Mehrbandfahige Antenne
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine mehrbandfahige Antenne nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Da bei heutigen Kraftfahrzeugen in der Regel nicht nur ein Rundfunkempfang, sondern auch Mobilfunkempfang usw. gewünscht wird, müssen entsprechende Empfangsantennen im/am Fahrzeug ausgebildet werden. Dabei ist es aufgrund von designerischen Gesichtspunkten sowie aus Platzgründen angestrebt, möglichst kleine Antennen zu entwickeln, die zusätzlich eine möglichst große Bandbreite bzw. mehrere Frequenzbereiche mit entsprechender Anpassung aufweisen sollen.
Derzeit ist unter anderem die Verwendung von Stabantennen üblich, die auf dem Fahrzeugdach bzw. der Heckscheibe befestigt sind. Üblicherweise weisen derartige Stabantennen eine Länge in der Größenordnung einer Viertel-Sende-/Emp- fangswellenlänge auf. Es ist das Bestreben der Fahrzeug- und
Antennenhersteller, diese Länge aus den vorstehend genannten Gründen, weiter zu verkleinem, insbesondere die Baulänge zu verringern.
Bekannt ist die Verkürzung von Stabantennen durch die Verwendung von Blindelementen, z.B. durch Einfügen einer Verkürzungsspule am Fußpunkt der Anten- ne oder durch Verwendung, einer Dachkapazität. Besonders bei der Verwendung von Verkürzungsspulen sollen diese eine hohe Güte aufweisen, um Verluste zu minimieren. Dadurch sinkt aber gleichzeitig die Bandbreite entsprechend der geometrischen Verkleinerung. Gleiches gilt für Antennen, die durch die Verwendung von Dachkapazitäten verkürzt wurden. Damit stehen nur schmalbandige, kleine Antennen zur Verfügung, wie sie beispielsweise in Meinke Gundlach, "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", Springer-Verlag beschrieben sind.
Aus der US-A 3,967,276 ist eine Antenne mit großer Bandbreite bekannt, die bei einer Vielzahl von Wellenlängen verwendet werden kann. Diese Antenne umfaßt beispielsweise vier gleich dimensionierte zylindrische Leiter, deren Abmessungen und Abstände voneinander im Vergleich zur Wellenlänge, bei der die Antenne verwendet wird, klein sind, und die senkrecht zu einer leitenden Masseebene angeordnet sind. Die oberen Enden dieser Leiter sind durch Metallplatten abgeschlossen und untereinander durch gleich dimensionierte induktive Elemente verbunden. Die unteren Enden der Leiter sind teilweise mit der leitenden Masseebe- ne verbunden, einer der Leiter ist mit einer Energiequelle verbunden, die eine Spannung zwischen dem unteren Ende des Leiters und der Masseebene einprägt. Auf diese Weise wird ein Monopol gebildet, der eine entsprechend der Anzahl der Leiter reduzierte Bauhöhe im Vergleich zu einem herkömmlichen Monopol in Form einer Stabantenne aufweist.
Jedoch kann diese herkömmliche Antenne nur in einem festgelegten Frequenzbereich verwendet werden, auf den sie während der Herstellung angepaßt wurde. Es ist keine breit- bzw. mehrbändige Anpassung im Bereich von mehreren Frequenzbändern möglich.
Zudem führt bei der vorstehend beschriebenen Antenne eine Verringerung der Bauhöhe zwangsläufig zu einer vergrößerten Anzahl von parallel zueinander angeordneten und miteinander verbundenen Leitern, so dass die Breite der Antenne zunimmt und daher einer Verringerung der Bauhöhe durch erhöhten Platzbe- darf in der Breite enge Grenzen gesetzt sind.
Darüber hinaus weist die herkömmliche Antenne viele konzentrierte Elemente, wie zum Beispiel Induktivitäten, auf, die vor allem bei Mobilfunkfrequenzen teuer, schwer und technisch nicht exakt realisierbar sind sowie große Verluste erzeugen. Wenn nun alternativ Induktivitäten mit geringen Verlusten verwendet wür- den, um die Gesamtverluste zu verringern, würde jedoch die Güte steigen und damit die Bandbreite abnehmen.
Zudem benötigt die vorstehend beschriebene Ausführungsform mit konzentrisch angeordneten Leitern so viel Platz, wie er häufig nicht zur Verfügung steht.
Schließlich ist die vorstehend beschriebene, herkömmliche Antenne breitbandig, aber nicht mehrbändig. Dies führt dazu, dass die Antenne für eine GSM-Anwendung den gesamten Frequenzbereich von 800 MHz bis 1900 MHz abdecken müßte, obwohl mehrere kleine Frequenzbereiche ausreichen würden.
Aus der EP 1 033782 A2 ist eine Monopolantenne bekannt, die einen Masseleiter, eine auf dem Masseleiter angeordnete Energieversorgung, ein mit der Ener- gieversorgung verbundenes Antennenelement und einen Seitenleiter aufweist, der einen Raum um das Antennenelement umgibt. Oberhalb des Antennenelementes kann ein Dachleiter angeordnet sein. Dabei können abseits des Antennenelementes Anpassungselemente angeordnet sein, die mit dem Masseleiter verbunden sind und auch mit dem Dachleiter verbunden sein können und der An- passung der Antenne an die ihn speisende koaxiale Leitung dienen. Diese Monopolantenne hat den Nachteil einer aufwendigen Konstruktion und einer stark eingeschränkten Abstrahlcharakteristik.
In der WO 98/43313 A1 ist eine Kommunikationsantenne beschrieben, die ein aktives Element zwischen einem Anschlußpunkt und einem Befestigungspunkt an einem oberen Lastelement aufweist, wobei das aktive Element länger ist als der Abstand zwischen dem Anschlußpunkt und dem Befestigungspunkt. Hierbei kön- nen parasitäre Elemente paarweise einander gegenüberliegend um das aktive Element und im wesentlichen parallel zu diesem angeordnet sein. Durch die parasitären Elemente kann zwar eine Bandverbreiterung erzielt werden, nicht jedoch die Eignung für einen Mehrbandbetrieb.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mehrbandfahige Antenne zur Verfügung zu stellen, die eine gegenüber dem genannten Stand der Technik verringerte Bauhöhe ohne bedeutende Erhöhung des seitlichen Platzbedarfs und insbesondere die Möglichkeit einer breit- und/oder mehrbändigen Leistungsanpassung im Bereich von mehreren Frequenzbändern bietet sowie eine einfache Bauweise aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine mehrbandfahige Antenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße mehrbandfahige Antenne ermöglicht eine breit- und/oder mehrbändige Leistungsanpassung im Bereich von mehreren Frequenzbändern und ist somit z.B. weltweit für Mobilfunkanwendungen einsetzbar. Diese Leistungsanpassung in mehreren Frequenzbändern wird durch parasitäre Elemente neben einem Hauptstrahler mit Öachkapazität erzielt. Das abgestrahlte Feld ist vertikal polarisiert und wird überwiegend in Richtung des Horizonts abgestrahlt, so dass im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Antennen eine geringere Sendeleistung realisierbar ist. Zudem weist die erfindungsgemäße mehrbandfahige Antenne eine sehr geringe Bauhöhe auf, da sie lediglich eine Bauhöhe von einem Achtel der Wellenlänge benötigt, welche zu einer ausgewählten niedrigsten
Frequenz gehört. Die parasitären Elemente beeinflussen in erwünschter Weise die Strahlung des Hauptstrahlers.
Vorzugsweise sind auch die parasitären Elemente an einem Ende mit einer Dachkapazität verbunden.
In einer möglichen vorteilhaften Ausführungsform weisen das parasitäre Element und der Hauptstrahler eine gemeinsame Dachkapazität auf, welche der Masseebene gegenüber liegt. Eine gemeinsame Dachkapazität an einem Ende der parasitären Elemente und des Hauptstrahlers wirkt für deren elektrische Länge vergrößernd, so dass der Strahler körperlich verkürzt werden kann. Mit anderen Worten: Eine Dach- oder Endkapazität bewirkt einen größeren Strahlungswiderstand für kurze Antennen, so dass der Wirkungsgrad der Antenne wesentlich gesteigert wird. Insbesondere sind bei kurzen Strahlern mit genügend großer und hoher Dachkapazität gute Funkverbindungen auch bei geringer Leistung möglich. Die Dachkapazität liegt für eine geringe Leistung, z.B. zwischen 1 und 5 W, bei- spielsweise in einem Bereich von 5 pF bis 20 pF, insbesondere von 14 pF bis 15 pF. Hierdurch ist die Mehrbandantenne für einen Einsatz als Fahrzeugantenne besonders geeignet. Darüber hinaus werden Koronaeffekte vermieden, da die Feldstärke mit zunehmender Oberfläche der Antennenspitze kleiner wird.
Ja nach Art und Ausführung der parasitären Elemente und des Hauptstrahlers der Mehrbandantenne (auch mehrbändige Antenne genannt) kann als Dachkapazität beispielsweise bei einer Vertikalantenne an deren Spitze eine metallische Fläche, zum Beispiel eine Metallplatte vorgesehen sein.
Für die Anordnung der parasitären Elemente gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, dass wenigstens eines der parasitären Ele- mente mit seinem einen Ende, welches insbesondere sein unteres Ende ist, mit der Masseebene verbunden ist, über welcher der Hauptstrahler aufgerichtet ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das wenigstens eines der parasitären Elemente nicht mit der Masseebene, sondern mit einer Dachkapazität verbunden ist, insbesondere mit derselben Dachkapazität, mit welcher auch der Hauptstrahler verbunden ist. In diesem Fall hat das sozusagen an der Dachkapazität aufge- hängte parasitäre Element einen Abstand zur Massefläche, mit welcher er über sein der Massefläche zugewandtes Ende noch kapazitiv gekoppelt ist, sodaß das parasitäre Element nicht nur über seine Länge, sondern auch über die kapazitive Kopplung mit der Massefläche abgestimmt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wenigstens ein parasitäres Element mit seinem unteren Ende mit der Massefläche zu verbinden und sein oberes Ende mit einer gesonderten Dachkapazität zu verbinden, um den Hauptstrahler mit dem parasitären Element auf diese Weise auf ein weiteres Frequenzband abzustimmen, wobei das parasitäre Element zweckmäßigerweise kürzer als der Hauptstrahler ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in einem parasitären Element, das mit seinem einen Ende mit der Massefläche und mit seinem anderen Ende mit einer Dachkapazität verbunden ist, eine Lücke vorzusehen, die ein Dielektrikum aufweist, bei welchem es sich um einen Feststoff, insbesondere einen Kunststoff, oder aber auch um Luft handeln kann. Durch die Lücke kann das weitere Fre- quenzband, in welchem der Hauptstrahler durch Wechselwirkung mit dem parasitären Element strahlt, beeinflusst und zum Beispiel kapazitiv abgestimmt werden. Die Lücke kann auch durch eine das parasitäre Element abstimmende Wicklung überbrückt werden.
Das parasitäre Element kann nicht nur durch Ändern seiner Länge abgestimmt werden, sondern auch dadurch, dass er ein die Frequenz mitbestimmendes Element enthält, insbesondere eine Wicklung.
Zweckmäßigerweise ist das parasitäre Element als ein Leiter ausgebildet. Es kann einteilig, aber auch mehrteilig ausgebildet sein, insbesondere, wie schon erwähnt so, dass es aus einem geteilten Leiter gebildet ist, dessen einer Teil mit der Dachkapazität und dessen anderer Teil mit der Massefläche verbunden ist. Mit anderen Worten: Das parasitäre Element kann teils hängend und teils stehend ausgeführt sein, indem der eine Teil beispielsweise an der Dachkapazität des Hauptstrahlers hängt und der andere Teil beispielsweise auf der Massefläche steht.
Für eine Ausgestaltung als Mehrbandantenne sipd dementsprechend mehrere parasitäre Elemente vorgesehen. Am einfachsten und zweckmäßigsten ist es, die parasitären Elemente parallel zum Hauptstrahler, insbesondere parallel zu einer Seite des Hauptstrahlers anzuordnen. Mit anderen Worten: Die parasitären Elemente wirken wie Seiten- oder Nebenstrahler. Alternativ können die parasitären Elemente zu beiden Seiten des Hauptstrahlers oder z. B. konzentrisch um den Häuptstrahler herum angeordnet sein. Auch können die parasitären Elemente symmetrisch bezüglich des Hauptstrahlers, insbesondere in gleichem Abstand zum Hauptstrahler angeordnet sein. Die parasitären Elemente können aber auch asymmetrisch zum Hauptstrahler, insbesondere in unterschiedlichem Abstand zum Hauptstrahler angeordnet sein. Fertigungstechnisch ist es am günstigsten, wenn die parasitären Elemente und der Hauptstrahler in oder auf einer gemeinsamen Fläche angeordnet sind, insbesondere auf einer gemeinsamen, elektrisch isolierenden Trägerplatte.
Ja nach Verwendung der Mehrbandantenne können die parasitären Elemente und der Hauptstrahler verschiedenartig ausgebildet sein. Beispielsweise sind der oder die parasitären Elemente und der Hauptstrahler jeweils als ein gedruckter Leiter auf einer nicht leitenden Substratschicht ausgebildet, insbesondere auf einer Schaltungsträgerplatte.
Der Hauptstrahler weist bevorzugt eine mechanische Länge von einem Achtel der niedrigsten abgestrahlten Wellenlänge in einem ersten Frequenzband auf. Der oder die parasitären Elemente bewirken, dass der Hauptstrahler in einem zweiten und jeweils weiteren Frequenzbändern strahlt. Je nach Verwendung der Mehr- bandantenne liegt das erste Frequenzband, in dem der Hauptstrahler strahlt, beispielsweise bei ungefähr 800 MHz. Das zweite und das dritte Frequenzband, in dem er infolge der Wechselwirkung mit den parasitären Elementen strahlt, liegt z.B. zwischen 1700 MHz und 2200 MHz.
Die Dachkapazität kann an ihrem einen Ende mit einer induktiven Kompensati- onseinrichtung verbunden sein, die wiederum mit der Massefläche verbunden ist; damit kann der Widerstand des Antennenfußpunktes angepaßt bzw. kompensiert werden. Die induktive Kompensationseinrichtung kann in einer einfachen Ausführungsform als eine induktive Kompenationsleitung ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher be- schrieben. Darin zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer mehrbandfähigen Antenne mit einem Hauptstrahler und zwei parasitären Elementen,
Figur 2 eine schematische Darstellung mit einer zweiten Ausbildung und Anordnung der parasitären Elemente, und
Figur 3 eine schematische Darstellung mit einer dritten Ausbildung und Anordnung der parasitären Elemente.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
Im folgenden werden nun der Aufbau sowie die Funktionsweise einer mehrband- fähigen Antenne A unter Bezugnahme auf Figur 1 näher erläutert.
In Figur 1 ist mit 1 eine ebene Massefläche bezeichnet. Weiterhin ist ein Hauptstrahler 2, insbesondere ein Monopol, der in einem ersten Frequenzband b1 strahlt, gezeigt, der beispielsweise aus zumindest einem ersten Leiter L1 besteht, der an seinem unteren Ende mit Hochfrequenzsignalen gespeist werden kann und zu diesem Zweck auf einer von der Massefläche 1 isolierten Fläche 3 steht, durch die hindurch er mit einer Energieversorgung verbunden ist; das obere Ende des ersten Leiters L1 ist mit einer Dachkapazität 4 verbunden.
Zusätzlich weist die mehrbändige Antenne A noch zwei parasitäre Elemente 6, 7 auf, die die Eingangsimpedanz der ersten Leiters L1 in einem zweiten bzw. dritten Frequenzband b2, b3 so verändern, dass eine Leistuήgsanpassung in diesen weiteren Frequenzbändern b2, b3 besteht, und die beispielsweise durch einen zweiten Leiter L2 und einen dritten Leiter L3 gebildet werden. Der zweite und der dritte Leiter L2, L3 sind jeweils an ihrem unteren Ende bevorzugt leitend mit der Massefläche 1 verbunden könnten, aber auch von der Massefläche elektrisch isoliert sein. Die parasitären Elemente 6, 7 können entweder auf der gleichen Seite oder beidseitig des Hauptstrahiers 2 oder auch an beliebigen Positionen benachbart zum Hauptstrahler 2 symmetrisch oder asymmetrisch zu ihm ange- ordnet sein. Ebenso können die parasitären Elemente 6, 7 entweder in gleichen oder in unterschiedlichen Abständen vom Hauptstrahler 2 angeordnet sein.
Die parasitären Elemente 6, 7 sind geradlinig ausgebildet. Sie sind kürzer als der Hauptstrahler 2 und ungleich lang.
Alle Leiter L1 bis L3 können in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auch als gedruckte Leiter auf einer nicht leitenden Substratschicht aufgebracht sein.
Die Dachkapazität 4 kann bei einer Weiterbildung der Erfindung an ihrem einen Ende mit einer induktiven Kompensationseinrichtung 5, z.B. mit einer induktiven Kompensationsleitung, verbunden sein, die wiederum mit der Massefläche 1 verbunden ist und dann zur Kompensation des Antennenfußpunktwiderstands dient. Die optionale induktive Kompensationsleitung 5 ist in Figur 1 symbolisch als dik- ke Volllinie dargestellt. Durch die Kompenationseinrichtung 5 kann die Höhe der Antenne A weiter verringert werden.
Die mechanische Länge der Mehrbandantenne A beträgt ein Achtel ihrer elektrischen Länge, d.h. λ/8 der niedrigsten abgestrahlten Frequenz im ersten Fre- quenzband bl
Bei einer Verwendung der Antenne A im Mobilfunk beträgt die niedrigste abgestrahlte Frequenz im ersten Frequenzband b1 beispielsweise 800 MHz. Die weiteren Frequenzbänder b2 und b3, in denen die Antenne unter dem Einfluß der parasitären Elemente 6 bzw. 7 strahlt, liegen beispielsweise zwischen 1700 MHz und 2200 MHz.
Der Eingangsreflexionsfaktor sowie das Strahlungsdiagramm der mehrbändigen Antenne A sind in jedem der Frequenzbereiche, für die die Antenne A entworfen wurde, vergleichbar denen eines herkömmlichen λ/4-Monopols.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fi- gur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass die parasitären Elemente 6, 7 nur mit der Dachkapazität 4 verbunden sind, nicht aber mit der vorzugsweise ebenen Massefläche 1. Mit anderen Worten: Die parasitären Elemente 6, 7 hängen an der Dachkapazität 4 des Hauptstrahlers 2.
Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 sind die parasitären Elemente 6, 7 und der Hauptstrahler 2 als einteilige Leiter L1 bis L3 ausgebildet. Im Gegensatz dazu sind sie bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Figur 3
abgebildet ist, mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet. Hierbei wird jeweils der erste Teil eines parasitären Elementes 6 bzw. 7 mit der Dachkapazität 4 des Hauptstrahlers 2 und der zweite Teil des jeweiligen parasitären Elementes 6 bz. 7 mit der Massefläche 1 verbunden. Zwischen den beiden Teilen der parasitären Elemente 6 und 7 verbleibt eine Lücke 8 bzw. 9, deren unterschiedliche Weite die weiteren Frequenzen mitbestimmt, bei welchen die Antenne A unter der Wirkung der parasitären Elemente 6, 7 strahlt.