DE29811147U1 - Antennas made of flat elements - Google Patents

Antennas made of flat elements

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Description

Antennen aus flächigen ElementenAntennas made of flat elements

Die Erfindung betrifft Antennen mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen, wie man sie z.B. als stationäre Antennen für Funkdienste (auch als Gruppenantennen) antrifft, und die auch bei Kraftfahrzeugen Eingang finden. Charakteristisch ist die meist recht geringe Bauhöhe der einzelnen Strahleranordnung. Daß die Abmessungen dieser Antennen insgesamt nicht besonders groß sind, ist außerdem auf die hohen Betriebsfrequenzen zurückzuführen, für die sie konzipiert werden.The invention relates to antennas with the generic features specified in the preamble of the main claim, such as those found, for example, as stationary antennas for radio services (also as group antennas) and which are also used in motor vehicles. A characteristic feature is the usually very low height of the individual radiator arrangement. The fact that the overall dimensions of these antennas are not particularly large is also due to the high operating frequencies for which they are designed.

Die zur Rede stehenden Anordnungen sind z.B. als Flächensegment- und Streifenleiter-Antennen (patch antenna) bekannt, oder, in abgewandelter Form, als „U"- bzw. Flachantenne (DE-AS 21 53 827, EP 0 278 069, DE 195 04 577, DE-OS 195 14 556, DE-OS 196 14 068, DE-OS 196 46 100). Auch Schlitzantennen, bei denen eine Fläche oder ein Hohlleiter mit den Schlitzen als Strahler versehen ist, sind Beispiele für die Anwendung der Erfindung. Die HF-wirksamen metallischen Teile bestehen bei den Lösungen des bekannten Stands der Technik meist aus Blech. Blech bietet gleichzeitig auch die besten Voraussetzungen für die Gewährleistung der mechanischen Stabilität. Bekannt sind außerdem Kunststoff-Folie mit Metallbeschichtung und Formkörper aus dielektrischem Material, z.B. Platten oder Quader, die mit Metallstrukturen versehen sind, je nach Antennentyp und Einsatzprämissen.The arrangements in question are known, for example, as surface segment and strip conductor antennas (patch antennas), or, in a modified form, as "U" or flat antennas (DE-AS 21 53 827, EP 0 278 069, DE 195 04 577, DE-OS 195 14 556, DE-OS 196 14 068, DE-OS 196 46 100). Slot antennas, in which a surface or a waveguide is provided with slots as a radiator, are also examples of the application of the invention. The HF-effective metallic parts in the solutions of the known state of the art are usually made of sheet metal. Sheet metal also offers the best conditions for ensuring mechanical stability. Plastic film with a metal coating and molded bodies made of dielectric material, e.g. plates or Cuboids provided with metal structures, depending on the antenna type and application premises.

Die Erfindung hat zum Zweck, die Gestaltungs- und Einsatzmöglichkeiten dieser Antennen zu erweitern und zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue, vorteilhafte Materialien für die Flächenelemente zu bestimmen. Wesentliche Kriterien sind dabei die Gewichtsverhältnisse und die Verarbeitung, aber auch die mechanische Stabilität sowie Eigenschaften, aus denen sich neue Integrations- und Kombinationsmöglichkeiten ergeben.The purpose of the invention is to expand and improve the design and application options of these antennas. The invention is based on the task of determining new, advantageous materials for the surface elements. The key criteria are the weight ratios and processing, but also the mechanical stability and properties that result in new integration and combination options.

Die Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.The problem is solved with the features specified in the characterizing part of the main claim and the subsidiary claim. The subclaims contain preferred embodiments and details.

Die Erfindung stellt sich als interessante Lösung dar, deren Vorteile und neue Anwendungsmöglichkeiten in der, ersten Betrachtung wahrscheinlich noch gar nicht voll offenbar werden. Mit Sicherheit ist die Gewichtsminderung gegenüber der Verwendung von Elementen aus Blech, z.B. bei einer stationären Gruppenantenne mit gestockter patch-Anordnung der Einzelstrahler, ein wesentlicher Vorteil der Erfindung. Darüber hinaus läßt sich ein Drahtgeflecht mit geringem Aufwand verarbeiten, und die Kontaktierung mit Verbindungsleitungen zu weiterführenden Netzwerken ist ebenso problemlos wie bei Blech, aber besser als z.B. bei Einsatz von metallisierten Folien. Einen Ausblick hin zu den neuen Möglichkeiten, die die Erfindung eröffnet, stellt die Kombination einer Flachantenne der eingangs erwähnten Art mit einer Lichtquelle dar. Wie im weiteren Text auch als Ausführungsbeispiel geschildert, kann eine flachbauende Antenne mit einer Bremsleuchte eines Kraftfahrzeugs kombiniert werden. Die Bremsleuchte „blickt" durch die Antenne hindurch. Andererseits wird die Antenne in Ihren elektrischen Eigenschaften nicht durch die Bremsleuchte, die an das Bordnetz angeschlossen ist, beeinträchtigt.The invention is an interesting solution, the advantages and new application possibilities of which are probably not fully apparent at first glance. The reduction in weight compared to the use of elements made of sheet metal, e.g. in a stationary group antenna with a stacked patch arrangement of the individual radiators, is certainly a significant advantage of the invention. In addition, a wire mesh can be processed with little effort, and contacting with connecting lines to further networks is just as easy as with sheet metal, but better than, for example, when using metallized foils. The combination of a flat antenna of the type mentioned at the beginning with a light source represents a preview of the new possibilities opened up by the invention. As also described in the text as an example, a flat antenna can be combined with a brake light of a motor vehicle. The brake light "looks" through the antenna. On the other hand, the antenna's electrical properties are not impaired by the brake light, which is connected to the vehicle's electrical system.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Figur 1. Flachantenne in erfindungsgemäßer Ausführung Figur 2. Bremsleuchte mit Mobilfunk-Antenne am heckseitigenThe invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. The accompanying drawings show: Figure 1. Flat antenna in the embodiment according to the invention Figure 2. Brake light with mobile radio antenna on the rear

Dachholm
Figur 3. Flächensegment-Antenne (patch antenna) in einer Heckleuchte
Roof beam
Figure 3. Patch antenna in a tail light

Figur 1 zeigt eine Flachantenne, wie sie ähnlich in DE 195 04 577 als passives Sende- und Empfangselement für Mobilfunk mit Frequenzen im GHz-Bereich beschrieben ist. Die erfindungsgemäße Antenne besteht aus der Massebezugsfläche 1 und der Strahlerfläche 2, wobei die Flächen 1 und 2 durch das Kurzschlußelement 3 galvanisch verbunden sind. Diese drei Teile werden nach der Lehre der Erfindung aus Drahtgeflecht ausgeführt.Figure 1 shows a flat antenna, similar to that described in DE 195 04 577 as a passive transmitting and receiving element for mobile radio with frequencies in the GHz range. The antenna according to the invention consists of the ground reference surface 1 and the radiator surface 2, whereby the surfaces 1 and 2 are galvanically connected by the short-circuit element 3. These three parts are made of wire mesh according to the teaching of the invention.

Zur Speisung über den Antennen-Anschlußpunkt 4 dient der auf ein kurzes Stück freigelegte Innenleiter 5 des Koaxialkabels 6, dessen Außenleitergeflecht im Punkt 7 mit der Massebezugsfläche 1 verbunden ist.The inner conductor 5 of the coaxial cable 6, which is exposed for a short distance, is used for feeding via the antenna connection point 4, the outer conductor braid of which is connected to the ground reference surface 1 at point 7.

Die Massebezugsfläche 1 ist größer als die Strahlerfläche 2 gewählt. Wenn die Antenne mit dem gesamten Aufbau in einen für das elektromagnetische Feld quasi freien Raum ragt, z.B. bei Anordnung unterhalb der Fensterscheibe eines Kraftfahrzeugs, ist eine wirksame galvanische Anbindung an das Karosserieblech vorzusehen, z.B. in Gestalt der Schraublasche 1.1 laut Figur 1.The ground reference surface 1 is selected to be larger than the radiator surface 2. If the antenna with its entire structure extends into a space that is virtually free of the electromagnetic field, e.g. when arranged underneath the window pane of a motor vehicle, an effective galvanic connection to the bodywork sheet must be provided, e.g. in the form of the screw tab 1.1 as shown in Figure 1.

In Figur 2 wird eine an der Heckscheibe 8 eines Kraftfahrzeugs, unter dem Dachholm, angeordnete dritte Bremsleuchte gezeigt. Die Funktionselemente der Bremsleuchte sind Lampen 9, Reflektoren 10 und das Farbglas 11. Sie sind in einem Gehäuse 12 angeordnet. Die Größe der wirksamen Leuchtenfläche ist vorgegeben. Es sollen mindestens 30 cm2 sein. Die Leuchtrichtung muß waagerecht sein. Aus diesen beiden Prämissen ergeben sich, berücksichtigt man ferner den oft geringen Neigungswinkel heutiger Kfz-Heckscheiben, für das Gehäuse 12 recht große Abmessungen in der Draufsicht und ein großes freies Volumen im Gehäuse-Inneren. Dieser freie Raum wird bei der Anordnung nach Figur 2 mit einer erfindungsgemäßen Antenne nach dem in Figur 1 gezeigten Prinzip genutzt.Figure 2 shows a third brake light arranged on the rear window 8 of a motor vehicle, under the roof pillar. The functional elements of the brake light are lamps 9, reflectors 10 and the colored glass 11. They are arranged in a housing 12. The size of the effective lamp surface is predetermined. It should be at least 30 cm 2 . The direction of light must be horizontal. From these two premises, and taking into account the often low angle of inclination of today's vehicle rear windows, the housing 12 has quite large dimensions when viewed from above and a large free volume inside the housing. This free space is used in the arrangement according to Figure 2 with an antenna according to the invention according to the principle shown in Figure 1.

Die Massebezugsfläche 1.2 ist hier gewölbt ausgeführt. Die Ausformung hat sich aus Bemessungsgründen in Verbindung mit dem Feldaufbau und unter EMV-Gesichtspunkten als günstig erwiesen. Die zulässige Maschenweite w beträgt für den Bereich 900 Mhz maximal 7 mm und für 1,8 Ghz 3,5 mm. Bei einem Drahtdurchmessser d von z.B. maximal 0,5 mm bzw. 0,2 mm wird deutlich, daß derartige Drahtgeflechte den Lichtaustritt der Bremsleuchte nicht behindern.The ground reference surface 1.2 is curved here. The shape has proven to be advantageous for design reasons in connection with the field structure and from an EMC perspective. The permissible mesh width w is a maximum of 7 mm for the 900 MHz range and 3.5 mm for 1.8 GHz. With a wire diameter d of e.g. a maximum of 0.5 mm or 0.2 mm, it is clear that such wire mesh does not impede the light emission of the brake light.

Figur 3 zeigt eine andere Variante zum Thema Leuchte, speziell Heckleuchte, in Verbindung mit einer Antenne aus Drahtgeflecht. In der Heckleuchte 13 ist eine Gruppenantenne nach dem Streifenleiterprinzip (patch antenna) mit drei Strahlern 14 vor einer Massebezugsfläche 1.3 angeordnet. Der Effekt, daß die optische Funktion nicht behindert wird, ist der gleiche wie bei der Anordnung nach Figur 2.Figure 3 shows another variant of the light, specifically the rear light, in conjunction with a wire mesh antenna. In the rear light 13, a group antenna based on the strip conductor principle (patch antenna) with three radiators 14 is arranged in front of a ground reference surface 1.3. The effect that the optical function is not hindered is the same as with the arrangement according to Figure 2.

Während die Antennen der eingangs erläuterten Bauform Rundstrahlung im horizontalen Strahlungsdiagramm haben, sind Antennen des in Figur 3 gezeigten Typs durch Richtcharakteristik gekennzeichnet, mit einer Keule orthogonal zu den Strahlerflächen. Das heißt, daß man z.B. an allen vier Ecken eines Fahrzeugs eine patch antennaWhile the antennas of the design explained at the beginning have omnidirectional radiation in the horizontal radiation pattern, antennas of the type shown in Figure 3 are characterized by directional characteristics, with a lobe orthogonal to the radiator surfaces. This means that, for example, a patch antenna can be installed at all four corners of a vehicle.

j · · j 'III Il *..·j · · j 'III Il *..·

oder eine patch-Gruppe anordnen muß, um quasi-Rundumstrahlung zu gewährleisten.or a patch group must be arranged to ensure quasi-omnidirectional radiation.

Es wurde schon angedeutet, daß die erfindungsgemäße Kombination von Antennen aus Drahtgeflecht mit Leuchten nur eine der denkbaren Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ist, wenn auch eine besonders vorteilhafte und sinnfällige. Ein ebenso interessanter Weg wird sich ergeben, wenn zunehmend und an exponierten Stellen Fahrzeugteile aus Kunststoff Eingang in den Karosseriebau finden. Karosserieteile haben Flächencharakter, und die Verwendung von Drahtgeflechten kann ein Weg zur Integration von flächigen Antennenkonfigurationen sein, ohne daß man auf Blech zurückgreifen oder empfindliche Folien oder Metallbeschichtungen verwenden muß.It has already been indicated that the inventive combination of antennas made of wire mesh with lights is only one of the possible applications of the invention, albeit a particularly advantageous and obvious one. An equally interesting path will emerge if vehicle parts made of plastic are increasingly used in exposed areas in bodywork construction. Bodywork parts have a surface character, and the use of wire mesh can be a way of integrating surface antenna configurations without having to resort to sheet metal or using sensitive foils or metal coatings.

Claims (5)

SchutzansprücheProtection claims 1. Antenne, insbesondere für Frequenzen im GHz-Bereich, bestehend aus flächigen, metallischen Elementen, wobei die Antenne vorzugsweise unterhalb einer Baueinheit aus einem dielektrischen Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die flächigen metallischen Elemente (1.1, 1.2, 1.3, 2, 3, 14) lichtdurchlässig sind.1. Antenna, in particular for frequencies in the GHz range, consisting of flat, metallic elements, the antenna being preferably arranged below a structural unit made of a dielectric material, characterized in that the flat metallic elements (1.1, 1.2, 1.3, 2, 3, 14) are translucent. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächigen metallischen Elemente aus Drahtgeflecht bestehen, das für die dem Betriebsfrequenzbereich entsprechede Wellenlänge den Charakter einer geschlossenen metallischen Fläche besitzt.2. Antenna according to claim 1, characterized in that the flat metallic elements consist of wire mesh, which has the character of a closed metallic surface for the wavelength corresponding to the operating frequency range. 3. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Struktur ähnlich einem Drahtgeflecht, die durch Stanzen und Stanzen/Biegen aus Blechmaterial gewonnen wird.3. Antenna according to claim 1, characterized by a structure similar to a wire mesh, which is obtained by punching and punching/bending from sheet material. 4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächigen metallischen Elemente dadurch erzeugt sind, daß auf eine oder zwei Flächen eines Körpers aus einem glasklaren dielektrischen Trägermaterial eine Schicht hoher elektrischer Leitfähigkeit aufgebracht ist, die gleichzeitig optisch transparent ist.4. Antenna according to claim 1, characterized in that the flat metallic elements are produced by applying a layer of high electrical conductivity, which is at the same time optically transparent, to one or two surfaces of a body made of a crystal-clear dielectric carrier material. 5. Flachantenne für Frequenzen im GHz-Bereich, bestehend aus einem Flächensegment (2) aus elektrisch gut leitendem Material, das über einer größeren leitenden Fläche (1), mit einem definierten Abstand und vorzugsweise planparallel dazu, angeordnet ist und das in einem Randbereich mit der größeren Fläche über ein Kurzschlußelement (3) in leitender Verbindung steht, wobei5. Flat antenna for frequencies in the GHz range, consisting of a surface segment (2) made of electrically highly conductive material, which is arranged over a larger conductive surface (1), at a defined distance and preferably plane-parallel thereto, and which is in conductive connection with the larger surface in an edge region via a short-circuit element (3), whereby - das Flächensegment (2) mit dem Innenleiter (5) des Antennenkabels (6) und die größere leitende Fläche (1) mit dem Außenleitergeflecht des Antennenkabels verbunden ist und- the surface segment (2) is connected to the inner conductor (5) of the antenna cable (6) and the larger conductive surface (1) is connected to the outer conductor braid of the antenna cable and - die größere leitende Fläche (1) die Massebezugsfläche der Anordnung darstellt,- the larger conductive surface (1) represents the ground reference surface of the arrangement, und wobeiand where - das Flächensegment (2), die Massebezugsfläche (1) und das Kurzschlußelement (3) vorzugsweise aus Drahtgeflecht bestehen,- the surface segment (2), the ground reference surface (1) and the short-circuit element (3) preferably consist of wire mesh, - die Maschenweite w des Drahtgeflechts kleiner/gleich 1/10 der Wellenlänge Xu der Untergrenze der Betriebsfrequenz bzw. des unteren von zwei nebeneinanderliegenden Frequenzbändern ist, vorzugsweise 1/10 &lgr;&ugr;/ - the mesh width w of the wire mesh is less than or equal to 1/10 of the wavelength X u of the lower limit of the operating frequency or of the lower of two adjacent frequency bands, preferably 1/10 λ μ/ - der Drahtdurchmesser d gleich 1/10 bis 1/3 der Maschenweite w ist, vorzugsweise 1/10 bis 1/5 w, und- the wire diameter d is equal to 1/10 to 1/3 of the mesh size w, preferably 1/10 to 1/5 w, and - die Maschenweite w und der Drahtdurchmesser d für das Flächensegment (2) und für die Massebezugsfläche (1) vorzugsweise gleich sind und- the mesh size w and the wire diameter d for the surface segment (2) and for the mass reference surface (1) are preferably the same and - die Flachantenne (1, 2, 3) zusammen mit einer Lichtanlage- the flat antenna (1, 2, 3) together with a lighting system (9, 10, 11) in einem gemeinsamen Gehäuse (12) angeordnet ist, wobei die Lichtanlage, in Strahlungsrichtung des Lichts gesehen, hinter der Antenne angeordnet ist und die Lichtstrahlen nacheinander durch das Drahtgeflecht der Massebezugsfläche und des Flächensegments hindurchtreten.(9, 10, 11) is arranged in a common housing (12), wherein the lighting system, viewed in the direction of light radiation, is arranged behind the antenna and the light rays pass one after the other through the wire mesh of the ground reference surface and the surface segment.
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