DE4141783A1 - Kraftfahrzeug-antenne fuer mehrere getrennte frequenzbereiche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stabantenne für Kraftfahrzeuge, die gleichzeitig für den Empfang z. B. von Hörrundfunk-Signalen im FM- und im AM-Bereich und für den Mobilfunk (Empfangen und Senden), z. B. im C-Netz und bzw. oder im D-Netz der Deutschen Bundespost, geeignet ist, nach Patentanmeldung Nr. P 41 02 845.

Das Lösungsprinzip nach P 41 02 845 gilt allgemein für die Verwendung eines einzigen Antennenelements gemeinsam für mehrere, gegeneinander abgesetzte Frequenzbänder. Die als Monopole über einer leitenden Fläche konzipierten Abschnitte auf dem Antennenelement stellen λ/4-Strahler dar, die einen gemeinsamen Fußpunkt haben und in ihrer wirksamen Länge durch jeweils einen Parallelschwingkreis begrenzt sind, der für den zugeordneten Frequenzbereich als Sperrkreis wirkt. Für den oder die niedrigeren Frequenzbereiche ist dieser Parallelschwingkreis niederohmig und unterbricht die den niedrigeren Bereichen zugeordneten Strahlerabschnitte HF-mäßig nicht. Die Abschnitte für die niedrigeren Frequenzbereiche auf dem Strahler sind, gemessen vom gemeinsamen Fußpunkt, damit länger. Die wirksame Gesamtlänge des Antennenelements kann z. B. 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge des untersten bzw. eines unteren Frequenzbereichs, eben z. B. des FM-Bereichs, entsprechen.

Die Mehrbereichsantenne nach P 41 02 845 weist auf allen Frequenzbereichen, für die sie ausgelegt ist, ausgezeichnete Strahlungsleistungen auf. Sie hat auch bei geneigter Anbringung (bis 40° Neigung), z. B. auf einem Fahrzeugdach, eine gute Rundstrahlcharakteristik. Dabei ist der Schaltungsaufwand vergleichsweise gering, und die Antenne unterscheidet sich äußerlich nicht von den gebräuchlichen Hörrundfunk-Antennen für Kraftfahrzeuge.

Im Zusammenhang mit weiterführenden theoretischen und praktischen Untersuchungen hat sich nun in überraschender Weise gezeigt, daß das Prinzip nach P 41 02 845 wesentliche verallgemeinerungsfähige Verbesserungen in bezug auf den prinzipiellen Aufbau der Antennen und für die konzeptionelle Entwurfsarbeit ermöglicht.

Daraus resultierend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der Mehrbereichsantenne weiter zu vereinfachen, ohne daß die elektrischen Eigenschaften nachteilig beeinflußt werden, und darüber hinaus für die Schaltungsanordnung Bemessungsgrundsätze zur Vorherbestimmung und Optimierung der Maßverhältnisse bei den unterschiedlichen möglichen Anwendungsfällen und -bedingungen aufzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Mit der Erfindung werden Wirkzusammenhänge der Leitungs- und der Feldtheorie in einer Weise erfaßt und für die Darstellung der komplexen Verhältnisse auch bei extrem vereinfachtem Aufbau der Schaltung angewendet, die eine exakte Vorherbestimmung und Auslegung von Trenn- und Selektionsschaltungen speziell für Antennenelemente und die weitgehend universelle Anwendung des Mehrbereichsprinzips bei unterschiedlichen Stabausführungen und auch bei unterschiedlichen flächigen Konfigurationen ermöglicht.

Der Schaltungsaufwand kann - im Sinne einer Optimierung - auf ein Minimum reduziert werden, und durch die Erfassung und Vorgabe der Parameter-Verhältnisse in einer Näherungsgleichung wird der Anteil der bei der Antennenentwicklung noch immer unverzichtbaren empirischen Arbeiten gesenkt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei einer Kurzstabantenne mit gewendeltem Antennenleiter

• a) Parallelschwingkreis an beliebiger Stelle im Stab, ohne Änderungen der Antennenleiter-Wendelung
• b) Anordnung für sehr hohen zusätzlichen Frequenzbereich

Fig. 2: Stabantennen - gestreckter Antennenleiter - mit erfindungsgemäßem Parallelschwingkreis

• a) mit zusätzlicher Spule
• b) mit gestrecktem Leiterteil
• c) mit Sperrtopf

Fig. 3: Fußpunktanschluß für eine λ/4-Antenne

Fig. 4: Mehrbereichs-Kurzstabantenne mit Biegeschaft, in geneigter Ausführung

Fig. 1 zeigt Antennenelemente 1 mit gegenüber der wirksamen Länge verkürzter geometrischer Länge, wie sie z. B. bei Kraftfahrzeug- Dachantennen bekannt sind. Auf den Stab 2 aus einem dielektrischen Material ist der eigentliche Antennenleiter 3 aufgewendelt. Die gestreckte Länge des Antennenleiters 3 entspricht 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λ₁ für den Hörrundfunk im FM- Bereich. Auf dem Antennenelement 1 wird - ausgehend von dem gemeinsamen Fußpunkt 4 - ein Strahler für Mobilfunk abgeteilt, dessen wirksame Länge unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft gleich 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λ₂ für diesen Frequenzbereich ist. Dazu wird gemäß der Erfindung das gestreckte Leiterteil 5 achsparallel, vorzugsweise koaxial, in den Stab 2, d. h. innerhalb der Wendelung des Antennenleiters 3, eingefügt. Das Leiterteil 5 ist, bis auf die galvanische Verbindung mit dem Antennenleiter 3 am Endpunkt 6 des Strahlerabschnitts für den Mobilfunk, gegen den Antennenleiter 3 isoliert. Im Bereich der Länge l des Leiterteils 5 bilden - in vereinfachender Betrachtungsweise - das Leiterteil 5 die Kapazität und der Antennenleiter 3 die Induktivität eines Parallelschwingkreises, der für den Mobilfunk-Frequenzbereich einen Sperrkreis darstellt.

Bei der Variante nach Fig. 1a wurde das Leiterteil 5 in den Stab eingefügt, ohne daß die Windungsparameter des Antennenleiters 3 geändert wurden. Wie Fig. 1b zeigt, besteht natürlich die Möglichkeit, die geometrische Länge der Parallelschwingkreis- Anordnung zu verkürzen, indem man als Induktivität einen eng gewickelten Bereich 31 des Antennenleiters vorsieht.

Bei der Lösung nach Fig. 1b wurde ein Antennenelement 1 aus einem Kunststoff-Stab 2 mit aufgewendeltem Antennenleiter 3 auf ein metallisches Stabteil 71 gesetzt. Der Antennenleiter 3 ist am Beginn des Spulenabschnitts 31 mit dem Stabteil 71 galvanisch verbunden. Auf gleicher Höhe beginnt das Leiterteil 5 - die Kapazität. Mit 6 ist die galvanische Verbindung zwischen Stabteil 71 und Leiterteil 5 bezeichnet; das Leiterteil 5 liegt an der Mantelfläche des Stab 2 an und ist mit dem Spulenabschnitt 31 umwickelt.

Der Strahler für den unteren Frequenzbereich umfaßt das Stabteil 71 und den darüberliegenden Bereich des Stabs 2 mit Spulenabschnitt 31 und Wendelung 3.

Die Lösung nach Fig. 1b bietet sich an, wenn z. B. die wirksame Länge des λ₂/4-Abschnitts sehr klein ist und ein kurzes metallisches Stabteil 71 nicht die Biegsamkeit des Stabs insgesamt beeinträchtigt.

Das Achsmaß des Parallelschwingkreises - die Länge l des Leiterteils 5 - ergibt sich aus der Gleichung

Dabei sind:
D Dorndurchmesser der "Spule" in Gestalt des gewendelten Antennenleiters (3), hier gleichzeitig Durchmesser des Stabs 2,
d Durchmesser des Antennenleiters 3,
d_i Durchmesser des Leiterteils 5,
ε_r Dielektrizitätszahl der Isolierung zwischen Antennenleiter 3 und Leiterteil 5,
s Steigung der Antennenleiter-Wendel

Es ist auch denkbar, das Leiterteil 5 achsparallel zum Stab 2 außerhalb der Wendelung anzuordnen.

Fig. 2 zeigt Varianten der Anwendung der Erfindung bei einer passiven Kraftfahrzeug-Stabantenne. Die geometrische Länge eines solchen Stabs - als gestreckter Antennenleiter - entspricht üblicherweise λ₁/4 für den FM-Bereich.

Der Strahler für den höheren Frequenzbereich wird HF-mäßig abgeteilt, indem auch hier am Endpunkt des Abschnitts mit der wirksamen Länge λ₂/4 eine galvanische Verbindung zwischen dem Stab 7 und dem zusätzlichen achsparallelen Leiterteil hergestellt wird. Im weiteren sind die beiden Leiter durch ein Dielektrikum gegeneinander isoliert.

Fig. 2a zeigt den Stab 7 in Kombination mit einer Spule 32. Als Kapazität dient hier der Stababschnitt 72, der durch elektrische Unterbrechung des Stab- und Leiterverlaufs im Bereich 73 gewonnen wird. Das Maß l wird nach derselben Gleichung wie bei der Anordnung nach Fig. 1 errechnet.

Bei Fig. 2b ist der Stab 7 mit einem gestreckten Leiterteil 5 kombiniert. Der Wirkmechanismus für den Parallelschwingkreis (und Sperrkreis für den höheren Frequenzbereich) läßt sich hier aus den Gesetzmäßigkeiten des Wellenwiderstands bei Zweidrahtleitungen erklären.

Das Maß l für diese Anordnung ergibt sich zu

Dabei sind:
a Achsabstand von Stab 7 und Leiterteil 5,
d₁ Durchmesser des Antennenstabs 7,
d₂ Durchmesser des Leiterteils 5.

Bei der Variante nach Fig. 2c wird der Parallelschwingkreis - und Sperrkreis für einen höheren Frequenzbereich - im Leitungsverlauf einer passiven Stabantenne durch einen Sperrtopf 8 gebildet.

Das Maß l ergibt sich hier zu

Der zweite Teil der Gleichung, der im vorliegenden Kontext als L-C-Faktor K bezeichnet wird und mit dem die unterschiedlichen Feldverhältnisse bei den grundsätzlichen, hier beschriebenen Varianten berücksichtigt werden, ist bei den idealen Verhältnissen der Sperrtopf-Lösung gleich 1.

Die Sperrtopf-Lösung läßt sich, wie angegeben, auch bei Antennenelementen mit gewendeltem Antennenleiter realisieren.

Mit Fig. 3 wird das erfindungsgemäße Prinzip für den Fußpunktanschluß verdeutlicht.

Der Stab 2 einer λ/4-Antenne ist mechanisch und der Antennenleiter 3 ist galvanisch mit einer Metallplatte 9 verbunden. Die Platte 9 ist ihrerseits galvanisch mit dem Innenleiter 10 eines weiterführenden Koaxialkabels 11 kontaktiert. Mit 12 ist die Antennenauflage, z. B. ein Kraftfahrzeugdach, und mit 13 eine Platte aus einem Dielektrikum bezeichnet. Zwischen dem Dachblech 12 (als Masse) und der Metallplatte 9 bildet sich über das Dielektrikum 13 eine Kapazität, die erfindungsgemäß besonders für den höheren Frequenzbereich zur extrem genauen Anpassung der Antennenimpedanz an die Impedanz des Koaxialkabels genutzt wird. Die Kapazität läßt sich durch Auswahl des Dielektrikums, durch die Fläche der Metallplatte 9 und durch den Abstand h zwischen der Platte 9 und dem Dachblech 12, d. h. der Dicke des dielektrischen Materials, variieren bzw. vorgeben und einstellen (abstimmen).

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösungsmerkmale bei einer Kraftfahrzeug-Kurzstabantenne mit Biegeschaft, die ursprünglich nur für den Hörrundfunk-Empfang konzipiert war und für FM-Signale einen geometrisch verkürzten λ/4-Strahler und für AM-Signale ein kapazitives Auskoppelelement darstellt. Die Antenne wurde nachträglich für gleichzeitigen Hörrundfunk-Empfang und Mobilfunk (Senden und Empfangen) modifiziert, ohne daß der äußere Aufbau erkennbar geändert wurde.

Die Empfangsqualität im Rundfunkbereich wird durch die Anordnung in keiner Weise beeinträchtigt; für den Mobilfunk wird eine Antenne mit ausgezeichneter Signalleistung und - trotz der starken Neigung - guter Rundstrahlcharakteristik geboten. (Die Neigung wurde von der nur-Hörrundfunk-Variante übernommen, und ihre Beibehaltung war Bedingung).

Als gemeinsamer Fußpunkt wurde eine Anordnung nach Fig. 3 gewählt.

Das λ₁/4-Element für den FM-Bereich setzt sich aus einem Leiterstück 14, der Schraubverbindung 15, der Biegefeder 16 und dem auf den Stab 2 gewendelten Antennenleiter 3 zusammen, die durchgängig galvanisch kontaktiert sind. Die Schraubverbindung 15 ist vorgesehen, damit der Antennenstab mit Biegeschaft vom Antennen-Unterteil 17 gelöst werden kann.

Als λ₂/4-Strahler für den Mobilfunk hat sich ein Abschnitt vom Fußpunkt bis zum federseitigen Abschluß der Schraubverbindung 15 ergeben. Der Sperrkreis für die Frequenzen des Mobilfunks wird - mit der Länge l - von dem in die Biegefeder 16 ragenden Leiterteil 5 und dem Abschnitt der Biegefeder in diesem Bereich gebildet. Der Abstand und die Isolierung zwischen der Feder 16, die im Bereich l die Spule bildet, und der Kapazität in Gestalt des Leiterteils 5 werden dadurch fixiert und gewährleistet, daß alle Teile des Biegeschafts vollständig in eine Umhüllung 18 aus einem gummielastischen Kunststoff eingegossen sind, der dem Biegeschaft die äußere Form gibt und außerdem die mechanische Wirkung der Feder 16 unterstützt.

Die Signale gelangen über das Koaxialkabel 11 in die aktive Antennenweiche und von dort - getrennt - zum Radio und zum Funktelefon.

Schon die hier gezeigten Ausführungsbeispiele lassen erkennen, daß die Erfindung in der Realisierung eine Vielzahl von Variations- und Kombinationsmöglichkeiten bietet. Dabei ist allen Varianten gemeinsam, daß der bauliche und der technologische Aufwand gering sind und daß die konzeptionelle und Entwicklungsarbeit durch die rechnerische Aufbereitung wesentlicher Bestimmungsschritte vereinfacht wird.

Claims (1)

1. Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche nach Patentanmeldung Nr. P 41 02 845, bei der auf einem gemeinsamen Antennenelement mit der wirksamen Länge eines geradzahligen Bruchteils der Wellenlänge für den niedrigen oder niedrigsten Frequenzbereich, mit einem gemeinsamen Fußpunkt, ein oder mehrere λ/4-Strahler für höhere Frequenzbereiche abgeteilt sind, indem jeweils am oberen Ende des Abschnitts für das höhere oder für ein höheres Frequenzband ein Parallelschwingkreis in den Leitungsverlauf des Antennenelements implementiert ist, der für das höhere Frequenzband als Sperrkreis wirkt und für die niederfrequenten Signale niederohmig ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

   • - der Parallelschwingkreis wird gebildet
     durch ein Leiterteil (5; 32; 8), das achsparallel zum Antennenelement (1; 7), und gegen den Antennenleiter (3; 31; 7; 72) isoliert, über dem zugehörigen Strahlerabschnitt angeordnet und am Endpunkt (6) des zugehörigen Strahlerabschnitts galvanisch mit dem Antennenleiter (3; 7) verbunden ist, und
     durch das Antennenelement (1; 7) im Bereich des Leiterteils, beide mit der gemeinsamen geometrischen Länge l,
   • - der Parallelschwingkreis besteht aus der Paarung
     eines gewendelten Antennenleiters (3; 31) mit einem gestreckten Leiterteil (5) oder mit einem Sperrtopf (8), oder
     eines gestreckten Antennenleiters (7) mit einer Spule (32) in einem Bereich (72) oder mit einem gestreckten Leiterteil (5) oder mit einem Sperrtopf (8)
   • - die geometrische Länge l des Parallelschwingkreises für ein Frequenzband mit der mittleren Betriebswellenlänge λ₂ bestimmt sich in hoher Näherung nach der Gleichung
   • - der L-C-Faktor K in der Gleichung für das Maß l ist
     für die Paarung gewendelter Antennenleiter (3; 31) und gestrecktes Leiterteil (5) oder gestrecktes Leiterteil (72) und Spule (32): für die Paarung gestreckter Antennenleiter (7) und gestrecktes Leiterteil (5): und für die Anordnung mit Sperrtopf (8):K=1,
   • - der Fußpunktanschluß (9) des Antennenelementes (1; 7) gegen Masse ist flächig ausgebildet und bildet durch einen vorwähl- bzw. einstellbaren Abstand h zu der Anschlußfläche (12) eine vorbestimmbare Kapazität, die für den höheren bzw. höchsten Frequenzbereich zur Abstimmung zwischen der Fußpunktimpedanz des Antennenelements und der Impedanz des Koaxialkabels (11) dient.