WO2007048258A1 - Antennenanordnung mit einer breitband-monopol-antenne - Google Patents

Antennenanordnung mit einer breitband-monopol-antenne Download PDF

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WO2007048258A1
WO2007048258A1 PCT/CH2005/000628 CH2005000628W WO2007048258A1 WO 2007048258 A1 WO2007048258 A1 WO 2007048258A1 CH 2005000628 W CH2005000628 W CH 2005000628W WO 2007048258 A1 WO2007048258 A1 WO 2007048258A1
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base body
antenna
antenna arrangement
arrangement according
base plate
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PCT/CH2005/000628
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English (en)
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Inventor
Wolfgang Heyde
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Huber+Suhner Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
    • 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 present invention relates to the field of mobile radio antennas. It relates to an antenna arrangement with a broadband monopole antenna according to the preamble of claim 1.
  • Voice transmission is mainly available in the 400, 800, 900, 1800 and 1900 MHz bands worldwide.
  • UMTS standard Universal Mobile Telecommunication System
  • the frequency range has been extended to 2170 MHz.
  • WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
  • WiMAX can be used in the frequency ranges of 2.4, 3.5 and 5.6 GHz.
  • TETRA / Tetrapol (Terrestrial Trunked Radio) is another standard for digital mobile communications. It is particularly suitable for authorities and organizations with security tasks (police, fire brigade, civil defense, medical, military, etc.), but also for security, transport, production and energy supply companies.
  • the air interface operates in the frequency range of 380-470 MHz.
  • the antenna For safety reasons, all metal parts of the antenna must be earthed for use in the transport area.
  • a particularly suitable design due to its simplicity and smallness is the monopole antenna.
  • a compact, omnidirectional UHF antenna for watercraft which has a cylindrical monopole and a includes conical dipole.
  • the cylindrical monopole is connected to the outer conductor of a coaxial cable, while the inner conductor of the cable is connected to the tip of the conical dipole.
  • a ring of low-loss dielectric material is arranged, which serves for mechanical support and as a spacer and represents a dielectric load.
  • the achievable with this antenna center frequency is about 1 GHz.
  • a multi-range antenna for mobile and GPS applications in which an elongated radiating element for mobile radio and a radiating element for GPS are combined.
  • the radiating element for mobile communications is funnel-shaped. In the widened upper portion of the element is arranged as a GPS element patch antenna. Both elements are supplied by separate feeders.
  • the mobile radio antenna operates in a frequency range between 806 MHz and 1990 MHz.
  • a low-profile antenna for vehicles which comprises a conical monopole of electrically conductive material which is embedded in a block of dielectric material.
  • the monopole can be designed as an electrically conductive coating of a conical funnel in the dielectric material or as a solid conical body.
  • the monopole is connected at its tip via a setting circuit with a feed line.
  • a patch antenna for GPS can be arranged.
  • the frequency range of the monopole antenna is between 900 MHz and 2.5 GHz.
  • the object is solved by the entirety of the features of claim 1.
  • the invention is based on an arrangement which comprises an electrically conductive base plate and a radiating element arranged above the base plate, which comprises a first electrically conductive base body which is at a distance from the base plate and oriented perpendicular to the base plate and tapers towards the base plate has a feed point for the RF power, and which comprises a second electrically conductive base body which adjoins upward to the first base body.
  • additional connecting means are provided, which connect the outer edge of the second body at least one point with the base plate electrically conductive.
  • the RF power is fed in via a coaxial conductor arrangement whose inner conductor is electrically conductively connected to the feed point of the first base body and whose outer conductor is electrically conductively connected to the base plate. Due to the radiating elements, the high bandwidth is achieved in all directions of radiation.
  • Connecting means ensure the grounding of all metal parts of the antenna.
  • An embodiment of the antenna arrangement is characterized in that the first and second base bodies are each rotationally symmetric about an axis, that the first and second base bodies are arranged coaxially one behind the other, that the first base body has the outer shape of a truncated cone, and that the second base body having outer shape of a spherical section.
  • the connecting means preferably comprise a perpendicular to the
  • Base plate electrically conductive third base body, which merges at the upper end in the edge of the second body, wherein the third Base body with advantage as a cylinder, in particular with a circular cross-section, is formed.
  • At least one or more of the base bodies can consist of solid metal.
  • one or more of the main body consist of one of a non-conductive base material, in particular a plastic, with metallized surface.
  • the coaxial conductor arrangement is preferably designed as a coaxial connector extending through the base plate.
  • the radiating element can be embedded in a, in particular foam-like, plastic.
  • the radiating element is preferably surrounded by a radome terminating with the base plate.
  • the dimensions of the radiating element are chosen such that the antenna arrangement sweeps over a frequency range of 390 MHz to 12.9 GHz at a return loss of greater than 10 dB, the maximum diameter of the second base body being about 118 mm, and the maximum height of the radiating element Elements is about 74 mm.
  • an additional roof capacity can be arranged on the upper side of the second base body laterally beyond the second base body reaching out, electrically conductive disc.
  • an additional antenna system is integrated on the upper side of the second basic body.
  • the additional antenna system is designed for use in conjunction with GPS and includes a GPS antenna housed in a recess in the second body.
  • the GPS antenna is arranged on a printed circuit board which extends laterally as far as the connecting means, and a coaxial feed arrangement for the GPS antenna, which is connected to the printed circuit board, is integrated in the connecting means.
  • the connecting means comprise an electrically conductive third base body which is perpendicular to the base plate and which merges into the edge of the second base body at the upper end
  • the third base body may be hollow inside, wherein a separate coaxial cable runs in the interior of the third base body as a coaxial feed line arrangement.
  • an insulated inner conductor can also be arranged coaxially inside the cylinder, which together with the cylinder forms the coaxial feed arrangement.
  • a preferred embodiment of the antenna arrangement according to the invention is characterized in that the first and second base bodies are each rotationally symmetrical about an axis and are arranged coaxially one behind the other with an overall height Hs such that the first base body forms the external shape of a truncated cone with an angle ⁇ complementary to the cone angle and a has minimum diameter de, and that the second base body has the outer shape of a ball portion with a ball diameter Dk, that the connecting means comprise a vertically standing on the base plate electrically conductive third base body, which merges at the upper end in the edge of the second base body and as a cylinder is formed with a circular cross-section and a cylinder diameter Dz that the cylinder with its axis from the axis of the truncated cone has a first distance dz that the truncated cone of the base plate has a second distance hs, and in that:
  • Fig. 1 in a side view an antenna arrangement with one of three
  • Fig. 2 shows a modified embodiment of that shown in Fig. 1
  • Fig. 3 is the diagram of the return loss over the frequency for a
  • Figure 4 is a partially cut-away perspective view of another embodiment of the invention with an additional GPS antenna and guided through the cylindrical body coaxial cable for feeding the GPS antenna.
  • Fig. 5 is an alternative to Fig. 4 embodiment in which the cylindrical base body is part of a coaxial line used for the power supply of the GPS antenna.
  • FIG. 1 shows in a side view an antenna arrangement with a radiating element composed of three basic bodies according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the antenna arrangement 10 comprises a weather protection hood (radome 12), an electrically conductive base plate 13 and a radiating element 11.
  • This radiating element 11 is composed of three base bodies 14, 15 and 16, namely a truncated cone 15, a ball section 14 and a cylinder 16.
  • the truncated cone 15 and the ball portion are arranged coaxially one above the other along a perpendicular to the base plate 13 axis first axis 33 and to this axis 33 rotationally symmetrical.
  • the cylinder 16 is also perpendicular to the base plate 13 with its axis 34. All base bodies 14, 15, 16 are galvanically connected to each other.
  • the surface of the radiating element 11 must be metallically conductive. Consequently, it may consist of solid metal or of a plastic base body with metallized surface.
  • the radiating element 11 is galvanically connected to the base plate 13 via the lower circular surface of the cylinder 16.
  • the antenna characteristic of the antenna arrangement 10 is decisively determined by the geometric dimensions of the individual base bodies 14, 15 and 16. These dimensions include the maximum or ball diameter Dk of the ball portion 14, the height Hs of the radiating element 11 above the base plate 13, the distance hs of the truncated cone 15 from the base plate 13, the diameter Dz of the cylinder 16, the distance dz of the two axes 33 and 34, the complementary angle ⁇ to the cone angle of the truncated cone 15 and the diameter at the narrow end of the truncated cone 15th
  • the radiating element 11 may be completely immersed in a dielectric such as e.g. Be embedded plastic or foam.
  • the cylindrical short 16 between the radiating element 11 and the base plate 13 can also be placed several times on the circumference of the ball portion 14. However, this limits the bandwidth of the antenna assembly 10.
  • the cross-sectional area of the short 16 does not necessarily have to be round either. A square, rectangular, elliptical or polygonal cross-sectional area of the main body 16 is also conceivable.
  • the maximum dimension across the bond line between cone axis 33 and cylinder axis 34 should be within the bandwidth for the diameter of the short.
  • the surfaces of ball portion 14, truncated cone 15 and cylinder 16 can also be approximated by flat surfaces.
  • the truncated cone 15 and the cylinder 16 can be replaced by prism stumps and the ball portion 14 by a pyramid in the extreme case. In principle, however, it should be noted that all deviations from the rotationally symmetric structures lead to a limitation of the broadband.
  • Exemplary dimensions of the antenna arrangement according to FIG. 1 are as follows: 35 ° ⁇ ⁇ 70 °
  • FIG. 2 shows a modified embodiment of the antenna arrangement shown in FIG. 1 with a construction height reduced by an additional roof capacity.
  • the antenna arrangement 20 of FIG. 2 has substantially the same structure as the antenna arrangement 10 of FIG. 1.
  • the difference consists in an additional disc 31 which is arranged on top of the ball section 14 within the total height (Hs) of the radiating element 11 ,
  • the disk 31 has a disk diameter Ds exceeding the ball diameter (Dk) and a disk thickness ts, where Ds ⁇ 0.2 ⁇ u and ts ⁇ 0.05 ⁇ u .
  • a further embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, is characterized in that a second antenna system, for example a GPS antenna, is additionally integrated into the antenna arrangement 30 or 30 '.
  • a radiating element 21 which comprises a spherical section 24 and a cylinder 26 is arranged above a base plate 23 as the first antenna system.
  • a recess 32 is inserted on the upper side, which receives the second antenna system 25, 27, which includes a GPS antenna 25 on a printed circuit board 27.
  • the feeding of the second antenna system 25, 27 takes place through the interior of the short-circuiting cylinder 26 of the first antenna system 21.
  • the RF power can be transmitted directly via a coaxial cable 28 laid in a bore in the short-circuiting cylinder 26. be brought to the second antenna system.
  • the bore, together with a centrally arranged inner conductor 29 itself becomes the coaxial line, the cylinder 26 acting as an outer conductor 22.
  • this solution has the advantage that the feed line 28 or 22, 29 for the patched second antenna system is an integral part of the lower first antenna system.
  • the attached system is almost completely decoupled from the lower system.
  • the patched second system can be sunk with the appropriate space so directly in the first system.
  • PCB printed circuit board

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  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

Eine Antennenanordnung (10) mit einer Breitband-Monopol-Antenne umfasst eine elektrisch leitende Grundplatte (13) und ein oberhalb der Grundplatte (13) angeordnetes strahlendes Element (11), welches einen von der Grundplatte (13) beabstandeten, senkrecht zur Grundplatte (13) orientierten und sich zur Grundplatte (13) hin verjüngenden ersten elektrisch leitenden Grundkörper (15) umfasst, der am unteren Ende einen Einspeisepunkt für die HF-Leistung aufweist, und welches einen zweiten elektrisch leitenden Grundkörper (14) umfasst, der sich nach oben zu an den ersten Grundkörper (15) erweiternd anschliesst. Verbesserte elektrische und Hf-Eigenschaften werden dadurch erreicht, dass Verbindungsmittel (16) vorhanden sind, welche den äusseren Rand des zweiten Grundkörpers (14) an wenigstens einer Stelle mit der Grundplatte (13) elektrisch leitend verbinden, und dass die Einspeisung der HF-Leistung über eine koaxiale Leiteranordnung (18, 19) erfolgt, deren Innenleiter (18) mit dem Einspeisepunkt des ersten Grundkörpers (15), und deren Aussenleiter (19) mit der Grundplatte (13) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

BESCHREIBUNG
ANTENNENANORDNUNG MIT EINER BREITBAND-MONOPOL-ANTENNE
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mobilfunkantennen. Sie betrifft eine Antennenanordnung mit einer Breitband-Monopol-Antenne gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1..
STAND DER TECHNIK
In den vergangenen zwei Jahrzehnten sind die Anwendungen der drahtlosen Kommunikationstechniken geradezu explosionsartig angestiegen. Dies hat heute dazu geführt, dass sowohl Sprach- als auch Datendienste in den unterschiedlichsten Frequenzbändern übertragen werden. Für die mobile
Sprachübertragung stehen im wesentlichen das 400-, 800-, 900-, 1800- und 1900- MHz-Band weltweit zur Verfügung. Mit der Einführung des UMTS-Standards (Universal Mobile Telecommunication System) wurde der Frequenzbereich bis auf 2170 MHz erweitert.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) nach dem IEEE- 802.16-Standard ist eine weiterführende WLAN-Technologie mit der es zukünftig möglich ist, bis zu einer Entfernung von 50 km einen drahtlosen Internetzugang zu gewährleisten. WiMAX kann in den Frequenzbereichen von 2,4, 3,5 und 5,6 GHz angewendet werden.
TETRA/Tetrapol (Terrestrial Trunked Radio) ist ein weiterer Standard für digitalen Mobilfunk. Er eignet sich besonders für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (Polizei, Feuerwehr, Zivilschutz, Sanität, Militär usw.), aber auch für Sicherheits-, Transport-, Produktion- und Energieversorgungs- Unternehmen. Die Luftschnittstelle arbeitet im Frequenzbereich von 380-470 MHz.
Um den Inhousebereich wie Geschäftshäuser, Flughäfen, Bahnhöfe, Tiefgaragen und Hotels effizient mit all diesen Diensten versorgen zu können, wäre ein ganzer Antennenwald nötig, wenn die Antennen ausschliesslich in den betreffenden Frequenzbändern arbeiten würden. Es besteht daher der allgemeine Wunsch, diesen Antennenwald möglichst zu minimieren.
Es ist also das Ziel, eine Antennenanordnung zu entwickeln, die möglichst den Frequenzbereich 380-6000 MHz abdeckt und für den Einsatz sowohl im Inhouse- als auch im Transportbereich (Bus, Bahn, Taxi, usw.) geeignet ist. Aus
Sicherheitsgründen müssen für den Einsatz im Transportbereich alle Metallteile der Antenne geerdet sein. Eine aufgrund ihrer Einfachheit und Kleinheit besonders geeignete Bauform ist die dabei eine Monopol-Antenne.
Aus der Druckschrift US-A-3,680,131 ist eine kompakte, omnidirektionale UHF- Antenne für Wasserfahrzeuge bekannt, die einen zylindrischen Monopol und einen konischen Dipol umfasst. Der zylindrische Monopol ist an den Aussenleiter eines Koaxialkabels angeschlossen, während der Innenleiter des Kabels mit der Spitze des konischen Dipols verbunden ist. Zwischen den beiden Antennenelementen ist ein Ring aus verlustarmem dielektrischen Material angeordnet, der zur mechanischen Stützung und als Abstandshalter dient und eine dielektrische Last darstellt. Die mit dieser Antenne erreichbare Mittenfrequenz beträgt etwa 1 GHz.
Aus der US-A-6, 023,245 ist eine Mehrbereichs-Antenne für Mobilfunk- und GPS- Anwendungen bekannt, bei der ein längliches strahlendes Element für den Mobilfunk und ein strahlendes Element für GPS miteinander kombiniert sind. Das strahlende Element für den Mobilfunk ist trichterförmig. Im aufgeweiteten oberen Abschnitt des Elements ist als GPS-Element eine Patchantenne angeordnet. Beide Elemente werden durch separate Speiseleitungen versorgt. Die Mobilfunkantenne arbeitet in einem Frequenzbereich zwischen 806 MHz und 1990 MHz.
Aus der EP-A2-1 189 305 ist eine niedrigbauende Antenne für Fahrzeuge bekannt, die einen konischen Monopol aus elektrisch leitendem Material umfasst, der in einen Block aus dielektrischem Material eingebettet ist. Der Monopol kann dabei als elektrisch leitende Beschichtung eines konischen Trichters im dielektrischen Material oder als massiver kegelförmiger Körper ausgebildet sein. Der Monopol ist an seiner Spitze über eine Einstellschaltung mit einer Speiseleitung verbunden. Neben dem Monopol kann eine Patchantenne für GPS angeordnet sein. Der Frequenzbereich der Monopolantenne liegt zwischen 900 MHz und 2,5 GHz.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kompakte, einfach aufgebaute und robuste Antennenanordnung mit einer Breitband-Monopol-Antenne zu schaffen, welche über bekannte Antennenanordnungen hinaus möglichst den Frequenzbereich 380-6000 MHz abdeckt und für den Einsatz sowohl im Inhouse- als auch im Transportbereich (Bus, Bahn, Taxi, usw.) geeignet ist. Aus Sicherheitsgründen sollen dabei für den Einsatz im Transportbereich alle Metallteile der Antenne geerdet sein.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht von einer Anordnung aus, die eine elektrisch leitende Grundplatte und ein oberhalb der Grundplatte angeordnetes strahlendes Element umfasst, welches einen von der Grundplatte beabstandeten, senkrecht zur Grundplatte orientierten und sich zur Grundplatte hin verjüngenden ersten elektrisch leitenden Grundkörper umfasst, der am unteren Ende einen Einspeisepunkt für die HF- Leistung aufweist, und welches einen zweiten elektrisch leitenden Grundkörper umfasst, der sich nach oben zu an den ersten Grundkörper erweiternd anschliesst. Bei dieser Anordnung werden zusätzlich Verbindungsmittel vorgesehen, welche den äusseren Rand des zweiten Grundkörpers an wenigstens einer Stelle mit der Grundplatte elektrisch leitend verbinden. Die Einspeisung der HF-Leistung erfolgt dabei über eine koaxiale Leiteranordnung, deren Innenleiter mit dem Einspeisepunkt des ersten Grundkörpers, und deren Aussenleiter mit der Grundplatte elektrisch leitend verbunden ist. Durch die strahlenden Elemente wird in allen Abstrahlungsrichtungen die hohe Bandbreite erreicht. Die
Verbindungsmittel stellen die Erdung aller Metallteile der Antenne sicher.
Eine Ausgestaltung der Antennenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Grundkörper jeweils um eine Achse rotationssymmetrisch ausgebildet sind, dass der erste und zweite Grundkörper koaxial hintereinander angeordnet sind, dass der erste Grundkörper die äussere Form eines Kegelstumpfes aufweist, und dass der zweite Grundkörper die äussere Form eines Kugelabschnitts aufweist.
Die Verbindungsmittel umfassen vorzugsweise einen senkrecht auf der
Grundplatte stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers übergeht, wobei der dritte Grundkörper mit Vorteil als Zylinder, insbesondere mit kreisförmigem Querschnitt, ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemässen Antennenanordnung kann zumindest einer oder mehrere der Grundkörper aus massivem Metall bestehen.
Es ist aber auch denkbar, dass einer oder mehrere der Grundkörper aus einem aus einem nichtleitenden Grundmaterial, insbesondere einem Kunststoff, mit metallisierter Oberfläche bestehen.
Die Koaxialleiteranordnung ist vorzugsweise als durch die Grundplatte hindurchreichender Koaxialverbinder ausgebildet.
Auch kann das strahlende Element in einen, insbesondere schaumförmigen, Kunststoff eingebettet sein.
Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist das strahlende Element vorzugsweise von einem mit der Grundplatte abschliessenden Radom umgeben.
Bevorzugt sind die Abmessungen des strahlenden Elements so gewählt, dass die Antennenanordnung bei einer Rückflussdämpfung von grösser 10 dB einen Frequenzbereich von 390 MHz bis 12,9 GHz überstreicht, wobei der maximale Durchmesser des zweiten Grundkörpers etwa 118 mm beträgt, und die maximale Höhe des strahlenden Elements etwa 74 mm beträgt.
Zur Verringerung der Bauhöhe durch eine zusätzliche Dachkapazität kann auf der Oberseite des zweiten Grundkörpers eine seitlich über den zweiten Grundkörper hinausreichende, elektrisch leitende Scheibe angeordnet sein.
Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemässen Antennenanordnung kann erweitert werden, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung auf der Oberseite des zweiten Grundkörpers ein zusätzliches Antennensystem integriert ist. Vorzugsweise ist das zusätzliche Antennensystem für den Einsatz im Zusammenhang mit GPS ausgelegt und umfasst eine GPS-Antenne, die in einer Vertiefung im zweiten Grundkörper untergebracht ist.
Gemäss einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die GPS-Antenne auf einer gedruckten Schaltungsplatte angeordnet, welche seitlich bis an die Verbindungsmittel heranreicht, und ist in den Verbindungsmitfeln eine koaxiale Zuleitungsanordnung für die GPS-Antenne integriert, welche an die gedruckte Schaltungsplatte angeschlossen ist.
Wenn die Verbindungsmittel einen senkrecht auf der Grundplatte stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper umfassen, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers übergeht, kann der dritte Grundkörper innen hohl sein, wobei im Inneren des dritten Grundkörpers als koaxiale Zuleitungsanordnung ein separates Koaxialkabel verläuft.
Alternativ dazu kann im Inneren des Zylinders aber auch koaxial ein isolierter Innenleiter angeordnet sein, welcher zusammen mit dem Zylinder die koaxiale Zuleitungsanordnung bildet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Antennenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Grundkörper jeweils um eine Achse rotationssymmetrisch ausgebildet und mit einer Gesamthöhe Hs koaxial hintereinander angeordnet sind, dass der erste Grundkörper die äussere Form eines Kegelstumpfes mit einem zum Kegelwinkel komplementären Winkel α und einem minimalen Durchmesser de aufweist, und dass der zweite Grundkörper die äussere Form eines Kugelabschnitts mit einem Kugeldurchmesser Dk aufweist, dass die Verbindungsmittel einen senkrecht auf der Grundplatte stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper umfassen, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers übergeht und als Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt und einem Zylinderdurchmesser Dz ausgebildet ist, dass der Zylinder mit seiner Achse von der Achse des Kegelstumpfes einen ersten Abstand dz aufweist, dass der Kegelstumpf von der Grundplatte einen zweiten Abstand hs aufweist, und dass gilt:
35° < α < 70°; 0,1λu < Dk < 0,2λu; 0,08λu <Hs < 0,2λu ; de < 0,2λo; hs < 2 mm; 0,025λu < Dz < 0,05λu; 0,45DKu < dz < 0,7DKu mit λu = c/fu fu ist die untere Grenzfrequenz der Antennenanordnung λ0 = c/f0 f0 ist die obere Grenzfrequenz der Antennenanordnung und c ist die Lichtgeschwindigkeit.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer Seitenansicht eine Antennenanordnung mit einem aus drei
Grundkörpern zusammengesetzten strahlenden Element gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten
Antennenanordnung mit einer durch eine zusätzliche Dachkapazität verringerten Bauhöhe;
Fig. 3 das Diagramm der Rückflussdämpfung über der Frequenz für eine
Antennenanordnung nach Fig. 2 mit spezifizierten Abmessungen;
Fig. 4 in einer teilweise geschnittenen perspektivischen Ansicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer zusätzlichen GPS-Antenne und einem durch den zylindrischen Grundkörper geführten Koaxialkabel zur Speisung der GPS-Antenne; und Fig. 5 eine zu Fig. 4 alternative Ausführungsform, bei welcher der zylindrische Grundkörper Teil einer für die Speisung der GPS- Antenne eingesetzten Koaxialleitung ist.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist in einer Seitenansicht eine Antennenanordnung mit einem aus drei Grundkörpern zusammengesetzten strahlenden Element gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
Die Antennenanordnung 10 umfasst ein Wetterschutzhaube (Radom 12), eine elektrisch leitende Grundplatte 13 und ein strahlendes Element 11. Dieses strahlende Element 11 setzt sich aus drei Grundkörpern 14, 15 und 16, nämlich einem Kegelstumpf 15, einem Kugelabschnitt 14 und einem Zylinder 16. Der Kegelstumpf 15 und der Kugelabschnitt sind koaxial übereinander entlang einer senkrecht auf der Grundplatte 13 stehenden Achse ersten Achse 33 angeordnet und zu dieser Achse 33 rotationssymmetrisch. Der Zylinder 16 steht mit seiner Achse 34 ebenfalls senkrecht auf der Grundplatte 13. Alle Grundkörper 14, 15, 16 sind galvanisch miteinander verbunden. Die Oberfläche des strahlenden Elements 11 muss metallisch leitend sein. Folglich kann es aus massivem Metall oder aus einem Kunststoffgrundkörper mit metallisierter Oberfläche bestehen. Das strahlende Element 11 ist über die untere Kreisfläche des Zylinders 16 galvanisch mit der Grundplatte 13 verbunden.
Die Antennencharakteristik der Antennenanordnung 10 ist massgeblich durch die geometrischen Abmessungen der einzelnen Grundkörper 14, 15 und 16 bestimmt. Zu diesen Abmessungen gehört der maximale oder Kugeldurchmesser Dk des Kugelabschnitts 14, die Höhe Hs des strahlenden Elements 11 über der Grundplatte 13, der Abstand hs des Kegelstumpfes 15 von der Grundplatte 13, der Durchmesser Dz des Zylinders 16, der Abstand dz der beiden Achsen 33 und 34, der Komplementärwinkel α zum Kegelwinkel des Kegelstumpfes 15 und der Durchmesser am schmalen Ende des Kegelstumpfes 15.
Die Hf-Speisung des strahlenden Elements 11 erfolgt über einen von unterhalb der Grundplatte 13 zugänglichen Koaxialverbinder 17, dessen Innenleiter 18 mit dem Kegelstumpf 15, und dessen Aussenleiter 19 mit der Grundplatte 13 elektrisch leitend verbunden ist.
Das strahlende Element 11 kann komplett in einem Dielektrikum wie z.B. Kunststoff bzw. Schaum eingebettet sein. Der zylindrische Kurzschluss 16 zwischen dem strahlenden Element 11 und der Grundplatte 13 kann auch mehrfach am Umfang des Kugelabschnitts 14 platziert werden. Dies schränkt jedoch die Breitbandigkeit der Antennenanordnung 10 ein. Die Querschnittfläche des Kurzschlusses 16 muss auch nicht unbedingt rund sein. Eine quadratische, rechteckige, elliptische oder aus Polygonen gebildete Querschnittsfläche des Grundkörpers 16 ist ebenfalls denkbar. Die maximale Abmessung quer zur Verbindungslinie zwischen Kegelachse 33 und Zylinderachse 34 sollte innerhalb der Bandbreite für den Durchmesser des Kurzschlusses liegen.
Die Oberflächen von Kugelabschnitt 14, Kegelstumpf 15 und Zylinder 16 können ebenfalls durch ebene Flächen angenähert werden. Der Kegelstumpf 15 und der Zylinder 16 können im Extremfall durch Prismenstümpfe und der Kugelabschnitt 14 durch eine Pyramide ersetzt werden. Grundsätzlich ist jedoch festzustellen, dass alle Abweichungen von den rotationssymmetrischen Strukturen zu einer Einschränkung der Breitbandigkeit führen.
Beispielhafte Abmessungen der Antennenanordnung nach Fig. 1 sind wie folgt: 35° < α < 70°
0,1λu < Dk < 0,2λu 0,08λu <Hs < 0,2λu de < 0,2λ0 hs < 2 mm
0,025λu < Dz < 0,05λu
0,45Dk < dz < 0,7Dk mit λu = c/fu fu ist die untere Grenzfrequenz der Antennenanordnung λo = c/fo fo ist die obere Grenzfrequenz der Antennenanordnung und c ist die Lichtgeschwindigkeit.
In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Antennenanordnung mit einer durch eine zusätzliche Dachkapazität verringerten Bauhöhe wiedergegeben. Die Antennenanordnung 20 der Fig. 2 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Antennenanordnung 10 aus Fig. 1. Der Unterschied besteht in einer zusätzlichen Scheibe 31 , die innerhalb der Gesamthöhe (Hs) des strahlenden Elements 1 1 oben auf dem Kugelabschnitt 14 angeordnet ist. Die Scheibe 31 hat einen über den Kugeldurchmesser (Dk) hinausgehenden Scheibendurchmesser Ds und eine Scheibendicke ts, wobei gilt: Ds < 0,2λu und ts < 0,05λu.
Mit der folgenden Wahl der verschiedenen Abmessungen: . α = 42°
. Dk = 1 18 mm Hs = 74 mm de = 3 mm hs = 0.5 mm Dz = 25 mm dz = 60 mm Ds = 135 mm ts = 21 mm ergibt sich ein Verlauf der Rückflussdämpfung RL über der Frequenz f, wie er im Diagramm der-Fig. 3 dargestellt ist. Der resultierende Anpassungsverlauf für eine derartig dimensionierte Antennenanordnung deckt den Frequenzbereich 390 MHz-12,9 GHz mit einem Return Loss RL > 10 dB ab, wobei der Punkt 1 auf der Kurve einem RL von -10,884 bei einer Frequenz von 390 MHz, und der Punkt 2 einem RL von -10,737 bei einer Frequenz von 12,855 GHz entspricht.
Eine weitere Ausführungsform, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Antennensystem, beispielsweise eine GPS- Aπtenne, zusätzlich in die Antennenanordnung 30 bzw. 30' integriert wird. Auch hier ist oberhalb einer Grundplatte 23 als erstes Antennensystem ein strahlendes Element 21 angeordnet, welches einen Kugelabschnitt 24 und einen Zylinder 26 umfasst. In den Kugelabschnitt 24 ist auf der Oberseite eine Vertiefung 32 eingelassen, die das zweite Antennensystem 25, 27 aufnimmt, welches eine GPS- Antenne 25 auf einer gedruckten Schaltungsplatte 27 umfasst.
Die Speisung des zweiten Antennensystems 25, 27 erfolgt durch das Innere des Kurzschlusszylinders 26 des ersten Antennensystems 21. In einer ersten Variante (Fig. 4) kann die Hf-Leistung direkt über ein Koaxialkabel 28, das in einer Bohrung im Kurzschlusszylinder 26 verlegt ist, zum zweiten Antennensystem gebracht werden. In einer zweiten Variante (Fig. 5) wird die Bohrung zusammen mit einem zentrisch angeordneten Innenleiter 29 selber zur Koaxialleitung, wobei der Zylinder 26 als Aussenleiter 22 wirkt. Im Vergleich zum Stand der Technik, wie er in der eingangs genannten Druckschrift US-A-6,023,245 offenbart ist, hat diese Lösung den Vorteil, dass die Speiseleitung 28 bzw. 22, 29 für das aufgesetzte zweite Antennensystem integraler Bestandteil des unteren ersten Antennensystems ist. Damit ist das aufgesetzte System nahezu vollständig vom unteren System entkoppelt. Das aufgesetzte zweite System kann bei entsprechendem Platz so direkt im ersten System versenkt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10,20 Antennenanordnung
11 strahlendes Element
12 Radom
13 Grundplatte 14 Kugelabschnitt
15 Kegelstumpf
16 Zylinder
17 Koaxialverbinder
18 In.nenleiter (Koaxialverbinder)
19 Aussenleiter (Koaxialverbinder)
21 strahlendes Element
22 Aussenleiter
23 Grundplatte
24 Kugelabschnitt
25 GPS-Antenne
26 Zylinder
27 gedruckte Schaltungsplatte (PCB)
28 Koaxialkabel
29 Innenleiter
30,30' Antennenanordnung
31 Scheibe
32 Vertiefung
33,34 Achse
RL Rückflussdämpfung (return loss)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Antennenanordnung (10, 20, 30, 30') mit einer Breitband-Monopol- Antenne, umfassend eine elektrisch leitende Grundplatte (13, 23) und ein oberhalb der Grundplatte (13, 23) angeordnetes strahlendes Element (11 , 21 ), welches einen von der Grundplatte (13, 23) beabstandeten, senkrecht zur Grundplatte (13, 23) orientierten und sich zur Grundplatte (13, 23) hin verjüngenden ersten elektrisch leitenden Grundkörper (15) umfasst, der am unteren Ende einen Einspeisepunkt für die HF-Leistung aufweist, und welches einen zweiten elektrisch leitenden Grundkörper (14, 24) umfasst, der sich nach oben zu an den ersten Grundkörper (15) erweiternd anschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel (16, 26) vorhanden sind, welche den äusseren Rand des zweiten Grundkörpers (14, 24) an wenigstens einer Stelle mit der Grundplatte (13, 23) elektrisch leitend verbinden, und dass die Einspeisung der HF-Leistung über eine koaxiale Leiteranordnung (18, 19) erfolgt, deren Innenleiter (18) mit dem Einspeisepunkt des ersten Grundkörpers (15), und deren Aussenleiter (19) mit der Grundplatte (13, 23) elektrisch leitend verbunden ist.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Grundkörper (15 bzw. 14, 24) jeweils um eine Achse (33) rotationssymmetrisch ausgebildet sind, und dass der erste und zweite Grundkörper (15 bzw. 14, 24) koaxial hintereinander angeordnet sind.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grundkörper die äussere Form eines Kegelstumpfes (15) aufweist, und dass der zweite Grundkörper die äussere Form eines Kugelabschnitts (14, 24) aufweist.
4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel einen senkrecht auf der Grundplatte (13, 23) stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper (16, 26) umfassen, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers (14, 24) übergeht.
5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Grundkörper als Zylinder (16, 26), insbesondere mit kreisförmigem
Querschnitt, ausgebildet ist.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein oder mehrere Grundkörper (14, 15, 16, 24, 26) aus massivem Metall bestehen.
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Grundkörper (14, 15, 16, 24, 26) aus Kunststoff mit metallisierter Oberfläche bestehen.
8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koaxialleiteranordnung (18, 19) als durch die Grundplatte (13, 23) hindurchreichender Koaxialverbinder (17) ausgebildet ist.
9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlende Element (11 , 21 ) in einen, insbesondere schaumförmigen, Kunststoff eingebettet ist.
10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlende Element (11 , 21 ) von einem mit der
Grundplatte (13, 23) abschliessenden Radom (12) umgeben ist.
11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des strahlenden Elements (11 , 21 ) so gewählt sind, dass die Antennenanordnung (10, 20, 30, 30') bei einer
Rückflussdämpfung von grösser 10 dB einen Frequenzbereich von 390 MHz bis 12,9 GHz überstreicht.
12. Antennenanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser (Dk) des zweiten Grundkörpers (14, 24) etwa 118 mm beträgt, und dass die maximale Höhe (Hs) des strahlenden Elements (11 , 21 ) etwa 74 mm beträgt.
13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des zweiten Grundkörpers (14, 24) eine seitlich über den zweiten Grundkörper (14, 24) hinausreichende, elektrisch leitende Scheibe (31 ) angeordnet ist.
14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des zweiten Grundkörpers (14, 24) ein zusätzliches Antennensystem (25, 27, 28, 29) integriert ist.
15. Antennenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Antennensystem (25, 27, 28, 29) für den Einsatz im Zusammenhang mit GPS ausgelegt ist, dass das zusätzliche Antennensystem (25, 27, 28, 29) eine GPS-Antenne (25) umfasst, und dass die GPS-Antenne (25) in einer Vertiefung (32) im zweiten Grundkörper (14, 24) untergebracht ist.
16. Antennenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die GPS-Antenne (25) auf einer gedruckten Schaltungsplatte (27) angeordnet ist, welche seitlich bis an die Verbindungsmittel (26) heranreicht, und dass in den Verbindungsmitteln (26) eine koaxiale Zuleitungsanordnung (28, 22, 29) für die GPS-Antenne (25) integriert ist, welche an die gedruckte Schaltungsplatte (27) angeschlossen ist.
17. Antennenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel einen senkrecht auf der Grundplatte (13, 23) stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper (26) umfassen, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers (24) übergeht, dass der dritte Grundkörper (26) innen hohl ist, und dass im Inneren des dritten Grundkörpers (26) als koaxiale Zuleitungsanordnung ein separates Koaxialkabel (28) verläuft.
18. Antennenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel einen senkrecht auf der Grundplatte (13, 23) stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper in Form eines Zylinders (26) umfassen, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers (24) übergeht, dass der Zylinder (26) innen hohl ist, und dass im Inneren des Zylinders (26) koaxial ein isolierter Innenleiter (29) angeordnet ist, welcher zusammen mit dem Zylinder (26) die koaxiale Zuleitungsanordnung bildet.
19. Antennenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Grundkörper (15 bzw. 14, 24) jeweils um eine Achse (33) rotationssymmetrisch ausgebildet und mit einer Gesamthöhe Hs koaxial hintereinander angeordnet sind, dass der erste Grundkörper die äussere Form eines Kegelstumpfes (15) mit einem zum Kegelwinkel komplementären Winkel α und einem minimalen Durchmesser de aufweist, und dass der zweite Grundkörper die äussere Form eines Kugelabschnitts (14, 24) mit einem Kugeldurchmesser Dk aufweist, dass die Verbindungsmittel einen senkrecht auf der Grundplatte (13, 23) stehenden elektrisch leitenden dritten Grundkörper (16, 26) umfassen, welcher am oberen Ende in den Rand des zweiten Grundkörpers (14, 24) übergeht und als Zylinder (16, 26) mit kreisförmigem Querschnitt und einem Zylinderdurchmesser Dz ausgebildet ist, dass der Zylinder (16, 26) mit seiner Achse (34) von der Achse (33) des Kegelstumpfes (15) einen ersten Abstand dz aufweist, dass der Kegelstύmpf (15) von der Grundplatte (13) einen zweiten Abstand hs aufweist, und dass gilt:
35° < α < 70°; 0,1λu < Dk < 0,2λu; 0,08λu <Hs < 0,2λu ; de < 0,2λo; hs < 2 mm; 0,025λu < Dz < 0,05λu; 0,45D«u < dz < 0,7DKU mit λu = c/fu fu ist die untere Grenzfrequenz der Antennenanordnung λ0 = c/f0 fo ist die obere Grenzfrequenz der Antennenanordnung und c ist die Lichtgeschwindigkeit.
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