als der sich an den Konusstrahler 3 anschließende zweite Schenkel 15 des zweiten Monopolstrahlers 13.
  • Im Folgenden wird auf die Dimensionierungen der Abmessungen der einzelnen Elemente der Mehrbereichsantenne 1 näher eingegangen. Insbesondere werden Größenbereiche für folgende Maße angegeben: Konuswinkel a als der durch die Seitenfläche 9 des Konusstrahlers 3 aufgespannte Winkel, Konusstrahlerhöhe Hc als die Länge des Konusstrahlers 3 in Richtung seiner Symmetrieachse R, erste Monopolstrahlerhöhe Hu als die Länge des ersten Monopolstrahlers 12, zweite Monopolstrahlerhöhe Hg als die Länge des zweiten Schenkels 15 des zweiten Monopolstrahlers 13, Länge der Dachkapazität Dt als die Länge des ersten Schenkels 14 des zweiten Monopolstrahlers 13, erste Monopolstrahlerbreite Bu als die Breite des ersten Monopolstrahlers 12 in radialer Richtung zur Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3, erste Monopolstrahlertiefe Tu als die Breite des ersten Monopolstrahlers 12 in tangentialer Richtung zur Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3, zweite Monopolstrahlerbreite Bg als die Breite des ersten Monopolstrahlers 12 in radialer Richtung zur Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3, zweite Monopolstrahlertiefe Tg als die Breite des ersten Monopolstrahlers 12 in tangentialer Richtung zur Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3 und Breite der Dachkapazität Bgt als die Breite des ersten Monopolstrahlers 12 in Richtung der Symmetrieachse R des Konusstrahlers 3.
  • Die Dimensionierung des Konusstrahlers 3 richtet sich nach der Eingangsimpedanz, so dass eine breitbandige Anpassung der Antenne an die Impedanz des Koaxialkabels 6 erreicht werden kann. Beispielsweise ergibt sich für ein 50 Ω Koaxialkabel 6 bei Verwendung eines Befestigungsrings 8 aus Plexiglas mit einer Dielektrizitätskonstanten εr = 3,4 ein bevorzugter Öffnungswinkel α = 48,65° bei angenommener unendlicher Ausdehnung des Konusstrahlers 3. Durch Begrenzung des Konusstrahlers 3 auf eine endliche Konusstrahlerhöhe Hc werden Reflexionen am Ende des Konusstrahlers 3 bewirkt. Hierdurch werden stehende Wellen auf der Konusoberfläche erzeugt, die an der Antennenklemme zu einer Eingangsimpedanz Zin führen, die nicht mehr rein reell ist. Der Effekt ist frequenzabhängig.
  • Es hat sich gezeigt, dass für eine Dämpfung von nicht mehr als -10 dB im Frequenzbereich von 3 GHz bis 9 GHz der Konuswinkel α zwischen 45° und 66° und die Konusstrahlerhöhe Hc zwischen 16 mm und 30 mm liegen sollten. Vorzugsweise sollte die Konusstrahlerhöhe Hc zwischen 24 mm und 30 mm liegen, während der Konuswinkel α vorzugsweise zwischen 60° und 70° liegt. Insbesondere können als optimale Werte als Konusstrahlerhöhe Hc 27 mm und als Konuswinkel α 66° angegeben werden.
  • Ein modernes Funkkommunikationssystem in einem Kraftfahrzeug arbeitet in einem Frequenzbereich von 780 MHz bis 5,925 GHz und umfasst in der Regel sieben unterschiedliche Funkdienste. Die vorgeschlagene Mehrbereichsantenne 1 sollte daher eine Bandbreite von mehr als 5 GHz und eine entsprechende Rundstrahlcharakteristik aufweisen. Nachfolgend ist eine Tabelle mit der Darstellung der aktuellen Funkdienste für ein Kraftfahrzeug und der entsprechenden Frequenzbereiche angegeben.
    LTE low GSM 900 UMTS WiBro Low/high WiFi/WLAN WiMAX Low LTE high WiMAX high WiFi/WLAN C2C/DSRC
    fmin (MHz) 780 810 1710 2305/2345 2400 2495 2500 3300 5150/5470 5850
    fmax (MHz) 860 960 2170 2320/2360 2485 2690 2690 3800 5350/5825 5925
  • Zusätzlich können in Zukunft auch UWB (ultra wide band) Dienste im Bereich bis zu 10,6 GHz zum Einsatz kommen. Man erkennt aus obiger Tabelle, dass die gesamte Bandbreite, die von der Mehrbereichsantenne 1 bereitgestellt werden müsste, 5,145 GHz beträgt. Eine solche Bandbreite alleine mit dem Konusstrahler bereitzustellen führt zu einem Durchmesser von mindestens 65 mm bei einem Öffnungswinkel von 60°. Eine derartige Konusstruktur wäre zu groß und darüber hinaus mechanisch problematisch. Eine Reduzierung der Konusstrahlerhöhe führt in der Regel ebenfalls zu guten Impedanzanpassungen, jedoch erhöht sich die tiefste Arbeitsfrequenz auf eine Frequenz über 780 MHz.
  • Beispielsweise hat ein 21,5 mm hoher Konusstrahler bei einem Öffnungswinkel von 51 bei 50 Ω eine gute Impedanzanpassung von 2,33 GHz bis 27,5 GHz. Der Antennendurchmesser beträgt hierbei jedoch nur noch 20,5 mm, was im Vergleich zu einem Konusstrahler von 65 mm Durchmesser eine deutliche Reduzierung darstellt. Die Frequenzlücke im Bereich zwischen 780 MHz bis 2,3 GHz wird nun mit weiteren Antennenstrukturen, d. h. den Monopolstrahlern 12, 13, abgedeckt. Durch die Wahl der zwei schmalbandigeren Monopolstrahler 12, 13 können die fehlenden Frequenzbereiche der Dienste, die in den nicht durch den Konusstrahler 3 abgedeckten Frequenzbereichen liegen, nämlich LTE low, GSM 900 und UMTS, bedient werden. Damit die Monopolstrahler 12, 13 die Rundstrahlcharakteristik des Konusstrahlers 3 nicht stören, sind sie oberhalb des Konusstrahlers 3 angeordnet.
  • Um weiterhin die Gesamthöhe der Mehrbereichsantenne 1 zu reduzieren, werden die Monopolstrahler 12, 13 in Kontakt mit der Seitenfläche 9 des Konusstrahlers 3 angeordnet, so dass der Konusstrahler 3 und die Monopolstrahler 12, 13 nun gemeinsam als schmalbandige Monopolstrahler wirken. Somit kann die gesamte Bäuhöhe der Mehrbereichsantenne 1 gering gehalten werden.
  • Für die fehlenden Frequenzbereiche wird nun die mit dem ersten Monopolstrahler 12 gebildete Antenne so dimensioniert, dass sie eine Größe von zu4 aufweist, wobei sich aufgrund der Kopplung mit der Außenfläche des Konusstrahlers 3 die wirksame Höhe aus der ersten Monopolstrahlerhöhe Hu und der Konusstrahlerhöhe Hc zusammensetzt. Bei der bevorzugten Konusstrahlerhöhe Hc von 27 mm ergibt sich dann eine erste Monopolstrahlerhöhe Hu von 41,6 mm für UMTS und eine zweite Monopolstrahlerhöhe Hg von 94 mm, um die Dienste GSM 900 und LTE low abzudecken. Diese Werte sind Ergebnisse theoretischer Simulationen und Tests, die ergeben haben, dass die erste Monopolstrahlerhöhe Hu zwischen 15 und 25 mm, vorzugsweise zwischen 15 und 19 mm und weiter bevorzugt zwischen 17 und 18 mm liegen sollte. Die zweite Monopolstrahlerhöhe Hg sollte gemäß den Simulationen und Tests zwischen 30 und 45 mm, vorzugsweise zwischen 35 und 41 mm und insbesondere zwischen 40 und 42 mm liegen.
  • Die Länge der Dachkapazität Dt sollte aufgrund der kompakten Bauform der Mehrbereichsantenne 1 nicht länger sein als der Konusdurchmesser, d. h. der Durchmesser der Konusfläche 11. Vorzugsweise beträgt die Länge der Dachkapazität Dt, d. h. des ersten Schenkels 14 des zweiten Monopolstrahlers 13, zwischen 0 und 35 mm, vorzugsweise zwischen 20 und 35 mm und insbesondere 35 mm.
  • Die erste Monopolstrahlerbreite Bu und die zweite Monopolstrahlerbreite Bg sowie die erste Monopolstrahlertiefe Tu und die zweite Monopolstrahlertiefe Tg beeinflussen die Bandbreite der durch die Monopolstrahler 12, 13 gebildeten Antennen. Der zweite Monopalstrahler 13 als GSM-Strahler für eine Bandbreite von 180 MHz und der erste Monopolstrahler 12 als UMTS-Strahler für eine Bandbreite von 460 MHz sollen jeweils eine gute Impedanzanpassung gewährleisten. Daher sollten die Breite und Tiefe der einzelnen Monopolstrahler 12, 13 nicht zu klein gewählt werden, damit der Schlankheitsgrad gering bleiben kann.
  • Zur Optimierung werden die Breiten der Monopolstrahler Bg, Bu zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 4 und 9 mm und insbesondere bei 7 mm gewählt. Die Breite der Dachkapazität Bgt beträgt vorzugsweise zwischen 0 und 15 mm, weiter bevorzugt zwischen 5 und 10 mm und weiter bevorzugt 8 mm. Die zweite Monopolstrahlertiefe Tg wird vorzugsweise zwischen 0,5 und 7 mm gewählt, weiter bevorzugt zwischen 2 und 4 mm und weiter bevorzugt bei 3 mm. Da die Dachkapazität 14 Teil des zweiten Monopolstrahlers 13 ist, sollte sie auch die gleiche Tiefe aufweisen. Da der erste Monopolstrahler 12 eine größere Arbeitsbandbreite bereitstellen muss als der zweite Monopolstrahler 13, wird er vorzugsweise etwas breiter ausgelegt, so dass seine Tiefe vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 7 mm, weiter bevorzugt zwischen 4 und 6 mm und weiter bevorzugt bei 5 mm liegt.
  • Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Aufbaus der zuvor beschriebenen Mehrbereichsantenne 1. Man erkennt die Kontaktierung der Mehrbereichsantenne 1 mithilfe eines Anschlussadapters 20, der in den Konusstrahler 3 eingesetzt wird und zur Aufnahme des Innenleiters 5 des Koaxialkabels 6 dient. Der Innenleiter 5 des Koaxialkabels 6 wird durch eine entsprechende Öffnung der Massefläche 2 und eine entsprechende Öffnung des Befestigungsrings 8 hindurch gesteckt und gelangt so in den Anschlussadapter 20, um den Konusstrahler 3 mit dem Innenleiter 5 zu verbinden.
  • Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Mehrbereichsantenne 1, die zusätzlich eine GPS-Antenne 22 aufweist. Um die Rundstrahlcharakteristik der zuvor beschriebenen Mehrbereichsantenne 1 nicht zu stören, kann daher vorgesehen sein, ein Koaxialkabel 6 mit zusätzlich einem weiteren Innenleiter 21 zur Verfügung zu stellen, der durch den Konusstrahler 3 geführt wird und die GPS-Antenne 22 zwischen den Monopolstrahlern 12, 13 kontaktiert. Dies ist möglich, da die Konusfläche 11 in der Regel stromlos ist. Wird diese leitend ausgebildet, so kann sie als Massefläche für die GPS-Antenne 22 dienen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mehrbereichsantenne
    2
    Massefläche
    3
    Konusstrahler
    4
    Öffnung
    5
    Innenleiter
    6
    Koaxialkabel
    7
    Außenleiter
    8
    Befestigungsring
    9
    Kontaktfläche
    10
    Auflagefläche
    11
    Konusfläche
    12
    erster Monopolstrahler
    13
    zweiter Monopolstrahler
    14
    erster Schenkel
    15
    zweiter Schenkel
    20
    Anschlussadapter
    21
    weiterer Innenleiter
    22
    GPS-Antenne

Claims (9)

  1. Mehrbereichsantenne (1), insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, umfassend:
    - einen Konusstrahler (3) mit einer Symmetrieachse (R), um den Konusstrahler (3) mit seinem auslaufenden Ende senkrecht auf eine Massefläche (2) aufzusetzen;
    - einen ersten Monopolstrahler (12), der sich in Richtung der Symmetrieachse (R) an den Konusstrahler (3) anschließt, wobei der erste Monopolstrahler (12) mit einer Seitenfläche (9) des Konusstrahlers (3) elektrisch verbunden ist,
    gekennzeichnet durch
    - einen zweiten Monopolstrahler (13), der sich in Richtung der Symmetrieachse (R) an den Konusstrahler (3) anschließt, wobei der zweite Monopolstrahler (13) mit der Seitenfläche (9) des Konusstrahlers (3) elektrisch verbunden ist.
  2. Mehrbereichsantenne (1) nach Anspruch 1, wobei sich der erste Monopolstrahler (12) bündig an die Seitenfläche (9) des Konusstrahlers (3) anschließt.
  3. Mehrbereichsantenne (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der zweite Monopolstrahler (13) bündig an die Seitenfläche (9) des Konusstrahlers (3) anschließt.
  4. Mehrbereichsantenne (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Monopolstrahler (13) bezüglich des Konusstrahlers (3) dem ersten Monopolstrahler (12) gegenüberliegend angeordnet ist.
  5. Mehrbereichsantenne (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Monopolstrahler (13) eine Dachkapazität (14) aufweist, die sich insbesondere quer zu dessen Symmetrieachse (R) über den Konusstrahler (3) erstreckt.
  6. Mehrbereichsantenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mehrbereichsantenne (1) an dem auslaufenden Ende des Konusstrahlers (3) durch einen Innenleiter (5) eines Koaxialkabels (6) kontaktierbar ausgebildet ist.
  7. Mehrbereichsantenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein breiteres Ende des Konusstrahlers (3) eine leitende Konusfläche (11) aufweist, auf der eine GPS-Antenne (22) angeordnet ist, wobei die GPS-Antenne (22) über einen von dem Konusstrahler (3) isolierten Leiter (21) durch den Konusstrahler (3) kontaktierbar ist.
  8. Mehrbereichsantenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Anschlussadapter (20) vorgesehen ist, um den Innenleiter (5) des Koaxialkabels (6) und den Konusstrahler (3) miteinander zu verbinden.
  9. Mehrbereichsantennenanordnung mit einer Mehrbereichsantenne (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer Massefläche (2), insbesondere einer Karosserieaußenfläche eines Kraftfahrzeugs.
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