DE19857191A1 - Halfloop-Antenne - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halfloop-Antenne mit einem Antennenbügel, der über einer Grundebene angeordnet ist, wobei der Antennenbügel eine Fläche bildet, deren äußerer Rand eine konvexe geschlossene Kurve bildet, d. h. nach außen gekrümmt ist. Vorzugsweise hat die Abwicklung des Leiterbügels die Form einer an ihren Enden spitz zulaufenden Ellipse und an der Einspeisestelle des Leiterbügels kann eine Induktivität eingefügt werden, die als Feder ausgebildeet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halfloop-Antenne, insbesondere eine Halfloop-Antenne zur Verwendung an einem Kraftfahrzeug.

Die aus der Literatur bekannte Halfloop-Antenne besteht aus einem halbkreisförmig über eine Grundplatte (groundplane) geführten metallischen Leiter- oder Antennenbügel, wie dies beispielhaft in der Fig. 5 dargestellt ist. Die Wirkungsweise der bekannten Halfloop-Antenne entspricht der eines Faltmono­ pols. Ferner ist ihr Strahlungsdiagramm in der vertikalen und der horizontalen Ebene näherungsweise das eines Monopols, bei­ spielsweise eines λ/4-Strahlers. Eine auf eine Resonanzlänge von λ/2 ausgelegte Halfloop-Antenne besitzt eine Bauhöhe von 83% eines λ/4-Strahlers. Speist man die eine Seite des Leiter­ bügels und kontaktiert die andere Seite mit der Grundplatte oder Masseebene, so weist die Antenne bei ihrer Resonanzfre­ quenz eine Impedanz oberhalb von 100 Ω auf. Ferner bewirkt die Erhöhung der Kapazität einer Antenne ein im Frequenzband breit­ bandigeres Abstrahlverhalten. Ferner kann die Erhöhung der Ka­ pazität einer Antenne wirksam durch die Vergrößerung ihrer Di­ mension in ihrem Spannungsmaximum erreicht werden. Eine λ/2 Halfloop-Antenne hat ihr Spannungsmaximum auf der halben Anten­ nenlänge, also in dem höchsten Punkt des Leiterbügels über der Masseebene.

Aus der EP-0 684 661 ist eine Antenneneinheit bekannt, die ein Substrat und einen auf dem Substrat befestigten Strahler aufweist, dessen strahlender Teil eine flache Platte ist, die parallel zum Substrat angeordnet ist. Der strahlende Teil weist einen Zuführanschluß und einen Erdanschluß auf.

Ferner ist aus der DE 195 14 556 eine Flachantennen-Anord­ nung für Frequenzen im GHz-Bereich bekannt, die aus einer An­ tenne für satellitengestützte Fahrzeugnavigation (GPS) und min­ destens einer Antenne für Mobilfunk besteht, die in einem ge­ meinsamen Gehäuse auf einer leitenden Fläche größerer Ausdeh­ nung, insbesondere auf einer Fahrzeugkarosserie, angeordnet sind. Dabei ist die GPS-Antenne vorzugsweise als Streifenlei­ terantenne mit Querstrahlung ausgebildet, besteht aus einer Platte aus einem dielektrischen Material, die auf einer Seite, als Massefläche, durchgängig metallisiert und auf der anderen Seite, in Strahlungsrichtung, mit einer partiellen Metallisie­ rung versehen ist, und wobei die Mobilfunk-Antenne Rundumcha­ rakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm hat und die große leitende Fläche für diese Antenne als Massebezugsfläche verwendet wird.

Nachteilig bei den bekannten Flachantennen ist ihr notwen­ diger Flächenbedarf, insbesondere bei der Verwendung an Kraft­ fahrzeugen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halfloop-Antenne zu entwickeln, die insbesondere im Kfz-Bereich für den Mobilfunk eingesetzt werden kann, wobei unter Beibehal­ tung einer guten Antennencharakteristik eine möglichst kompakte und kleinflächige Bauform erzielt wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer erfindungsgemäßen Halfloop-Antenne mit einem me­ tallischen Antennenbügel, der gegenüber einer als Masse ausge­ legten Grundebene angeordnet und der Antennbügel auf der einen Seite mit der Grundebene verbunden ist und auf der anderen Seite das Antennensignal aufweist, wird der Antennenbügel durch eine Fläche gebildet, deren äußerer Rand eine konvexe Kurve bildet, d. h. nach außen gewölbt ist.

Vorzugsweise ist die Fläche des Antennenbügels zur Grund­ ebene entweder parallel oder nach außen gewölbt angeordnet. Ferner kann die Fläche des Antennenbügels auch schräg zur Grundfläche angeordnet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Abwicklung des Antennenbügels die Form einer an ihren Enden spitz zulau­ fenden Ellipse.

Um die Bauhöhe der Antenne weiter zu verringern, ist an der Antennensignalseite des Antennenbügels eine Induktivität eingefügt. Ferner kann die Verbindung zwischen dem Antennenbü­ gel und der Grundebene durch eine weitere Induktivität erfol­ gen.

Vorzugsweise weist der flächige Antennenbügel an seiner Außenseite ein Dielektrikum auf. Ferner kann die Antenne durch einen Radom geschützt sein, wobei das Radom als Dielektrum ein­ gesetzt werden kann.

Vorzugsweise sind die Induktivität bzw. die Induktivitäten als Feder ausgebildet, deren Rückstellkraft die metallische Fläche des Antennenbügels oder Teile davon gegen das Radom drückt.

Der metallische Antennenbügel kann auch als metallische Fläche auf der Innenseite des Radoms aufgebracht sein.

Ferner kann die Antennenfläche der Halfloop-Antenne als Skelettantenne realisiert sein, wobei die Fläche des Antennen­ bügels durch einen dünnen metallischen Leiter gebildet wird, der den äußeren Rand der Antennenfläche bildet.

Vorteilhafterweise wird durch die Ausgestaltung des Anten­ nenbügels als Fläche mit konvexem Rand eine Erhöhung der Kapa­ zität der Antenne bei kleinster Grundfläche bewirkt, wodurch ein im Frequenzband breitbandigeres Abstrahlverhalten erzielt wird. Ferner kann durch die Erhöhung der Eigenkapazität der An­ tenne die Impedanz bei der Resonanz bzw. Betriebsfrequenz zu niedrigeren Werten, wie beispielsweise 50 Ω, verschoben wer­ den. Vorteilhafterweise werden weder das horizontale noch das vertikale Strahlungsdiagramm durch die gewählte Geometrie be­ einflußt bzw. nur in geringem Maße beeinflußt. Durch die Erhö­ hung der Kapazität bietet sich die Möglichkeit einer Verkürzung der mechanischen Länge des Leiterbügels, so daß bei einer ent­ sprechenden Verkürzung der mechanischen Länge des Leiterbügels sich die Bauhöhe auf 50% eines λ/4-Strahlers verringert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol­ gend anhand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Halfloop-Antenne,

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Halfloop-Antenne,

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Halfloop-Antenne,

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Halfloop-Antenne, und

Fig. 5 zeigt eine bekannte Halfloop-Antenne.

Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Halfloop-Antenne, bestehend aus einem flächigen metalli­ schen Antennenbügel 1, der oberhalb einer Grundebene 2 angeord­ net ist, wobei der Antennenbügel 1 am Punkt 3 seine Einspei­ sung, d. h. das Antennensignal, aufweist, während die andere Seite im Punkt 4 die Grundebene 2 kontaktiert. In der bevorzug­ ten Ausführungsform hat die Fläche 5 des Antennenbügels 1 bei der Abwicklung die Form einer an ihren Enden spitz zulaufenden Ellipse. Allgemein ist der die Antennenfläche 5 begrenzende Rand 6 eine konkave, d. h. nach außen gewölbte, geschlossenen Kurve. Durch die flächige Ausgestaltung wird eine Erhöhung der Kapazität der Antenne bewirkt, so daß ein im Frequenzband breitbandigeres Abstrahlverhalten erzielt wird. Ferner kann durch die Erhöhung der Eigenkapazität die Impedanz der Antenne bei der Resonanz- bzw. Betriebsfrequenz zu niedrigeren Werten, beispielsweise 50 Ω, verschoben werden, wobei jedoch das hori­ zontale wie vertikale Strahlungsdiagramm von der flächigen, im vorliegenden Fall gekrümmten Geometrie nicht oder nur in gerin­ gem Maß beeinflußt wird.

Ferner bietet die Erhöhung der Kapazität die Möglichkeit einer Verkürzung der mechanischen Länge des Leiterbügels. Bei­ spielsweise reduziert sich bei einer entsprechenden Verkürzung der mechanischen Länge des Leiterbügels die Bauhöhe auf ca. 50% eines λ/4-Strahlers.

Ferner weist die mit der flächigen Geometrie ausgestattete Antenne gegenüber den aus der Literatur bekannten Halfloop-An­ tennen eine an die Sendequelle bzw. an den Empfänger angepaßte Impedanz, eine höhere Bandbreite sowie eine geringere Bauhöhe bei einem unveränderten Strahlungsdiagramm auf. Die Antennen­ geometrieverbreiterung entspricht in ihrer Wirkung der Kopfka­ pazität bei einem λ/4-Strahler.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Halfloop-An­ tenne. Um die mechanische Länge des Antennenbügels 1 zu verkür­ zen, kann eine Induktivität 7, d. h. Verlängerungsspule, in den Antennenbügel 1 eingefügt werden. In der dargestellten zweiten Ausführungsform wird die Verlängerungsspule 7 am Einspeisepunkt 3 eingefügt. Dadurch ergibt sich als Form des Antennenbügels 1 in der Abwicklung eine Ellipse, die nur an einem Ende spitz zu­ läuft. Ferner verläuft die Fläche 5 des Antennenbügels 1 im we­ sentlichen schräg (am Massepunkt 4 betrachte) bis parallel (in der Figur am hinteren Rand der Fläche 6 betrachtet) zur Grund­ ebene 1. Da die λ/2 Halfloop-Antenne ihr Strommaxima an den Leiterbügelenden, d. h. am Einspeisepunkt 3 und am Kontaktpunkt 4 zur Masseplatte 2 hat, so entfaltet sie dort ihre größte Wir­ kung. Durch die Einfügung der Verlängerungsspule 7 an der Ein­ speisestelle 3 des Antennenbügels 1 bleibt als Strahler nur das durch die Verkürzung verbleibende Restsegment, d. h. die Fläche 5, des Leiterbügels 1 erhalten. Damit ist eine weitere Verrin­ gerung der Bauhöhe auf 30% eines λ/4-Strahlers sowie eine Ver­ kürzung der Baulänge möglich. Das entspricht einer Bauhöhe von 0,08 λ. Da durch die Kopfkapazität die Bandbreite des Strahlers vorher erheblich vergrößert wurde, kann die durch die Verlänge­ rungsspule eingetretene Bandbreitenverringerung in Kauf genom­ men werden. Zusätzlich weist die von dieser Antenne gemäß der zweiten Ausführungsform abgestrahlte Leistung im Nutzfrequenz­ band gegenüber der eines λ/4-Strahlers keine deutlichen Einbu­ ßen auf.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Halfloop-Antenne, bei der eine weitere Verlängerungsspule 8 (Induktivität) in den Antennenbügel 1 eingefügt ist. Die wei­ tere Verlängerungsspule 8 ist an der die mit der Grundebene 2 kontaktierenden Stelle 4 des Antennenbügels 1 eingefügt und verteilt die Gesamtinduktivität auf die beiden Verlänge­ rungsspulen an den Leiterbügelenden, wodurch man einen Strahler erhält, der so ausgebildet ist, daß er eine metallische Fläche 5 größerer Ausdehnung über der Grundebene 2 (Masseplatte) mit einem gewissen Abstand von dieser besitzt.

Bei Verwendung einer Antenne im mobilen Einsatz ist es sinnvoll, diese mit einem Radom zum Schutz gegen Wetterein­ flüsse zu schützen.

Ferner kann am wirksamsten die Erhöhung der Antennenkapa­ zität durch die Vergrößerung ihrer Dimension in ihrem Span­ nungsmaximum bzw. durch die Belegung mit einem Dielektrikum an dieser Stelle erreicht werden. Daher können die Antennen gemäß den drei Ausführungsformen an ihrer Oberseite mit einem Dielek­ trikum belegt werden, um die Antennenkapazität zu erhöhen.

Bei einer Antenne entsprechend den obigen Ausführungsfor­ men kann somit die Wirkung eines Radoms als Dielektrum optimal ausgenutzt werden. Um ferner die Bauhöhe der Antenne möglichst niedrig zu halten, ist man bestrebt, den Abstand zwischen An­ tenne und Radom zu minimieren. Liegt nun die metallische Fläche des Antennenbügels direkt am Radom an, so kann durch die Wir­ kung des Radoms als Dielektrikum die Bügelfläche und somit Bau­ länge und -breite weiter verringert werden. Zudem wird eine un­ definierte Verstimmung der Antenne verhindert, die durch einen unterschiedlichen Abstand des Radoms zur metallischen Fläche des Leiterbügels aufgrund von Fertigungstoleranzen entstehen kann.

Für alle obigen drei Ausführungsformen ist daher eine Aus­ führung fertigungstechnisch günstig, bei der die metallische Fläche des Antennenbügels oder Teile davon direkt auf der In­ nenseite des Radoms befestigt oder im bevorzugten Falle aufge­ dampft werden, und dann mit dem Rest des Antennenbügels 1 kon­ taktiert werden.

Ferner ist es möglich, die Verlängerungsspulen 7, 8 ent­ sprechend der zweiten oder dritten Ausführungsform so auszubil­ den, daß sie als Feder funktionieren, deren Rückstellkraft die metallische Fläche des Antennenbügels 1 oder Teile davon gegen das Radom drückt.

Fig. 4 zeigt einen weitere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Halfloop-Antenne, bei der die Kopfkapazität bzw. Ver­ längerungsspule in Form einer Skelettantenne ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die metallische Fläche 5 des Antennenbügels 1 wird durch einen dünnen metallischen Leiter 9 ersetzt, der den äußeren Rand 6 der Fläche 5 darstellt. Hier ist bildlich eine Skelettantenne entsprechend der zweiten Ausführungsform dargestellt. Vorteilhafterweise besteht bei einer derartigen Antenne die Möglichkeit, unter der Halfloop-Antenne zusätzliche Antennen, beispielsweise eine GPS-Patchantenne, anzuordnen.

Die Antennen gemäß der bevorzugten Ausführungsformen wei­ sen sowohl in der Seitenansicht als in der Draufsicht ein spitz zulaufendes Profil auf, welches aerodynamisch günstige Eigen­ schaften hat. Bei Verwendung von zwei Verlängerungsspulen, de­ ren Induktivität man unsymmetrisch verteilt, kann man den An­ stiegswinkel des seitlichen Profils bestimmen bzw. die Form des Profils selbst verändern. Damit ist sowohl ein gerade anstei­ gendes wie auch ein mit einer Krümmung ansteigendes Profil rea­ lisierbar. Paßt man ferner den Radom dieser doppelten Keilform an, so weist die gesamte Antenne aufgrund ihrer guten aerodyna­ mischen Eigenschaften eine hervorragende Eignung zum mobilen Einsatz auf Fahrzeugen auf, vorzugsweise bei einer Einbauposi­ tion auf dem Fahrzeugdach oder der Kofferraumklappe. Neben ih­ rer guten aerodynamischen Eigenschaften eignet sich die Antenne auch als On-Glas-Antenne, da sie bei Einbaupositionen an der Oberkante der Front- oder Heckscheibe durch ihre keilförmige Formgebung einen fließenden Übergang zur Karosserie bildet.

Das Einsatzgebiet der oben beschriebenen Flachantennen liegt unter anderem beim Senden und Empfangen von Signalen im GSM-Band. Ist eine Stabantenne für Radioempfang, in die sich eine weitere Antenne zum Senden und Empfangen von Signalen im GSM-Band integrieren ließe, nicht vorhanden oder steht nicht zur Verfügung, beispielsweise, weil sie in Form einer Heck­ scheibenantenne realisiert wurde, besteht die Möglichkeit, eine derartige GSM-Antenne separat zu installieren. Vorzugsweise werden derartige Flachantennen dort installiert, wo Antennen in die Fahrzeuggeometrie integriert werden sollen. Des weiteren kann eine Bestrahlung der Insassen bei einer Antenne mit Rund­ strahlcharakteristik minimiert werden, wenn diese sich in einer Einbauposition auf oder direkt am Fahrzeugdach befindet.

Durch eine entsprechende Dimensionierung der Antenne ist diese auch zum Senden oder Empfangen vertikal polarisierter elektromagnetischer Wellen in anderen Frequenzbändern, bei­ spielsweise im E-Netz, zu verwenden.

Claims (13)

1. Halfloop-Antenne mit einem metallischen Antennenbügel (1), der gegenüber einer als Masse ausgelegten Grundebene (2) ange­ ordnet ist, wobei der Antennbügel(1) auf der einen Seite (4) mit der Grundebene (2) verbunden ist und auf der anderen Seite (3) die Verbindung zum Antennensignal aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antennenbügel (1) durch eine Fläche (5) ge­ bildet wird, deren äußerer Rand (6) eine konvexe Kurve bildet, d. h. nach außen gewölbt ist.

2. Halfloop-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (5) des Antennenbügels (1) zur Grundebene (2) nach außen gewölbt angeordnet ist.

3. Halfloop-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (5) des Antennenbügels (1) zur Grundebene (2) schräg oder parallel angeordnet ist.

4. Halfloop-Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (5) des Antennenbügels (1) zur Grundebene (2) schräg bis parallel angeordnet ist.

5. Halfloop-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abwicklung des Antennenbügels (1) die Form einer an ihren Enden spitz zulaufenden Ellipse hat.

6. Halfloop-Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Antennensignalseite (3) des Antennenbügels (1) eine Induktivität (7) eingefügt wird.

7. Halfloop-Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Antennenbügel (1) und der Grundebene (2) durch eine weitere Induktivität (8) erfolgt.

8. Halfloop-Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Antennenbügel (1) an seiner Außenseite ein Dielektrikum aufweist.

9. Halfloop-Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne einen Radom aufweist.

10. Halfloop-Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Radom als Dielektrum wirkt.

11. Halfloop-Antenne nach einem der Ansprüche 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Induktivität (7) bzw. die Induk­ tivitäten (7, 8) als Feder ausgebildet sind, deren Rückstell­ kraft die metallische Fläche (5) des Antennenbügels (1) oder Teile davon gegen das Radom drückt.

12. Halfloop-Antenne nach einem der Ansprüche 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der metallische Antennenbügel (1) als metallische Fläche (5) auf der Innenseite des Radoms aufge­ bracht ist.

13. Halfloop-Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenfläche (5) als Skelett­ antenne realisiert ist, wobei die Fläche (5) des Antennenbügels (1) durch einen dünnen metallischen Leiter (9) gebildet wird, der den äußeren Rand (6) der Fläche (5) bildet.