DE19740254A1 - Funkantennen-Anordnung und Patchantenne auf der Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges - Google Patents
Funkantennen-Anordnung und Patchantenne auf der Fensterscheibe eines KraftfahrzeugesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Funkantennenanordnung für Funkverbindungen mit
terrestrischen Funkstellen für Dezimeter- und/oder Zentimeterwellen, mit einem
auf der Außenseite des Kraftfahrzeugs in der Nähe des oberen Fensterrands
einer geneigten Fensterscheibe 1 in einer Fahrzeugkarosserie mit einer auf dem
Fahrzeugdach 10 bzw. dem Fenster oder die Trennlinie zwischen Dach und Fenster
teilweise überdeckend angebrachten Grundplatte 4 mit einem auf dieser
befestigten und von ihr abragenden Antennenelement als Strahler 3 mit einer
Strahleranschlußstelle 2.
Funkantennen dieser Art sind z. B. bekannt aus WO 93/23890 sowie ausgeführt als
Gruppenantennen in DE 43 39 162.
Solche Antennen sind häufig entweder auf dem Dach des Fahrzeugs, oder auf dem
Rück- oder Frontfenster an dessen oberen Rand angebracht. In besonderen Fällen
mag die Anbringung auch unmittelbar im Bereich der Trennlinie zwischen dem
oberen Fensterrand und dem Fahrzeugdach sinnvoll sein, wie es z. B. in
DE 43 39 162 (Fig. 6) beschrieben ist.
Die Problematik dieser Antennen besteht unter anderem in der Signalzuführung,
welche bei Anbringung auf der Fensterscheibe nach dem Stande der Technik über
kapazitiv wirkende Koppelelemente auf der Glasscheibe 1 realisiert ist, oder
bei Anbringung im Dachbereich einen fahrzeugtechnisch unerwünschten Durchbruch
im Dach erzwingt.
Eine weitere Problematik besteht darin, daß bei modernen Funksystemen in
Fahrzeugen häufig die gleichzeitige Kommunikation mit mehreren Funkdiensten zu
erfolgen hat. Als Beispiel seien für die Funktelefondienste das GSM-System
(D-Netz) und das Mobilfunksystem E-Netz sowie das in USA verwendete AMPS-
System genannt, die im Frequenzbereich von 800 MHz bis 1900 MHz arbeiten.
Häufig soll neben dem Telefondienst ein Satellitenfunkdienst ermöglicht sein,
wie z. B. das Global Positioning-System (GPS), oder ein in Planung befindlicher
bidirektionaler Satellitenfunkdienst mit niedrig fliegenden Satelliten (Leos),
oder eine Empfangsantenne für terrestrische Digital Audio Broadcasting-Signale
im L-Band. Alle genannten Dienste arbeiten im Bereich von 1400 bis 1600 MHz.
Erfahrungsgemäß findet die getrennte Anbringung mehrerer Antennen auf dem
Fahrzeug geringe Akzeptanz und es besteht der Wunsch nach einer
Kombinationsantenne, welche mehrere Funkdienste abdeckt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Funkantennenanordnung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Patchantenne für
die Satellitenfunkdienste raumsparend zu kombinieren derart,
daß die durch den gedrängten Aufbau bedingte starke Signalein
kopplung im Sendebetrieb der einen Antenne, der Empfang mit der
anderen Antenne nicht gestört ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. näher er
läutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 Antenne nach der Erfindung mit Strahler 3, Patchantenne 7, auf
Grundplatte 4 und Antennenleitung 3, verlegt über die Oberkante
der Glasscheibe durch die Kleberaupe 6 in den Fahrzeuginnen
raum. Anbringung auf a) der Fensterscheibe; b) dem Dach
Fig. 2 Draufsicht auf eine Antenne nach der Erfindung mit Patchanord
nung für kleinstmögliche Strahlungskopplung zwischen Strahler 3
und Patch 7.
Fig. 3 Funkgruppenantenne mit zwei Strahlern und dazwischenliegender
Patchantenne 7 mit Vorverstärker,
Anbringung auf a)der Fensterscheibe; b) dem Dach
Fig. 4a, b Beispiel eines Blockschaltbilds der Antennenanordnung mit Band
sperren und Bandpässen im jeweiligen Funkdienst GSM und GPS.
Fig. 5 Ausführungsform einer Mehrfach-Flachbandleitung mit einer
Streifenleitung für kleine Leistungen und einer Koplanarleitung
für große Leistungen in Dreilagentechnik mit ausgesparten
Masseflächen im Bereich der Koplanarleitung und Leiterbrücken
zwischen den Masseflächen.
Insbesondere bei Anbringung von Antennen auf Fensterscheiben
ist es notwendig, die durch die Antenne abgedeckte Sichtfläche
so klein wie möglich zu halten. Aus diesem Grund ist es not
wendig, die Patchantenne 7, wie in Fig. 1, nahe an den Strahler 3
heranzurücken. Die gemeinsame Grundplatte 4 dient sowohl als
elektrisches Gegengewicht für den Strahler 3 als auch für die
Patchantenne 7. Die Strahlungskopplung zwischen dem Strahler 3,
welcher als Stabstrahler ausgeführt ist, und der Patchantenne
ist dann am kleinsten, wenn die Patchantenne wie in Fig. 2 zum
Strahler orientiert ist, wobei die Mittelsenkrechte einer
Patchkante mit der Verbindungslinie des Strahlerzentrums an
dessen unterem Ende mit dem Patchmittelpunkt zusammenfällt.
Satellitenfunkdienste arbeiten für die Fahrzeugkommunikation im
Frequenzbereich um 1,5 GHz.
D-Netz/AMPS-Netz-Antennen arbeiten im Frequenzbereich um 800
MHz bzw. 900 MHz. Die Resonanzfrequenzen der Strahler sowie der
Patchantenne sind somit weit genug voneinander entfernt. Auch
bei Einsatz des Mobilfunk E-Netzes mit seiner Betriebsfrequenz
um 1800 MHz ist der Frequenzabstand ausreichend groß, um die
Patchantenne und die Strahler derart dicht nebeneinander an
zuordnen.
Insbesondere bei Empfang von GPS-Signalen ist es notwendig, der
Patchantenne ohne Zwischenschaltung verlustbehafteter Leitungen
einen rauscharmen Vorverstärker nachzuschalten. Dieser kann
zweckmäßig in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ebenfalls auf der Grundplatte 4 angebracht werden, wie es aus
Fig. 3 hervorgeht. In diesem Beispiel ist die Patchantenne in
einer Ausführungsform der Erfindung zwischen zwei Strahlern des
Mobilfunktelefons raumsparend angeordnet. Es ist ein besonderer
Vorteil der Erfindung, daß die Gleichstromspeisung des GPS-
Antennenverstärkers auf der Grundplatte 4 zum Beispiel über den
signalführenden Leiter einer Antennenleitung erfolgen kann.
Dies gewährleistet ein optimales Signalrauschverhältnis in der
GPS-Empfangsanlage. Die Antennencharakteristik der Patchantenne
ist mit ihrer Hauptrichtung normal zur Glasscheibe gerichtet.
Der große Öffnungswinkel der Antennenkeule in Verbindung mit
den flachen Neigungswinkeln derzeit üblicher Front- oder Heck
scheibenanordnungen gewährleistet den notwendigen Funkkontakt
zu den Satelliten.
Eine besondere Problematik ist die Randausstrahlung der Mobil
funkstrahler in Form von Rauschen auf der Empfangsfrequenz der
Satellitenantenne. Es ist deshalb häufig notwendig, diese
Randausstrahlung durch eine Bandsperre auf der Frequenz des
Satellitenempfangs, welche in den Signalweg zwischen Antennen
leitung 5 und Mobilfunkstrahler geschaltet ist, zu unterdrücken
(siehe Fig. 4a).
Vielfach ist es auch zweckmäßig, zum Schutz des empfangenen
Satellitensignals und zum Schutz vor Bildung von Störfrequenzen
durch nichtlineare Effekte empfangener Signale der Patch
antenne, einen Bandpaß nachzuschalten. Dieser schützt den an
seinen Ausgang angeschlossenen rauscharmen Verstärker vor uner
wünschten Signalen. Aufgrund der im Nahfeld der Mobil
funkstrahler äußerst großen Feldstärken ist es erfindungsgemäß
häufig vorteilhaft, zwischen Patchantenne und der oben
beschriebenen nachfolgenden Schaltung eine Bandsperre auf der
Mobilfunkfrequenz einzubringen, um nichtlineare Effekte in den
Bauelementen sicher auszuschließen. Dem gleichen Zweck dient
erfindungsgemäß auch eine dem Vorverstärker nachgeschaltete
Bandsperre im Mobilfunkfrequenzbereich (siehe Fig. 4b).
Vielfach besteht der Wunsch nach einer besonders flachen Anten
nenleitung. Diese kann vorzugsweise in Multilayer-Technik aus
geführt werden. In einer besonders vorteilhaften Form kann die
Antennenleitung als Mehrfachleitung ausgeführt werden. Bei sehr
dünnen Leitungen in Streifenleitungstechnik besteht die Prob
lematik, daß der signalführende Leiter extrem schmal ausgeführt
werden muß, damit ein Wellenwiderstand von 50 Ohm realisiert
werden kann. Zur Gewährleistung einer guten Entkopplung
zwischen den einzelnen Antennenleitungen der Mehrfachleitung,
ist diese in Dreilagentechnik, wie in Fig. 5, gestaltet. Hier
bei kann der signalführende Leiter sehr schmal zwischen die
beiden äußeren Masseflächen eingebettet werden. Die äußeren
Masseflächen werden in geeigneten Abständen mit Hilfe von
Durchkontaktierungen 19 miteinander verbunden. Aufgrund des
sehr schmal ausgeführten signalführenden Leiters 20 können nur
verhältnismäßig kleine Hochfrequenzleistungen übertragen wer
den, wie sie z. B. als Empfangsleistungen eines Satellitensig
nals gegeben sind. Im Gegensatz hierzu, ist die zur Mobil
funkantenne zu übertragende Hochfrequenzleistung für eine Lei
tung dieser Form zu groß.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
deshalb, wie in Fig. 5, ein vergleichsweise breiter sig
nalführender Leiter 21 in der mittleren Lage der Dreila
genanordnung als Koplanarleitung ausgebildet. Die beiden
äußeren Leiterlagen werden zur Vermeidung zu großer Kapazitäten
im Bereich der Koplanarleitung weggenommen. Um dennoch eine
elektrische Verbindung zwischen den äußeren Metallbelägen der
Mehrfachleitung herzustellen, wenden in Abständen, welche klein
sind gegenüber der Wellenlänge, schmale Leiterbrücken 22 derart
gestaltet, daß die Wellenwiderstandsforderung bei der betref
fenden Frequenz erfüllt ist. Mit Hilfe von geeignet angebrach
ten Durchkontaktierungen 19, können die Masseflächen 24 auf
beiden Seiten der Mehrfachleitung elektrisch miteinander ver
bunden werden.
Claims (18)
1. Funkantennenanordnung für Funkverbindungen mit terrestrischen
Funkstellen für Dezimeter- und/oder Zentimeterwellen, mit einem
auf der Außenseite des Kraftfahrzeugs in der Nähe des oberen
Fensterrands einer geneigten Fensterscheibe (1) in einer
Fahrzeugkarosserie mit einer auf dem Fahrzeugdach (10) bzw. dem
Fenster oder die Trennlinie zwischen Dach und Fenster teilweise
überdeckend angebrachten Grundplatte (4) mit einem auf dieser
befestigten und von ihr abragenden Antennenelement als Strahler
(3) mit einer Strahleranschlußstelle (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundplatte zumindest in wesentlichen Bereichen
elektrisch leitend ist und mit als elektrisches Gegengewicht des
Strahlers (3) wirkt und zwischen Strahler (3) und Grundplatte (4)
eine Strahleranschlußstelle (2) gebildet ist, an welche eine
hinreichend dünne Antennenleitung (5) angeschlossen ist, welche
auf der Fensterscheibe (1), bzw. auf dem Fahrzeugdach (10) zum
oberen Rand der Fensterscheibe geführt ist, dort knickt und auf
der Innenfläche der Fensterscheibe durch die Fensterkleberaupe
(6) hindurch in den Innenraum des Fahrzeugs geführt ist und neben
dem Strahler (3) für einen weiteren Funkdienst eine Patchantenne
(7) mit Patchanschlußstelle (8) auf der Grundplatte (4) befestigt
ist und das Patchantennensignal ebenfalls von der
Patchanschlußstelle (8) entweder über dieselbe oder eine weitere
hinreichend dünne Antennenleitung (9) geführt ist, welche auf der
Fensterscheibe (1) bzw. auf dem Fahrzeugdach (10) zum oberen Rand
der Fensterscheibe verläuft, dort knickt und auf der Innenfläche
der Fensterscheibe durch die Fensterkleberaupe (6) hindurch in
den Innenraum des Fahrzeugs geführt ist.
2. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahler (3) im wesentlichen die Form eines vertikal
orientierten Stabstrahlers besitzt und die Patchantenne (7)
derart zum Strahler orientiert ist, daß die Verbindungslinie (18)
zwischen dem unteren Strahlerende (11) und dem Mittelpunkt
der Patchantenne (7) sich mit der Mittelsenkrechten auf einer
der Berandungen der Patchantenne deckt.
3. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Patchantennenanschlußstelle (8) und weiterer
Antennenleitung (9) ein Bandpaß geschaltet ist, welcher nur für
Signale im Empfangsfrequenzbereich der Patchantenne durchlässig
ist.
4. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 und 2
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Patchantennenanschluß (8) und die weitere
Antennenleitung (9) ein rauscharmer Vorverstärker (13)
geschaltet ist und die Stromversorgung des Vorverstärkers
entweder über den Innenleiter der weiteren Antennenleitung (9)
oder über eine zusätzliche, ähnlich verlegte Leitung geführt
ist.
5. Funkantennenanordnung nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Patchantennenanschlußstelle (8) und die weitere
Antennenleitung (9) ein Bandpaß geschaltet ist, welcher nur für
Signale im Empfangsfrequenzbereich der Patchantenne durchlässig
ist, welcher auf der Grundplatte angebracht ist und diesem ein
rauscharmer Vorverstärker (13) nachgeschaltet ist, welcher
ebenfalls auf der Grundplatte (4) angebracht ist und die
Stromversorgung des Vorverstärkers entweder über den Innenleiter
der weiteren Antennenleitung (9) oder über eine zusätzliche,
ähnlich verlegte Leitung geführt ist.
6. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 5
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bildung einer Gruppenantenne für Funkverbindungen mit
terrestrischen Funkstellen mindestens ein zweiter Strahler (14)
mit zweiter Strahleranschlußstelle (15) vorhanden ist und die
Strahleranschlußstellen gegebenenfalls über ein Netzwerk (16)
elektrisch verknüpft sind und eine Gruppenantennenanschlußstelle (17)
auf der Grundplatte (4) gebildet ist, an welche die
Antennenleitung (5) für Funkverbindungen mit terrestrischen
Funkstellen angeschlossen ist und die Patchantenne (7) im
Bereich zwischen den Strahlern auf der Grundplatte angeordnet
ist.
7. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, daß für die
Funkantenne für Funkverbindungen mit terrestrischen Funkstellen
und die Antenne für den weiteren Funkdienst getrennte
Antennenleitungen vorhanden sind und zur Unterdrückung der
Randeinstrahlung der Funkantenne für die terrestrischen
Funkstellen in die Antenne für den weiteren Funkdienst eine
Bandsperre im Signalweg zwischen Antennenleitung (5) und
Strahler (3) vorhanden ist mit Sperrwirkung im Frequenzbereich
des weiteren Funkdienstes.
8. Funkantennenanordnung wie in Anspruch 7, jedoch
dadurch gekennzeichnet, daß eine Bandsperre
zum Schutz der Funkantenne für Funkverbindungen mit
terrestrischen Funkstellen vor der Randausstrahlung der Antenne
für den weiteren Funkdienst im Signalweg zwischen weiterer
Antennenleitung (9) und Patchantenne (7) vorhanden.
9. Funkantennenanordnung nach Anspruch 8 und 9
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Bandsperrmaßnahmen kombiniert sind.
10. Funkantennenanordnung nach Anspruch 8 und 9
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundplatte als gedruckte Schaltung ggfs. mehrlagig
ausgeführt ist und sowohl als elektrisches Element für die
elektrische Verschaltung der Signalwege als auch als
mechanischer Träger der elektrischen Bauteile ausgeführt ist.
11. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antennenleitung, bzw. die Antennenleitungen als
zueinander parallelgeführte Mikrowellen- Streifenleitungen in
Zweilagentechnik mit einem dünnen Leiter über einer Massefläche
oder in Dreilagentechnik mit zwei Masseflächen (24), welche in
geeigneten Abständen durch Durchkontaktierungen (19) miteinander
verbunden sind und einem dünnen, zwischen diesen Flächen
befindlichen signalführenden Leiter (20) ausgeführt und alle
Leitungen vorzugsweise im Verbund als eine Mehrfachleitung
gestaltet sind.
12. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Übertragung großer Leistungen eine Antennenleitung als
koplanare Leitung mit einem vergleichsweise breiten
signalführenden Leiter (21) und einer breiten Massefläche (23)
ausgeführt ist.
13. Funkantennenanordnung nach Anspruch 11 und 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle Leitungen im Verbund als eine dünne Mehrfachleitung in
Dreilagentechnik gestaltet sind und eine der Antennenleitungen
mit zwei äußeren Masseflächen (24), welche in geeigneten
Abständen durch Durchkontaktierungen (19) miteinander verbunden
sind und einem zwischen diesen Flächen befindliche
signalführenden, zur Einhaltung der Wellenwiderstandsforderung
sehr dünn gewählten Leiter (20) ausgeführt ist, und daß zur
Übertragung großer Leistungen eine der Antennenleitungen als
koplanare Leitung mit einem vergleichsweise breiten
signalführenden Leiter (21) in der mittleren Lage der
Dreilagenanordnung ausgebildet ist und die beiden äußeren
Leiterlagen im Bereich der Koplanarleitung weggenommen sind,
jedoch in Abständen, welche klein sind gegenüber der
Wellenlänge, mit schmalen Leiterbrücken (22) miteinander
verbunden sind und die Abstände und die Breite der Leiterbrücken
(22) derart gewählt sind, daß die Wellenwiderstandsforderung bei
der betreffenden Frequenz erfüllt ist.
14. Funkantennenanordnung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle Leitungen im Verbund als eine dünne Mehrfachleitung in
Dreilagentechnik gestaltet sind und eine der Antennenleitungen
mit den beiden äußeren Masseflächen (24) mit
Durchkontaktierungsstellen (19) und einem zwischen diesen
Flächen befindlichen signalführenden, zur Einhaltung der
Wellenwiderstandsforderung sehr dünn gewählten Leiter (20)
ausgeführt ist und daß zur Übertragung großer Leistungen eine
der Antennenleitungen an einem der Ränder der dünnen
Mehrfachleitung angeordnet ist und als koplanare Leitung oder
als unsymmetrische Koplanarleitung mit einem vergleichsweise
breiten signalführenden Leiter (21) in der mittleren Lage der
Dreilagenanordnung ausgebildet ist und die beiden äußeren
Leiterlagen (24) im Bereich der Koplanarleitung weggenommen
sind.
15. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß für die
Funkantenne für Funkverbindungen mit terrestrischen Funkstellen
und die Antenne für den weiteren Funkdienst getrennte
Antennenleitungen vorhanden sind und zur Unterdrückung der
Randeinstrahlung der Funkantenne für die terrestrischen
Funkstellen in die Antenne zur den weiteren Funkdienst eine
Bandsperre im Signalweg zwischen Antennenleitung (5) und
Strahler (3) vorhanden ist mit Sperrwirkung im Frequenzbereich
des weiteren Funkdiensts.
16. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die
Patchantenne (7) und die daran angeschlossene weiterführende
Schaltung eine Bandsperre mit Sperrwirkung im Frequenzbereich
der Funkantenne für Funkverbindungen mit terrestrischen
Funkstellen zum Schutz vor nichtlinearen Effekten im Signalweg
des weiteren Funkdienstes geschaltet ist.
17. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahler (3) bzw. die Strahler zur Bildung einer
Gruppenantenne für Funkverbindungen mit terrestrischen
Funkstellen und ggfs. das Netzwerk für mehrere Funkdienste (z. B.
D-Netz und E-Netz und AMPS) ausgelegt sind und über die
Antennenleitung (5) alternativ ein Signal der vorgesehenen
terrestrischen Funkdienste ausgesendet und empfangen wird.
18. Funkantennenanordnung nach Anspruch 1 bis 17
dadurch gekennzeichnet, daß
eine zusätzliche Patchantenne für einen zusätzlichen Funkdienst
auf einer zusätzlichen Frequenz vorhanden ist und der
elektrische Signalweg ähnlich gestaltet ist wie in den
Ansprüchen 1 bis 17 für die Patchantenne für den weiteren
Funkdienst.
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