DE4102845B4

DE4102845B4 - Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche

Info

Publication number: DE4102845B4
Application number: DE4102845A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Probst; Reinhard Berfelde
Original assignee: Fuba Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1991-01-31
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2011-02-01
Also published as: DE4102845A1

Abstract

Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche, an die über eine Antennenweiche gleichzeitig Empfangs- und Sende-/Empfangsgeräte angeschlossen werden können, wobei
– für alle Frequenzbereiche ein gemeinsames Antennenelement Verwendung findet,
– die HF-wirksame Gesamtlänge l₁ dieses Antennenelements1/4 der mittleren Betriebs-Wellenlängeλ₁ des niedrigsten Frequenzbereichs entspricht,
– ein Teil-Abschnitt des Antennenelements, gemessen vom Fußpunkt (A) aus, als Antennenelement mit einer HF-wirksamen Länge von 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λ₂ eines höheren Frequenzbereichs dient und
– in den Leitungsverlauf des Antennenelements ein Parallelschwingkreis eingeschaltet ist, der so abgestimmt ist, daß er für den höheren Frequenzbereich einen Sperrkreis darstellt und für die niedrigerfrequenten Signale durchlässig ist, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:
– oberhalb des Parallelschwingkreises (3) ist ein zusätzliches, die Impedanz im oberen Anschlußpunkt (C) des Parallelschwingkreises (3) beeinflussendes, isoliertes Leitungsstück (4) achsparallel zum Element (1) angeordnet, dessen HF-wirksame Länge annähernd λ₂/4 ist und das mit dem Antennenelement (1) elektrisch gekoppelt ist, und
– der Parallelschwingkreis ist am oberen Endpunkt (B) der Teillänge1₂ für den höheren Frequenzbereich angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stabantenne für Kraftfahrzeuge, die gleichzeitig für den Empfang von Hör-Rundfunk-Signalen im FM-und im AM-Bereich und für den Mobilfunk (Empfangen und Senden), zum Beispiel im C-Netz der Deutschen Bundespost (450 bis 465 MHz), geeignet ist.
Antennen für Mobilfunk und für gleichzeitigen Hör-Rundfunk-Empfang im LMK- und im UKW-Bereich sind in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Zu den Antennen gehört in jedem Fall eine Antennenweiche, die die höherfrequenten Funksignale (Senden und Empfangen) von den Hör-Rundfunk-Signalen trennt, und an die über jeweils eine Koaxial-Leitung das Funkgerät und das Radiogerät angeschlossen sind.
Im folgenden werden einige charakteristische Vertreter des Stands der Technik betrachtet.
1. Passive λ/4-Hörrundfunk-Antenne, an die das Funkgerät mit angeschlossen wird (z. B: Teleskopantenne, ohne zusätzliche Maßnahmen)
Der UKW-Empfang ist unverändert gut, der Empfang im AM-Bereich ist durch die zwischengeschaltete Antennenweiche verschlechtert, und die Signalleistung für Funk ist ung_enügend auf Grund der für diesen Frequenzbereich ungünstigen HF-wirksamen Länge der Antenne.
2. Funkantenne aus λ/4- und λ/2-Strahlern für Funkbetrieb, an die zusätzlich das Radiogerät angeschlossen wird
Kombination bzw. Stockung mehrerer λ/2- (bzw. zum Beispiel 5/8λ)-Strahler (meist zwei) mit zwischengeschalteten Phasendrehspulen. Die Funkantenne ist wegen ihrer Abmessungen, wie die erste Antenne, für den Kotflügelausbau gebräuchlich.
Je höher die Zahl der Strahlerabschnitte ist, desto besser ist die Strahlungsleistung (vertikale Bündelung der horizontalen Rundstrahlcharakteristik) und damit die Reichweite für den Mobilfunk. Eine verkürzte Ausführung – z. B. für den Dachaufbau auf Fahrzeugen – ist möglich, indem man _nur einen Funkrequenz-λ/4-Strahler, oder z B. λ/4 + λ/2 mit Phasendrehspule, vorsieht.
Die Antennen bieten sämtlich für den Mobilfunk ausreichende Leistung, aber die Empfangseigenschaften für Hörrundfunk sind zum Teil ungünstig, weil ein effektives Lambda-Verhältnis für die Hörrundfunk-Frequenzen mit den Längenverhältnissen der Funkfrequenz-Strahler nicht oder nur in Annäherung realisiert wird.
Ein recht aufwendiger Vertreter dieses Prinzips – bei dem versucht wird, auf allen Betriebsfrequenzbereichen eine gute Performance zu erreichen – ist in US 4 675 687 beschrieben.
Es wird dort ein Stab mit Spulen in mehrere, gestockte Abschnitte unterteilt:
– ein erster Abschnitt als λ/4-Strahler für Mobilfunk (dort für 825 bis 890 MHz),
– darauf eine Phasendrehspule mit einer wirksamen Länge von λ/2 für den Mobilfunk,
– darauf ein zweiter Stababschnitt mit der wirksamen Länge von λ/2 für den Mobilfunk,
– darauf eine Trennspule, die in Resonanz ist für die Mobilfunkfrequenz und
– darauf ein dritter Stababschnitt, dessen Länge so bemessen ist, daß der zweite und der dritte Stababschnitt zusammen resonant sind im FM-Bereich und auch für den AM-Empfang geeignet sind.
– Die Phasendrehspule oberhalb des ersten Stababschnitts wirkt dabei als Trennglied für den FM/AM-Strahler.
Es ist zu vermuten, daß die Gesamtlänge dieser Anordnung größer als λ/4 für FM, also größer als etwa 75 cm, ist. Das wäre auch davon abzuleiten, daß in dem Patent ein teleskopartiger Aufbau (sogar mit motorischem Antrieb) beschrieben wird. Schließlich ist noch zu betonen, daß dort für die Trennung der Strahler bzw. die phasenrichtige Zusammenfügung ausschließlich Spulen Verwendung finden.
Die Teleskop-Konstruktion ist sicherlich mit nachteiligen räumlichen Zwängen bezüglich der Verwendung bestimmter Bauelemente verbunden.
3. Kurzstab-Dachantenne
Kurzstab-Dachantennen sind in Verbindung mit Verstärkerschaltungen für den Hörrundfunk gebräuchlich.
Durch differenzierte Konfiguration eines auf einen dielektrischen Trägerstab aufgewendelten Antennenleiters und zusätzliche Strahlerstrukturen ist versucht worden, das Aufbau- und Wirkprinzip einer solchen Hörrundfunk-Kurzstabantenne auch für den Mobilfunk zu nutzen – so beschrieben z. B. in DE-G 89 07 434 . In der Gebrauchsmusterschrift wird als Ziel betont, daß man die geneigte Anbringung ermöglichen wollte, wie sie bei den Hörrundfunk-Dachantennen heute üblich ist.
Das Ergebnis ist in diesem Fall eine (doch etwas) verlängerte Kurzstabantenne mit guten Empfangseigenschaften für LMKU, aber mit zum Teil bzw. richtungsabhängig weniger günstigen Leistungen im Mobilfunk (durch die Neigung beeinträchtigte Strahlungscharakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm).
Zusammenfassend ist zu sagen, daß bei allen bekannten Kraftfahrzeug-Antennen für gleichzeitigen Funk- und Hörrundfunkbetrieb partiell Abstriche in den Gebrauchseigenschaften hingenommen werden müssen Sie sind zum Teil baulich sehr lang und müssen in senkrechter Stellung betrieben werden und bzw. oder die Antennenleistung ist nicht in allen Frequenzbereichen gleich gut.
Bei auf dem Kotflügel montierten Antennen läßt sich zudem eine Störung der Feldlinien durch die Dachkonstruktion des Fahrzeug und damit eine gewisse Abschattung nicht vermeiden Des weiteren lassen sich die meisten bekannten Bauarten optisch leicht als Mobilfunkantennen identifizieren; das kann zu "Prestigegewinn" führen, zieht aber auch die Gefahr von Beschädigungen des Fahrzeugs und des Diebstahls der Anlage nach sich

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabantenne für mehrerere, durch größere Frequenzlücken getrennte Frequenzbereiche mit auf allen Bereichen günstigen Leistungswerten zu schaffen, die sich von bekannten Hörrundfunk-Kurzstabantennen für Kraftfahrzeuge in bezug auf die mechanischen Abmessungen und die äußere Gestaltung nicht unterscheidet, und die auch bei geneigter Anbringung auf dem Fahrzeugdach eine gute Rundumstrahlungscharakteristik für Mobilfunk aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten Anwendungsvarianten und Details.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich nunmehr auf einem einzigen kurzen Antennenelement mehrerere Strahlerbereiche für unterschiedliche Frequenzbänder anordnen, die einen gemeinsamen Fußpunkt haben und sich baulich überdecken. HF-mäßig sind sie jedoch exakt voneinander getrennt, und jeder Bereich wird separat dimensioniert und angepaßt.

Wesentlich für dieses Ergebnis ist die Kombination des Parallelschwingkreises als oberer Abschluß eines λ/4-Strahlerabschnitts auf dem Antennenelement und des Zusatz-Antennenleiters.

Der Zusatzleiter wird in seiner Länge so abgestimmt, daß für den jeweiligen Frequenzbereich der Blindwiderstand des Antennenbereichs jenseits des λ/4-Abschnitts kompensiert und die Impedanz verringert wird. Mit der niedrigen reellen Impedanz wird die Funktion des Parallelschwingkreises als Sperrkreis für das Frequenzband bewirkt.

Auf diese Weise lassen sich auf einem Antennenelement mehrerere U4-wirksame Strahler für unterschiedliche Frequenzbereiche separieren.

Als HF-wirksame Strahlerlänge wird gemäß der Erfindung für jeden Frequenzbereich λ/4 gewählt, weil der Erhebungswinkel im Vertikal-Strahlungsdiagramm des λ/4-Rundstrahlers (Monopol) 45° ist und dadurch die Rundstralilungscharakteristik auch bei seitlicher Neigung des Stabs weitgehend erhaben bleibt.

Die Erfindung gestattet es, eine Kraftfahrzeug-Kurzstabantenne für Dachausbau ohne erkennbare äußerliche Veränderungen und unter Beibehaltung der guten Empfangseigenschaften für den Hörrundfunk für mindestens einen zusätzlichen höheren Frequenzbereich nutzbar zu machen. Die Länge des Antennenstabs bleibt mechanisch wie auch elektrisch – für die Hörrundfunkfrequenzen – unverändert und ebenfalls der elektrische Aufbau für den Hörrundfunk.

Für den Mobilfunkbetrieb muß der Parallelschwingkreis galvanisch in den vorhandenen Antennenleiter implementiert und darüber der Zusatzleiter in z. B. kapazitiver Kopplung mit dem Antennenelement angeordnet werden.

Die zusätzlichen Bauelemente lassen sich so bemessen, daß sie unter der Schutzhülle des Antennenstabs optisch nicht auffallen. Die Empfangs- und Sendeleistungen der erfindungsgemäßen Mehrbereichsantenne sind, rechnerisch wie auch meßtechnisch nachgewiesen, ausgezeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen
1 Schaltskizze der erfindungsgemäßen Mehrbereichsantenne
2 Horizontal-Strahlungsdiagramm bei Antennen-Neigung 50°, Frequenz 460 MHz, im Meßfeld
a) herkömmliche Funkantenne
b) erfindungsgemäße Mehrbereichsantenne
In 1 ist 1 das Antennenelement einer Kurzstabantenne, das gemäß der Erfindung neben dem Hörrundfunk auch für andere Frequenzbänder genutzt wird. Die Länge l₁ des Antennenelements 1 entspricht 1/4 der mittleren Betriebs-Wellenlänge λ₁ für denHörrundfunk als unterer bzw. unterster Frequenzbereich. Der Abschnitt 2 vom Fußpunkt A bis zum Punkt B, mit der Länge l₂ , dient als Strahler für ein oberes Frequenzband mit der mittleren Betriebs-Wellenlänge λ₂, z. B. für den Mobilfunk im Bereich 450 bis 465 MHz. Der Parallelschwingkreis 3 wirkt für den oberen Frequenzbereich als Sperrkreis. Voraussetzung dafür ist der zusätzliche Antennenleiter 4, der gegen den Antennenleiter 1 isoliert und mit dem Parallelschwingkreis 3 im Punkt C kapazitiv oder galvanisch gekoppelt ist. Durch den Einfluß des Antennenleiters 4 steht für den oberen Frequenzbereich im Punkt C eine niederohmige reelle Impedanz an.
Die HF-wirksamen Strahlerlängen l₁ und l₂ können gemäß der Erfindung unabhängig voneinander auf den jeweiligen Frequenzbereich abgestimmt werden. Bei einer Kurzstabantenne mit einer mechanischen Gesamtlänge von 400 mm, wie sie z. B. als Kraftfahrzeug-Dachantennen üblich sind, erhält man das Maß λ/4 für den UKW-Empfang durch Wendelung des l₁ langen Antennenleiters auf den flexiblen Stab aus einem Dielektrikum. Die Länge l₂ des Strahlers für den oberen Frequenzbereich ist gleich der mechanischen Länge vom Fußpunkt A der Antenne bis zum Anschluß B des Parallelschwingkreises 3. Das gleiche gilt für die ebenfalls gesondert abgestimmte Länge des zusätzlichen Antennenleiters 4.
In 2 werden die Horizontal-Strahlungsdiagramme einer Funkantenne des Stands der Technik und der erfindungsgemäßen Antenne, beide im Winkel von 50° gegen die Waagerechte geneigt, einander gegenübergestellt. (In senkrechter Stellung haben sie beide Rundstrahlung) Das Strahlungsdiagramm in 2a zeigt deutliche Einbrüche, die nur bei Neigung des herkömmlichen Stabs auftreten. Bei der neuen Mehrbereichsantenne liegt unverändert nahezu Rundstrahlung vor, und der Empfangspegel ist trotz der andersartigen geometrischen und HF-Verhältnisse mit dem der herkömmlichen Antenne bei senkrechter Stellung zu vergleichen.
Das Empfangsverhalten der Kurzstabantenne im Hörrundfunkbereich wird von der erfindungsgemäßen Anordnung nicht beeinflußt. Das Maß l₁ stellt einen abgestimmten Strahler für UKW dar und ist gleichzeitig – wie bei anderen derartigen Kurzstabantennen – kapazitives Empfangselement für den LMK-Bereich.

Claims

Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche, an die über eine Antennenweiche gleichzeitig Empfangs- und Sende-/Empfangsgeräte angeschlossen werden können, wobei – für alle Frequenzbereiche ein gemeinsames Antennenelement Verwendung findet, – die HF-wirksame Gesamtlänge l₁ dieses Antennenelements 1/4 der mittleren Betriebs-Wellenlänge λ₁ des niedrigsten Frequenzbereichs entspricht, – ein Teil-Abschnitt des Antennenelements, gemessen vom Fußpunkt (A) aus, als Antennenelement mit einer HF-wirksamen Länge von 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λ₂ eines höheren Frequenzbereichs dient und – in den Leitungsverlauf des Antennenelements ein Parallelschwingkreis eingeschaltet ist, der so abgestimmt ist, daß er für den höheren Frequenzbereich einen Sperrkreis darstellt und für die niedrigerfrequenten Signale durchlässig ist, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale: – oberhalb des Parallelschwingkreises (3) ist ein zusätzliches, die Impedanz im oberen Anschlußpunkt (C) des Parallelschwingkreises (3) beeinflussendes, isoliertes Leitungsstück (4) achsparallel zum Element (1) angeordnet, dessen HF-wirksame Länge annähernd λ₂/4 ist und das mit dem Antennenelement (1) elektrisch gekoppelt ist, und – der Parallelschwingkreis ist am oberen Endpunkt (B) der Teillänge 1₂ für den höheren Frequenzbereich angeordnet.
Kraftfahrzeug-Stabantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Leitungsstück (4) mit dem Antennenelement (1) im Punkt C galvanisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug-Stabantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Leitungsstück (4) mit dem Antennenelement (1) im Punkt C kapazitiv gekoppelt ist.
Kraftfahrzeug-Stabantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehr als einen Teilabschnitt (2) auf dem Antennenelement (1) mit zugeordnetem Sperrkreis (3) und Zusatz-Leitungsstück (4), wobei jeder Teilabschnitt (2) im gemeinsamen Fußpunkt (A) beginnt und jeder Teilabschnitt jeweils auf einen anderen höheren Frequenzbereich abgestimmt ist und wobei die Sperrkreise jeweils für die unteren Frequenzbereiche durchlässig sind.