EP0740361B1 - Flachantennen-Anordnung - Google Patents

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EP0740361B1
EP0740361B1 EP95119434A EP95119434A EP0740361B1 EP 0740361 B1 EP0740361 B1 EP 0740361B1 EP 95119434 A EP95119434 A EP 95119434A EP 95119434 A EP95119434 A EP 95119434A EP 0740361 B1 EP0740361 B1 EP 0740361B1
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EP
European Patent Office
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antenna
mobile radio
sheet
gps
lamina
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95119434A
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English (en)
French (fr)
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EP0740361A1 (de
Inventor
Reinhard Berfelde
Chen Shun-Ping
Manfred Burkert
Christian Heuer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuba Automotive GmbH and Co KG
Original Assignee
Fuba Automotive GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Fuba Automotive GmbH and Co KG filed Critical Fuba Automotive GmbH and Co KG
Priority claimed from DE19546010A external-priority patent/DE19546010A1/de
Publication of EP0740361A1 publication Critical patent/EP0740361A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0740361B1 publication Critical patent/EP0740361B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3275—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle mounted on a horizontal surface of the vehicle, e.g. on roof, hood, trunk
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the invention relates to a flat antenna arrangement for mobile radio and for satellite-based vehicle navigation (GPS) with the im Preamble of the main claim specified generic features.
  • the antenna combination according to the invention is used as put on, with the body of a motor vehicle connected module or as a module e.g. with holding magnets for releasable attachment. It is made from the GPS antenna for 1.575 GHz and optionally the antennas for mobile radio in the 900 MHz and 1.8 GHz range educated.
  • the outer slot arrangement is for mobile radio in the 900 MHz range and the internal arrangement used for GPS.
  • the solution principle according to US 5 124 714 and DE 94 14 817 has a disadvantage: the concentric arrangement of the Antennas can only be used in the desired space-saving manner realize if you look at the fixed combination of two Frequencies - e.g. of the 900 MHz band only with the 1.575 GHz band or only with the 1.8 GHz band - limited.
  • you can here is an antenna for mobile radio in the 1.8 GHz band and the GPS antenna because of the small differences in the dimensions of the antennas to be paired cannot be combined. That applies for the version with two slot antennas as well as if a stripline antenna for GPS just above a small one Ring slot antenna for 1.8 GHz is mounted. - the Stripline antenna with its ground area would Cover the ring slot antenna and hinder its field formation.
  • the invention has for its object an antenna module for satellite-based vehicle navigation (GPS) and for mobile communications to create a stripline antenna for the GPS band optionally with a flat antenna for radio in the 900 MHz band and or or can be combined with such an antenna for 1.8 GHz can.
  • GPS satellite-based vehicle navigation
  • FIG. 1 shows two views of an antenna combination according to the invention, formed from the GPS antenna and an antenna for mobile radio in the 900 MHz range.
  • the GPS antenna consists of a circuit board 1, as is also used for printed circuits, with the area-wide metallization 2 as the ground plane and the rectangular conductive surface segment (patch) 3 as the radiator area.
  • the feed point 4 is located outside the center of the area because the GPS antenna works with circular polarization.
  • the board 1 has a diameter of 85 mm and the radiator surface has an edge length of 50 mm.
  • the effective edge length of the radiator surface corresponds to 1/2 the operating wavelength ⁇ G of the GPS frequency, and the geometric dimension depends in practice on the shortening factor associated with the relative dielectric constant ⁇ r of the board material.
  • the ground surface 2 of the GPS antenna must in this version of the underlying antenna, e.g. through an air gap of at least 2 mm wide or through a interposed foil made of dielectric material.
  • the cellular antenna includes the sheet metal element 6 and the short-circuit element 7 in the present example, which together with the ground reference surface 8, for example the roof of a metal vehicle body, form a cavity resonator for the intended operating frequency, on the open sides of which field formation to the outside occurs with all-round radiation in the far field .
  • the sheet metal element 6 is designed as a circular section with an opening angle of 90 ° and a radius of 90 mm.
  • the edge dimension results from 1/4 of the mean operating wavelength ⁇ M of the radio frequency range.
  • the dimension A between the sheet metal element 6 and the ground reference surface 8 should be at least 0.04 ⁇ M in order to ensure sufficient values of the efficiency and the bandwidth.
  • the short-circuit element 7 is not directly with the sheet 8 of the body or an adequate one Ground surface connected. Serves as an intermediate and connecting link the thin metal base plate 9 of the antenna housing, on the also the means for mechanically holding the housing on the Substructure can be provided.
  • the means for mechanically holding the housing on the Substructure can be provided.
  • the distance between the base plate and the Body sheet is chosen to be as small as possible (less than 1 mm), because a good capacitive coupling between the two ground potentials must be guaranteed. You can do this in antenna modules according to the invention, for the detachable Fastening on the car roof can be designed, support, by arching the underside of the base plate 9 slightly concave and so that the body curvature is adapted approximately.
  • antenna modules according to the invention which like the usual Roof antennas - e.g. Short rod antennas - over a hole in the Roof sheet to be fastened by screwing on, is used in the usual Established a galvanic ground connection. Through the The RF cables are then opened in the roof panel Antennas led into the vehicle interior.
  • the outer conductors of the two coaxial cables 12 and 13 are each connected at the end of the exposed inner conductor section, at points 14 and 15, to the ground potential 2 and 8 and 9 effective for the respective antenna. At a distance of 1/4 ⁇ M , measured from the contact points 14, 15, they are again grounded at point 16.
  • the influence of the relatively large ground area 2 of the GPS antenna on the field formation of the mobile radio antenna is neutralized to a certain extent: the circuit board 1 with the conductive surface 2 and the sheet metal element 6 are - so mainly for reasons of space - placed so close together that normally an exchange and thus the outflow of signal energy in a capacitive way between the ground surface 2 and the sheet metal element cannot be avoided.
  • FIG. 2 shows an arrangement that is surprising and represents advantageous continuation of the combination idea and above all to a simplified construction of the stripline GPS antenna leads.
  • the relatively large area on both sides metallized board 1, as in the execution after FIG. 1 is used, replaced by a small disk la, which is only provided with the metallization 3 as the radiator surface.
  • the additional dielectric 5 or the free distance between the board and the sheet metal element 6 are completely eliminated.
  • the ground area for the stripline GPS antenna is at this embodiment uses the sheet metal element 6a of the radio antenna, that fulfills an additional function.
  • the sheet metal element 6a is circular, and the board la with the radiator surface the GPS antenna is centered on it.
  • the short-circuit element 7a is within the circumscribed circle of the sheet metal element 6a arranged in a lateral position.
  • the short-circuit element 7a can - like the element 7 in Embodiment 1 - also from one or more pins or similar bodies are formed.
  • a second ground contact 16 at a distance of 1/4 ⁇ M from the feed point 4 is required only for the feed line cable 12 of the GPS antenna.
  • the dimensions of the individual components of the arrangement also correspond here to the characteristic proportions of the two antenna types which are oriented to the operating wavelength of the respective frequency range.
  • the effective edge length of the surface segment 3 is ⁇ G / 2 for the GPS frequency.
  • the circuit board material is to be selected such that the dimension d of the diagonal is smaller than the diameter D of the sheet metal element 6 a.
  • FIG. 3 are - in addition to the embodiment of Figure 1 - Variants for positioning two mobile radio antennas in Combination with the GPS antenna shown.
  • the components on the base plate are made with the one dielectric material existing hood 17 covered and closed moisture-proof.
  • a cheap variant would be also, the entire assembly of molded parts from a curing Form foam, the outer contours of those of the hood 17th correspond.
  • the foam would also be the antenna parts fix in their position permanently.
  • FIGS. 4 to 6 show radiation characteristics that with the combination of a GPS antenna with a cellular antenna for the 900 MHz band. The pictures speak for yourself. The measurements showed that the radiation diagrams, the one with the two antennas in a separate arrangement be obtained with which the combined arrangement of Antennas are identical, and above all none Differences in level can be determined.
  • the performance of the antenna combination according to the invention is completely identical to one in the field of mobile communications conventional ⁇ / 4 long rod antenna.
  • the result is +3 dBic - this is a stripline antenna this kind of common and satisfactory value.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Flachantennen-Anordnung für Mobilfunk und für satellitengestützte Fahrzeug-Navigation (GPS) mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattungsmerkmalen. Die erfindungsgemäße Antennenkombination findet Anwendung als aufgesetztes, mit der Karosserie eines Kraftfahrzeugs fest verbundenes Modul oder als Modul z.B. mit Haftmagneten zur lösbaren Befestigung. Sie wird aus der GPS-Antenne für 1,575 GHz und wahlweise den Antennen für Mobilfunk im 900-MHz- und im 1,8-GHz-Bereich gebildet.
Antennenkombinationen, die aus flächigen Strahleranordnungen für unterschiedliche Frequenzbänder bestehen, sind bekannt. Als charakteristische Vertreter des Stands der Technik sind die im US-Patent Nr. 5 124 714 und im DE-Gebrauchsmuster Nr. 94 14 817 sowie die im US-Patent Nr. 5 323 168 beschriebenen Doppelantennen für Kraftfahrzeuge zu nennen. Um eine flache, nicht oder nicht wesentlich über die Fahrzeugkonturen hinausragende Kombination zweier Antennen zu erhalten, wird in den beiden ersten Fällen für das niedrigere Frequenzband eine Schlitzantenne mit umlaufendem Schlitz gewählt, die in das Blech der Fahrzeugkarosserie (Dach oder z.B. Kofferraumhaube) integriert ist. In die Innenfläche der Schlitzanordnung wird bei der Variante nach US 5 124 714 zentrisch ein weiteres Schlitzgebilde - als Ringschlitz für das höhere Frequenzband - eingefügt, und bei der Variante nach G 94 14 817 wird dort, ebenfalls im Zentrum, eine Streifenleiter-Antenne (patch antenna) aufgesetzt. Die äußere Schlitzanordnung wird für den Mobilfunk im 900- MHz-Bereich und die innere Anordnung für GPS genutzt.
Bei US-Patent Nr. 5 323 168 ist quasi schichtweise auf eine Antenne für 1,227 GHz eine zweite für die GPS-Frequenz aufgesetzt. Mit dieser Kombination dreier durch Zwischenlagen aus dielektrischem Material getrennter leitender Flächen, deren untere und oberere mit Masse verbunden sind (first and second ground plane) und deren mittlere mit den beiden Speiseanschlüssen versehen ist, erhält man für beide Betriebsfrequenzen ausgeprägte Richtcharakteristika mit nach oben gerichteter Keule im vertikalen Strahlungsdiagramm. Darüber hinaus sind beide Strahleranordnungen gleichermaßen sehr schmalbandig.
Eine rundstrahlende Funkantenne in Kombination mit der vertikal strahlenden GPS-Antenne läßt sich mit diesem Prinzip nicht verwirklichen.
Es besteht kein Zweifel daran, daß sich mit den hier geschilderten Anordnungen des Stands der Technik für die jeweils angegebenen zwei Betriebssysteme und die damit verbundenen Anforderungen durchaus befriedigende Empfangseigenschaften (und Sendeleistungen) und auch Impedanzanpassung erzielen lassen. Zumindest bei der Doppelschlitzanordnung erscheint es auch möglich, sie so in die Karosseriefläche eines Fahrzeugs zu integrieren, daß sie im Endergebnis für den Betrachter unsichtbar ist.
Dabei haben vor allem die Lösungsprinzipe nach US 5 124 714 und DE 94 14 817 einen Nachteil: Die konzentrische Anordnung der Antennen läßt sich in der gewünschten raumsparenden Weise nur realisieren, wenn man sich auf die feste Kombination zweier Frequenzen - z.B. des 900-MHz-Bands nur mit dem 1,575-GHz-Band oder nur mit dem 1,8-GHz-Band - beschränkt. Darüber hinaus können hier eine Antenne für Mobilfunk im 1,8-GHz-Band und die GPS-Antenne wegen der zu geringen Unterschiede in den Abmessungen der jeweils zu paarenden Antennen nicht kombiniert werden. Das gilt für die Ausführung mit zwei Schlitzantennen ebenso, wie wenn eine Streifenleiter-Antenne für GPS dicht über einer kleinen Ringschlitz-Antenne für 1,8 GHz montiert wird. - die Streifenleiter-Antenne würde mit ihrer Massefläche die Ringschlitz-Antenne überdecken und deren Feldbildung behindern.
Weitere Probleme folgen u.E. daraus, daß ein Schlitz im Karosserieblech nicht jedermanns Sache ist, und daß für die zugehörige Unterkonstruktion auch Platz benötigt wird, der z.B. unter dem Autodach nur begrenzt zur Verfügung steht. Nicht zuletzt bestehen bei den Konstruktionen des Stands der Technik u.E. auch technologische, Stabilitäts- und Dichtungsprobleme, die die Einsatzchancen beeinträchtigen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenmodul für satellitengestützte Fahrzeug-Navigation (GPS) und für Mobilfunk zu schaffen, bei dem eine Streifenleiter-Antenne für das GPS-Band wahlweise mit einer Flachantenne für den Funk im 900-MHz-Band und bzw. oder mit einer solchen Antenne für 1,8 GHz kombiniert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäR mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und Detaillösungen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen - wie bezweckt - im wesentlichen darin,
  • daß die GPS-Antenne auch mit einer Antenne des 1,8-GHz-Bands kombiniert werden kann und daß dabei für beide Antennen gute Strahlungsleistungen gewährleistet sind,
  • daß Kombinationen der GPS-Antenne wahlweise mit einer beliebigen und auch mit beiden Mobilfunk-Antennen gleichzeitig möglich sind und
  • daß dabei das Flachantennen-Prinzip und eine kompakte, flache Bauweise der Gesamtanordnung beibehalten wird.
Dabei ist der konstruktive Aufbau der Gesamtanordnung und der einzelnen Komponenten denkbar einfach, und es bieten sich vielfältige Ansatzpunkte für kostengünstige technische und technologische Detaillösungen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
Figur 1.
Kombination der GPS-Antenne mit einer Mobilfunk-antenne
  • a) Seitenansicht und -schnitt in Sprengdarstellung
  • b) Draufsicht, ohne Haube
Figur 2.
Antennenkombination mit vereinfachtem Aufbau
  • a) Seitenansicht
  • b) Draufsicht
Figur 3.
Varianten der Anordnung zweier Mobilfunkantennen in Kombination mit der GPS-Antenne
Figur 4.
Strahlungscharakteristik der GPS-Antenne bei 1,570 GHz im Vertikaldiagramm
Figur 5.
Strahlungscharakteristik einer Mobilfunkantenne bei 925 MHz im Vertikaldiagramm
Figur 6.
Strahlungscharakteristik der Mobilfunkantenne bei 925 MHz im Horizontaldiagramm
Figur 1 zeigt zwei Ansichten einer erfindungsgemäßen Antennenkombination, gebildet aus der GPS-Antenne und einer Antenne für Mobilfunk im 900-MHz-Bereich.
Die GPS-Antenne besteht aus einer Platine 1, wie sie auch für gedruckte Schaltungen verwendet wird, mit der flächengroßen Metallisierung 2 als Massefläche (ground plane) und dem rechteckigen leitenden Flächensegment (patch) 3 als Strahlerfläche. Der Speisepunkt 4 ist außerhalb des Flächen-Mittelpunkts angeordnet, weil die GPS-Antenne mit zirkularer Polarisation arbeitet.
Die Platine 1 hat einen Durchmesser von 85 mm und die Strahlerfläche eine Kantenlänge von 50 mm. Die wirksame Kantenlänge der Strahlerfläche entspricht 1/2 der Betriebswellenlänge λG der GPS-Frequenz, und das geometrische Maß hängt in der praktischen Realisierung von dem mit der relativen Dielektrizitätskonstante εr des Platinenmaterials verbundenen Verkürzungsfaktor ab. Die Kantenlänge von 50 mm ergibt sich bei einem εr = 4.
Die Massefläche 2 der GPS-Antenne muß bei dieser Ausführung von der darunterliegenden Antenne galvanisch getrennt sein, z.B. durch einen Luftspalt von mindestens 2 mm Breite oder durch eine zwischengefügte Folie aus dielektrischem Material.
Zur Mobilfunkantenne gehören das Blechelement 6 und das bei dem vorliegenden Beispiel stegartige Kurzschlußelement 7, die zusammen mit der Massebezugsfläche 8, z.B. dem Dach einer metallenen Fahrzeugkarosserie, einen Hohlraumresonator für die vorgesehene Betriebsfrequenz bilden, an dessen offenen Seiten Feldbildung nach außen mit Rundumstrahlung im Fernfeld auftritt. Das Blechelement 6 ist als Kreisausschnitt mit einem Öffnungswinkel von 90° und einem Radius von 90 mm ausgebildet. Das Kantenmaß ergibt sich aus 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λM des Funk-Frequenzbereichs. Das Maß A zwischen dem Blechelement 6 und der Massebezugsfläche 8 sollte mindestens 0.04 λM betragen, um ausreichende Werte des Wirkungsgrads und der Bandbreite zu gewährleisten.
Bei der praktischen Ausführung ist das Kurzschlußelement 7 nicht unmittelbar mit dem Blech 8 der Karosserie oder einer adäquaten Massefläche verbunden. Als Zwischen- und Verbindungsglied dient die dünne metallene Bodenplatte 9 des Antennengehäuses, an der auch die Mittel zur mechanischen Halterung des Gehäuses auf der Unterkonstruktion vorgesehen werden. Bei dem Beispiel nach Figur 1 würden dies z.B. Haftmagnete sein, die aus der Unterseite der Bodenplatte herausragen und beweglich gelagert sind. Dabei ist wesentlich, daß der Abstand zwischen der Bodenplatte und dem Karosserieblech möglichst klein (kleiner 1 mm ) gewählt wird, weil eine gute kapazitive Kopplung zwischen den beiden Massepotentialen gewährleistet sein muß. Diesen Effekt kann man bei erfindungsgemäßen Antennenmodulen, die für die lösbare Befestigung auf dem Pkw-Dach konzipiert werden, unterstützen, indem die Unterseite der Bodenplatte 9 leicht konkav gewölbt und damit annähernd der Karosseriewölbung angepaßt wird.
Bei Antennenmodulen gemäß der Erfindung, die wie die üblichen Dachantennen - z.B. Kurzstabantennen - über einer Bohrung im Dachblech durch Anschrauben befestigt werden, wird in gewohnter Weise eine galvanische Masseverbindung hergestellt. Durch die Öffnung im Dachblech werden dann auch die HF-Leitungen von den Antennen in das Fahrzeuginnere geführt.
Zum Wirkmechanismus der für die Erfindung ausgewählten Mobilfunk-antenne gehört, daß der Innenleiter 10 des Anschlußkabels 13 innerhalb des Raums unter dem Blechelement 6 vor der Verbindung mit dem Speisepunkt 11 für ein Stück freigelegt ist.
Die Außenleiter der beiden Koaxialkabel 12 und 13 sind jeweils am Ende des freigelegten Innenleiterabschnitts, im Punkt 14 bzw. 15, mit dem für die jeweilige Antenne wirksamen Massepotential 2 bzw. 8 und 9 verbunden. In einem Abstand von 1/4 λM, gemessen von den Kontaktpunkten 14, 15, sind sie - im Punkt 16 - nochmals an Masse gelegt. Durch diese Anordnung wird der Einfluß der verhältnismäßig großen Massefläche 2 der GPS-Antenne auf die Feldbildung der Mobilfunkantenne gewissermaßen neutralisiert: Die Platine 1 mit der leitenden Fläche 2 und das Blechelement 6 werden - vor allem aus Platzgründen - so dicht übereinandergelegt, daß normalerweise ein Austausch und damit Abfluß von Signalenergie auf kapazitivem Wege zwischen der Massefläche 2 und dem Blechelement nicht vermeidbar ist. In den λM/4 langen Außenleiterabschnitten der Koaxialkabel zwischen den Kontaktpunkten 4 und 16 sowie 11 und 16 entsteht gemäß den Regeln der Leitungstheorie für Leitungen mit Kurzschluß eine stehende Welle mit Ausbildung eines Spannungsmaximums und mit einem Stromfluß gleich Null im Punkt 14 bzw. 15, da die Knoten von Strom und Spannung um λM/4 gegeneinander versetzt sind. So kann die HF-Leistunq, die vom Blechelement 6 bei Mobilfunkbetrieb in die Massefläche 2 eingekoppelt wird, nicht über den Außenleiter des Kabels 12 der GPS-Antenne abfließen.
Figur 2 zeigt eine Anordnung, die eine überraschende und vorteilhafte Weiterführung des Kombinationsgedankens darstellt und vor allem zu einem vereinfachten Aufbau der Streifenleiter-GPS-Antenne führt. Dabei wird die relativ großflächige, beidseitig metallisierte Platine 1, wie sie bei der Ausführung nach Figur 1 Verwendung findet, durch eine kleine Scheibe la ersetzt, die nur mit der Metallisierung 3 als Strahlerfläche versehen ist. Das zusätzliche Dielektrikum 5 oder der freie Abstand zwischen der Platine und dem Blechelement 6 entfällt gänzlich. Als Massefläche für die Streifenleiter-GPS-Antenne wird bei dieser Ausführung das Blechelement 6a der Funkantenne genutzt, das damit eine zusätzliche Funktion erfüllt. Das Blechelement 6a ist kreisförmig ausgebildet, und die Platine la mit der Strahlerfläche der GPS-Antenne ist darauf zentrisch angeordnet. Das Kurzschlußelement 7a ist innerhalb des umschriebenen Kreises des Blechelements 6a in seitlicher Position angeordnet. Das Kurzschlußelement 7a kann - wie auch das Element 7 im Ausführungsbeispiel 1 - auch aus einem oder mehreren Stiften oder ähnlichen Körpern gebildet werden.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Aufbau ist nur für das Speiseleitungskabel 12 der GPS-Antenne eine zweite Massekontaktierung 16 im Abstand von 1/4 λM zum Speisepunkt 4 erforderlich. Die Abmessungen der einzelnen Komponenten der Anordnung entsprechen auch hier den charakteristischen, an der Betriebswellenlänge des jeweiligen Frequenzbereichs orientierten Maßverhältnissen der beiden Antennentypen.
So ist der Durchmesser D = λM/4 und der Abstand A = 0,04 λM Die wirksame Kantenlänge des Flächensegments 3 beträgt λG/2 für die GPS-Frequenz. Für die geometrischen Abmessungen des Flächensegments 3 und damit der Platine la gilt, daß das Platinenmaterial so zu wählen ist, daß das Maß d der Diagonale kleiner als der Durchmesser D des Blechelements 6a ist.
Bei dem Beispiel nach Figur 2 mit einer 900-MHz-Funkantenne und einer Platine la mit einem εr = 15 sind
  • D = 80 mm
  • A = 15 mm
  • K = 25 mm
Durch die Reduzierung der Platinengröße auf die Abmessungen der Strahlerfläche 3 und die nur noch einseitige Metallisierung sowie durch den Verzicht auf das Dielektrikum 5 können bei dieser Ausführung weiter Material-, Fertigungs- und Montagekosten eingespart und die Bauhöhe insgesamt verringert werden.
In Figur 3 sind - in Ergänzung zu der Ausführung nach Figur 1 - Varianten für die Positionierung von zwei Mobilfunkantennen in Kombination mit der GPS-Antenne gezeigt. Die Blechelemente 6 und 6' sind bei dem Beispiel nach Figur 3a nebeneinander und im Falle 3b quasi übereinander angeordnet. In beiden Fällen kann die GPS-Antenne auf das Blechelement 6 der Antenne für die niedrigere Funkfrequenz - mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum-aufgesetzt werden
Die Bauteile auf der Bodenplatte werden mit der aus einem dielektrischen Material bestehenden Haube 17 bedeckt und feuchtigkeitsdicht abgeschlossen. Eine günstige Variante wäre auch, die gesamte Anordnung aus Formteilen aus einem aushärtenden Schaumstoff auszubilden, deren Außenkonturen denen der Haube 17 entsprechen. Der Schaumstoff würde gleichzeitig die Antennenteile in ihrer Lage dauerhaft fixieren.
In Figur 4 bis 6 sind Strahlungscharakteristika dargestellt, die mit der Kombination einer GPS-Antenne mit einer Mobilfunkantenne für das 900-MHz-Band gewonnen wurden. Die Bilder sprechen für sich. Bei den Messungen hat sich gezeigt, daß die Strahlungsdiagramme, die mit den beiden Antennen in separater Anordnung gewonnen werden, mit denen bei kombinierter Anordnung der Antennen identisch sind, und daß vor allem auch keine Pegelunterschiede feststellbar sind.
Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Antennenkombination ist im Mobilfunkbereich vollkommen identisch mit der einer herkömmlichen, λ/4 langen Stabantenne. Für den GPS-Bereich ergeben sich +3 dBic - das ist ein bei Streifenleiter-Antennen dieser Art üblicher und zufriedenstellender Wert.

Claims (8)

  1. Flachantennen-Anordnung für Frequenzen im GHz-Bereich, vorzugsweise bestehend aus einer Antenne für satellitengestützte Fahrzeugnavigation (GPS) und mindestens einer Antenne für Mobilfunk, die in einem gemeinsamen Gehäuse auf einer leitenden Fläche größerer Ausdehnung, insbesondere auf einer Fahrzeugkarosserie, angeordnet sind, wobei
    die GPS-Antenne vorzugsweise als Streifenleiter-Antenne mit Querstrahlung ausgebildet ist, bestehend aus einer Platte aus einem dielektrischen Material mit partieller Metallisierung,
    die Mobilfunk-Antenne Rundumcharakteristik im horizontalen Strahlungsdiagramm hat und die leitende Fläche größerer Ausdehnung für diese Antenne die Massebezugsfläche darstellt,
    die GPS-Antenne über der Mobilfunk-Antenne angeordnet ist und
    als Speiseleitungen für beide Antennen Koaxialkabel Verwendung finden,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Mobilfunkantenne aus einem Blechelement (6, 6', 6a) besteht, das mit einem Abstand (A, A') von 0,04 der mittleren Betriebswellenlänge der Funkfrequenz planparallel zur Massebezugsfläche (8) angeordnet ist und das im Bereich einer Seitenkante oder in seitlicher Position über mindestens ein Kurzschlußelement (7, 7a) und über eventuelle weitere Zwischenglieder in galvanischer Verbindung oder in kapazitiver HF-Kopplung mit der Massebezugsfläche (8) steht,
    die GPS-Antenne (1, 1a, 2, 3) aufliegend über der mindestens einen Antenne für Mobilfunk abgeordnet ist,
    der Innenleiter (10) des als Speiseleitung für die Mobilfunkantenne dienden Koaxialkabels (13, 13a) für einen Abschnitt in dem Raum unterhalb des Blechelements (6, 6', 6a) bis zur Massebezugsfläche (8) oder zu einer Bodenplatte (9) freiliegend ist, und
    die Außenleiter der beiden Koaxialkabel (12, 13, 13a) jeweils an einem ersten Kontaktpunkt (14, 15), bis zu dem der Innenleiter hinter dem jeweiligen Speisepunkt (4, 11) jeder Antenne freigelegt ist, mit der für die jeweilige Antenne wirksamen Massefläche (8, 2, 6a) verbunden sind und vorzugsweise nochmals, mit einem Abstand zu den ersten Kontaktpunkten (14, 15) von 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λM der Mobilfunkantenne, an einem zweiten Kontaktpunkt (16) auf Masse gelegt sind.
  2. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine GPS-Antenne, die aus einer beidseitig metallisierten Platine (1) besteht, wobei
    die eine Seite der Platine, als Massefläche (2), durchgängig metallisiert ist und die andere Seite, in Strahlungsrichtung, mit einer teilweisen Metallisierung in Form eines Flächensegments (patch) versehen ist, das die Strahlerfläche (3) bildet,
    die HF-wirksame Kantenlänge des Flächensegments (3) etwa 1/2 der mittleren Betriebswellenlänge λG der GPS-Frequenz beträgt,
    die Platine (1) so angeordnet ist, daß sie mit ihrer Massefläche (2) die Antenne oder die beiden Antennen für Mobilfunk flächig zumindest teilweise überdeckt,
    die Platine (1) mit einem Abstand von mindestens 2 mm oder unter Zwischenfügen von dielektrischem Material (5) mit dem Blechelement (6 oder 6') einer Mobilfunkantenne oder, wenn beide Mobilfunkantennen vorgesehen sind, mit dem höherragenden Blechelement (6) der Funkantenne für den niedrigeren Frequenzbereich verbunden ist, und
    die Blechelemente (6, 6') vorzugsweise die Form eines Kreisausschnitts mit einem Öffnungswinkel von vorzugsweise 90° und einer radialen Kantenlänge von 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge λM der jeweiligen Funkfrequenz haben.
  3. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine GPS-Antenne mit einer einseitig metallisierten Platine (la), wobei
    als Metallisierung die Strahlerfläche (3) aufgetragen ist,
    die Platine (la) die seitlichen Konturen und Abmessungen der Strahlerfläche (3) hat,
    die Platine (1a) zentrisch und ohne Spalt direkt auf dem Blechelement (6a) der Mobilfunkantenne aufliegt und das Blechelement (6a) gleichzeitig als Massefläche für die GPS-Antenne wirkt,
    das Blechelement (6a) vorzugsweise kreisförmig ist, mit einem Durchmesser (D) von etwa 1/4 λM für den zugehörigen Mobilfunk-Frequenzbereich, und
    die relative Dielektrizitätskonstante εr des Materials der Platine (la) so gewählt ist, das das geometrische Maß (d) der Diagonale der Platine vorzugsweise kleiner als der Durchmesser (D) des Blechelements (6a) ist.
  4. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kombination der GPS-Antenne mit zwei Mobilfunkantennen die Blechelemente (6, 6') vorzugsweise so positioniert sind, daß ihre Seitenkanten mit den Kurzschlußelementen (7, 7') einander zugewendet sind
  5. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen und HF-Anschlüsse der Antennen als Steckverbindungen ausgeführt sind und in der Fertigung eine wahlweise Kombination der GPS-Antenne mit einer oder mit beiden Mobilfunkantennen auf einer universellen Bodenplatte (9) erlauben.
  6. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (9) mit wahlweise einer oder mit zwei Mobilfunkantennen als komplexes Spritzgußteil ausgeführt ist.
  7. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (9) auf ihrer der Fahrzeugkarosserie zugewendeten Seite vorzugsweise leicht konkav ausgebildet ist und daß Halterungselemente für die lösbare Befestigung so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen der Bodenplatte (9) und dem Karosserieblech (8) minimal ist.
  8. Flachantennen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kurzschlußelemente (7, 7a) als ein Steg oder als Metallstifte oder ähnliche Körper aus leitendem Material ausgebildet sind.
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