Die Erfindung betrifft eine Funkantennen-Anordnung nach dem oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Funkantennen-Anordnung kann vorteilhaft eingesetzt werden z.B. für die Funksysteme der Mobilkommunikation (Autotelefon im C-, D- oder E-Netz oder für Bündelfunksysteme).
Eine Funkantennenanordnung dieser Art ist bekannt aus der Druckschrift US, E, RE 33743 (BLAESE) vom 12. November 1991.
Es ist ferner aus der Druckschrift PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 9, no. 178 (E-330) vom 23. Juli 1985 und JP, A, 60 047 523 (NIPPON DENSHIN DENWA KOSHA) 14. März 1985 bekannt, im Innenraum eines Kraftfahrzeugs zwei Dipole anzubringen, und zwar einen in der Nähe der Windschutzscheibe und den anderen in der Nähe der Heckscheibe des Fahrzeugs. Sende- und Empfangssignale der beiden Dipole werden einer Hybrid-Schaltung zugeführt, welche mit einem Sender und zwei Empfängern in Verbindung steht. Die Ausgänge der Empfänger sind jeweils mit einem Schalter verbunden, durch den entweder der eine oder der andere Empfänger an einen Diversity-Ausgang angeschaltet werden kann.
Wenn kein Montageloch in der Fahrzeugkarosserie angebracht werden soll, wird häufig eine stabförmige Antenne im oberen Bereich der Fahrzeugheckscheibe aufgebracht, wobei das Antennenelement dann außen auf die Glasscheibe befestigt wird und das Antennengegengewicht ebenfalls z.B. auf der Fensterscheibe angebracht ist, oder z.B. durch das koaxiale Speisekabel gebildet ist, das vollständig im Fahrzeuginneren verlegt werden kann und die kapazitive Einkopplung der Antennensignale durch die Scheibe hindurch erfolgen kann.
Nachteilig bei einer derartigen Antenne nach dem Stand der Technik ist, daß infolge der Neigung der Heckscheibe der Fußpunkt des Antennenelements deutlich unterhalb der Dachkante des Fahrzeugs angeordnet ist. Dies hat zur Folge, daß das Antennenelement zumindest im unteren Bereich zwangsweise durch die Karosserie in Richtung nach Vorne abgeschattet ist. Außerdem ergibt sich aufgrund der Nähe der leitenden Karosserieteile immer eine starke Strahlungsverkopplung mit der Karosserie, die auf dieser starke ströme hervorruft, welche ihrerseits eine Abstrahlung bewirken, sodaß das Richtdiagramm stark beeinflußt wird.
Die für Kraftfahrzeugfunkantennen angestrebte Charakteristik der Horizontaldiagramme mit einer möglichst gleichmäßigen Abstrahlung in alle Raumrichtungen wird in der Praxis deshalb nur durch rotationssymmetrische Antennenelemente 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 Strahlungskompensationen, 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 Strahlungsdichten am Empfangsort, d.h. zu unerwünscht großer Funkfelddämpfung.
Für die Praxis ist bei Funkantennen wichtig, daß bei vorgegebener Senderleistung in keiner Horizontalrichtung die Strahlungsdichte unter einen minimal geforderten Wert absinkt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Funkantennen-Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei der trotz vorhandener Strahlungsverkopplung mit der Fahrzeugkarosserie die im Horizontaldiagramm geringste auftretende Flachstrahlungsdichte möglichst groß ist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Funkantennen-Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in der Möglichkeit, ohne Funktionseinbußen kurze und optisch unscheinbare Antennen zu ermöglichen, also bei einer hohen Leistungsfähigkeit des Antennensystems eine optisch und unter fahrzeugspezifischen Aspekten aüßerst attraktive Lösung realisieren zu können.
Die Verwendung mehrerer Antennenelemente erlaubt bei vorgegebener geeigneter Positionierung auf der Fensterscheibe eines bestimmten Kraftfahrzeugs eine hierfür spezifische Erzeugung von Stromverteilungen auf den Antennenelementen der Strahlergruppe nach Betrag und Phase derart, daß unter Einbeziehung der Strahlungsverkopplung mit dieser Fahrzeugkarosserie
Durch die nach der Erfindung getroffenen Maßnahmen wird die an sich unerwünschte Abstrahlung der durch Strahlungskopplung angeregten Fahrzeugkarosserie nicht unterbunden. Durch geeignete Stromverteilungen auf den Antennenelementen der Strahlergruppe nach Betrag und Phase wird vielmehr durch die Vielzahl der Strahler ein Wellenfeld überlagert, welches in der Summe Strahlungseigenschaften gemäß der Aufgabe der Erfindung ergibt. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichungen 1 bis 10 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig.1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne mit zwei Antennenelementen 3 auf einer Fensterscheibe 1 eines Kraftfahrzeugs, in der Regel ist dies eine Heckscheibe. Die beiden stabförmigen Antennenelemente 3 sind außen angebracht, z.B. in herkömmlicher Technik aufgeklebt. Besonders gute Strahlungseigenschaften im Sinne der Lösung der Aufgabe der Erfindung werden bei solchen Fahrzeugen erreicht, wenn der Neigungswinkel 13 der Fensterscheibe gegenüber der Horizontalen nicht größer ist als 60 Grad.
Im Beispiel der Fig.1 sind die Antennenelemente 3 übereinander angeordnet. Insbesondere bei symmetrischen Fahrzeugformen ist häufig der Anbringungsort auf der Symmetrieachse des Fahrzeugs in Längsrichtung vorteilhaft. Als Antennengegengewicht 4 sind auf der Fensterfläche leitende Flächen um die Antennenelemente aufgebracht. Die metallische Karosserie des Fahrzeugs ist mit 8 gekennzeichnet.
Der Frequenzbereich, in dem erfindungsgemäße Antennenanordnungen eingesetzt werden, ist der Wellenlängenbereich der Dezimeterwellen (Freiraumwellenlängen zwischen 1m und 10 cm) oder noch kürzeren Wellen (unter 10 cm Freiraumwellenlänge). In diesen Frequenzbereichen werden moderne Funksysteme wie das C-, D- und E- Netz-Mobiltelefon oder andere Dienste, wie z.B. Bündelfunkdienste, betrieben.
Im Interesse eines möglichst zuverlässigen Funkbetriebs ist es wichtig, daß sich bei der Abstrahlung der Funkwellen kein Winkelbereich mit deutlich reduzierter Strahlungsintensität ergibt. Die minimal sich in einen Winkelbereich ergebende Strahlungsintensität pro abgestrahlter Sendeleistung ist daher ein entscheidendes Kriterium für die Leistungsfähigkeit einer Funkantennen-Anordnung.
Im Falle einer auf oder in einer Fahrzeugscheibe nach dem Stand der Technik angebrachten Funkantenne ist es jedoch unvermeidbar, daß in bestimmte Raumrichtungen vergleichsweise wenig Strahlungsintensität abgestrahlt wird. Dies resultiert zum einen aus der zum Fahrzeugheck abfallenden Scheibe, wodurch eine auf der Scheibe angebrachte Funkantenne in einer Abschattungszone der Karosserie liegt, wenn die Strahlung nach vorne betrachtet wird. Zum anderen ist immer eine starke Strahlungsverkopplung mit der leitenden Fahrzeugkarosserie gegeben, wodurch sich im betrachteten Frequenzbereich der Dezimeterwellen oder oberhalb wegen der im Vergleich zur Betriebswellenlänge großen Abmessung der Fahrzeuge mit den einhergehenden Resonanzströmen in der Karosserie eine unerwünschte Aufzipfelung des Horizontaldiagramms ergibt.
Die horizontale Richtcharakteristik jeder der beiden Einzelantennenelemente 3 weist daher auch bei erfindungsgemäßen Gruppenantennen unerwünschte Abweichungen von der idealen Abstrahlcharakteristik auf. Außerdem sind die Einzeldiagramme der Einzelantennen untereinander nicht gleich, da wegen der unterschiedlichen Montagepunkte die Abschattung durch die Karosserie und die Verkopplung mit ihr nicht gleich sind.
Je größer der Neigungswinkel 13 der Fensterscheibe 1 ist, um so vorteilhafter ist es, die Strahler in der Nähe der oberen Berandung der Fensterscheibe anzuordnen. Bei nicht zu steilen Neigungswinkeln können auch die Antennenelemente 3 entsprechend kurz ausgeführt werden. Hierbei ergibt sich eine untere Grenze von etwa 1/10 der Wellenlänge (Lambda/lO). Bei starken Neigungswinkeln der Scheibe sind längere Antennenelemente 3, z.B. Lambda/2-Elemente vorzuziehen.
Bei erfindungsgemäßen Gruppenantennen erfolgt die Speisung der Antennen im Sendefall über ein verlustarmes Netzwerk 7, das im Beispiel der Fig. 2a stellvertretend als Streifenleitungsnetzwerk dargestellt ist.
Das Netzwerk 7 ist dabei derart ausgeführt, daß eine definierte und fest eingestellte Phasen- und Amplitudenbeziehung der Fußpunkts-Speiseströme der beiden Antennenelemente 3 vorliegt. Über diese definierte Phasen- und Amplitudenbeziehung wird das Horizontaldiagramm der erfindungsgemäßen Antennenanordnung in der gewünschten vorteilhaften Art beeinflußt und gegenüber der Abstrahlcharakteristik jeder der Einzelantennen verbessert.
An der Antennenanschlußstelle 6 der Gruppenantenne ist in der Regel für das jeweilige Nutzfrequenzband ein Stehwellenverhältnis erforderlich, wie es von HF-Schnittstellen anderer Funksysteme bekannt ist. An dieser Antennenanschlußstelle 6 ist dann in der Regel eine Koaxialleitung 11 angeschlossen, die zum Funkgerät führt.
In Fig. 1 ist die Anschlußstelle 2 des Antennenelements 3 über eine galvanische Verbindung mit dem Netzwerk 7, welches auf der Innenseite der Fensterscheibe 1 angebracht ist, verbunden. Im Netzwerk 7 selbst werden die Signale der Antennenelemente verknüpft und mit der Antennenanschlußstelle 6 verbunden. Im gezeichneten Beispiel erfolgt die Verbindung zwischen Antennenelement 3 und dem Netzwerk 7 über eine Bohrung durch das Glas. Zur Vermeidung einer derartigen ungünstig zu realisierenden Bohrung wird in Fig. 2a das Antennenelement 3 über eine kapazitiv gestaltete hochfrequente Verbindung 16 an das Netzwerk 7 angeschlossen. Letzteres ist zur Erstellung der notwendigen Phasen- und Amplitudenbeziehungen sehr vorteilhaft als eine Streifenleitungsschaltung realisierbar. Diese Ausgestaltung ermöglicht bei Serienherstellung eine kostengünstige Reproduzierung der notwendigen Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen den elektrischen Größen an den Antennenelementen. In diesem Fall kann die kapazitive Verbindung 16 technologisch kostengünstig in die Streifenleitungsschaltung einbezogen werden, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Die Anschlußstelle 2 des Antennenelements 3 ist dabei als Kreisfläche ausgeführt
Die Antennenelemente 3 sind untereinander strahlungsverkoppelt und werden über das Netzwerk 7 zusätzlich miteinander elektrisch verknüpft, so daß sich bezüglich der Antennenanschlußstelle 6 die resultierende Strahlungscharakteristik unter Einbeziehung der Strahlungsverkopplung mit der Karosserie des Fahrzeugs ergibt. In einer einfachsten Ausführungsform dieses Netzwerks 7 kann auch eine Gruppenantenne gestaltet werden, in welcher die Verkopplung zwischen den Strahlen ausschließlich durch die Strahlungsverkopplung der Antennenelemente 3 erfolgt. In diesem Fall ist nur einer der vorhandenen Strahler mit der Antennenanschlußstelle 6 am Netzwerk 7 über eine Hochfrequenzleitung verbunden. Die Strahlungscharakteristik der Gesamtanordnung wird jedoch wesentlich durch die Gesamtheit der miteinander strahlungsverkoppelten Antennenelemente 3 unter Einbeziehung der Wirkung der Fahrzeugkarosserie gestaltet.
Die Strahlungskopplung zwischen den Antennenelementen wird wesentlich von deren Länge und ihrem Abstand voneinander bestimmt. Hiebei zeigt sich, daß bei zu großen Abständen zwischen den Strahlern die Strahlungsrichtdiagramme die Tendenz besitzen, starke Einzüge zu bilden. Bei bevorzugten Antennenanordnungen werden deshalb auch im Interesse einer einfachen Gestaltung des Netzwerks 7 die Abstände zwischen den am weitesten voneinander entfernten Antennenelementen nicht größer als etwa die 2-fache Wellenlänge gewählt. Die zur Lösung der Aufgabe der Erfindung zu fordernden Phasen- und Amplitudenzustände der elektrischen Größen auf den Antennenelementen sind somit wesentlich von deren Gestalt und Position zueinander sowie der Strahlungsverkopplung mit der leitenden Fahrzeugkarosserie abhängig. Es gibt somit für jedes Fahrzeug eine Vielzahl günstiger Anordnungen von Antennengruppen nach der Erfindung, welche jeweils durch hierfür spezifische Optimierung des Netzwerks 7 vorteilhafte Strahlungseigenschaften ergeben. Die hierfür verwendeten Strahlerformen können innerhalb bestimmter Grenzen frei gewählt werden. Anstelle einfacher stabförmiger Antennenelemente können z.B., wie in Fig. 3, Antennenelemente mit einer kapazitiven Last 15 verwendet werden und im Interesse einer weiteren Verkürzung z.B. mit Blindelementen 14 beschaltet werden. Auch bei länger gewählten Antennenelementen mit einer Länge von Lambda/2, können die Strombelegungen auf den Antennenelementen geeignet beeinflußt werden.
Eine besonders einfache Gestaltung einer Gruppenantenne ergibt sich bei Verwendung von zwei Strahlern gemäß Fig. 6a. Insbesondere bei Anbringung auf geneigten Fensterscheiben z.B. im Heck eines Fahrzeugs wird die Strahlung nach vorne abgeschattet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, einen ersten Strahler direkt am oberen Fensterrand anzubringen und zur Auffüllung der Abschattung den zweiten Strahler in kleinem Abstand unterhalb des ersten Strahlers anzubringen und entsprechend phasenrichtig anzusteuern. Eine besonders vorteilhafte Anordnung auf geneigten Fensterscheiben ist die Dreiecksanordnung in Fig. 7b. Dort werden zur Maximierung der Gesamtstrahlung zwei Strahler am oberen Rand des Fensters vorzugsweise symmetrisch zur Mitte angebracht und zur Auffüllung der Abschattung nach vorne ein weiterer Strahler vorzugsweise in der vertikalen Symmetrielinie 24 in einem günstigen Abstand 28 darunter plaziert. Durch Ansteuerung mit einem für diese Konfiguration optimierten Netzwerk 7 lassen sich sehr gute Runddiagramme mit entsprechend kleinen Einzügen bewirken.
Die mit der Erfindung erreichte Wirkung geht eindrucksvoll aus den Bildern 10a bis 10d hervor. In den dargestellten Horizontaldiagrammen der Bilder 10a bis 10c sind die Strahlungseigenschaften der Einzelstrahler in Fig. 7b dargestellt. Jedes der Diagramme besitzt starke untolerierbare Einzüge bzw. Abschattungsbereiche. Obgleich die verwendeten Antennenelemente aus rotationssymmetrischen Gebilden von der in Fig. 3 dargestellten Form sind, ergeben sich in Folge der Strahlungsverkopplung mit der leitenden Fahrzeugkarosserie die dargestellten Unrundheiten der Diagramme. Durch Beschaltung mit einem geeigneten Netzwerk 7, welches die Antennenelemente phasen- und amplitudenrichtig speist und dessen Charakteristika durch Anwendung mathematischer Optimierungsverfahren speziell für die auf dem bestimmten Fahrzeug vermessenen Antennenelemente berechnet wurden, wird das in Fig. 10d dargestellte Richtdiagramm erreicht, welches wesentlich geringere Einzüge besitzt.
Für die erfindungsgemäße Gestaltung der Gruppenantenne ist für jedes Antennenelement ein zeitlich invariantes Antennengegengewicht notwendig. Dieses wird vorteilhaft als hochfrequent leitende Fläche auf der Fensterscheibe, wie in Fig. 4 dargestellt, ausgebildet. Im Interesse der Transparenz dieser Fläche wird diese als strahlenförmige Struktur ausgeführt, welche aus radial vom Netzwerk 7 ausgehenden, drahtförmigen Leitern 20 besteht. Das Netzwerk 7 selbst wird vorteilhaft mit einer leitenden Außenfläche ausgestattet, welches im Zentrum der Gruppenantenne einen Teil des Antennengegengewichts für die Antennenelemente bildet. Die strahlenförmigen Leiter werden hochfrequent mit dieser leitenden Außenfläche verbunden. Diese Strahlen können durch ringförmig um die Gruppenantenne angebrachte Leiter zu einem hochfrequent leitenden Maschennetz ergänzt werden. Bei Funkantennen auf der Heckscheibe von Fahrzeugen treten naturgemäß in der unmittelbaren Nähe der Sendeantenne große Feldstärken auf, welche Personen im Fahrgastraum gefährden könnten. Die Ausbildung des Antennengegengewichts als hochfrequent leitende Fläche wirkt sehr vorteilhaft abschirmend gegen elektromagnetische Felder, welche andernfalls in den Fahrgastraum drängen. Die Forderung nach einem definierten Antennengegengewicht läßt sich somit vorteilhaft verbinden mit der Forderung nach einer Feldabschwächung der gefährdenden elektromagnetischen Strahlung.
Auf der Heckscheibe sind häufig horizontal angebrachte Heizleiter 23 vorhanden (Fig.5a). Punkte gleichen Gleichspannungspotentials können miteinander galvanisch verbunden werden, ohne den Heizstromfluß zu beeinflussen. Durch Einführung von verbindenden Leitungsstegen, wie in Fig. 5a, kann auch das Heizfeld 23 zu einer hochfrequent weitgehend abschirmenden Fläche gestaltet werden und als erweitertes Antennengegengewicht mitwirken. Um hochfrequente Ströme zwischen der Massefläche bei der Gruppenantenne über das Heizfeld 23 zu ermöglichen, ohne die Heizströme zu beeinflussen, ist eine gleichstromundurchlässige, frequenzselektive Verbindung 21 in den drahtförmigen Leitern 20 vorteilhaft. Solche frequenzselektive Verbindungen sind auch notwendig, wenn Teile des Antennengegengewichts als Antennenteile für andere Funkdienste, welche ebenfalls auf der Fensterscheibe angebracht sind, verwendet sind. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 5a für die Antenne 22 gegeben, welche z.B. als AM-FM-Antenne wirken könnte. Als frequenzselektive Verbindungselemente 21 kommen in der Hauptsache kapazitive Strukturen zur Anwendung. Sehr vorteilhaft ist auch eine koplanare Leitungsstruktur von etwa Lambda/4-Länge für die Funkfrequenz, wie dies in Fig. 5b detailliert am Beispiel der AM-FM-Antenne und der Heizleiterankopplung gezeigt ist.
Soll die Gruppenantenne für mehrere Funksysteme, wie z.B. das D-Netz und das E-Netz gleichermaßen ausgelegt werden, so können die Antennenelemente so gestaltet werden, daß sie in beiden Frequenzbereichen funktionstüchtig sind. Wird hierbei das Netzwerk 7 derart gestaltet, daß es in den beiden Frequenzbereichen, die hierfür jeweils geforderten Phasen- und Amplitudenbedingungen für die einzelnen Strahler sicherstellt, so ist die Gruppenantenne in beiden Frequenzbereichen anwendbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, für beide Frequenzbereiche zumindest teilweise gesonderte Antennenelemente einzusetzen.
Um die bestmögliche Verknüpfung der Signale im Netzwerk 7 sicherzustellen, ist ein gewisser meßtechnischer Aufwand notwendig, um die Antenneneigenschaften der Strahler am Fahrzeug festzustellen. Dies geschieht dadurch, daß, wie in Fig. 9 gezeigt, die Anschlußstellen 2 als Anschlußtore 27 eines Strahlernetzwerks betrachtet werden. Mit Hilfe moderner Netzwerkanalysatoren können die Wellenparameter dieses Strahlernetzwerks ermittelt werden. Zusätzlich können bei Einfall einer Welle aus einer bestimmten Richtung die Erregungen an den Anschlußtoren 27 nach Betrag und Phase gemessen werden. Bei Kenntnis der Eigenschaften des Strahlernetzwerks und dessen Erregung durch die einfallende Welle an den verschiedenen Anschlußtoren 27 kann mit Hilfe moderner Rechenanlagen unter Anwendung geeigneter Optimierungsstrategien ein hierfür optimales Netzwerk 7 gestaltet werden.
Für den Sendefall soll die Funkantenne gemäß der Aufgabe der Erfindung arbeiten. Im Empfangsfall jedoch ist aufgrund der Rayleigh-Streuung der empfangenen Wellen im allgemeinen ein Antennendiversitybetrieb vorzuziehen. Das Netzwerk kann so gestaltet werden, daß mit Hilfe von Schaltdioden unterschiedliche Signalkombinationen der von den Strahlen empfangenen Einzelsignale an der Antennenanschlußstelle 6 gebildet werden. Mit Hilfe einer Antennendiversityeinrichtung können die Schaltdioden derart angesteuert werden, daß in jedem Augenblick die Signalkombination an der Antennenanschlußstelle erscheint, welche den bestmöglichen Empfang bewirkt. Die Ausführung der Funkantenne als Gruppenantenne bietet somit den Vorzug der gleichzeitigen Verwendbarkeit als Diversityantenne.