[0001] Die Erfindung betrifft eine Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste,
bestehend aus einem im Wesentlichen längs einer geraden Linie 11 ausgeführten Monopolelement
10.
[0002] Monopolantennen für mehrere Funkdienste sind z.B. bekannt aus der DE 101 63 793 A
1. Dort ist in Fig. 21b das Blockdiagramm einer Antenne für mehrere Funkdienste angegeben.
Die Strahlerlänge des vertikalen Antennenleiters wird für den Funkdienst mit der niedrigsten
Frequenz hinreichend groß gewählt. Für den Fall einer erforderlichen frequenzselektiven
Verkürzung der elektrisch wirksamen Strahlenlänge für höhere Funkkanalfrequenzen werden
im vertikalen Antennenleiter Unterbrechungsstellen geeignete Blindelemente zur Gestaltung
des Vertikaldiagramms und der Fußpunktsimpedanz eingefügt. Vielfach besteht jedoch
der Wunsch, die Strahlerlänge nicht für den niedrigsten Frequenzbereich hinreichend
groß zu wählen, sondern verkürzte Strahler für mehrere Funkdienste einzusetzen. Eine
Antenne mit einer gewünscht niedrigen Bauform für mehrere Funkdienste ist in der EP
0 952 625 A2 angegeben. Eine derartige Antenne besitzt den Nachteil, dass sie aufgrund
ihrer von der Rotationssymmetrie abweichenden Form azimutal kein hinreichend omnidirektionales
Richtdiagramm besitzt. Weiterhin kann sie z.B. aufgrund ihrer Bauform nicht wie in
der DE 101 63 793 A 1 angegeben als Funkantenne für mehrere Funkdienste mit der dort
angegebenen Antenne für den Satellitenempfang verwendet werden.
[0003] Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es, eine Antenne nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 anzugeben, welche bei rotationssymmetrischen Eigenschaften eine kleine
Bauhöhe ermöglicht und in den unterschiedlichen Frequenzbereichen der vorgegebenen
Funkdienste jeweils das Richtdiagramm einer elektrisch kurzen Monopolantenne besitzt
und jeweils eine für die Impedanzanpassung günstige Antennenimpedanz besitzt.
[0004] In Fig. 1 ist eine Monopolantenne über leitender Grundfläche 9 gemäß der vorgeschlagenen
Erfindung angegeben. Die Dachkapazität 1 besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei
zueinander konzentrisch angeordneten Ringstrukturen 2. Das Monopolelement 10 ist an
seinem oberen Ende über Reaktanzschaltungen 4 mit einer inneren Ringstruktur 2 verbunden.
Die äußere Ringstruktur 2 ist über weitere Reaktanzschaltungen 4 mit der inneren Ringstruktur
2 verbunden. Die Reaktanzschaltungen 4 werden in vorteilhafter Weise aus Blindelementen
8 dargestellt, deren Blindwiderstand X(f) derart gestaltet ist, dass die Reaktanzschaltungen
4, welche die äußere Ringstruktur 2 mit der inneren Ringstruktur 2 verbinden, im Frequenzbereich
des Funkdienstes mit der höheren Frequenz entsprechend hochohmig ist, so dass die
äußere Ringstruktur 2 weitgehend unwirksam ist. Im Frequenzbereich des Funkdienstes
mit der niedrigeren Frequenz sind alle in Fig. 1 dargestellten Reaktanzschaltungen
4 hinreichend niederohmig. Durch die angegebene Anordnung kann bei geeigneter Wahl
der Außenabmessungen 7 der Ringstrukturen 2 sichergestellt werden, dass das Vertikal
diagramm der Monopolantenne mit Dachkapazität 1 in beiden Frequenzbereichen dem eines
elektrisch kleinen Strahlers entspricht. Weiterhin kann durch geeignete Wahl der Reaktanzschaltungen
4 sichergestellt werden, dass die Impedanz am Fußpunkt des Monopols in beiden Frequenzbereichen
nahezu reell ist und Anpassung leicht hergestellt werden kann.
[0005] Je nach Anforderung an die Rotationssymmetrie der Richtdiagramme werden in einer
vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Erfindung die Reaktanzschaltungen
4 aufgeteilt auf mehrere einzelne Schaltungen aus Blindelementen 8, welche über den
Umfang der Ringstrukturen 2 gleichmäßig verteilt werden.
[0006] In Fig. 2 ist der Innenradius der innersten Ringstruktur 2 zur Null gewählt, so dass
die innerste Ringstruktur 2 zu einer kreisförmigen geschlossenen Fläche 5 entartet.
In der dargestellten Form mit weiteren zwei Ringstrukturen 2 ist es mit der vorgeschlagenen
Erfindung möglich, die Antenne für drei Frequenzbereiche auszugestalten, so dass sie
in allen drei Bereichen als elektrisch kurze Antenne arbeitet.
[0007] Auf ähnliche Weise ist in Fig. 3 eine Antenne für Funkdienste für zwei Frequenzbereiche
dargestellt. Im Falle der kombinierten Abdeckung mehrerer Telefondienste in einer
Antenne gemäß dem AMPS/GSM900-Standard in einem ersten Frequenzbereich von 824 MHz
bis 960 MHz und dem GSM1800/PCS/CJMTS-Standard in einem zweiten Frequenzbereich zwischen
1710 MHz und 2170 MHz sind die Reaktanzschaltungen 4 in Fig. 3 auf vorteilhafte Weise
wie in Fig. 4 angegeben, gestaltet. Die dort angegebene Schaltung aus Blindelementen
8 kann z.B. in vier Reaktanzschaltungen 4 aufgeteilt werden, so dass die dargestellten
Blindwiderstände in jeder Einzelschaltung viermal hochohmiger zu wählen sind. Eine
solche Antenne kann demnach aufgrund der gegebenen Rotationssymmetrie der Gesamtanordnung,
welche für die Kombination der dort angegebenen Satellitenfunkantenne unabdingbar
ist, in vorteilhafter Weise anstelle des Strahlers 20 in Fig. 22 der DE 101 63 793
A 1 eingesetzt werden.
[0008] Bei einer Strahlerform nach der Erfindung ist die Bedingung der Rotationssymmetrie
aufgrund der im Vergleich zur Wellenlänge kleinen Außenabmessung 7 der einzelnen Ringstrukturen
2 in den betreffenden Frequenzbereichen in Verbindung mit der Wirkungslosigkeit der
bei höheren Frequenzen abgeschalteten äußeren Ringstrukturen 2 auch erfüllt, wenn
die Ringstrukturen 2 von der kreisrunden Struktur abweichen. Eine derartige Antenne
welche, wie in Fig. 5 mit einer quadratisch gestalteten geschlossenen Fläche 5 als.
innerste Ringstruktur 2 und einer quadratisch gestalteten äußeren Ringstruktur 2 gestaltet
ist, besitzt bei der höheren Frequenz ein azimutales Richtdiagramm, welches in Fig.
6a dargestellt ist. Bei dieser Frequenz entspricht die Außenabmessung 7 einer relative
Länge von .5. Damit zeigt sich auf überraschende Weise, dass aufgrund der Hochohmigkeit
der Reaktanzschaltungen 4 in Fig. 5 bei der höheren Frequenz die äußere Ringstruktur
2 das azimutale Diagramm nicht verfälscht. Ebenso geht aus den Figuren 6b und 6c hervor,
dass die Vertikaldiagramme in beiden Frequenzbereichen denen eines elektrisch kurzen
Monopols entsprechen. In Fig. 7 sind die Impedanzen für beide Frequenzbereiche markiert
und zeigen Werte, für welche auf einfache Weise Impedanzanpassung erreicht werden
kann.
[0009] Um die kapazitive Kopplung zwischen den Ringstrukturen 2 ausreichend vorteilhaft
klein zu gestalten, sollte die Spaltbreite 6 hinreichend groß gewählt sein. Andererseits
sollte diese jedoch nicht zu groß gewählt sein, damit die Raumkapazität der verbleibenden
Fläche der Ringstrukturen 2 nicht zu klein ist.
[0010] In Fig. 8a und 8b sind mögliche Reaktanzschaltungen 4 für eine Antenne nach Fig.2
für drei Frequenzbereiche mit den darin auftretenden Frequenzen f3 als der niedrigsten
und f1 als der höchsten Frequenz angegeben. Hierin zeigt Fig. 8a den Frequenzverlauf
des Blindwiderstands X1(f) für die zwischen der inneren geschlossene Fläche 5 und
der anschließenden Ringstruktur 2 geschalteten Reaktanzschaltungen 4 mit niederohmigen
Werten in den Bereichen 2 und 3 und hochohmigen Werten zur Abtrennung der äußersten
Ringstruktur 2 im höchsten Frequenzbereich 1. Analog hierzu zeigt Fig. 8b den Frequenzverlauf
des Blindwiderstands X2(f) für die zwischen der äußersten und der nächst inneren Ringstruktur
2 geschalteten Reaktanzschaltung 4 mit niederohmigen Werten im Frequenzbereich 3 und
hochohmigen Werten zur Abtrennung der beiden äußeren Ringstrukturen 2 in den höheren
Frequenzbereichen f2 und f1.
Liste der Bezeichnungen
[0011]
Dachkapazität 1
Ringstruktur 2
Ringförmiger Spalt 3
Reaktanzschaltungen 4
geschlossene Fläche 5
Spaltbreite 6
Außenabmessungen 7
Blindelemente 8
Leitende Ebene 9
Monopolelement 10
gerade Linie 11
Flächennormale 12
1. Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste, bestehend aus einem
im Wesentlichen längs einer geraden Linie (11) ausgeführten Monopolelement (10),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Monopolelement (10) mit einer im Wesentlichen flächenhaft ausgeführten Dachkapazität
(1), deren Flächennormale (12) in Richtung der geraden Linie (11) weist und diese
mit dem Monopolelement (10) verbunden ist und die Dachkapazität (1) im Wesentlichen
rotationssymmetrisch und aus einander umgebenden und durch ringförmige Spalte (3)
voneinander getrennten flächenhaften Ringstrukturen (2), die konzentrisch zu der geraden
Linie (11) orientiert s ind, g ebildet ist u nd R eaktanzschaltungen ( 4) v orhanden
s ind, d urch w eiche d ie Ringstrukturen frequenzabhängig miteinander verbunden sind
in der Weise, dass für einen Funkdienst mit der niedrigsten Frequenz alle flächenhaften
Ringstrukturen wirksam sind und für den Funkdienst mit der nächst höheren Frequenz
die äußerste Ringstruktur (2), durch Hochohmigkeit der Reaktanzschaltungen (4) im
Wesentlichen unwirksam ist und diese Gesetzmäßigkeit bei Vorhandensein von mehr als
zwei Funkdiensten dahingehend fortgesetzt ist, dass mit höherer Frequenz der Funkdienste
die Abmessung des äußersten der miteinander durch niederohmige Reaktanzschaltungen
(4) verbundenen wirksamen Ringstrukturen (2) kleiner ist (Fig. 1).
2. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenradius der innersten Ringstruktur (2) zu Null gewählt ist, so dass diese
als geschlossene Fläche (5) gestaltet ist und diese mit dem Monopolelement (10) verbunden
ist (Fig. 2).
3. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenradius der innersten Ringstruktur (2) mit einer Spaltbreite (6) ausgebildet
und die Verbindung zwischen der innersten Ringstruktur (2) und dem Monopolelement
(10) durch mindestens eine Reaktanzschaltung (4) gegeben ist (Fig. 1).
4. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktanzschaltungen (4) aus Blindelementen (8) gestaltet sind, welche derart gewählt
sind, dass alle Ringstrukturen, welche im Frequenzbereich eines der Funkdienste zur
Bildung der wirksamen Dachkapazität beitragen jeweils über die Kette der Reaktanzschaltungen
(4) in diesem Frequenzbereich niederohmig mit dem Monopolelement (10) verbunden sind
(Fig. 8a, b).
5. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Verbesserung der Rotationssymmetrie der Anordnung mehrere, gleichmäßig am Umfang
der Ringstrukturen (2) angebrachte Reaktanzschaltungen (4) vorhanden sind, deren parallele
elektrische Wirkung einen hinreichend großen wirksamen Blindwiderstand X(f) für die
höheren Frequenzbereiche bildet, der für die Anschaltung des nächsten äußeren Ringes
bei den tieferen Frequenzen jedoch hinreichend niederohmig ist (Fig. 1).
6. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 4 und 5 in Verbindung mit Anspruch 2 für
die Funkdienste AMPS/GSM900 in einem ersten Frequenzbereich und die Funkdienste GSM1800/PCS/UMTS
in einem zweiten Frequenzbereich,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dachkapazität (1) eine geschlossene Fläche (5) und eine diese umgebende Ringstruktur
(2) enthält und die Reaktanzschaltungen (4) aus Blindelementen (8) derart gestaltet
sind, dass der Blindwiderstand X(f) im höher gelegenen zweiten Frequenzbereich einen
Pol enthält und hinreichend hochohmig ist und im niedriger gelegenen ersten Frequenzbereich
eine Nullstelle besitzt und hinreichend niederohmig ist (Fig. 3 und 4).
7. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die S paltbreite (6) einerseits hinreichend groß gewählt ist, damit die kapazitive
Kopplung zwischen den Ringstrukturen (2) ausreichend klein ist und andererseits nicht
zu groß gewählt ist, damit die Raumkapazität der verbleibenden Fläche der Ringstrukturen
(2) nicht zu klein ist (Fig. 3).
8. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die geschlossene Fläche (5) quadratisch und der äußere und innere Rand der Ringstruktur
(2) quadratisch gestaltet sind und der ringförmige Spalt (3) hinreichend groß ist
und mit gleichbleibender Spaltbreite (6) längs des Umfangs der quadratischen Ringstruktur
(2) verläuft (Fig. 5).
9. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dachkapazität (1) aufgrund einer konstruktiven Anforderung in Längs- und Querrichtung
unterschiedliche Abmessungen besitzt und das Verhältnis von Längs/Querabmessung nicht
größer ist als 3.
10. Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die g eschlossene F läche ( 5) u nd a lle R änder d er R ingstrukturen (2) k reisrund
u nd k onzentrisch gestaltet sind und der ringförmige Spalt (3) somit mit gleichbleibender
Spaltbreite (6) längs dem Umfang der kreisförmigen Ringstrukturen (2) ausgebildet
ist.