Antennenstruktur einer zirkularpolarisierten Antenne für ein Fahrzeug

Es wird eine Antennenstruktur einer zirkularpolarisierten Antenne für ein Fahrzeug beschrieben.

Aus der Druckschrift WO 01/76007 AI ist eine Antennenstruktur einer zirkularpolarisierten Antenne für ein Fahrzeug oder für ein tragbares Kommunikations- oder Navigationsgerät bekannt. Die bekannte Antennenstruktur ist für den Gebrauch besonderer Frequenzen vorgesehen und weist eine leitende Grundplatte sowie ein erstes und ein zweites einander kreuzendes leitendes Element auf. Die sich kreuzenden Elemente sind in einem Kreuzungspunkt voneinander beabstandet, so dass jeder elektrische Kontakt vermieden wird und auch keine substanzielle kapazitive Kopplung zueinander im Kreuzungspunkt auftritt. Jede Elementhälfte weist eine Länge auf, die etwa einer Viertel Wellenlänge für die vorgesehene Frequenz entspricht, wobei jedes Element mindestens einen Endabschnitt aufweist, der im Allgemeinen senkrecht zu der Grundplatte angeordnet ist und mindestens einen weiteren Ab ^¬ schnitt aufweist, der parallel zu der ebenen leitenden

Grundplatte vorgesehen ist.

Die Elemente und die Grundplatte definieren im Allgemeinen ein Volumen, wobei jedes Ende von jedem Element elektrisch mit der Grundplatte gekoppelt ist, und wobei die Elemente über einen 90° Phasenschieber miteinander gekoppelt sind. Somit hat diese Antennenstruktur zwei Einspeisepunkte. Außerdem sind die beiden sich kreuzenden Elemente derart in Bezug auf den Kreuzungspunkt angeordnet, dass sich eine geometrische Symmetrie für die sich kreuzenden Elemente in Bezug auf den Kreuzungspunkt ergibt. Um mit einem derartigen geometrisch symmetrischen Kreuzdipol zirkularpolarisierte Satellitensignale empfangen zu können, ist der vorgesehene 90° Phasenschieber unbedingt erforderlich. Auch das Bereitstellen und das Anschließen des Phasenschiebers an die beiden Enden der sich kreuzenden Antennenelemente ist kostenintensiv .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenstruktur einer zirkularpolarisierten Antenne für ein Fahrzeug zu schaffen, die raumsparend und kostengünstig in bestehende Antennenmodule integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Antennenstruktur einer zirkularpo ^¬ larisierten Antenne, welche auf einer elektrisch leitenden Fläche angeordnet werden kann, die einen ersten λ/2 Dipol, einen zweiten λ/2 Dipol und einen Kreuzungspunkt des ersten mit dem zweiten λ/2 Dipol unter Ausbildung eines Kreuzdipols aufweist. Die sich kreuzenden Dipole sind in dem Kreuzungspunkt elektrisch leitend verbunden. In Bezug auf den Kreuzungspunkt weisen sie eine geometrische Asymmetrie in mindestens eine Längsrichtung der Dipole oder in beide Längsrichtungen derart auf, dass die Längen der Dipolschenkel vom Kreuzungspunkt zu den Enden un ^¬ terschiedlich sind, wobei durch die Asymmetrie eine gewünschte Phasenverschiebung eingestellt wird. Die Antennenstruktur verfügt dabei nur über einen Speisepunkt, der an einem Ende eines der Dipole platziert ist, womit die Drehrichtung der zirkulären Polarisation bestimmt wird.

Die erfindungsgemäßen Antennenstruktur sieht somit zwei asymmetrisch kreuzende Dipole, insbesondere über einer elektrisch leitenden Fläche vor. Diese Antennenstruktur wird von einem einzigen Speisepunkt an einem Dipolende gespeist und dank der Asymmetrie wird eine Phasenverschiebung innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs bei der Anregung des zweiten Dipols erreicht. Des Weiteren können diese Dipole aus einer Metallplatte herausgestanzt werden, was viel Freiraum in der Gestaltung bzw. Neigung des Richtdiagramms gibt. Diese Dipole können aber auch auf Leiterplatten wie beispielsweise

FR4-Material realisiert werden.

Bevorzugt ist der erste λ/2 Dipol U-förmig abgekantet und der zweite λ/2 Dipol ist ebenfalls U-förmig abgekantet. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Antennenstruktur somit einen ersten U-förmig abgekanteten λ/2 Dipol und einen zweiten U-förmig abgekanteten λ/2 Dipol auf. Der erste λ/2 Dipol bildet mit dem zweiten λ/2 Dipol einen Kreuzungspunkt eines Kreuzdipols, wobei die sich kreuzenden U-förmig abge ^¬ kanteten λ/2 Dipole in dem Kreuzungspunkt elektrisch leitend verbunden und geometrisch asymmetrisch in Bezug auf den

Kreuzungspunkt angeordnet sind.

Eine derartige Antennenstruktur eines asymmetrischen Kreuzdipols hat gegenüber der aus der obigen Druckschrift bekannten Antennenstruktur den Vorteil, dass kein Phasenschieber er- forderlich ist, da mithilfe der Gestaltung der Asymmetrie eine zirkuläre Polarisation des erfindungsgemäßen Kreuzdipols einstellbar ist. Durch die Nutzung der Asymmetrie und des galvanischen Kontakts der zwei Dipole, wird nur ein einziger Speisepin benötigt. Außerdem lassen sich die Formen von

Richtdiagrammen dieses asymmetrischen Kreuzdipols in weiten

Bereichen an die Erfordernisse elektrisch leitender Flächen wie Fahrzeugdächer in weiten Bereichen anpassen, was beispielsweise mit den standardmäßig eingesetzten Patchantennen für Satellitendienste nur in sehr eingeschränktem Maße möglich ist. Die sonst bei Patchantennen üblichen zusätzlichen Elemente, wie ein Sockel oder eine Schirmkammer unterhalb der Patchantenne, um eine Neigung des Richtdiagramms in Bezug auf eine gekrümmte elektrisch leitende Fläche zu erreichen, sind somit bei der asymmetrischen Gestaltung des Kreuzdipols nicht erforderlich.

Durch die freie Gestaltung der Dipole kann eine vollständige Kompensation von stark gekrümmten Dächern oder die Kompensation von Scheibenneigungen erreicht werden. Diese Gestaltung des Kreuzdipols sieht vor, dass die einzelnen Dipole nicht mittig übereinander senkrecht angeordnet werden, sondern mit einem Versatz versehen werden. Auch kann dieser Kreuzdipol lediglich von einem einzigen Ende eines der λ/2 Dipole aus gespeist werden und es ist keine 90° phasenschiebende zusätzliche Verbindung zu den Einspeiseenden der sich kreuzenden Dipole erforderlich. Durch die Lage dieses einzelnen Einspeisepunktes sowie den asymmetrischen Versatz und die Gestaltung der Dipole lässt sich eine zirkuläre Polarisation für den Empfang von Satellitendiensten, wie es die anhängenden Figuren zeigen, erzeugen.

Durch Verlagerung des Einspeisepunktes eines Dipols an ein anderes beispielsweise gegenüberliegendes Ende des Dipols kann von einer linkszirkulierenden zu einer rechtszirkulierenden Polarisation und umgekehrt gewechselt werden. Außerdem ist durch die Gestaltung ein Höhenausgleich der Antennenstruktur in Bezug auf eine gekrümmte elektrisch leitende Fläche wie einem Autodach möglich, wobei die U-förmige Gestaltung der Dipole diese Aufgabe erleichtert . Auch ist, wie bereits oben erwähnt, eine Umgestaltung der

Antennencharakteristik bzw. des Richtdiagramms der Antenne durch Umgestaltung der einzelnen Dipolarme mittels intrinsischer Antennengeometrieänderungen möglich. Zusätzlich kann auf den Phasenschieber verzichtet werden, was Material- und Montage- kosten vermindert. Ferner ist eine kostengünstige Herstellung durch gestanzte Antennenstrukturen möglich.

Dabei kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für die U-förmig abgekanteten und sich kreuzenden λ/2 Dipole ein gestanztes und abgekantetes Blechmaterial vorgesehen werden, wobei das Blechmaterial vorzugsweise eine Kupferlegierung aufweist, die beispielsweise durch eine Goldbeschichtung vor Korrosion geschützt sein kann.

Die sich kreuzenden λ/2 Dipole können dabei auf einem Leiterplattenmaterial angeordnet sein. Ferner wird die elektrisch leitende Fläche bevorzugt von einem Fahrzeugdach gebildet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die zirkularpolarisierte Antenne eine

SDARS-Antenne (S_atellite Digital Audio Radio S_ystem) für Sa ^¬ tellitenkommunikationsfrequenzen f sDARS zwischen

2, 320 GHz < f sDARS - 2, 345 GHz aufweist. Aufgrund dieser hohen Satellitenkommunikationsfrequenzen ergibt sich auch für die gekreuzten Dipole ein relativ kleiner Aufbau mit einer relativ geringen Höhe zur Beabstandung des Kreuzdipols von einer Antennenplatine bzw. von einer gekrümmten elektrisch leitenden Fläche eines Fahrzeugdaches.

Andererseits kann die SDARS-Antenne auf einer elektrisch leitenden Oberseite einer Schirmkammer für die Antennenplatine angeordnet sein, wobei die Schirmkammer einen Antennenanpas ^¬ sungsschaltkreis, einen Tuner und/oder einen Verstärker um- schließen kann.

Weiterhin ist es vorgesehen, eine derartige Antennenstruktur für eine GPS-Antenne (Global Positioning S_ystem) für Satteliten- navigationsfrequenzen f _G ps zwischen 1, 574 GHz < f _G ps - 1, 577 GHz einzusetzen. Auch hier kann die Antennenstruktur der GPS-Antenne auf einer elektrisch leitenden Oberseite einer Schirmkammer einer Antennenplatine angeordnet sein, wobei die Schirmkammer einen Antennenanpassungsschaltkreis, einen Tuner und/oder einen Verstärker umschließt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Antennenstruktur über einen Schenkel eines der sich kreuzenden λ/2 Dipole mit einem Anpassungsnetzwerk und einer koaxialen Einspeiseleitung oder mit einem Receiver oder

Transceiver verbunden ist. Dabei kann auf die Ankopplung eines zweiten Endes eines Schenkels eines kreuzenden zweiten λ/2 Dipols über einen Phasenschieber vollständig verzichtet werden, was sich räum- und kostensparend auswirkt.

Ferner ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Höhe h und damit die Schenkellänge der vier Schenkel der U-förmig abgekanteten λ/2 Dipole der Krümmung der elektrisch leitenden Fläche wie einem Fahrzeugdach derart anzupassen, dass sich eine horizontale Kreuzungsebene der sich kreuzenden λ/2-Dipole ergibt.

Die Gesamtlänge eines jeden λ/2 Dipols bleibt trotz der un ^¬ terschiedlichen Abkantungen und der unterschiedlichen Schen- kelhöhen erhalten, wobei für λ die effektive Wellenlänge für den jeweiligen Frequenzbereich vorgesehen wird.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert .

Figur 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Antennenstruktur Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur eines asymmetrischen Kreuzdipols gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines

Kreuzdipols gemäß Figur 1 auf einer Schirmkammer;

Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des asymmetrischen Kreuzdipols gemäß Figur 1 auf einem gekrümmten Fahrzeugdach;

Figur 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer

Antennenstruktur eines asymmetrischen Kreuzdipols gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung der erfindungs ^¬ gemäßen Antennenstruktur 1. Die prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Antennenstruktur 1 umfasst zwei sich asymmetrisch kreuzende Dipole 5 und 6, die in ihrem Kreuzungspunkt 7 elektrisch verbunden sind und über einer elektrisch leitenden Fläche angeordnet werden können oder angeordnet sind. Diese Antennenstruktur 1 wird von einem einzigen Speisepunkt 17 an einem Dipolende 24 gespeist und dank der Asymmetrie wird eine Phasenverschiebung innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs bei der Anregung des zweiten Dipols 6 erreicht. Des Weiteren können diese Dipole 5 und 6 aus einer Metallplatte herausgestanzt werden, was viel Freiraum in der Gestaltung bzw. Neigung des Richtdiagramms gibt. Diese Dipole 5 und 6 können aber auch auf Leiterplatten wie FR4-Material realisiert werden.

Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur 1 einer zirkulär polarisierten Antenne 3 mit einem asymmetrischen Kreuzdipols 8 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Kreuzdipol 8 besteht in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung aus einem U-förmig abgekanteten ersten λ/2 Dipol 5 und einem U-förmig abgekanteten zweiten λ/2 Dipol 6. Dabei erstreckt sich die Länge der halben effektiven Wellenlänge des ersten λ/2 Dipols 5 von einem Fußpunkt A, der als Einspeisepunkt ausgebildet ist, bis zu einem Fußpunkt B. Ferner erstreckt sich die effektive λ/2-Länge des zweiten λ/2 Dipols 6 von einem Fußpunkt C bis zu einem Fußpunkt D. Die beiden λ/2 Dipole

5 und 6 sind in einem Kreuzungspunkt 7, in dem sie senkrecht aufeinander treffen, elektrisch leitend verbunden.

Dieses wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, dass die gesamte Antennenstruktur 1 dieses Kreuzdipols 8 aus einem Kupferblechmaterial 9 gestanzt und abgekantet wird. Dieses Stanzen und Abkanten kann in einem einzigen Ferti- gungsschritt erfolgen. Dabei werden die beiden λ/2 Dipole 5 und

6 U-förmig abgewinkelt. Während die Fußpunkte B, C und D der Schenkel 14, 15 und 16 der U-förmig abgewinkelten λ/2 Dipole 5 und 6 kapazitiv oder ohmsch auf einer elektrisch leitenden Fläche 4 fixiert sind, ist der Fußpunkt A des Schenkels 13 als

Einspeisepunkt ausgebildet und mit einer koaxialen

Einspeiseleitung 17 verbunden ist.

Die Schenkellängen der Schenkel 13 bis 16 definieren gleichzeitig die Höhen hi3, h _i4 , hi ₅ und hi6 einer nahezu horizontalen Kreu- zungsebene 18 über einer elektrisch leitenden Fläche 4, wobei in der horizontalen Kreuzungsebene 18 horizontale Abschnitte der beiden λ/2 Dipole angeordnet sind. Die horizontalen Abschnitte zu den Schenkeln 13, 14, 15 und 16 sind in Bezug auf den Kreuzungspunkt 7 unterschiedlich lang, so dass sich eine An- tennenstruktur 1 einer zirkularpolarisierten Antenne 3 mit einem asymmetrischen Kreuzdipol 8 ergibt.

Durch die Asymmetrie wird die zirkuläre Polarisation vorgegeben. Diese wird durch den Unterschied in der Summe der Länge (Ausgangspunkt ist der Kreuzungspunkt 8) der Schenkel 14 und 18 im Vergleich zur Länge der Schenkel 24 und 16 sowie durch den Unterschied in der Länge der Schenkel 21, 22 und 15 im Vergleich zur Summe der Länge der Schenkel 5 und 13 bestimmt. Durch diese strukturelle Asymmetrie wird eine rechts zirkuläre Polarisation der Antennenstruktur 1 erreicht, wenn der Einspeisepunkt am Fußpunkt A beibehalten wird. Wird hingegen der Einspeisepunkt an den Fußpunkt B verlegt, so ergibt sich eine links zirkuläre Polarisation. Die unterschiedlichen Schenkellängen der Schenkel 13 bis 16 mit den Höhen hi3 bis hi6 sowie die rechtwinklige

Abwinklung des Dipols mit den Schenkeln 21 und 22 ermöglichen zusätzlich zur Phasenverschiebung eine Anpassung der Form des Richtdiagramms unter Berücksichtigung des Einflusses der elektrisch leitenden Flächen oder eines Chassis.

Figur 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des asymmetrischen Kreuzdipols 8 gemäß Figur 2 auf einer Schirmkammer 12. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden in den Nachfolgenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekenn- zeichnet und nicht extra erörtert. In dieser Schirmkammer 12 können abgeschirmt von den strahlenden Elementen des asymmetrischen Kreuzdipols 8 eine Schaltungsplatine mit Anpas ^¬ sungsschaltkreisen, einem Tuner oder einem Verstärker vorgesehen sein. Aus der Abschirmkammer kann unterhalb einer elektrisch leitenden Oberfläche 11 eine Ausgangsanschlussbuchse 23 zur Aufnahme einer Einspeiseleitung 17, wie sie Figur 2 zeigt, vorgesehen sein. Die elektrisch leitende Oberseite 11 kann beispielsweise an die Krümmung eines Fahrzeugdaches angepasst sein. Außerdem kann die Schirmkammer 12, die hier eine rechteckige Oberseite 11 aufweist, auch eine runde oder ovale Oberseite 11 aufweisen.

Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des asymmetrischen Kreuzdipols 8 gemäß Figur 1 auf einem gekrümmten Fahrzeugdach 10, wobei die zirkularpolarisierte Antenne 3 unter einer flachen Kunststoffabdeckung 19 angeordnet ist und das Fahrzeugdach 10 des Fahrzeugs 20 als elektrisch leitende Fläche für die strahlenden λ/2 Dipole 5 und 6 dient.

Figur 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Antennenstruktur 2 eines asymmetrischen Kreuzdipols 8 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Asymmetrie des Kreuzdipols extrem, da der Schenkel 13 des U-förmigen λ/2 Dipols 5 unmittelbar neben dem Kreuzungspunkt 7 angeordnet ist und über den Fußpunkt A mit der Einspeiseleitung 17 verbunden ist. Im Gegensatz zu der vorhergehenden ersten Ausführungsform der Antennenstruktur ist diese Antennenstruktur für den Einsatz im Bereich der Wind- schutzscheibe vorgesehen.

Bezugs zeichenliste

1 Antennenstruktur (1. Ausführungsform)

2 Antennenstruktur (2. Ausführungsform) 3 zirkularpolarisierte Antenne

4 gekrümmte Fläche

5 erster Dipol

6 zweiter Dipol

7 Kreuzungspunkt

8 Kreuzdipol

9 Blechmaterial

10 Fahrzeugdach

11 Oberseite

12 Schirmkammer

13 Schenkel

14 Schenkel

15 Schenkel

16 Schenkel

17 Einspeiseleitung

18 Kreuzungsebene

19 Kunststoffabdeckung

20 Fahrzeug

21 Abschnitt

22 Fahne

23 Ausgangsanschlussbuchse

24 Dipolende

A Fußpunkt

B Fußpunkt

C Fußpunkt

D Fußpunkt

h Höhe