DE69116733T2

DE69116733T2 - Passives Antennensystem für zellulares Telefon

Info

Publication number: DE69116733T2
Application number: DE69116733T
Authority: DE
Inventors: Gershon N Cooper
Original assignee: Alliance Res Corp
Current assignee: Alliance Res Corp
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-05-22
Also published as: NO911961D0; JPH0426233A; EP0458592B1; IE911756A1; DE69116733D1; IE72170B1; EP0458592A2; KR910020966A; EP0458592A3; NO911961L; ATE133814T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fernmeldesysteme und insbesondere eine verbesserte Kombination zum Senden einer Funkübertragung zwischen einer ortsfesten Antenne außerhalb einer Struktur und einem Sender-Empfänger innerhalb der Struktur.
Die Funkübertragung und der Funkempfang sind schwierig, wenn sich eine Sender-Empfänger-Einheit vollständig innerhalb einer Struktur befindet, die als Abschirmung gegen Strahlung dienen kann. Beispielsweise kann das Innere eines Fahrzeugs gegenüber Funksignalen isoliert sein, die ihren Ursprung außerhalb des Fahrzeugs haben. Außerdem kann auch die Übertragung von Funksignalen von einem Sender aus, der sich innerhalb des Fahrzeugs befindet, ebenso blockiert sein.
Sender-Empfänger, die sich innerhalb von Fahrzeugen befinden, sind üblicherweise mit einer Antenne verbunden, die außen am Fahrzeug mittels eines Koaxialkabels oder einer anderen Drahtverbindung angebracht ist. Häufig ist das Strahlungsund Empfangselement der Antenne, die sich außen an dem Fahrzeug befindet, mit dem Koaxialkabelanschluß durch ein Glasfenster des Fahrzeugs kapazitiv gekoppelt, wodurch die Notwendigkeit des Bohrens von Löchern in die Karosserie des Fahrzeugs ausgeschaltet wird.
Die immer weiter verbreitete Verwendung von Nobiltelephonen, die in dem Frequenzbereich von 800 bis 1000 MHz arbeiten, bei Fahrzeugen, hat die Verwendung solcher durch Glas gehenden Antenneneinheiten gefördert, da Nobiltelephone vorzugsweise eine Antenne verwenden, deren Stab sich oberhalb der Dachlinie des Fahrzeugs für einen optimalen Empfang und eine optimale Übertragung erstreckt. Durch Glas gehende Antennen sind leicht in der Nähe der Oberseite des Rückfensters anzubringen, und der Antennenstab kann sich senkrecht über die Dachlinie erstrecken.
Heutzutage sind mehrere Arten von Mobiltelephonen üblich. Ein permanent eingebautes Autotelephon besitzt eine direkte Energieverbindung mit der Stromversorgung des Fahrzeugs und besitzt eine Koaxialverbindung mit der eingebauten Antenne. Ein sogenanntes "transportables" Mobiltelephon ist eine ähnliche Telephoneinheit, die eine unabhängige Stromversorgung und eine bewegliche Antenne umfaßt, damit es in der Aktentasche getragen werden kann. Die permanent installierten und die transportablen Telephone dürfen eine maximale Sendeleitung von 3,0 Watt haben, was im allgemeinen die Verwendung einer koaxialen Übertragungsleitung zu einer Antenne vorschreibt.
In den letzten Jahren wurde ein kleineres, kompaktes, leichtes Mobiltelephon entwickelt, das in der Hand gehalten werden kann. Dieses in der [land gehaltene oder "Handy-" Telephon, das üblicherweise eine integrale Antenne als Teil der Einheit besitzl, darf nur ein Strahlungsleistungsniveau von 0,6 Watt haben. Solche Vorrichtungen können ziemlich klein sein und in eine Hosentasche passen. Wenn es in einem offenen Raum benutzt wird, kann das Handy leicht mit einer "Zelle" des Mobilsystems in Verbindung stehen. Es treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn man ein Handy verwenden möchte und wenn man sich innerhalb eines Fahrzeugs befindet, da die Metallkarossene des Fahrzeugs als Abschirmung sowohl für ankommende als auch abgehende Signale wirkt.
Diese Schwierigkeiten können überwunden werden, wenn die Handy-Einheit mit einer Außenantenne verbunden werden kann oder wenn das Handy durch ein offenes Fenster in dem Fahrzeug betrieben werden kann und die Metallmasse des Fahrzeugs die Empfangs- oder Strahlungsmuster der Antenne nicht beeinträchtigt. Ein Ansatz wurde unter dem Warenzeichen LARSEN ANTEN- NAS von Larsen Electronics, Inc., Vancouver, Washington, Modell KGB-825 auf den Markt gebracht. Diese Einheit wird als "passive Zwischenverstärkeranlenne" beschrieben, die Signale den außen montierten Verstärkungsantennenelementen zuführt und von diesen empfängt. Die US-A-4 794 319 und die FR-A-2 081 211 offenbaren eine Antenne, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist.
Ein solcher Ansatz berücksichtigt jedoch nicht die niedrige Energie, die bei einer Handy-Einheit verfügbar ist, und die Tatsache, daß das Strahlungsmuster von der Handy-Antenne ungerichtet ist. Dies führt im allgemeinen dazu, daß ein sehr geringer Teil der Strahlungsenergie den "Zwischenverstärker" und die Außenantenneneinheit erreicht. In ähnlicher Weise wird die durch die Außenantenne empfangene Energie an den "Zwischenverstärker" übertragen und ungerichtet innerhalb des Fahrzeugs abgestrahlt. Nur ein geringer Teil des empfangenen Signals wird von der Handy-Antenne erfaßt. Außerdem sind die Außenantenne und der innere Dipolzwischenverstärker kapazitiv durch das Glasfenster gekoppelt, wodurch ein gewisser Signalverlust auftritt.
Erfindungsgemäß wird ein gerichteter, passiver Zwischenverstärker mit den im Kennzeichen von Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen geschaffen. Unter Verwendung dieser Anordnung wird die Strahlungsenergie, die den Zwischenverstärker und die Außenantenneneinheit erreicht, beträchtlich verbessert. Vorzugsweise wird das Rückfenster verwendet, um die Antenne an dem Fahrzeug zu befestigen, da dies kein beträchtliches Sichthindernis für das Gesichtsfeld des Fahrers schafft. Es ist selbstverständlich möglich, die Antenne an der vorderen Windschutzscheibe oder an irgendeinem der feststehenden Glasseitenfenster zu befestigen.
Bei der einfachsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Dipol aus einem Plattenmaterial, um den Oberflächenbereich zu vergrößern, der dem Inneren des Fahrzeugs zugewandt ist. Dies erhöht die Verstärkung in einer Richtungssenkrechten zur Fläche um elwa 2 dB im Vergleich zu herkömmlichen Runddrähten. Es ist dann möglich, daß ein Handy im Inneren des Fahrzeugs den außen angebrachten Dipol "sieht" und mit ihm sowohl in der Sende- als auch der Empfangsbetriebsart in Verbindung steht.
Um eine größere "Verstärkung" in der Richtung der Handy-Einheit und ihrer Antenne zu schaffen, können ein oder mehr parasitäre Elemente hinzugefügt werden. Beispielsweise wird eine Reflektor"-Strahl, der eine Wellenlänge von etwa 0,58 hat, mindestens 1/10 Wellenlänge (oder ein Vielfaches davon) von dem Dipol in eine Richtung beabstandet, die im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Stabs und der Achse des Dipols ist, was eine Verstärkung für Signale schafft, die zwischen dem Dipol und der Antenne des Handys ausgetauscht werden. Dieser Reflektordipol kann auch außen an dem Fahrzeug angebracht werden und steht durch das Glas hindurch durch Strahlung mit der Handy-Einheit in Verbindung.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein zweiter parasitärer Strahl oder "Wellenrichter", der mindestens 0,45 Wellenlänge mißt, im Inneren des Fahrzeugs an der gegenüberliegenden Fläche des Glases und mindestens 1/10 Wellenlänge von dem Dipol angebracht. Bei noch weiteren Ausführungsformen können zusätzliche parasitäre Elemente, die als Wellenrichter und/oder Reflektoren wirken, hinzugefügt werden, um die Bündelung der Anordnung zu erhöhen und um auch die Verstärkung mit Bezug auf die Signale zwischen dem Zwischenverstärker und der Antenne des Handy zu vergrößern. Bei dem Hinzufügen zusätzlicher Elemente ist es wichtig, daß jedes Element mindestens 1/10 Wellenlänge von dem nächsten benachbarten Element beabstandet ist.
Bei den Funkfrequenzen des Betriebs hat das Glas keine abschirmende Wirkung und eine kapazitive Kopplung durch das Glas hindurch ist unnötig. Die sich ergebende erfindungsgemäße Kombination ist eine passive Anordnung, die eine hohe Richtungscharakteristik aufweisen kann und wirksam die Signale "verstärkt", die zwischen der Handy-Antenne und dem äußeren Stab hin- und hergehen.
Bei alternativen Ausführungsformen können zusätzliche parasitäre Elemente innerhalb oder außerhalb des Fahrzeugs vorgesehen werden, um die Verstärkung und Bündelung der Anordnung zu verbessern. Da es keine kapazitive Kopplung durch das Glas gibt, gibt es keine "Kopplungs"-Verluste.
Die neuen Merkmale, die für die Erfindung sowohl was die Struktur als auch deren Betriebsverfahren anbetrifft charakteristisch sind, sind zusammen mit den weiteren Aufgaben und Vorteilen der Erfindung aus der nachstehenden Beschreibung bei Betrachtung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in der die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft dargestellt ist. Es ist jedoch ausdrücklich zu beachten, daß die Zeichnungen nur zur Veranschaulichung und Beschreibung dienen, sie sind nicht als Definition der Grenzen der Erfindung beabsichtigt.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Zwischenverstärkers,
Fig. 2 ist eine Vorderansicht eines alternativen Zwischenverstärkers,
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Zwischenverstärkers von Fig. 2,
Fig. 4 ist ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, passiven Zwischenverstärkeranordnung,
Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform, einschließlich eines parasitären Elements an jeder Seite der Fahrzeugverglasung,
Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform mit zwei parasitären Elementen an einer Seite des Glases und an der anderen Seite, und
Fig. 7 ist ein elektrisches Diagramm des erfindungsgemäßen Zwischenverstärkers.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Zwischenverstärker 10 für die Mobileinheit gemäß einer primitiven Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie gezeigt, umfaßt der Zwischenverstärker 10 einen Stabstrahler 12 und eine Basis 14, die haftend außen an einem Glasfensterelement 16 eines Fahrzeugs befestigt ist. Das Glasfensterelement 16 ist vorzugsweise das Rückfenster des Fahrzeugs, es kann jedoch irgendeine der nichtleitfähigen Scheiben des Fahrzeugs sein. Obgleich das Rückfenster oder Rücklicht die Anbaustelle der Wahl ist, können auch die Seitenfenster oder die vordere Windschutzscheibe des Fahrzeugs dazu dienen.
Ein Paar Viertelwellenstrahlern 18, die verbunden sind, um als 1/2 Wellendipol zu dienen, sind in der Basis 14 eingebettet und erstrecken sich im wesentlichen (aber nichl notwendigerweise) rechtwinklig zu der Achse des Stabstrahlers 12. Die Strahler 18 sind mit dem Stabstrahler 12 gekoppelt und helfen bei der passiven Zwischenverstärkerfunktion mit Bezug auf Signale, die von dem Stabstrahler 12 empfangen werden und mit Bezug auf Signale, die von einem tragbaren Sender (nicht gezeigt) in der Nähe empfangen werden.
Um die Wirksamkeit der Strahler 18 zu verbessern, ist eine modifizierte Antenne 20 in Fig. 2 und 3 gezeigt. Statt einen runden Draht mit kleinem Durchmesser als Strahlerelement zu verwenden, erstrecken sich flache längliche Platten 22 in der Basis 14' etwa eine Viertelwelle von dem Stabstrahler 12 weg und dienen als Dipol. Die Verwendung der Platten 22 gestattet eine etwas höhere Verstärkung in der waagerechten Ebene und so eine bessere Verbindung zwischen der Antenne des Handy 24 im Inneren des Fahrzeugs und den Dipolplatten 22, die außen an dem Fahrzeug angebracht sind.
Um die Verstärkung weiter zu verbessern, kann ein zusätzliches parasitäres Element der Basis hinzugefügt werden, um einen weiteren alternativen Zwischenverstärker 30, wie in Fig. 4 gezeigt, zu schaffen. Eine Basis 14" ist modifiziert, um zwei Paare von Elementen zu enthalten. Ein erster Dipol, der aus Viertelwellensegmenten 22 besteht, ist in der Nähe des Glases 16 angeordnet, während ein zweites Paar von Elementen 26 mindestens 1/10 Wellenlänge von dem Dipolpaar beabstandet ist und als Reflektor dient, wobei sich eine empfindliche Verstärkungsachse in der Richtung auf die Vorderseite des Fahrzeugs erstreckt, wo sich das Handy am wahrscheinlichsten befindet.
Bei der Ausführungsform von Fig. 5 wird ein ähnliches Ergebnis in dem Zwischenverstärker 40 erzielt, indem ein parasitäres Element im Inneren des Fahrzeugs verwendet wird. Wie gezeigt, ist die Basis 14', die die Viertelwellensegmente 22 enthält, an der Außenseite einer Glasplatte 16 befestigt und eine Innenbasis 42 besitzt ein ähnliches Paar parasitärer Elemente 44, die als Wellenrichter dienen. Die Kombination ist dann einer Strahlung in der waagerechten Ebene gegenüber entlang einer Linie im allgemeinen parallel zu der Achse des Fahrzeugs empfindlicher, wenn die Basis 14' an dem Rückfenster befestigt ist.
Im allgemeinen sollte das Wellenrichterelement 44 weniger als eine Viertelwellenlänge messen und sollte von den Dipolsegmenten 22 um mindestens 1/10 Wellenlänge beabstandet sein, was die Dicke des Glases 16 einschließt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Hier ist die alternative Antenne 30 von Fig. 4 mit der Innenbasis 42 von Fig. 5 zur Bildung einer Zwischenverstärkerkombination 50 kombiniert, die Dipolsegmente 22, Reflektorelemente 26 und an der Innenbasis 42 Wellenrichterelemente 44 aufweist. Diese Anordnung kommt einer passiven Dipolanordnung noch näher, die sehr richtend ist und die eine beträchtliche Verstärkung entlang der empfindlichen Achse aufweist, die senkrecht zu den parasitären Elementen verläuft.
Wie bei den anderen Ausführungsformen beträgt der Abstand zwischen benachbarten Elementen mindestens 1/10 Wellenlänge, und die wirksame Länge des Wellenrichters mißt weniger als 1/2 Wellenlänge, während der Reflektor mehr als 1/2 Wellenlänge mißt. Bei einem experimentellen Modell wurde der Wellenrichter auf 0,45 Wellenlänge eingestellt, während der Strahler auf 0,58 Wellenlänge eingestellt war.
Fig. 7 isl ein elektrisches Diagramm des Dipols 18 der Fig. 1, der mit dein Strahlerstab 12 verbunden ist. Wie gezeigt, erfolgt die Verbindung mit einem Arm des Dipols 18 über ein kapazitives Element 46 und über ein induktives Element 48 mit dem anderen Arm des Dipols 18. Die Impedanzwerte werden für eine optimale elektrische Kopplung zwischen dem Strahlerstab 12 und dem Dipol 18 bei den interessierenden Frequenzen ausgewählt. Da die Dipolelemente der anderen Ausführungsformen dem Dipol von Fig. 1 äquivalent sind, wäre die elektrische Verbindung ähnlich.
So wird ein passiver Antennenzwischenverstärker für ein Handy-Telephon gezeigt, das im Inneren eines Fahrzeugs verwendet werden soll. Die Zwischenverstärkereinheit besitzt in ihrer einfachsten Ausführungsform einen passiven Dipol, der mit einem Stabstrahler gekoppelt ist, der eine ungehinderte Verbindung mit einer "Mobilstation" besitzt. Das Handy-Telephon wird innerhalb des Fahrzeugs betrieben, das sonst die Telephonantenne gegenüber der "Mobilstation" wirksam abschirmen würde.
Folglich stehen die Telephonantenne und der Dipol jetzt in direkter Sichtlinienverbindung für die Übertragung und den Empfang von elektrischen Signalen. Die von dem passiven Dipol empfangenen Signale werden von dem Strahlerstab abgestrahlt und die von dem Strahlerstab empfangenen Signale werden von dem Dipol zur inneren Telephonantenne mit einem Energieniveau abgestrahlt werden, das hinreichend niedrig ist, um kein Gesundheitsrisiko für den Menschen darzustellen.
Bei alternativen Ausführungsformen, werden zusätzliche parasitäre Elemente hinzugefügt, entweder zu der außen angebrachten Vorrichtung oder zu einer innen angebrachten Vorrichtung, die an der Innenfläche der Fahrzeugverglasung gegenüber der außen angebrachten Vorrichtung angeordnet wird.

Claims

1. Zwischenverstärkeranordnung (10, 20, 30, 40, 50) zur Verwendung bei einem Sender-Empfänger (24), der sich innerhalb einer Abschirmungsumgebung mit Bereichen (16), die elektromagnetischer Strahlung gegenüber durchlässig sind, befindet, die in Kombination aufweist:

eine Antenne, einschließlich eines Strahlers (12) mit einer Achse, wobei die Antenne außen an der Abschirmungsumgebung in einem Strahlung gegenüber durchlässigen Bereich (16) davon angebracht ist, und eine Abstimmungseinrichtung (46, 48), die elektrisch ein Dipolelement (18, 22) an den Antennenstrahler (12) koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Dipolelement (18, 22) audenseitig der Abschirmungsumgebung befindet und an der Antenne befestigt ist und sich in einer Richtung erstreckt, um die Übertragung und den Empfang in einer Ebene zu maximieren, die die Antennenachse schneidet,

wodurch der Sender-Empfänger (24) innerhalb der Abschirmungsumgebung in Strahlungsenergieverbindung mit dem Dipolelement (18, 22) und mittels des Strahlers (12) mit den fernen Sendern und Empfängern in Verbindung steht, die in Strahlungsenergieverbindung mit dem Strahler (12) stehen.

2. Zwischenverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mit dem ersten Basiselement (14, 14', 14") gekoppelt ist, das zum Anbau außen an die Abschirmungsumgebung in einem Strahlung gegenüber durchlässigen Bereich (16) davon geeignet ist.

3. Zwischenverstärkeranordnung nach Anspruch 2, die weiterhin ein parasitäres Element (26) in dem ersten Basiselement umfadt, das im wesentlichen parallel zu dem Dipol (22) ist, um die Übertragung und den Empfang in einer ausgewählten Richtung zu verstärken, wodurch die in der ausgewählten Richtung zwischen der Zwischenverstärkeranordnung (10, 20, 30, 40, 50) und einem Sender- Empfänger (24) innerhalb der abgeschirmten Umgebung übertragenen Signale verstärkt werden.

4. Zwischenverstärkeranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die weiterhin ein parasitäres Element (44) umfaßt, das im Inneren der Abschirmungsumgebung in dem durchlässigen Bereich (16) davon in der Nähe der Antenne angebracht ist, wobei das parasitäre Element (44) mindestens 1/10 Wellenlänge von dem Dipol (22) beabstandet und angeordnet ist, um im wesentlichen parallel dazu zu sein, um die Übertragung und den Empfang in einer ausgewählten Richtung zu verstärken, wodurch die in der ausgewählten Richtung zwischen der Zwischenverstärkeranordnung und einem Sender-Empfänger (24) innerhalb der abgeschirmten Umgebung übertragenen Signale verstärkt werden

5. Zwischenverstärkeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeicliiiet, daß das parasitäre Element (44), das an dem Inneren der Abschirmungsumgebung angebracht ist, innerhalb eines zweiten Basiselements (42) enthalten ist.

6. Zwischenverstärkeranordnung nach Anspruch 5 bei Abhängigkeit von Anspructi 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Basiselement (42) dem erstgn Basiselement (14) benachbart ist.

7. Zwischenantenneneinheit nach Anspruch 3, die weiterhin ein parasitäres Element (44) besitzt, das in dem Inneren der Abschirmungsumgebung in dem durchlässigen Bereich (16) davon in der Nähe der Antenne angebracht ist, wobei das parasitäre Element (44) mindestens 1/10 Wellenlänge von dem Dipol (22) beabstandet und angeordnet ist, um im wesentlichen parallel dazu zu verlaufen, um die Übertragung und den Empfang in einer ausgewählten Richtung zu verstärken, wodurch die in der ausgewählten Richtung zwischen der Zwischenverstärkeranordnung und einem Sender-Empfänger (24) innerhalb der abgeschirmten Umgebung übertragenen Signale verstärkt werden.

8. Zwischenverstärkeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das parasitäre Element (44), das an dem Inneren der Abschirmungsumgebung angebracht ist, innerhalb eines zweiten Basiselements (42) enthalten ist, das geeignet ist, am Inneren der Abschirmungsumgebung in dem durchlässigen Bereich (16) davon benachbart dem ersten Basiselement (14) angebracht zu werden.