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DE20301187U1 - Dual band antenna has patch and monopole in printed circuit construction - Google Patents

Dual band antenna has patch and monopole in printed circuit construction

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DE20301187U1
DE20301187U1 DE20301187U DE20301187U DE20301187U1 DE 20301187 U1 DE20301187 U1 DE 20301187U1 DE 20301187 U DE20301187 U DE 20301187U DE 20301187 U DE20301187 U DE 20301187U DE 20301187 U1 DE20301187 U1 DE 20301187U1
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conductor
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vertical
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Delphi Technologies Inc
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Fuba Automotive GmbH and Co KG
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Abstract

An dual band antenna has a low frequency patch with edge linked (3) ground plane (1) and patch radiator (2) fed from a coaxial cable (5) inner (4) by a feed plate (6) also incorporating a higher frequency capacitively coupled top loaded (9) vertical monopole (8).

Description

.1..1.

AntennenanordnungAntenna arrangement

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für Kraftfahrzeuge für den Betrieb in zwei Mobilfunkfrequenzen. Die Anordnung eignet sich für Antennen des GHz-Bereichs, z.B. für die Dienste des 900 MHz- und des 1,8 GHz-Bereichs.The invention relates to an antenna arrangement for motor vehicles for operation in two mobile radio frequencies. The arrangement is suitable for antennas in the GHz range, e.g. for services in the 900 MHz and 1.8 GHz ranges.

Die Erfindung geht aus von einer Flachantenne - auch bekannt als L- bzw. U-Antenne. Die Antenne besteht aus zwei mit geringem Abstand übereinanderliegenden, elektrisch leitenden Flächen, die in einem Randbereich in elektrischem Kurzschluß miteinander verbunden sind. Die Antenne wird über einen Leiterabschnitt gespeist, der innerhalb des Raums zwischen den beiden Flächen von der Grundfläche (gleichzeitig Massebezugsfläche) zu einem Anschlußpunkt in der Deckfläche reicht. Das Speisekabel ist mit seinem Außenleiter an die Grundfläche angeschlossen und innenleiterseitig mit dem besagten Leiterabschnitt verbunden - oder der Innenleiter des Kabels selbst wird nackt bis zu dem Anschlußpunkt in der Deckfläche geführt.The invention is based on a flat antenna - also known as an L or U antenna. The antenna consists of two electrically conductive surfaces that are placed one above the other at a short distance and are connected to one another in an electrical short circuit at an edge area. The antenna is fed via a conductor section that extends within the space between the two surfaces from the base surface (which is also the ground reference surface) to a connection point in the cover surface. The feed cable is connected to the base surface with its outer conductor and is connected to the said conductor section on the inner conductor side - or the inner conductor of the cable itself is led bare to the connection point in the cover surface.

Die Anordnung bietet den Vorteil geringer Bauhöhe bei zufriedenstellender Strahlungscharakteristik (Rundumstrahlung im horizontalen Strahlungsdiagramm). Um die Vorteile dieses Prinzips auch für den gleichzeitigen Betrieb in zwei, etwa um eine Oktave differierenden Frequenzen zu nutzen (wie das D-Netz und das &Egr;-Netz des GSM-Standards), kann man zwei derartige Flachantennen mit unterschiedlichen, für je eine der Frequenzen elektrisch wirksamen Abmessungen nebeneinander anordnen. Als Alternative dazu wurde nach einem Vorschlag (EP-Anmeldung 0 952 625) die Deckfläche einer für den unteren Frequenzbereich dimensionierten Flachantenne in strahlenartiger Anordnung mit Schlitzen versehen. Mit einer bestimmten Längenbemaßung der Schlitze kann man nach der Erfindung die zusätzliche Bildung einer Resonanz in dem zweiten, höheren Frequenzbereich und mit einer bestimmten Schlitzbreite die Bildung einer geeigneten Impedanzbandbreite für diesen Bereich bewirken. Die gemeinsame Deckfläche erhält für jede der beiden Frequenzen einen separaten Anschlußpunkt.The arrangement offers the advantage of a low height with satisfactory radiation characteristics (all-round radiation in the horizontal radiation pattern). In order to use the advantages of this principle for simultaneous operation in two frequencies that differ by about an octave (such as the D network and the ε network of the GSM standard), two such flat antennas with different dimensions that are electrically effective for each of the frequencies can be arranged next to each other. As an alternative to this, according to a proposal (EP application 0 952 625), the cover surface of a flat antenna dimensioned for the lower frequency range was provided with slots in a radial arrangement. With a certain length dimension of the slots, the invention can bring about the additional formation of a resonance in the second, higher frequency range and with a certain slot width the formation of a suitable impedance bandwidth for this range. The common cover surface has a separate connection point for each of the two frequencies.

Die Lösungsvariante mit zwei Einzelantennen nebeneinander bedingt einen erhöhten Platz- und Kostenaufwand. Dagegen ist es bei der Kombinationslösung schwierig, eine zufriedenstellende Performance für beide Frequenzen gleichermaßen zu erzielen. So besteht dort z.B. das Problem, daß der Abstand zwischen Grund- und Deckfläche in aller Regel aufThe solution with two individual antennas next to each other requires more space and costs. In contrast, it is difficult to achieve a satisfactory performance for both frequencies with the combined solution. For example, there is the problem that the distance between the base and the top surface is usually

die untere Frequenz abgestimmt ist. Er würde aber und müßte an sich für einen effektiven gleichzeitigen Betrieb in der höheren Frequenz geringer dimensioniert werden, d.h. etwa die Hälfte betragen.the lower frequency. However, for effective simultaneous operation at the higher frequency, it would and should be dimensioned smaller, i.e. approximately half as large.

Als weitere, mögliche Lösung ist nur die Aggregation unterschiedlicher Strahlertypen bekannt, z.B. Flachantenne und darauf oder mit Abstand daneben angeordnete Vertikalantenne (Monopol). Bezüglich der Vertikalantenne ist es jedoch bisher nicht gelungen, die geometrische Länge annähernd an die geringe Höhe der Flachantennen anzugleichen - z.B. um ein ansprechendes Design für die Gesamtanordnung zu erzielen.The only other possible solution is the aggregation of different types of radiators, e.g. a flat antenna and a vertical antenna (monopole) arranged on top of it or at a distance from it. However, with regard to the vertical antenna, it has not yet been possible to adjust the geometric length to the low height of the flat antennas - e.g. to achieve an attractive design for the overall arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter weitgehender Beibehaltung des Prinzips der Flachantenne und seiner Vorteile eine Strahleranordnung für zwei unterschiedliche Mobilfunk-Frequenzen im GHz-Bereich auszubilden. Der Aufbau soll einfach und kostengünstig sein und gute Betriebsparameter für beide Frequenzen gleichermaßen gewährleisten.The invention is based on the object of designing a radiator arrangement for two different mobile radio frequencies in the GHz range while largely retaining the principle of the flat antenna and its advantages. The structure should be simple and cost-effective and ensure good operating parameters for both frequencies equally.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.This object is achieved according to the invention with the features specified in the main claim. The subclaims contain preferred embodiments and details.

Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt zwei breitbandige Antennen, die für den Mobilfunk-Betrieb in allen international üblichen Bändern nutzbar sind (Europa/Deutschland, USA, Japan):The arrangement according to the invention results in two broadband antennas that can be used for mobile radio operation in all internationally common bands (Europe/Germany, USA, Japan):

- unterer Bereich: 810 bis 960 MHz,- lower range: 810 to 960 MHz,

- oberer Bereich: 1710 bis 2170 MHz- upper range: 1710 to 2170 MHz

Die Besonderheit ergibt sich jedoch aus den Abmessungen und dem extrem einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Kombination.The special feature, however, arises from the dimensions and the extremely simple structure of the combination according to the invention.

Es ist mit der Erfindung gelungen, das geometrische Höhenmaß einer Vertikalantenne auf einfache Weise an das der Flachantenne anzugleichen. Der Stab mit Dachkapazität, der mit der Flachantenne kombiniert wurde, braucht nicht höher als die Flachantenne selbst zu sein.The invention makes it possible to easily adjust the geometric height of a vertical antenna to that of a flat antenna. The rod with roof capacity, which is combined with the flat antenna, does not need to be higher than the flat antenna itself.

Der Abstand zwischen Grund- und Deckfläche der Flachantenne kann zwischen 1/15 ois 1/20 der Betriebswellenlänge im unteren Bereich liegen. Dieses Maß, auf die Vertikalantenne übertragen, bedeutet 1/8 bis 1/10 von deren Betriebswellenlänge. Beides entspricht einer geometrischen Höhe von etwa 20 mm. Dieses Maß ist hier auch für die Vertikalantenne ausreichend.The distance between the base and top surface of the flat antenna can be between 1/15 and 1/20 of the operating wavelength in the lower area. This measurement, transferred to the vertical antenna, means 1/8 to 1/10 of its operating wavelength. Both correspond to a geometric height of about 20 mm. This measurement is also sufficient for the vertical antenna.

Der überraschende erfindungsgemäße Effekt ist auf Wirkzusammenhänge zwischen der Dachkapazität der Vertikalantenne und der gleichfalls metallischen Deckfläche der Flachantenne beim Aufbau des Feldes im höheren Frequenzbereich zurückzuführen. So wird u.a. durch den Abstand zwischen der Dachkapazität und dem ihr benachbarten Rand der Deckfläche die Performance der Vertikalantenne beeinflußt und ist durch Optimierung dieses Abstands ihrerseits zu optimieren.The surprising effect of the invention is due to the interaction between the roof capacitance of the vertical antenna and the metallic cover surface of the flat antenna when building up the field in the higher frequency range. The performance of the vertical antenna is influenced by the distance between the roof capacitance and the edge of the cover surface adjacent to it, and can be optimized by optimizing this distance.

Last but not least stellt die erfindungsgemäße Kombination der Vertikalantenne mit dem Speiseleiter der Flachantenne ein technologisches Optimum mit dem Ergebnis einer einfachen und kostengünstigen Fertigung und Montage dar.Last but not least, the inventive combination of the vertical antenna with the feed conductor of the flat antenna represents a technological optimum with the result of simple and cost-effective production and assembly.

Ein in diesem Zusammenhang interessanter Nebeneffekt der Erfindung wurde durch Prüfung von Möglichkeiten einer weiteren Kostensenkung, u.a. durch Skelettierung bzw. Teilskelettierung der Deckfläche, gefunden: Man kann tatsächlich z.B. eine Fläche von der Größe des Platinenteils, das die Kombination des stabförmigen Abschnitts der Vertikalantenne mit dem Speiseleiterabschnitt der Flachantenne trägt, aus der Deckfläche heraustrennen, ohne die Funktion der Antennenanordnung im unteren Frequenzbereich zu beeinträchtigen. Bei der Metallisierung der Deckflächenplatine werden im gleichen Arbeitsgang diese Leiterstrukturen herausgeätzt.An interesting side effect of the invention in this context was discovered by examining the possibilities for further cost reduction, including by skeletonizing or partially skeletonizing the cover surface: It is actually possible, for example, to cut out an area the size of the circuit board part that carries the combination of the rod-shaped section of the vertical antenna with the feed conductor section of the flat antenna from the cover surface without impairing the function of the antenna arrangement in the lower frequency range. When the cover surface board is metallized, these conductor structures are etched out in the same operation.

Nach Heraustrennen des rechteckigen Platinenteils verbleibt ein Platinen-Randbereich der Deckfläche von mindestens 4 mm Breite. Das Plastinenteil wird aus einem seitlichen hälftigen Bereich der Deckfläche herausgelöst. Die Strahlungscharakteristik wird durch die im Ergebnis einseitige rechteckige Aussparung in der Deckfläche nicht beeinträchtigt.After the rectangular part of the circuit board has been cut out, a board edge area of the cover surface of at least 4 mm width remains. The plastic part is removed from a side half area of the cover surface. The radiation characteristics are not affected by the resulting one-sided rectangular recess in the cover surface.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.

In der zugehörigen Zeichnung zeigenIn the accompanying drawing

Figur 1. Erfindungsgemäße Antennenkombination in reiner Platinenausführung Figur 2. Weitere Variante der PlatinenausfuhrungFigure 1. Antenna combination according to the invention in pure circuit board design Figure 2. Another variant of the circuit board design

Figur 3. Kombination von Platinenmaterial und DrahtFigure 3. Combination of board material and wire

Dabei sindThe

1 Grundplatte / Massebezugsfläche1 Base plate / ground reference surface

2 Deckfläche2 Cover area

3 Kurzschluß3 Short circuit

4 Masseanschluß4 Ground connection

5 Antennenkabel5 antenna cables

6 Anschlußpunkt6 Connection point

· ♦?· ♦?

"&Ggr;"&Greek;

7 Speiseleiter Flachantenne7 Feeder flat antenna

8 Vertikalantenne8 Vertical antenna

9 Dachkapazität auf vertikaler Platine9 roof capacity on vertical board

10 Dachkapazität auf horizontaler Platine10 roof capacity on horizontal board

11 Spulenstruktur11 Coil structure

Die drei Ausführungsvarianten basieren auf der Verwendung von Platinenmaterial mit ein- bzw. zweiseitiger, zonenweiser oder vollständiger Metallisierung.The three design variants are based on the use of circuit board material with one- or two-sided, zoned or complete metallization.

So sind bei den Beispielen in Figur 1 und 2 die Grundplatte 1, die Deckfläche 2 und der Kurzschluß 3 der Flachantenne vollständig metallisiert, während bei dem Patinenteil mit der Vertikalantenne 8/9 und dem Speiseleiter 7 jeweils nur die Leiterstrukturen Metallaufträge darstellen. Dieses Platinenteil kann beidseitig metallisiert sein - z.B. zur Bildung der Spulenstruktur 11 bei der Ausführung in Figur 3.Thus, in the examples in Figures 1 and 2, the base plate 1, the cover surface 2 and the short circuit 3 of the flat antenna are completely metallized, while in the case of the plate part with the vertical antenna 8/9 and the feed conductor 7, only the conductor structures represent metal deposits. This circuit board part can be metallized on both sides - e.g. to form the coil structure 11 in the embodiment in Figure 3.

Die Strahlungsparameter werden bei den Ausführungen nach Figur 1 und 2 - abgesehen von den Maßverhältnissen von Grund- und Deckfläche und des Kurzschlusses - vor allem über die differenzierte Dimensionierung der Leiterstrukturen 7 sowie 8 und 9 beeinflußt.In the embodiments according to Figures 1 and 2, the radiation parameters are influenced - apart from the dimensional ratios of the base and cover area and the short circuit - primarily by the differentiated dimensioning of the conductor structures 7 as well as 8 and 9.

Ein weiterer wichtiger Einflußfaktor ist das Maß A zwischen der Dachkapazität 8 und dem benachbarten Rand der Deckfläche 2.Another important influencing factor is the dimension A between the roof capacity 8 and the adjacent edge of the deck area 2.

Bei der Variante nach Figur 3 werden die Strahlungseigenschaften der Vertikalantenne 8/10 über die Abmessungen B und C der Dachkapazität 10 bestimmt. Der wesentliche Einflußfaktor ist jedoch auch hier - in Realisierung des Erfindungsgedankens - das Maß A zwischen den waagerechten Elementen der beiden Antennen.In the variant according to Figure 3, the radiation properties of the vertical antenna 8/10 are determined by the dimensions B and C of the roof capacitance 10. However, the essential influencing factor here too - in realization of the inventive concept - is the dimension A between the horizontal elements of the two antennas.

Bei der benachbarten Anordnung der beiden waagerechten Flächen nach Figur 3 werden die durch den Abstand A gegebenen Einflußmöglichkeiten noch durch das Längenmaß C als zweite Variable ergänzt.In the adjacent arrangement of the two horizontal surfaces according to Figure 3, the influence possibilities given by the distance A are supplemented by the length dimension C as a second variable.

Die Optimierung der Maße und Maßverhältnisse erfolgt, wie für die Antennenentwicklung charakteristisch, auf empirischem Wege, da die Zahl der Einflußgrößen, die der Entwickler als gegeben hinnehmen muß, bekanntermaßen groß und immer wieder unterschiedlich ist.The optimization of dimensions and dimensional ratios is carried out empirically, as is typical for antenna development, since the number of influencing factors that the developer must accept as given is known to be large and always different.

Das beginnt beim Umfeld, sprich Einsatzgebiet, und reicht bis zum speziellen Einbauort.This starts with the environment, i.e. the area of application, and extends to the specific installation location.

Die drei hier gezeigten Ausführungvarianten sind realisiert und hinsichtlich Funktionalität und Parameter getestet worden. Neben den konstruktiven und technologischen Vorteilen, die schon aus den schematischen Darstellungen ersichtlich sind, wurden die Ziele hinsichtlich Pegel und Bandbreite voll erreicht.The three design variants shown here have been implemented and tested for functionality and parameters. In addition to the design and technological advantages that are already apparent from the schematic representations, the goals in terms of level and bandwidth were fully achieved.

Claims (7)

1. Antennenanordnung für zwei Mobilfunk-Frequenzen, bestehend aus einer Flachantenne für eine untere und einer Vertikalantenne für eine obere Betriebsfrequenz, mit den folgenden Merkmalen: - Die Flachantenne besteht aus einer metallischen Grundfläche (1) als Massebezugsfläche und einer dazu koplanaren, darüberliegenden Deckfläche (2), die beide an einem Randbereich durch einen elektrischem Kurzschluß (3) miteinander verbunden sind. Zur Speisung dient ein Leiterteil (7) zwischen den beiden Flächen, das von der Grundfläche (1) zu einem Anschlußpunkt (6) in der Deckfläche (2) reicht. Der Anschlußpunkt (6) ist mit dem Innenleiter eines Antennenkabels (5) verbunden, dessen Außenleiter mit der Grundfläche (1) in Kontakt steht. - Die Vertikalantenne besteht aus einem kurzen Monopol (8) mit einer Dachkapazität (9; 10), die in kapazitiver Verbindung mit der Deckfläche (2) der Flachantenne steht. - Die Vertikalantenne ist im Bereich der Anbindung des Antennenkabels (5) an die Grundfläche (1) der Flachantenne ebenfalls an den Innenleiter des Kabels angeschlossen. - Zur Frequenzselektion dient eine Weiche vor dem Anbindungspunkt (4) des Innenleiters des Antennenkabels. 1. Antenna arrangement for two mobile radio frequencies, consisting of a flat antenna for a lower and a vertical antenna for an upper operating frequency, with the following features: - The flat antenna consists of a metal base surface ( 1 ) as a ground reference surface and a coplanar cover surface ( 2 ) above it, both of which are connected to one another at an edge area by an electrical short circuit ( 3 ). A conductor part ( 7 ) between the two surfaces is used for feeding, which extends from the base surface ( 1 ) to a connection point ( 6 ) in the cover surface ( 2 ). The connection point ( 6 ) is connected to the inner conductor of an antenna cable ( 5 ), the outer conductor of which is in contact with the base surface ( 1 ). - The vertical antenna consists of a short monopole ( 8 ) with a roof capacitance ( 9 ; 10 ) which is in capacitive connection with the top surface ( 2 ) of the flat antenna. - The vertical antenna is also connected to the inner conductor of the cable in the area where the antenna cable ( 5 ) is connected to the base ( 1 ) of the flat antenna. - A switch in front of the connection point ( 4 ) of the inner conductor of the antenna cable is used for frequency selection. 2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalantenne (8, 9; 10) und der Speiseleiter (7) der Flachantenne als leitende Strukturen auf Platinenmaterial ausgeführt sind und daß diese Leiterstrukturen zur Determination der elektrischen Eigenschaften der Anordnung mit ungleichmäßiger Breite ausgeführt sind. 2. Antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the vertical antenna ( 8 , 9 ; 10 ) and the feed conductor ( 7 ) of the flat antenna are designed as conductive structures on circuit board material and that these conductor structures are designed with a non-uniform width to determine the electrical properties of the arrangement. 3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstrukturen auf dem Plastinenmaterial zumindest partiell als doppelseitige Metallisierung ausgeführt sind. 3. Antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the conductor structures on the plastic material are at least partially designed as double-sided metallization. 4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstrukturen auf dem Platinenmaterial partiell als Blindelemente gestaltet sind. 4. Antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the conductor structures on the circuit board material are partially designed as dummy elements. 5. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche (2) der Flachantenne als Platinenmaterial mit einer partiellen Metallisierung ausgeführt ist, daß auf derselben Platine auch die Dachkapazität (10) der Vertikalantenne als weitere partielle Metallisierung ausgebildet ist, und daß der Abstand (A) zwischen beiden Flächen sowie die Länge C der Dachkapazität (10) als Einflußgrößen hinsichtlich des Maßes einer kapazitiven Kopplung determiniert sind. 5. Antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the cover surface ( 2 ) of the flat antenna is designed as a circuit board material with a partial metallization, that the roof capacitance ( 10 ) of the vertical antenna is also designed on the same circuit board as a further partial metallization, and that the distance (A) between the two surfaces and the length C of the roof capacitance ( 10 ) are determined as influencing variables with regard to the degree of capacitive coupling. 6. Antennenanordnung nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet durch die Ausführung des vertikalen Abschnitts (8) der Vertikalantenne und des Speiseleiters (7) der Flachantenne als Drahtstrukturen. 6. Antenna arrangement according to claim 1 and 5, characterized by the design of the vertical section ( 8 ) of the vertical antenna and the feed conductor ( 7 ) of the flat antenna as wire structures. 7. Antennenanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Platinenteil mit den Strukturen (7, 8, 9, 11) fertigungsmäßig ein Bestandteil der Deckfläche (2) ist, die Deckfläche (2) nach Auslösung des Platinenteils zumindest halbseitig skelettiert ist und die verbleibende Umrandung der Deckfläche mindestens 4 mm breit ist 7. Antenna arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the circuit board part with the structures ( 7 , 8 , 9 , 11 ) is a component of the cover surface ( 2 ) in terms of production, the cover surface ( 2 ) is skeletonized at least halfway after the circuit board part has been released and the remaining border of the cover surface is at least 4 mm wide.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1513223A1 (en) * 2003-09-05 2005-03-09 Alps Electric Co., Ltd. Dual-band antenna with adjustable resonant frequency, and method for adjusting resonant frequency

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DE20106005U1 (en) 2001-04-05 2001-08-30 RecepTec GmbH, 31135 Hildesheim Antenna module, in particular for frequencies in the GHz range for use in motor vehicles, preferably for dual-band or multi-band radio operation

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