Aminzadeh, Mehran (DE)
Daginnus, Michael (DE)
Burkert, Manfred (DE)
Chen, Shun-ping (DE)

EP19970105206

10/15/1997

03/27/1997

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FUBA AUTOMOTIVE GMBH (DE)

H01Q9/04; H01Q9/04; (IPC1-7): H01Q9/04

H01Q9/04B

DE4403643A1
DE4339162A1
4070676				Multiple resonance radio frequency microstrip antenna structure

1. Flachantenne f·ur Frequenzen im GHz-Bereich, bestehend aus einem Fl·achensegment aus Blech oder leitender Folie oder einer leitenden Beschichtung, das ·uber einer gr·osseren leitenden Fl·ache, mit einem geringen Abstand und planparallel dazu, angeordnet ist und das in einem Randbereich mit der gr·osseren Fl·ache kurzschlussartig in leitender Verbindung steht, wobei das Fl·achensegment mit dem Innenleiter eines speisenden Koaxialkabels und die gr·ossere Fl·ache mit dem Aussenleiter des Kabels verbunden ist und wobei die gr·ossere Fl·ache die Massebezugsfl·ache der Anordnung darstellt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: Die gr·ossere leitende Fl·ache, die die Massebezugsfl·ache (8. bildet, ist in mindestens einer Koordinatenachse zum Rand hin beidseitig hochgew·olbt oder bildet unter dem Fl·achensegment (10) im Querschnitt eine flache Mulde, das Verh·altnis der Fl·acheninhalte der Massebezugsfl·ache (8) und des Fl·achensegments (10) betr·agt mindestens 4 zu 1, wobei das Fl·achensegment (10) vorzugsweise etwa zentrisch ·uber der Massebezugsfl·ache (8) angeordnet ist, die Massebezugsfl·ache (8) ist in einem gr·osseren Randbereich mit einem vergleichsweise grossen Masse-Element (11) leitend, vorzugsweise galvanisch, verbunden, die Speisung erfolgt vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Leitungsst·ucks (12), das den Rand des Fl·achensegments (10) an der dem Kurzschluss gegen·uberliegenden Seite, ·uber den Rand des Fl·achensegments hinausragend, mit dem Innenleiter des Koaxialkabels (3) verbindet, oder der Innenleiter ist selbst, ·uber ein St·uck freigelegt, quasi als Verl·angerung in der Ebene des Fl·achensegments (10) ausgebildet.

2. Flachantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung als Mobilfunk-Antenne f·ur ein Kraftfahrzeug, mit den folgenden Merkmalen: Die Antenne ist unterhalb eines aus dielektrischem Material bestehenden Teils (13, 15) der Karosserieaussenfl·ache, quasi anliegend, im Fahrzeuginneren angeordnet, wobei das Karosserie-Aussenteil (13, 15) horizontal sein oder vorzugsweise um nicht mehr als 40 DEG gegen die Waagerechte geneigt sein soll, die Massebezugsfl·ache (8) ist an einer Seite breitfl·achig, vorzugsweise ·uber einen Flansch (14), mit einem metallischen Teil (11) der Karosserie, vorzugsweise einem Holm oder Blechteilen der Karosserie, verbunden und liegt mit den ·ubrigen Randbereichen umlaufend an der Innenfl·ache des Aussenteils (13, 15) aus dielektrischem Material an.

3. Flachantenne nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anordnung vorzugsweise im oberen Bereich der Front- oder der Heckscheibe (15) eines Fahrzeugs, wobei die Massebezugsfl·ache (8) im oberen Randbereich mit dem Dachholm oder dem Dachblech (11) galvanisch verbunden ist und mit den ·ubrigen Randbereichen umlaufend an der Scheibe (15) anliegt.

4. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ·ausseren Konturen der Massebezugsfl·ache (8) der Form des Fl·achensegments (10) weitgehend angepasst sind, so dass sich eine etwa gleich breite Zone zwischen dem Fl·achensegment (10) und dem Aussenrand der Massebezugsfl·ache (8) ergibt.

5. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussverbindung (9) zwischen dem Fl·achensegment (10) und der Massebezugsfl·ache (8) vorzugsweise auf der dem Masseanschluss der Massebezugsfl·ache (8) abgewandten Seite vorgesehen ist.

6. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrandung der gew·olbten Massebezugsfl·ache (8) als mit einem stumpfen Winkel an die dielektrische Abdeckung stossender niedriger Steg ausgebildet sein kann.

7. Flachantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne aus Formk·orpern aus dielektrischem Material aufgebaut ist, wobei die leitenden Fl·achenelemente durch Aufspritzen oder Zwischenf·ugen von metallischen Folien oder von Folien mit leitender Beschichtung gebildet werden.

8. Flachantenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenteil (13, 15) aus dielektrischem Material in der Umgebung der Massebezugsfl·ache (8) mit einer leitenden Beschichtung oder mit d·unnen Leiterbahnen versehen sein kann, die f·ur die der Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenl·ange undurchl·assig sind und eine Fortsetzung der Massebezugsfl·ache (8) darstellen.

Die Erfindung betrifft Flachantennen f·ur terrestrisch abgestrahlte Signale und Funkverbindungen mit Frequenzen im GHz-Bereich, wie L-Band-Empfang f·ur DAB, Kurzstrecken-Funkverbindungen (ISM-B·ander mit 2,4 und 5,8 GHz) und insbesondere f·ur den Mobilfunk im 900-MHz- und im 1,8-GHz-Band, mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen.

Die Erfindung geht von einem Wirkprinzip aus, das u.a. in der deutschen Patentanmeldung Nr. 195 04 577 an Hand typischer L·osungen des vorangegangenen Stands der Technik charakterisiert wurde: Zwei durch einen seitlichen Kurzschluss elektrisch verbundene, zueinander planparallele Fl·achenelemente, von denen eines (die "Massebezugsfl·ache") an den Aussenleiter und das andere (das "Fl·achensegment" mit den funktionsbestimmenden Umrissen) an den Innenleiter eines speisenden Koaxialkabels angeschlossen ist, bilden bei Betrieb quasi einen Hohlraumresonator. An den offenen Seitenbereichen baut sich im Resonanzfall ein Feld auf, das zu einer radialen Abstrahlung in nutzbaren Gr·ossenordnungen f·uhrt.

Wenn man diese Anordnung mit der Seite der Massebezugsfl·ache dicht anliegend ·uber einer grossen leitenden, ebenen Fl·ache positioniert oder wenn die Massebezugsfl·ache selbst sehr viel gr·osser als das mit dem Innenleiter verbundene Fl·achensegment ist, erh·alt man eine Strahlungscharakteristik ·ahnlich der eines Monopols, mit Rundumstrahlung in der Horizontalebene (d.h. in der Ebene der beiden Fl·achenelemente). Die Abmessungen des an den Innenleiter angeschlossenen Fl·achensegments orientieren sich ·ublicherweise an dem Mass eines Viertels der dem mittleren Betriebsfrequenzbereich entsprechenden Wellenlange (Abstand von der Seite mit der Kurzschlussverbindung zum gegen·uberliegenden Rand).

Der mechanische Aufbau - d.h. Anordnung der Strahlerkomponenten oberhalb einer relativ grossen leitenden Ebene bzw. Massefl·ache und ·uberhaupt die Notwendigkeit einer solchen Fl·ache - schr·ankt die Anwendungsm·oglichkeiten dieses Antennentyps ein bzw. kann einen erheblichen Kostenfaktor darstellen. Als Beispiel sei der in US-Patent Nr. 4 835 541 beschriebene L·osungsvorschlag f·ur den Einsatz bei Kraftfahrzeugen angef·uhrt. Die Flachantenne ist unterhalb der Dachschale eines Pkw angeordnet, die aus einem dielektrischen Material besteht. Das die Massebezugsfl·ache darstellende Fl·achenelement liegt auf einer Blechplatte gr·osserer Abmessungen auf, und darunter ist - "zur Abschirmung des Fahrzeuginneren gegen das elektromagnetische Feld bei Betrieb der Antenne " - noch eine Metallfolie in den Abmesssungen der Dach-Innenverkleidung vorgesehen.

Aus dem Wirkprinzip des zur Rede stehenden Antennentyps kann man ableiten, dass die grossfl·achige Metallfolie nicht allein zum Schutz der Fahrzeuginsassen dient; tats·achlich unterst·utzt sie ausserdem, als zweite wichtige Funktion, die Blechplatte in ihrer Einflussnahme auf den Feldaufbau und tr·agt wesentlich zur Verbesserung der Strahlungscharakteristik und der ·ubrigen Betriebsparameter der Anordnung bei. Der Einsatz einer Flachantenne dieses Typs scheint damit auf Strukturen eingeschr·ankt, bei denen grosse, m·oglichst ebene Fl·achen aus leitendem Material vorhanden sind bzw. sich realisieren lassen.

Demgegen·uber leitet sich die vorliegende Erfindung aus der Frage ab, ob es m·oglich ist, die Flachantenne auch bei Kraftfahrzeugen mit durchgehend metallischer Karosserie anzuwenden, ohne dass die Antenne als Aufsatzmodul ausgebildet wird und sichtbar ·uber die Fahrzeugkonturen hinausragt, d.h. ob sie z.B. auch hinter bestimmten Fensterscheiben eines Fahrzeugs angeordnet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanischen Abmessungen von Flachantennen der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung, insbesondere die Abmessungen der Massebezugsfl·ache bzw. der Masse-Ebene und die Bauh·ohe, zu verringern, ohne dass die Funktion und die Betriebsparameter der Antenne ung·unstig beeinflusst werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgem·ass mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gel·ost. Die Unteranspr·uche enthalten bevorzugte Ausf·uhrungsvarianten und -details.

Durch die Erfindung ist es gelungen, den f·ur den hier beschriebenen Flachantennentyp charakteristischen Aufbau des elektromagnetischen Felds oberhalb der Ebene der Massebezugsfl·ache, in der Form der Querstrahlung ·ahnlich einem Monopol, beizubehalten, obwohl die Massebezugsfl·ache bzw. sonst notwendige Masse-Ebene auf ein Minimum reduziert werden konnte. Die erfindungsgem·asse Antenne kann im oberen oder unteren Randbereich der Front- oder Heckscheibe eines Pkw angeordnet werden, ohne dass die Sicht f·ur die Insassen beeintr·achtigt wird. Dem kommt auch die meist recht starke Schr·agstellung dieser Scheiben bei modernen Fahrzeugen zugute - die Projektion des Antennenk·orpers in der Blickrichtung der Insassen bildet eine durch die Schr·agstellung der Scheibe kleinere Fl·ache.

Die Neigung der Scheiben ist gleichzeitig wesentliche Voraussetzung f·ur die einwandfreie Funktion der Antenne als Funkantenne, bei der ja weitgehend Rundumstrahlung im horizontalen Strahlungsdiagramm gefordert ist. Bis zu einer Neigung von 40 DEG gegen die Waagerechte ist diese Bedingung mit der erfindinngsgem·assen Anordnung mit Sicherheit erf·ullbar. Die erfindungsgem·asse feldformende Wirkung der muldenartigen Massebezugsfl·ache wird durch die benachbarten metallischen Karosseriefl·achen und -teile in dieser Richtung unterst·utzt.

Mit der Verringerung der Abmessungen der Massebezugsfl·ache korrespondiert das erfindungsgem·asse Merkmal der ·Anderung der Einspeisung. Bei den L·osungen des bekannten Stands der Technik, mit ·ublicher Ausbildung der Fl·achenelemente z.B. aus Blech, erfolgen die Anschl·usse an den Aussenleiter und an den Innenleiter des Speisekabels im Innenbereich der beiden Fl·achenelemente, z.B. im oder nahe dem Zentrum. Durch die erfindungsgem·asse Verlegung beider Anschlusspunkte an aussen und durch die Verbindung des Innenleiters des Kabels mit dem Fl·achensegment ·uber das zus·atzliche periph·are Leitungsst·uck wurde eine Verringerung des Abstands zwischen den beiden Fl·achenelementen und damit der Bauh·ohe der gesamten Anordnung um etwa 30 % gegen·uber den vergleichbaren L·osungen des Stands der Technik m·oglich - das k·onnen 3 bis 5 mm sein.

Die erfindungsgem·asse Anordnung stellt sich dar als flaches Modul mit relativ kleinen Fl·achenabmessungen. Wenn diese Antenne im Fahrzeuginneren an einer Front- oder Heckscheibe im oberen oder unteren Randbereich positioniert wird, dann ist von innen die R·uckseite der Massebezugsfl·ache sichtbar, die aus dieser Perspektive leicht konvex gew·olbt ist bzw. sich zu ihren R·andern hin verj·ungt.

Die Abstrahlung von HF-Energie in den Fahrzeuginnenraum wird allein durch den erfindinngsgem·assen, mit der W·olbung der Massebezugsfl·ache erzielten Effekt soweit ausgeschaltet, dass auch bei Sendebetrieb innerhalb relativ grossraumiger Versorgungszellen nie eine ·Uberschreitung der physiologisch unbedenklichen genormten Werte der elektromagnetischen Vertr·aglichkeit (EMV) eintritt. Die im letzten Unteranspruch benannte M·oglichkeit, die Scheibe in der Umgebung der Massebezugsfl·ache mit leitf·ahigen Auftr·agen f·ur die der Funkfrequenz entsprechende Welle undurchl·assig zu machen, ist eine zus·atzliche, an sich bekannte Massnahme, die hier angewendet werden kann, um letzte Sicherheitsbedenken auszur·aumen und um die Strahlungscharakteristik noch weiter zu optimieren.

Die Vorteile der Erfindung werden ebenso wirksam, wenn die Antenne an anderem Ort als in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Die Reduzierung der notwendigen Massebezugsfl·ache bzw. Masse-Ebene und auch die insgesamt vergleichsweise geringen Aussenabmessungen gestatten die Ausbildung eines kompakten, relativ vielseitig einsatzf·ahigen Moduls, das noch dazu kosteng·unstig zu fertigen ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausf·uhrungsbeispielen n·aher erl·autert. In der zugeh·origen Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung Figur 1. Herk·ommliche Flachantennenanordnung Figur 2. Schnitt durch eine erfindungsgem·asse Flachantenne Figur 3. Erfindungsgem·asse Flachantenne f·ur ein Kraftfahrzeug

Figur 1 zeigt die schon erw·ahnte Antenne nach US-Patent Nr. 4 835 541. Die Antenne besteht aus dem zu einem gleichschenkligen "U" gebogenen Blechstreifen 1 und aus der Blechplatte 2. Jeder der beiden U-Schenkel hat - f·ur einen Betriebsfrequenzbereich von 800 bis 900 MHz - die Abmessungen 7,62 x 8,71 cm, das Mass zwischen den Schenkelfl·achen betr·agt 12,7 mm und die Blechplatte misst 25,4 x 33,18 cm. Das Speisekabel 3 ist durch den Aussenleiter im Punkt 4 mit dem auf der Blechplatte aufliegenden U-Schenkel und durch den Innenleiter im Speisepunkt 5 mit dem dar·uberliegenden Schenkel verbunden. Unterhalb der Blechplatte 2 befindet sich die Metallfolie 6, die der Abschirmung des Fahrzeug-Innenraums dienen soll, und dar·uber die Dachschale 7 aus Kunststoff. Die Folie 6 hat die gleichen Abmessungen wie die darunterliegende, den Aufbau abschliessende Dach-Innenverkleidung.

Figur 2 verdeutlicht das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Die Masseebene ist hier auf die muldenf·ormige Massebezugsfl·ache 8 reduziert, die aus Blech oder aus einer auf der konkaven Seite metallisierten Kunststoffschale besteht und gleichzeitig als Geh·auseteil dient. Mit dem leitenden Material der Schale ist ·uber den Kurzschluss 9 das Fl·achensegment 10 verbunden. Die Schale ist ihrerseits galvanisch und mechanisch an die Masse 11 angeschlossen. Mit 12 ist das Leiterteil bezeichnet, das das Fl·achensegment 10 ·uber den dem Kurzschluss gegen·uberliegenden Rand hinaus mit dem Innenleiter des Speisekabels 3 verbindet. Wie schon angedeutet, kann das Leiterteil 12 auch als verl·angerter und rechtwinklig abgeknickter Kabel-Innenleiter ausgef·uhrt werden. Die Antenne ist mit einer dielektrischen Abdeckung oder Haube 13 versehen.

Figur 3 zeigt - ebenfalls schematisch - eine praktische Ausf·uhrung f·ur die Anbringung hinter der Front- oder Heckscheibe eines Pkw. Die ann·ahernd trapezf·ormige Kontur von Massebezugsfl·ache und Geh·auseteil 8 ist nicht Bedingung, sondern hat sich u.a. unter gestalterischen Gesichtpunkten ergeben. Das leitende Material der Schale und Massebezugsfl·ache 8 ist ·uber den Flansch 14 grossfl·achig mit der Masse 11, hier also der Randzone der Dach-Blechschale oder dem Dachholm, verbunden und ragt hinter der Scheibe 15 ·uber die Kante 16 der Scheibenumrandung in den Fensterbereich hinein. Bei dem ausgef·uhrten Beispiel einer Kfz-Antenne f·ur 900 MHz hat das Leiterteil 12 eine L·ange von 18 mm, und der Abstand des Fl·achensegments 10 von der Massebezugsfl·ache 8 betr·agt in seinem Randbereich etwa 10 mm.

Der Abstand kann durch Verl·angerung des eine Induktivit·at darstellenden Leiterteils 12 weiter verringert werden; dar·uber hinaus ist denkbar, an Stelle des Leiterteils 12 z.B. eine Spule zu verwenden - man erhielte dann bei vergleichbarer Wirkung eine Massverringerung auch an dieser Stelle. Hier gilt, wie auch sonst beim Antennendesign, die generelle Aussage: s·amtliche Masse, Massverh·altnisse und Parameter der Antenne sind abh·angig von einer Reihe spezifischer Faktoren und Bedingungen des jeweiligen Einsatzfalls (mit z.T. auch noch kontr·aren Tendenzen), wie Frequenzbereich und erforderliche Bandbreite, Anpassung an weiterf·uhrende Netzwerke sowie Einfluss der beteiligten Materialien und umgebenden Konstruktionen und Strukturen, und sie m·ussen in jedem Fall durch individuelle Gestaltung und Abstimmung optimiert werden.