DE4141783B4 - Kraftfahrzeug-Antenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche - Google Patents
Kraftfahrzeug-Antenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche Download PDFInfo
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Abstract
a) einem Leiterteil (5, 32, 8) mit der geometrischen Länge l, das achsparallel zum Antennenelement (1, 7) und gegen den Antennenleiter (3, 31, 7, 72) isoliert, über dem zugehörigen Strahlerabschnitt angeordnet ist und am Endpunkt (6) des zugehörigen Strahlerabschnitts galvanisch mit dem Antennenleiter (3, 7) verbunden ist, als Kapazität, sowie
b) einem ebenfalls l langen Teilabschnitt des Antennenelements...
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 der deutschen Patentanmeldung
P 41 02 845 - Das Lösungsprinzip nach
P 41 02 845 - Die Mehrbereichsantenne nach
P 41 02 845 - Im Zusammenhang mit weiterführenden theoretischen und praktischen Untersuchungen hat sich nun in überraschender Weise gezeigt, daß das Prinzip nach
P 41 02 845 - 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 Hauptanspruchs und der Nebenansprüche angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere Merkmale stellen bevorzugte Ausführungsformen und -varianten dar
- 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 Antennnenelemente 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
-
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 -
2 . Stabantennen – gestreckter Antennenleiter – mit erfindungsgemäßem Parallelschwingkreis
a) mit zusätzlicher Spule,
b) mit gestrecktem Leiterteil,
c) mit Sperrtopf -
3 . Fußpunktanschluß für eine λ/4-Antenne -
4 . Mehrbereichs-Kurzstabantenne mit Biegeschaft, in geneigter Ausführung -
1 zeigt Antennenelemente T mit gegenüber der wirksamen Länge verkürzter geometrischer Länge, wie sie z.B. bei Kraftfahrzeug-Dachantennen bekannt sind. Auf den Stab2 aus einem dielektrischen Material ist der eigentliche Antennenleiter3 aufgewendelt. Die gestreckte Länge des Antennenleiters3 entspricht 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λ/1 für den Hörrundfunk im FM-Bereich. Auf dem Antennenelement1 wird – ausgehend von dem gemeinsamen Fußpunkt4 – ein Strahler für Mobilfunk abgeteilt, dessen wirksame Länge unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft gleich 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λ/2 für diesen Frequenzbereich ist. Dazu wird gemäß der Erfindung das gestreckte Leiterteil5 achsparallel, vorzugsweise koaxial, in den Stab2 , d.h. innerhalb der Wendelung des Antennenleiters3 , eingefügt. Das Leiterteil5 ist, bis auf die galvanische Verbindung mit dem Antennenleiter3 am Endpunkt6 des Strahlerabschnitts für den Mobilfunk, gegen den Antennenleiter3 isoliert. Im Bereich der Länge l des Leiterteils5 bilden – in vereinfachender Betrachtungsweise – das Leiterteil5 die Kapazität und der Antennenleiter3 die Induktivität eines Parallelschwingkreises, der für den Mobilfunk-Frequenzbereich einen Sperrkreis darstellt. - Bei der Variante nach
1a wurde das Leiterteil5 in den Stab eingefügt, ohne daß die Windungsparameter des Antennenleiters3 geändert wurden. Wie1b zeigt, besteht natürlich die Möglichkeit, die geometrische Länge der Parallelschwingkreis-Anordnung zu verkürzen, indem man als Induktivität einen eng gewickelten Bereich31 des Antennenleiters vorsieht. - Bei der Lösung nach
1b wurde ein Antennenelement1 aus einem Kunststoff Stab2 mit aufgewendeltem Antennenleiter3 auf ein metallisches Stabteil71 gesetzt. Der Antennenleiter3 ist am Beginn des Spulenabschnitts31 mit dem Stabteil71 galvanisch verbunden. Auf gleicher Höhe beginnt das Leiterteil5 – die Kapazität. Mit6 ist die galvanische Verbindung zwischen Stabteil71 und Leiterteil5 bezeichnet; das Leiterteil5 liegt an der Mantelfläche des Stab2 an und ist und mit dem Spulenabschnitt31 . umwickelt. - Der Strahler für den unteren Frequenzbereich umfaßt das Stabteil
71 und den darüberliegenden Bereich des Stabs2 mit Spulenabschnitt31 und Wendelung3 . - Die Lösung nach
1b bietet sich an, wenn z.B. die wirksame Länge des λ2/4-Abschnitts sehr klein ist und ein kurzes metallisches Stabteil71 nicht die Biegsamkeit des Stabs insgesamt beeinträchtigt. -
- Dabei sind:
D Dorndurchmesser der 'Spule' in Gestalt des gewendelten Antennenleiters3 , hier gleichzeitig Durchmesser des Stabs2 ,
d Durchmesser des Antennenleiters3 ,
di Durchmesser des Leiterteils5 ,
εr Dielektrizitätszahl der Isolierung zwischen Antennenleiter3 und Leiterteil5 ,
s Steigung der Antennenleiter-Wendel - Es ist auch denkbar, das Leiterteil
5 achsparallel zum Stab2 außerhalb der Wendelung anzuordnen. -
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. -
2a zeigt den Stab7 in Kombination mit einer Spule32 . Als Kapazität dient hier der Stababschnitt72 , der durch elektrische Unterbrechung des Stab- und Leiterverlaufs im Bereich73 gewonnen wird. Das Maß1 wird nach derselben Gleichung wie bei der Anordnung nach1 errechnet. - Bei
2b ist der Stab7 mit einem gestreckten Leiterteil5 kombiniert. Der Wirkmechanismus für den Parallelschwingkreis (und Sperrkreis für den höheren Frequenzbereich) läßt sich hier aus den Gesetzmäßigkeiten des Wellenwiderstands bei Zweidrahtleitungen erklären. -
- Dabei sind:
a Achsabstand von Stab7 und Leiterteil5 ,
d1 Durchmesser des Antennenstabs7 ,
d2 Durchmesser des Leiterteils5 . -
- 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-Lösng gleich 1. Die Sperrtopf-Löung läßt sich, wie angegeben, auch bei Antennenelementen mit gewendeltem Antennenleiter realisieren.
- Mit
3 wird das erfindungsgemäße Prinzip für den Fußpunktanschluß verdeutlicht. Der Stab2 einer λ/4-Antenne ist mechanisch und der Antennenleiter3 ist galvanisch mit einer Metallplatte9 verbunden. Die Platte9 ist ihrerseits galvanisch mit dem Innenleiter10 eines weiterführenden Koaxialkabels11 kontaktiert. Mit12 ist die Antennenauflage, z.B. ein Kraftfahrzeugdach, und mit13 eine Platte aus einem Dielektrikum bezeichnet. Zwischen dem Dachblech12 (als Masse) und der Metallplatte9 bildet sich über das Dielektrikum13 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 Metallplatte9 und durch den Abstand h zwischen der Platte9 und dem Dachblech12 , d.h. der Dicke des dielektrischen Materials, variieren bzw. vorgeben und einstellen (abstimmen). -
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
3 gewählt. - Das λ1/4-Element für den FM-Bereich setzt sich aus einem Leiterstück
14 , der Schraubverbindung15 , der Biegefeder16 und dem auf den Stab2 gewendelten Antennenleiter3 zusammen, die durchgängig galvanisch kontaktiert sind. Die Schraubverbindung15 ist vorgesehen, damit der Antennenstab mit Biegeschaft vom Antennen-Unterteil17 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 Biegefeder16 ragenden Leiterteil5 und dem Abschnitt der Biegefeder in diesem Bereich gebildet. Der Abstand und die Isolierung zwischen der Feder16 , die im Bereich1 die Spule bildet, und der Kapazität in Gestalt des Leiterteils5 werden dadurch fixiert und gewährleistet, daß alle Teile des Biegeschafts vollständig in eine Umhüllung18 aus einem gummi-elastischen Kunststoff eingegossen sind, die dem Biegeschaft die äußere Form gibt und außerdem die mechanische Wirkung der Feder16 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 (4)
- Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche nach Patentannmeldung Nr.
P 41 02 845 5 ,32 ,8 ) mit der geometrischen Länge l, das achsparallel zum Antennenelement (1 ,7 ) und gegen den Antennenleiter (3 ,31 ,7 ,72 ) isoliert, über dem zugehörigen Strahlerabschnitt angeordnet ist und am Endpunkt (6 ) des zugehörigen Strahlerabschnitts galvanisch mit dem Antennenleiter (3 ,7 ) verbunden ist, als Kapazität, sowie b) einem ebenfalls l langen Teilabschnitt des Antennenelements (1 ,7 ) selbst im Bereich neben dem Leiterteil (5 ,32 ,8 ), als Induktivität, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, – daß sich die geometrische Länge l des Parallelschwingkreises für ein Frequenzband mit der mittleren Betriebswellenlänge λ2 in hoher Näherung nach der Gleichung bestimmt und – daß das Antennenelement (1 ,7 ) im Bereich des Fußpunktanschlusses (9 ) gegen Masse flächig ausgebildet ist und durch einen einstellbaren Abstand h zu der Anschlußfläche (12 ) eine vorbestimmmbare Kapazität darstellt, die für den höheren oder höchsten Frequenzbereich zur Abstimmung zwischen der Fußpunktimpedanz des Antennenelements und der Impedanz des Koaxialkabels (11 ) dient. - Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche nach Patentannmeldung Nr.
P 41 02 845 5 ,32 ,8 ) mit der geometrischen Länge l, das achsparallel zum Antennenelement (1 ,7 ) und gegen den Antennenleiter (3 ,31 ,7 ,72 ) isoliert, über dem zugehörigen Strahlerabschnitt angeordnet ist und am Endpunkt (6 ) des zugehörigen Strahlerabschnitts galvanisch mit dem Antennenleiter (3 ,7 ) verbunden ist, als Kapazität, sowie b) einem ebenfalls l langen Teilabschnitt des Antennenelements (1 ,7 ) selbst im Bereich neben dem Leiterteil (5 ,32 ,8 ), als Induktivität, gebildet wird, und wobei c) sich die geometrische Länge l des Parallelschwingkreises für ein Frequenzband mit der mittleren Betriebswellenlänge λ2 in hoher Näherung nach der Gleichung bestimmt und d) das Antennenelement (1 ,7 ) im Bereich des Fußpunktanschlusses (9 ) gegen Masse flächig ausgebildet ist und durch einen einstellbaren Abstand h zu der Anschlußfläche (12 ) eine vorbestimmmbare Kapazität darstellt, die für den höheren oder den höchsten Frequenzbereich zur Abstimmung zwischen der Fußpunktimpedanz des Antennenelements und der Impedanz des Koaxialkabels (11 ) dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschwingkreis aus der Paarung eines gewendelten Antennenleiters (3 ,31 ) mit einem gestreckten Leiterteil (5 ) oder aus einem Sperrtopf (8 ) besteht. - Kraftfahrzeug-Stabantenne für mehrere getrennte Frequenzbereiche nach Patentannmeldung Nr.
P 41 02 845 5 ,32 ,8 ) mit der geometrischen Länge l, das achsparallel zum Antennenelement (1 ,7 ) und gegen den Antennenleiter (3 ,31 ,7 ,72 ) isoliert, über dem zugehörigen Strahlerabschnitt angeordnet ist und am Endpunkt (6 ) des zugehörigen Strahlerabschnitts galvanisch mit dem Antennenleiter (3 ,7 ) verbunden ist, als Kapazität, sowie b) einem ebenfalls l langen Teilabschnitt des Antennenelements (1 ,7 ) selbst im Bereich neben dem Leiterteil (5 ,32 ,8 ), als Induktivität, gebildet wird und wobei c) sich die geometrische Länge 1 des Parallelschwingkreises für ein Frequenzband mit der mittleren Betriebswellenlänge λ2 in hoher Näherung nach der Gleichung bestimmt und d) das Antennenelement (1 ,7 ) im Bereich des Fußpunktanschlusses (9 ) gegen Masse flächig ausgebildet ist und durch einen einstellbaren Abstand h zu der Anschlußfläche (12 ) eine vorbestimmmbare Kapazität darstellt, die für den höheren oder den höchsten Frequenzbereich zur Abstimmung zwischen der Fußpunktimpedanz des Antennenelements und der Impedanz des Koaxialkabels (11 ) dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelschwingkreis aus der Paarung eines gestreckten Antennenleiters (7 ) mit einer Spule (32 ) in einem Bereich (72 ) oder mit einem gestreckten Leiterteil (5 ) oder aus einem Sperrtopf (8 ) besteht. - Kfz-Stabantenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der L-C-Faktor K für das Längenmaß l wie folgt errechnet: a) für die Paarung gewendelter Antennenleiter (
3 ,31 ) und gestrecktes Leiterteil (5 ) oder gestrecktes Leiterteil (72 ) und Spule (32 ): b) für die Paarung gestreckter Antennenleiter (7 ) und gestrecktes Leiterteil (5 ): c) für die Anordnung mit Sperrtopf (8 ): K = 1.
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