DE4408744A1 - Gruppenantenne und Verfahren zur meßtechnischen und rechnerischen Ermittlung der Werte von in die Antenne einzufügenden Impedanzen - Google Patents
Gruppenantenne und Verfahren zur meßtechnischen und rechnerischen Ermittlung der Werte von in die Antenne einzufügenden ImpedanzenInfo
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Description
Die Vielzahl der auf Fahrzeugen verwendeten Antennen ist aus der klassischen Antennen
technik abgeleitet. Hauptsächliches Vorbild hierfür ist der vertikale Monopol auf einer
horizontalen Grundfläche. Auch bei der 1 m-langen Rundfunkantenne wird auf ein Hori
zontaldiagramm mit Rundcharakteristik abgezielt. Ebenso wird von vertikalen Stabstrah
lern für moderne Telefonfunksysteme ein azimutales Runddiagramm erwartet. Bekannt
lich stellt jedoch das Fahrzeug einen in Bezug auf die Antenne rotationsunsymmetrischen
Körper dar, welcher, als Grundfläche einer Antenne verwendet, starke azimutale Einzüge
verursacht. Als wesentliche Abhilfe dagegen werden bevorzugt Halbwellenstrahler ver
wendet, welche am Ende relativ langer vertikaler Stäbe am Fahrzeug über Isolierglieder
oder Einspeiseleitungen angeregt werden. Mit Hilfe des Abstands des Strahlers von der
Karosserie soll dessen Strahlung unbeeinflußt vom Störkörper des Autos ein Runddia
gramm liefern. Bislang ist kein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe unter Einbeziehung
einer spezifischen Fahrzeugkarosserie eine gewünschte Strahlungscharakteristik einer An
tenne am Fahrzeug erzeugt werden könnte. Für Antennendiversityempfang z. B. wäre es
wünschenswert, Fahrzeugantennen zu realisieren, von denen jede jeweils einen der vier
azimutalen Quadranten in der Strahlung abdeckt. Solche Antennen könnten nach dem
Stande der Technik nur durch klassische Richtantennen realisiert werden, welche in relativ
großem Abstand von der Fahrzeugkarosserie entfernt fachgerecht angebracht sind. Solche
Antennen sind jedoch unter fahrzeugspezifischen Aspekten praktisch nicht einsetzbar. Um
diesen Aspekten zu genügen, sollten Antennen so gestaltet sein, daß sie in ihrer Form mit
dem Fahrzeug integriert sind und so wenig wie möglich aus der Karosserie herausragen.
Zwangsweise ergibt sich für solche Antennen oder Antennenstrukturen eine äußerst starke
Strahlungsverkopplung mit der elektrisch leitenden Fahrzeugkarosserie bzw. leitenden
Fahrzeugteilen derart, daß die dadurch gegebene Beeinflussung der Strahlungseigenschaf
ten eine gezielte Gestaltung der Antenneneigenschaften nicht zuläßt. Wesentlich ist es
somit, die Fahrzeugkarosserie gedanklich als Teil der Antennenanordnung zu betrachten
und somit berücksichtigt, daß diese mit ihrer spezifischen Formgebung die Antennen
eigenschaften entscheidend mitbestimmt. Für alle fahrzeugintegrierten Antennen oder
Antennenstrukturen ist es deshalb für die Erzielung optimaler Strahlungseigenschaften
zwingend notwendig, die spezifische Fahrzeugform in den Gestaltungsprozeß der Antenne
einzubeziehen. Fahrzeugintegrierte Antennen mit starker Kopplung zur Fahrzeugkarosse
rie sind z. B. elektrisch kurze Strahler, welche direkt auf der Fahrzeugkarosserie, häufig auf
dem Rückfenster montiert sind. Alle Windschutz- und Heckscheibenantennen, welche als
eingelegte Drähte oder auf das Glas aufgedruckt sind, weisen diese starke elektromagne
tische Verkopplung zur Fahrzeugkarosserie auf. Die Gestaltung solcher Antennen ist aus
einer Vielzahl von Patentanmeldungen und Patenten, z. B. aus P 36 197 04, P 39 14 424
bekannt. Diese Antennen bestehen aufgrund ihrer komplexen Form oft aus einer Vielzahl
von Leitern oder Leiterabschnitten, welche alle einen Beitrag zur Gesamtstrahlung lie
fern. Auch die Beschaltung eines Heizfeldes auf der Heckscheibe mit Blindwiderständen
verändert die Strahlungseigenschaften des als Antenne ausgebildeten Heizfeldes. Dies ist
in P 36 18 452 beschrieben. Wesentlich für die Gestaltung der Strahlungseigenschaften
derartiger Antennen ist die Verteilung der Antennenströme auf den Antennenleitern so
wie der strahlungsverkoppelten Autokarosserie. Im Gegensatz zu solchen Antennen, bei
denen mit Hilfe des Abstands des Strahlers von der Karosserie eine vom Störkörper des
Autos unbeeinflußte Strahlung erzielt werden soll, ist somit ein Verfahren zur Einstellung
günstiger Stromverteilungen notwendig, um bei fahrzeugintegrierten Antennen unter Ein
beziehung der spezifischen Fahrzeugform ein günstiges Strahlungsdiagramm zu bewirken.
Bei der Serienherstellung von Kraftfahrzeugen wird die Fahrzeugform von Exemplar zu
Exemplar genau reproduziert. Deshalb ist eine im Hinblick auf eine bestimmte Fahrzeug
form sorgfältig optimierte Antennenanordnung möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Gruppenantenne nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Ermittlung in diese einzufügenden Impedanzen an
zugeben, damit trotz vorhandener Strahlungsverkopplung mit das gewünschte Richtdia
gramm störenden Elementen das gewünschte Richtdiagramm sich möglichst optimal ein
stellen läßt.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 6 näher beschrieben. Im
einzelnen zeigen die Figuren:
Fig. 1 Fahrzeugintegrierte Antennengruppe mit kurzen Stabantennen mit Meßanordnung
zur Feststellung der Wechselwirkungsparameter (Wellenparameter) zwischen den Toren
T1 und T(M+1) der Fernfeldempfangsantenne in Abhängigkeit vom Azimutwinkel Phi
des auf einem Drehstand befindlichen Fahrzeugs;
Fig. 2 Meßanordnung zur Feststellung der Wechselwirkungsparameter (Wellenparame
ter) zwischen den Toren T1 und T2 mit Hilfe eines Netzwerkanalysators (S-Parameter-Meß
platz) - alle anderen Tore T3 bis T9 sind wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen;
Fig. 3 Beispiel einer Funkantenne mit netzförmigem elektrischen Gegengewicht 12, wel
ches zur Gestaltung der Richtwirkung über die Tore T1 bis T5 mit zu ermittelnden Blind
widerständen mit den benachbarten Heizleitern verbunden werden soll;
Fig. 4 Beispiel einer Funkantenne mit netzförmigem elektrischen Gegengewicht, welches
zur Gestaltung der Richtwirkung über die Tore T1 bis T5 mit zu ermittelnden Blindwi
derständen mit kapazitiv belasteten Antennenstrukturen 19 verbunden werden soll;
Fig. 5 Eine mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltete Antennengruppe, bei
der die Blindelemente 16 in den Strahlern 6 und das Speisenetzwerk 17 zur Speisung der
Tore T1 und T2 derart gestaltet sind, daß sich die gewünschten Strahlungseigenschaften
einstellen;
Fig. 6 Prinzipdarstellung des Strahlernetzwerks 18 bestehend aus 1 bis N mit Hilfe
eines Speisenetzwerks 17 gespeisten Toren, mit N+1 bis M mit passiven Elementen 20
beschalteten Toren und dem Tor M+1 für die im Fernfeld befindliche Meßantenne, wo
bei das verlustarme Speisenetzwerk 17 mit seinen Toren 1 bis N mit den entsprechenden
Toren des Strahlernetzwerks 18 verbunden ist und das Tor N+1 des Speisenetzwerks 17
die Antennenanschlußstelle der Antennengruppe bildet.
Die Verwendung mehrerer Antennenelemente wie z. B. in Fig. 1 erlaubt bei vorgegebe
ner geeigneter Positionierung auf einem bestimmten Kraftfahrzeug eine hierfür spezifische
Erzeugung von Stromverteilungen auf den Antennenelementen der Strahlergruppe nach
Betrag und Phase derart, daß unter Einbeziehung der Strahlungsverkopplung mit dieser
Fahrzeugkarosserie
- - im Mittel eine erhöhte Bündelung der Strahlung in vertikaler Richtung zu Gunsten kleiner Elevationswinkel entsteht und
- - dabei möglichst geringe Einzüge des horizontalen Strahlungsdiagramms auftreten,
wodurch bewirkt wird, daß die geringste, im gesamten Horizontalbereich auftretende
Flachstrahlungsdichte so groß wie möglich ist.
Eine ähnliche Anordnung von Strahlern ist z. B. in Fig. 5 dargestellt. Dort soll mit
Hilfe des Speisenetzwerks 17 an den Toren T1 und T2 für eine Funkantenne nach Am
plitude und Phase die hochfrequente Leistung eingespeist werden. In Verbindung mit
den Blindelementen 16 an den Toren T3 und T4 soll das azimutale Diagramm optimiert
werden.
Durch die nach der Erfindung getroffenen Maßnahmen wird die an sich unerwünschte Ab
strahlung der durch Strahlungskopplung angeregten Fahrzeugkarosserie nicht unterbun
den. Durch geeignete Stromverteilungen auf den Antennenelementen der Strahlergruppe
nach Betrag und Phase wird vielmehr durch die Vielzahl der Strahler ein Wellenfeld über
lagert, welches in der Summe Strahlungseigenschaften gemäß der Aufgabe der Erfindung
ergibt. Hierbei wurde z. B. die Antennengruppe durch Unterteilung einer Antennenstruk
tur und durch Beschreibung der Unterteilungsstellen als Tore gebildet.
Auch die Anschlußstellen für Blindwiderstände für Antennen wie sie in der P 36 18 452
angegeben sind, können somit als solche Tore einer Antennengruppe beschrieben werden.
Bei Einsatz kurzer elektrischer Strahler einer Strahlergruppe auf der Fahrzeugkarosserie
z. B. können die Anschlußpunkte im Fußpunkt jeweils als Tor aufgefaßt werden. Zusätzlich
können in der Struktur solcher Strahler weitere Tore eingebracht sein. Je nach Beschal
tung dieser Tore mit Blindwiderständen oder abhängig von der Speisung dieser Tore nach
Amplitude und Phase stellen sich unterschiedliche Stromverteilungen und somit unter
schiedliche Strahlungseigenschaften ein.
Die Anforderungen an das Strahlungsdiagramm können dabei unterschiedlich sein. Mit
Hilfe des im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrens läßt sich eine
Antennengruppe z. B. im Hinblick auf eine optimale azimutale Rundcharakteristik bzw.
z. B. im Hinblick auf eine optimale Richtwirkung bezüglich eines bestimmten Azimutwin
kels zum Fahrzeug gestalten.
Z. B. wird für Kraftfahrzeugfunkantennen als Strahlungscharakteristik ein Horizontaldia
gramm mit einer möglichst gleichmäßigen Abstrahlung in alle azimutale Raumrichtungen
angestrebt. Dies wird in der Praxis deshalb nur durch rotationssymmetrische Anten
nenelemente in der Mitte des Daches angenähert erreicht. Mit außermittig angebrachten
Antennen oder mit den auf die Fahrzeugscheibe aufgeklebten Antennen ergeben sich durch
die Strahlungsverkopplung mit der Fahrzeugkarosserie unerwünschte und teilweise nicht
mehr tolerierbare Verformungen des Horizontaldiagramms, das sind insbesondere Strah
lungskompensationen, welche starke Einzüge im Horizontaldiagramm bewirken. Hierbei
wird in der Regel speziell die Abstrahlung im Raumwinkelbereich nach vorne unzulässig
reduziert. Außerdem tritt mit höher werdender Frequenz eine ausgeprägte Aufzipfelung
des Diagramms ein. Dies führt insbesondere in den Minima der Horizontalstrahlung bei
vorgegebener Strahlungsleistung im Sendebetrieb häufig zu unerwünscht kleinen Strah
lungsdichten am Empfangsort, d. h. zu unerwünscht großer Funkfelddämpfung. Für die
Praxis ist bei Funkantennen wichtig, daß bei vorgegebener Senderleistung in keiner Hori
zontalrichtung die Strahlungsdichte unter einen minimal geforderten Wert absinkt.
Als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zeigt Fig. 2 eine Antenne
in der Heckscheibe eines Fahrzeugs mit Anschlußtoren T1 bis T9. Einige dieser Tore
(T2, T3, T6 und T7) sind entweder zwischen Sammelschienen 9a bis 9d der Heizleiter
und Masse 10 gebildet. Andere Tore (T4, T5, T8 und T9) entstehen durch zusätzliche
Leiter 8a bis 8d, welche senkrecht zu den Heizleitern verlegt sind, zwischen deren En
den am Rand der Fahrzeugscheibe und dem jeweiligen Massepunkt 10. Jedes Tor besitzt
bezüglich der Strahlungscharakteristik ein Richtdiagramm, welches von der Beschaltung
aller übrigen Tore abhängt. Sollen z. B. bezüglich des Tores 1 unterschiedliche Richtdia
gramme durch unterschiedliche Beschaltung der Tore 2 bis 9 erreicht werden, wie es für
eine Diversitywirkung im Empfangsfall wünschenswert ist, so können die dafür notwendi
gen unterschiedlichen Beschaltungen für die Tore 2 bis 9 mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens unter Berücksichtigung der Fahrzeugkarosserie ermittelt und gestaltet werden.
Die Diversitywirkung wird z. B. dadurch erreicht, daß bei ungenügendem Empfang je
weils die Tore 2 bis 9 mit unterschiedlichen Kombinationen von Blindelementen beschaltet
werden. Für diese Anwendung ist es besonders wichtig, die Horizontalstrahlung zu in
tensivieren und die Strahlung in höheren Elevationswinkeln entsprechend klein zu halten.
Azimutale Bündelung ist dann vorteilhaft, wenn mit Hilfe der unterschiedlichen Beschal
tungskombinationen der gesamte Azimut überdeckt werden kann. Die Tore T1 und T2
sind in Fig. 2 beispielhaft über die Zuleitungen 5 mit dem Netzwerkanalysator 2 verbunden
zur Messung des komplexen Wellenparameters S₁₂, wobei die restlichen Tore wellenwider
standrichtig mit dem Wellenwiderstand 7 als Bezugswiderstand des Netzwerkanalysators
2 beschaltet sind. Selbstverständlich können für Antennendiversity mehrere Antennen
anschlüsse gebildet sein und durch zusätzliche Wertekombinationen an den verbleibenden
Toren eine zusätzliche Vielfalt von Antennenrichtcharakteristiken für die Diversityanlage
zur Verfügung gestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ausbil
dung von Toren zur Gestaltung der Stromverteilung mittels eines netzförmigen elektri
schen Gegengewichts 12. Beispielhaft geht dies aus Fig. 3 hervor, wo das netzförmige
elektrische Gegengewicht 12 zum Strahler 6 mit Hilfe von Toren T1 bis T5 durch Blind
widerstandsbeschaltung verbunden werden kann, so daß die Heizleiter 14 auf bestmögli
che Weise zur Unterstützung der Strahlungseigenschaften der elektrisch kurzen Strahler,
bzw. Strahlergruppe miteinbezogen werden können. Zur Messung der Wechselwirkungs
parameter (S-Parameter) mit Hilfe des Netzwerkanalysators 2 können dünne elektrische
Leitungen entlang der radialen Netzstrahlen, die mit der Masse 10 verbunden sind, verlegt
werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der
vorteilhaften Gestaltung der radialen Ströme am Rande des netzförmigen elektrischen
Gegengewichts. Hierzu können z. B. nach Fig. 4 kapazitiv belastete Antennenstrukturen
19 über Tore T1 bis T5 mit dem Netzwerkrand über geeignete Blindelemente verbunden
werden derart, so daß die kapazitiv belasteten Antennenstrukturen 19 auf bestmögliche
Weise zur Unterstützung der Strahlungseigenschaften der elektrisch kurzen Strahler 6
bzw. der Strahlergruppe miteinbezogen werden können.
Fig. 6 zeigt das Prinzipschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gestal
teten Antenne, welche durch das Strahlernetzwerk 18 in Verbindung mit dem Speisenetz
werk 17 gebildet ist. Das Strahlernetzwerk 18 mit seinen Toren 1 bis N wird von den
entsprechenden Toren 1 bis N des Speisenetzwerks 17 gespeist. Die Tore N+1 bis M des
Strahlernetzwerks 18 sind mit geeigneten Zweipolen abgeschlossen, wobei die Abschlüsse
durch die komplexen Reflexionsfaktoren r N+1 bis r M, bezogen auf den Wellenwiderstand 7
des Meßsystems, beschrieben sind. Für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfah
rens ist es am einfachsten, die Antenne im Fernfeld als Empfangsantenne zu verwenden,
welche der Einfachheit halber mit dem Wellenwiderstand 7 abgeschlossen ist, so daß das
passive Speisenetzwerk 17 an der Antennenanschlußstelle am Tor N+1 die Sendeleistung
aufnimmt und das Speisenetzwerk 17 diese Leistung auf die Tore 1 bis N geeignet ver
teilt. Das Strahlernetzwerk 18 ist in Fig. 5 symbolisch durch Umrandung dargestellt.
Das Strahlernetzwerk 18 sei zunächst als passives Netzwerk ausgebildet, so daß Rezi
prozität (S ik = S ki) vorliegt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das
Netzwerk und die Abschlußimpedanzen 20 rechnerisch im Hinblick auf die Leistung und
deren Richtungsabhängigkeit in der Empfangsantenne optimal gestaltet. Das Verfahren
wird im folgenden erläutert:
Dem Fachmann ist bekannt, daß durch Einstellung günstiger Amplituden- und Phasen
werte für die Anregung der Antennenelemente in Gruppenantennen Richtdiagramme ge
staltet werden können. Die Aufgabe zur Gestaltung günstiger Amplituden- und Phasen
werte ist von der Fachwelt in der Vergangenheit häufig durch Vorgabe einer Anfangsein
stellung dieser Werte erfolgt, welche mit Hilfe von Messungen der Richtdiagramme sukzes
sive empirisch schrittweise im Sinne der Entwicklung des gewünschten Richtdiagramms
verändert wurden. Mit der Verfügbarkeit moderner Rechenanlagen als Hilfsmittel zur
Entwicklung von Gruppenantennen kann die erfindungsgemäße Antenne ohne vorteilhaft nach
dem im folgenden beschriebenen kombinierten Meß- und Rechenverfahren im Sinne der
Lösung der Aufgabe der Erfindung mit günstigen Amplituden- und Phasenwerten für die
Anregung der Antennenelemente gestaltet werden. Hierzu wird in drei Schritten vorge
gangen:
Betrachtet man die Anschlußstelle eines Antennenelements 6 nach Fig. 5, dessen Prinzip
in Fig. 6 in allgemeiner Form dargestellt ist, welches mit dem Speisenetzwerk 17 an aus
gesuchten Stellen zu verbinden ist, jeweils als ein Anschlußtor T1, wie dies die Lehre der
linearen Mehrtore nahelegt und bezeichnet man auch eine Anschlußstelle eines weiteren
Antennenelements 6 mit dem Tor T2, so kann das elektrische Verhalten der unbeschalteten
und nicht mit dem Speisenetzwerk 17 verbundenen Antennenelemente 6 bei insgesamt N
Anschlußstellen durch eine N×N-Mehrtormatrix beschrieben werden. Erfindungsgemäß
kann die Gruppenantenne nach Fig. 5 auch Antennenelemente 6 mit einer Anschlußstelle
enthalten, welche nur mit einem Zweipol belastet wird und welche mit dem Speisenetz
werk 17 nicht verbunden ist. Bezeichnet man eine derartige ausgesuchte Anschlußstelle
ebenfalls als ein Anschlußtor (sh. Fig. 5), so kann die Mehrtormatrix auf M×M-Tore
mit M<N und M, N ganzzahlig erweitert werden. Der leichten Beschreibbarkeit wegen
sollen solche Anschlußtore, welche mit dem Speisenetzwerk 17 verbunden sind mit den
ganzzahligen Nummern 1 . . . N bezeichnet sein, die mit Zweipolen beschalteten Tore mit
den ganzen Zahlen (N+1) . . . M.
Um das Richtdiagramm erfassen zu können, wird beispielhaft die Antennenanschlußstelle
einer vom Fahrzeug weit ab montierten Meßantenne in allgemeiner Form mit Tor M+1
bezeichnet. Zur Ermittlung der vom Raumwinkel abhängigen Strahlung, welche für einen
niedrigen Elevationswinkel in Abhängigkeit vom Azimutwinkel phi ermittelt werden soll,
kann das Fahrzeug z. B. auf eine Drehscheibe gestellt werden. Wie oben geschildert,
können somit für die gewünschten Stützstellen des Azimutwinkels ϕ die Wellenparame
ter S i(M+1)(ϕ) für i = 1 . . . M gemessen werden. Beispielhaft wird hier zur Erläuterung
der Vorgehensweise die Form der Wellenparametermatrix gewählt. Mit Hilfe eines Netz
werkanalysators werden dies komplexen Wellenparameter S₁₁, S₁₂, . . . , SNN bezüglich der
Anschlußtore der auf der geneigten Fensterscheibe nach Fig. 5 angebrachten Antennenele
mente meßtechnisch ermittelt. Hierzu wird bei der Messung der Wellenparameter Sik als
das Verhältnis der von dem mit dem Wellenwiderstand 7 als Bezugswiderstand der Wellen
parameter abgeschlossenen Anschlußtor k weglaufenden Welle B k (rücklaufende Wellen)
zu der zum Anschlußtor i hinlaufenden Welle ermittelt. Daraus kann das bekannte Glei
chungssystem für hinlaufende Wellen A und rücklaufende Wellen B an den Anschlußtoren
1 . . . N angegeben werden. Somit ergibt sich für jeden Azimutwinkel phi (=ϕ) folgendes
Gleichungssystem, welches die einzelnen Richtdiagramme nach Betrag und Phase enthält:
(B) = (S) · (A)
Das vollständige Gleichungssystem ist in Gl. 2 dargestellt. Existieren nur primäre, d. h. ge
speiste Strahler, so ist M = N und die Matrix ändert sich sinngemäß. Dieses Gleichungs
system beschreibt somit das Gesamtverhalten der Gruppenantenne, wobei das Fahrzeug
mit seiner die Strahlung sehr stark beeinflussenden Wirkung als Teil der Gruppenantenne
vollständig enthalten ist.
Die Matrixelemente werden mit einer Anordnung gemessen, wie sie z. B. in Fig. 2 dar
gestellt ist. Wird eine Welle am Tor 1 eingeprägt, so entsteht z. B. am Tor 2 eine aus
laufende Welle, die im Netzwerkanalysator 2 am Port P2 gemessen wird. Der Netzwerk
analysator erlaubt es unter Eineichung der Zuleitungen 5, die S-Parameter zwischen den
beiden Toren T1 und T2 unmittelbar zu messen und als Daten in einem angeschlosse
nen Rechner abzuspeichern. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung sämtlicher Tore
zueinander nacheinander festgestellt werden, wenn jeweils alle nicht an den Netzwerkana
lysator angeschlossenen Tore wellenwiderstandsrichtig beschaltet sind. Damit lassen sich
alle Wechselwirkungsparameter sämtlicher Tore 1 bis M feststellen. Für den Fall passiver
also nicht mit Verstärkerelementen beschalteter Tore ist die gesamte Anordnung reziprok
und es gilt S ik = S ki. Der Einfluß des i-ten Tores auf sich selbst, ist durch den Ein
gangsreflexionsfaktor am i-ten Tor gegeben und wird als Impedanzmessung durchgeführt.
Somit sind alle Parameter der Tore auf dem Fahrzeug bestimmt.
Für die Erfassung der Richtungsabhängkeit der Empfangsspannungen an den Toren
1 bis M wird eine Meßanordnung wie in Fig. 1 vorgeschlagen. Hierbei wird der Netz
werkanalysator mit seinem Sendeport P1 z. B. an eine im Fernfeld gelegene Sendeantenne
angeschlossen, die mit der zu betrachtenden Polarisationsrichtung unter einem bestimm
ten Azimutwinkel das Fahrzeug bestrahlt. Der Empfangsport P2 des Netzwerkanalysators
wird nun der Reihe nach an alle Tore der zu untersuchenden Antennenstruktur auf dem
Fahrzeug angeschlossen und die komplexen Wechselwirkungsparameter als das Verhältnis
von am Empfangstor empfangener Welle zur von der Sendeantenne ausgestrahlten Welle
gemessen und der Parameter S i(M+1) in den Rechnerspeicher eingelesen. Gleichzeitig sind
alle anderen nicht betrachteten Tore der Antennenstruktur auf dem Fahrzeug wellenwider
standsrichtig abgeschlossen. Um die Richtungsabhängigkeit der empfangenen Wellen an
den einzelnen Toren zu ermitteln, wird das Fahrzeug zweckmäßiger Weise auf einem Dreh
stand im Azimut gedreht und die Azimutwinkel während der Drehung schrittweise mit
Hilfe eines elektrischen Winkelgebers in den Rechner, den entsprechenden S-Parameter-
Meßwerten zugeordnet, eingelesen. Auf diese Weise enthält man für jeden Azimutwinkel
phi einen Parametersatz S (M+1)1 . . . S (M+1)M, welcher die Matrix (S) in Gleichung 1 ver
vollständigt. Der Parameter S (M+1) (M+1) repräsentiert lediglich den Anpassungsfaktor der
Sendeantenne und kann in den folgenden Betrachtungen zu Null gesetzt werden. Ebenso
wird angenommen, daß die Antenne im Fernfeld wellenwiderstandsrichtig abgeschlossen
ist. Diese Bedingungen sind zwar für die Anwendung der Methode nicht zwingend not
wendig, erleichtern jedoch die Erläuterung der Wirkungsweise des Verfahrens.
Wird nun die Meßantenne gedanklich als Empfangsantenne aufgefaßt, so ergibt sich an ih
rer Antennenanschlußstelle, also am Tor M+1, repräsentativ für die Strahlungsdichte der
betreffenden Polarisationsebene die Leistung PM+1( ϕ ) am Abschlußwiderstand, der der
Einfachheit halber gleich dem Bezugswiderstand des Meßsystems gewählt ist (r M+1=0)
(s. Fig. 6). Die an allen gespeisten Toren des Strahlernetzwerks zugeführte Leistung wird
mit PAnt bezeichnet. Das Richtdiagramm und die Strahlungsintensität wird in Abhängig
keit vom Azimutwinkel repräsentativ durch folgende Gewinnfunktion
ausgedrückt. Für jeden Azimutwinkel wird G (ϕ, A₁, A₂, . . . , A N, r N+1, . . ., r M) für einen
bestimmten Satz von hinlaufenden Wellen A₁, A₂, . . ., A N und einen bestimmten Satz
von Reflexionsfaktoren r n+1, . . ., r M maximal. Die Gewinnfunktion kann durch Variati
onsrechnung im Hinblick auf Vorgaben bezüglich des Richtdiagramms jeweils optimiert
werden. Als Ergebnis der Variationsrechnung ergibt sich für den spezifischen Anwen
dungsfall ein Satz optimaler hinlaufender Wellen A₁, A₂, . . ., A N und ein bestimmter Satz
von Reflexionsfaktoren r N+1, . . ., r M.
Die Hauptmatrix (S) läßt sich in vier Untermatrizen unterteilen. Matrix (S I) beschreibt
die Wechselwirkung zwischen den Toren 1 bis N untereinander in Form komplexer Streu
parameter. Das Verfahren verfolgt das Ziel, bei Einspeisung einer gewissen Leistung über
alle an das Speisenetzwerk anzuschließenden Tore bezüglich der Strahlungsdichte in einem
bestimmten Abstand im Fernfeld gewünschte Richteigenschaften zu erzeugen, wodurch
meist die Strahlungsdichte am Empfangsort unter bestimmten Bedingungen maximiert
werden soll. Die Matrix in Gleichung 1 erlaubt nun bei Einspeisung bekannter vorgegebe
ner hinlaufender Wellen A₁ . . . A M sämtliche an diesen Toren zurücklaufenden Wellen B₁
bis B M zu ermitteln. Durch wellenwiderstandsrichtigen Abschluß der Empfangsantenne
im Fernfeld wird die auf deren Tor M+1 zulaufende Welle zu Null erzwungen. Die aus
diesem Tor austretende Welle B M+1 läßt sich somit mit Hilfe dieses Gleichungssystems in
Abhängigkeit der zunächst unbekannten Wellen A₁ bis A M ausdrücken. Zu diesem Zweck
unterteilt man die Gesamtmatrix (S) in vier Teilmatrixen, die mit (S I), (S II), (S III) und
(S IV) bezeichnet werden.
Unterteilt man ferner die Spaltenvektoren der hinlaufenden Wellen A₁ bis A M+1 in zwei
Spaltenvektoren
wobei A₁ . . . A N die Wellen an den mit dem Speisenetzwerk zu verbindenden Toren be
schreiben und A N+1 . . . A M die Wellen an den mit Blindelementen zu beschaltenden Toren
beschreiben. Eine sinngemäße Unterteilung erfolgt zweckmäßiger Weise für die Spalten
vektoren der rücklaufenden Wellen B₁ bis BM+1:
Der Abschluß der beschalteten Tore (s. Fig. 6) wird durch die Reflexionsfaktoren
r N+1 . . . r M, deren Beträge im Falle der Blindwiderstandsbeschaltung den Wert Eins be
sitzen, durch folgende Matrix beschrieben:
Drückt man die Wellen A durch die Wellen B und die Reflexionsfaktoren aus, so gilt
folgende Matrixgleichung:
(A II) = (r) · (B II) (7)
Damit ergeben sich für die Vektoren der Wellen B folgende Matrixgleichungen:
(B I) = (S I) · (A I) + (S II) · (A II) = (S I) · (A I) + (S II) · (r) · (B II) (8)
(B II) = (S III) · (A I) + (S IV) · (A II) = (S III) · (A I) + (S IV) · (r) · (B II) (9)
Nunmehr können die Vektoren der Wellen B aus den hinlaufenden Wellen A der mit dem
Netzwerk verbundenen Toren ermittelt werden:
(B I) = [(SI) + (S II) · (r) · [(1) - (S IV) · (r)]-1 · (S III)] · (A I) (10)
(B II) = [(1) - (S IV) · (r)]-1 · (S III) · (A I) (11)
mit den abgekürzten Matrizen (T) und (U)
(T) = (S I) + (S II) · (r) · [(1) - (S IV) · (r)]-1t · (S III) (12)
(U) = [(1) - (S IV) · (r)]-1 · (S III) (13)
können die Vektoren der Wellen B wie folgt aus den hinlaufenden Wellen A der mit dem
Netzwerk verbundenen Tore ermittelt werden:
(B I) = (T) · (A I) (14)
(B II) = (U) · (A I) (15)
Nunmehr kann das Leistungsverhältnis PM+1/PAnt = G (ϕ, A₁, A₂, . . ., A N, r N+1, . . ., r M)
durch die Welle B M+1 am entfernten Empfangsdipol und die Summe der über die Tore 1
bis N zugeführten Wellen wie folgt berechnet werden:
Die Summe der zugeführten Leistungen errechnet sich somit aus den Wellen A₁ bis A N
und B₁ bis B N.
Hierin sind die Matrixelemente (U) und (T) vom Azimutwinkel und den Reflexionsfaktoren
r N+1 . . . r M abhängig. Mit jedem Wertesatz für die Wellen A₁ . . . A N bzw.
r N+1, . . ., r M ergibt sich somit ein bestimmtes G (ϕ, A₁, A₂, . . ., A N, r N+1, . . ., r M).
Durch Kenntnis der optimalen Reflexionsfaktoren r N+1 . . . r M können die Tore N+1
bis M mit entsprechenden Impedanzen, zumeist Blindwiderständen, beschaltet werden.
Mit Hilfe der Gleichung 14
(B I) = (T) · (A I)
liegen die rücklaufenden Wellen B an den gespeisten Toren 1 bis N fest. Die komplexen
Verhältnisse A₁/B₁ bis A N/B N lassen die Berechnung von Impedanzen zu, die das Speise
netzwerk 17 an seinen Toren T1 bis TN, realisiert durch das Strahlernetzwerk 18, sieht
(s. Fig. 6). Gestaltet man das Speisenetzwerk 17 beispielhaft als ein an einem Knoten
punkt parallel verzweigendes Netzwerk an der Antennenanschlußstelle am Tor N+1, so
kann durch entsprechend bemessene transformatorische und laufzeitbehaftete Elemente
zwischen dem Knotenpunkt und den jeweiligen Toren sichergestellt werden, daß bei Bela
stung der Tore mit den, den Reflexionsfaktoren entsprechenden Impedanzen, die Wellen
A₁ bis A N und B₁ bis B N nach Betrag und Phase durch Variationsrechnung den unter
Punkt 2 ermittelten Werten entsprechen.
Claims (6)
1. Gruppenantenne aus zwei oder mehr Einzelstrahlern, die auf
der Außenhaut eines Kraftfahrzeuges angebracht sind und von
denen mindestens einer ein primärer Strahler ist, für
Funkverbindungen mit terrestrischen Funkstellen, mit einem
Speisenetzwerk, das den oder die primären Strahler mit einer
Antennenanschlußstelle verbindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzielung eines gewünschten Richtdiagramms Impedanzen
entweder an ausgesuchten Stellen der Strahler in diese eingefügt
sind und/oder an den Verbindungsstellen des bzw. der primären
Strahler mit dem Speisenetzwerk und/oder an ausgesuchten Stellen
des Speisenetzwerkes eingefügt sind.
2. Gruppenantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß zumindest einzelne Strahler der Gruppenantenne ganz oder
teilweise auf nichtleitenden Flächen der Außenhaut des
Kraftfahrzeugs angebracht sind.
3. Gruppenantenne nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ganz oder teilweise auf nicht leitenden Flächen angebrachte
Einzelstrahler Stabantennen sind, die ein leitendes auf oder in
der nicht leitenden Fläche angebrachtes netzförmiges elektrisches
Gegengewicht besitzen, in welches ebenfalls solche Impedanzen
eingefügt sind.
4. Gruppenantenne nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ganz oder teilweise auf nichtleitenden Flächen angebrachte
Einzelstrahler aus auf oder in der nichtleitenden Fläche
liegenden Leitern bestehen und daß in deren Verbindung mit einem
leitenden Karosserieteil ebenfalls solche Impedanzen eingefügt
sind.
5. Gruppenantenne nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das netzförmige elektrische Gegengewicht über solche Impedanzen
mit weiteren auf oder in der nicht leitenden Fläche liegenden
leitenden Strukturen verbunden ist.
6. Verfahren zur meßtechnischen Ermittlung der bei einer
Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einzufügenden
Impedanzen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) an den vorgesehenen Einfügungsstellen jeweils eine Anschlußstelle (Tor) gebildet wird,
- b) diese Tore als Tore eines Strahlernetzwerkes angesehen werden und durch einen Netzwerkanalysator die Zusammenhänge zwischen den elektrischen Größen an diesen Toren nach Betrag und Phase sequentiell bei Speisung jeweils eines Tores und wellenwiderstandsrichtigem Abschluß der übrigen Tore ermittelt werden (Strahlernetzwerk-Wellenparameter-Matrix),
- c) die Gruppenantenne einer horizontal einfallenden Empfangswelle ausgesetzt wird und durch den Netzwerkanalysator die an den wellenwiderstandsrichtig abgeschlossenen Toren durch diese Welle hervorgerufenen Erregungen für alle Azimutwinkelrichtungen nach Betrag und Phase erfaßt werden (Erregungsmatrix für alle Azimutwinkel),
- d) daß unter Zugrundelegung der ermittelten Matrix-Werte durch Variationsrechnung die für die Erzielung des gewünschten Richtdiagramms günstigen Amplituden und Phasenwerte an den einzelnen Toren ermittelt werden, woraus sich die jeweils einzufügenden Impedanzen ergeben.
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