STAND DER TECHNIK Die geometrischen Abmessungen von Antennen hängen eng zusammen mit der Wellenlänge der Wellen, die über die Antennen abgestrahlt oder empfangen wer- den sollen. Häufig-wie z. B. bei tragbaren funktechnischen Geräten-ist der für die Antennen zur Verfügung stehende Raum begrenzt, so dass die Antennen ohne Einbussen an Bandbreite und Wirkungsgrad möglichst kompakt aufgebaut sein sollen.

In der Vergangenheit ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden (US-A-3,295, 137 oder US-A-3,508, 271), als kompakte Antennen gefaltete Monopole zu werden, die in Form einer Haarnadel oberhalb einer elektrisch leitenden Grundebene ange- ordnet sind, wobei das eine Ende mit der Grundebene leitend verbunden (geerdet) ist, während das andere Ende unabhängig von der Grundebene als Einspeisungs- punkt verwendet wird.

Weiterhin sind in einem Artikel von B. J. Lamberty,"A Class of Low Gain Broad- band Antennas", 1958 IRE Wescon Convention Report, pp. 251-259 (August 1958), die charakteristischen Eigenschaften von 2-oder mehrfach gefalteten, un- gefüllten und gefüllten Monopolen untersucht worden.

In neuerer Zeit sind gefaltete Monopole eingesetzt worden, um bei tragbaren Computern eine Funkverbindung zu ermöglichen (siehe dazu die US-A-6,054, 955) oder drahtlose Preisauszeichnungssysteme über LANs zu realisieren (siehe dazu die US-A-5, 668, 560).

Besondere Anforderungen werden an Fahrzeugantennen im Bahnbereich gestellt.

Derartige Lokantennen sollen im Einzelfall nicht nur für einen Frequenzbereich von 870 MHz-2170 MHz bei einem VSWR < 2 ausgelegt und damit für die Berei- che GSM 900, GSM 1800 und UMTS geeignet sein. Sie sollen auch kompakt und mechanisch robust aufgebaut sein, um trotz der Erschütterungen, Stösse und sonstigen Umwelteinflüsse eine sichere Funkverbindung zu ermöglichen. Insbe- sondere müssen Lokantennen wegen möglicher Berührungen mit dem Fahrdraht auf einer elektrifizierten Stecke nach den einschlägigen Prüfvorschriften Spannun- gen von 16,6 kV und Ströme von 40 kA aushalten, wobei am HF-Anschluss eine Spannung von nicht mehr als 60 V auftreten darf, damit Personen in der Lok nicht durch das niederführende Speisekabel. gefährdet werden. Beispiele für derartige Lokantennen sind die Antennen vom Typ K 70 20 21 für den Frequenzbereich von 410-470 MHz, und vom Typ 742 325 für den Frequenzbereich von 870-2170

MHz der Firma Kathrein. Eine hochstromsichere, breitbandige Fahrzeugantenne ist auch in der DE-A1-199 24 349 beschrieben.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Es ist Aufgabe der Erfindung, eine breitbandige Antennenanordnung zu schaffen, die nicht nur kompakt aufgebaut ist, sondern auch mechanisch robust und insbe- sondere für den Einsatz als Fahrzeugantenne im Bahnbereich geeignet ist. Wei- terhin soll die Antennenanordnung in einem Frequenzbereich von etwa 800 MHz bis zu mehreren GHz anwendbar sein.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht darin, ein als Monopol ausgebildetes Strahlerele- ment einzusetzen, welches sich mit Abstand oberhalb einer ebenen, elektrisch leitenden Bodenplatte in einer Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Boden- platte zwischen zwei entgegengesetzten Enden des Strahlerelements erstreckt, und am ersten Ende mit der Bodenplatte elektrisch leitend verbunden ist, und am zweiten Ende einen von der Bodenplatte isolierten Einspeisungspunkt aufweist, über welchen das Strahlerelement an eine hochfrequenztechnische Einrichtung anschliessbar ist.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird eine grosse mechani- sche Robustheit und hohe Stromtragfähigkeit sowie ein vereinfachter Zusammen- bau dadurch erreicht, dass das Strahlerelement als massive Metallplatte ausgebil- det ist, welche quer zur Längsrichtung eine konstante Dicke aufweist und aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, dass das Strahlerelement am ersten Ende einen Fuss aufweist, dass das Strahlerelement mit dem Fuss an der Bodenplatte befestigt ist, und dass der Fuss wenigstens ein Gewindeloch bzw.

Befestigungsloch aufweist, durch welches der Fuss mit der Bodenplatte ver- schraubt ist.

Besonders einfach und funktionssicher werden der Aufbau und die Montage, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform im Bereich des Einspei- sungspunktes auf der Unterseite der Bodenplatte ein auf der Bodenplatte senk- recht stehender koaxialer Steckverbinder, insbesondere in Form einer Anschluss- buchse angeordnet ist, dessen Aussenleiter mit der Bodenplatte elektrisch leitend verbunden ist, und dessen Innenleiter durch eine Öffnung in der Bodenplatte hin- durch mit dem Einspeisungspunkt des Strahlerelements elektrisch leitend verbun- den ist, und wenn die Verbindung zwischen dem Einspeisungspunkt und dem In- nenleiter des koaxialen Steckverbinders lösbar ausgebildet ist, wobei am Einspei- sungspunkt des Strahlerelements ein senkrecht zur Bodenplatte nach unten ab- stehender, elektrisch leitender Anschlussstift angeordnet ist, welcher in einer am Innenleiter des koaxialen Steckverbinders angebrachten Buchse steckt.

Der Anschlussstift kann dabei am Strahlerelement angeformt sein. Er wird dann bei der mechanischen Bearbeitung des Strahlerelementes mit herausgearbeitet.

Er kann aber auch als separater Einpressstift ausgebildet und in eine entspre- chende Öffnung im Strahlerelement eingepresst sein. Dies hat den Vorteil, dass der Anschlussstift aus einem anderen, für die Kontaktgebung optimierten Material bestehen und als Drehteil einfacher hergestellt werden kann.

Um das Strahlerelement vor schädigenden Umwelteinflüssen zu schützen, ist es vorteilhaft, wenn das Strahlerelement nach aussen durch eine abnehmbare Haube abgedeckt ist, welche mit der Bodenplatte lösbar verbunden, insbesondere ver- schraubt, ist.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antennenanordnung nach der Erfindung weist das Strahlerelement ein in Längsrichtung verlaufendes, balkenartiges Basiselement auf, an dem quer zur Längsrichtung ungleichmässig verteilt zusätzliche Resonanzstrukturen angebracht sind, wobei die Resonanz- strukturen insbesondere senkrecht zur Bodenplatte orientierte, am Basiselement angeformte Elemente umfassen.

Die Resonanzstrukturen können dabei rechteckig und/oder abgewinkelt ausgebil- det sind, und können abgeschrägte und/oder abgerundete Ecken aufweisen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam- menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 in mehreren Teilfiguren einen Längsschnitt (Fig. 1a), eine Ansicht von vorne (Fig. 1 b) sowie einen vergrösserten Ausschnitt des steckbaren Anschlusses (Fig. 1 c) einer Antennenanordnung ge- mäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung ; Fig. 2 in mehreren Teilfiguren einen Längsschnitt (Fig. 2a), eine Ansicht von vorne (Fig. 2b) sowie eine Ansicht von unten (Fig. 2c) des Strahlerelements aus Fig. 1 ; Fig. 3 eine Ansicht von oben der Bodenplatte der Antennenanordnung aus Fig. 1 ; Fig. 4 eine vergrösserte Seitenansicht des Anschlussstiftes am Einspei- sungspunkt der Antennenanordnung aus Fig. 1 ; Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Antennenanordnung gemäss einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ; Fig. 6 in einer Seitenansicht das Strahlerelement der Antennenanord- nung aus Fig. 5 ;

Fig. 7 die Draufsicht von unten auf die Bodenplatte der Antennenanord- nung aus Fig. 5 ; Fig. 8 in einer perspektivischen Darstellung eine Antennenanordnung gemäss einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung mit abgewinkelten und abgeschrägten Resonanzelementen ; und Fig. 9 die Abhängigkeit des Rückflussdämpfung (return loss) von der Frequenz für die in Fig. 8 gezeigte Antennenanordnung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG In Fig. 1 sind in verschiedenen Teilfiguren unterschiedliche Ansichten eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Antennenanord- nung wiedergegeben. Teilfigur 1 a zeigt einen Längsschnitt durch die Antennenan- ordnung 10, die auf einer elektrisch leitenden Bodenplatte 18 aufgebaut und durch eine becherförmige Haube 11 abdeckt ist. Die Haube 11 besteht vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff. Sie ist mittels vier Schrauben 20 mit der Bodenplatte 18 verschraubt, die in entsprechende Gewindelöcher 34 (Fig. 3) in der Bodenplatte eingeschraubt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Haube 11 einen flanschartigen Rand mit einer umlaufenden Nut, in die zur besse- ren Abdichtung des Innenraums gegen den Aussenraum ein Dichtungsring 76 eingelegt ist.

Wie aus Fig. 1a und 3 zu ersehen ist, hat die im wesentlichen rechteckige Boden- platte 18 im mittleren Bereich eine erhabene Montageplattform 32, an die an den Querseiten zwei Befestigungsflansche 31, 31'anschliessen, in denen jeweils an den Ecken zwei Befestigungslöcher 33 vorgesehen sind. Mittels der vier Befesti- gungslöcher 33 kann die Bodenplatte 18 und damit die ganze Antennenanordnung

10 auf einer ebenen Aussenfläche eines Fahrzeugs (einer Lok) festgeschraubt werden. Der elektrisch Zugang zu der Antennenanordnung 10 erfolgt durch eine Öffnung in der Fahrzeugaussenfläche, durch die eine auf der Unterseite der Bo- denplatte 18 angeordnete koaxiale Anschlussbuchse 17 in das Innere des Fahr- zeuges hineinragt und dort mit einem koaxialen Stecker eines Antennenkabels verbunden werden kann. Die Anschlussbuchse 17 ist nach aussen durch einen sie umgebenden Dichtungsring 16 abgedichtet, der in eine Ringnut 38 auf der Unter- seite der Bodenplatte 18 eingelegt ist. Im nicht angeschlossenen Zustand kann die koaxiale Anschlussbuchse 17 durch eine Schutzkappe 19 geschützt werden.

Zentraler Bestandteil der Antennenanordnung 10 ist ein als Monopol wirkendes Strahlerelement 14, das in Fig. 2 in drei verschiedenen Ansichten gezeigt ist. Das einstückige Strahlerelement 14 besteht aus einer halbharten Aluminiumlegierung.

Es kann aus einer entsprechenden Metallplatte herausgearbeitet sein. Es kann aber auch in der Form gegossen sein. Weiterhin ist es denkbar, einen Trägerkör- per aus einem Kunststoff zu spritzen, der dann mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht versehen wird. Das Strahlerelement 14 hat eine etwa 5 mm dicken Fuss 22 in Form einer rechteckigen Platte mit abgerundeten Ecken und Aussenabmessungen von etwa 30 mm x 38 mm (Fig. 2c). Mit dem Fuss 22 ist das Strahlerelement 14 in eine entsprechende Ausfräsung 35 in der Montageplattform 32 (Fig. 3) eingesetzt und mittels vier Gewindelöchern 30 am Fuss 22 und Durch- gangsbohrungen 36 in der Bodenplatte 18 mit der Bodenplatte 18 verschraubt. Die Oberseite des Fusses 22 schliesst dabei absatzlos an die Oberseite der Montage- plattform 32 an, so dass antennentechnisch der Fuss 22 Teil der Bodenplatte 18 ist. Oberhalb des Fusses 22 (in der um 180° gedrehten Darstellung der Fig. 2 un- terhalb des Fusses) ist beim Strahlerelement 14 ein sich mit Abstand parallel zur Fussebene erstreckendes, balkenartiges Basiselement 27 angeordnet. Das Ba- siselement 27 hat einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von etwa 8 mm. Es kann damit einem Stromstoss von 40 kA und 100 ms Dauer problemlos widerstehen. An seinem einen Ende ist das Basiselement 27 durch einen vertika- len Abschnitt 26 mit dem Fuss 22 verbunden und damit geerdet.

An seinem anderen Ende ist ein zum Fuss 22 hin gerichteter Ansatz 29 angeord- net, in den vom Fuss 22 her ein Sackloch 24 eingebracht ist. Auf der Oberseite des Basiselements 27 ist eine rechteckige Resonanzstruktur 28 mit quadratischem Querschnitt (8 mm Seitenlänge) und einer Höhe von 2 mm angeordnet. Das Sackloch 24 ist durch eine konzentrische Durchgangsbohrung 23 grösseren Durchmessers im Fuss 22 von aussen zugänglich. In das Sackloch 24 ist ein als Einpressstift ausgebildeter Anschlussstift 13 aus Messing (Fig. 4) mit seinem Fuss 39 eingepresst, so dass er in die Durchgangsbohrung 23 im Fuss 22 hineinragt und durch eine entsprechende Durchgangsbohrung 37 in der Bodenplatte 18 (Fig.

3) von unten kontaktiert werden kann (Einspeisungspunkt 12). Dies geschieht durch den Innenleiter 74 der koaxialen Anschlussbuchse 17, an dessen oberem Ende eine längsgeschlitzte Buchse 21 zur Aufnahme des Anschlussstiftes 13 an- geordnet ist (Fig. 1 c). Die Anschlussbuchse 17 ist mit vier Schrauben befestigt, die durch die Durchgangsbohrungen 36 in der Bodenplatte 18 hindurch in die Gewin- delöcher 30 im Fuss 22 des Strahlerelements 14 eingeschraubt sind. Der Aus- senleiter der koaxialen Anschlussbuchse 17 ist damit zugleich mit der Bodenplatte 18 leitend verbunden. Mit diesem Aufbau ergibt sich eine sehr einfach zu montie- rende, funktionssichere und kompakte Verbindung zwischen dem Strahlerelement 14 und der koaxialen Anschlussbuchse 17. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, ist das Sackloch 24 durch einen horizontalen Verbindungskanal 25 mit dem Aussen- raum verbunden. Durch den Verbindungskanal 25 wird sichergestellt, dass bei eingepresstem Anschlussstift 13 die expandierende Luft aus dem verbleibenden Restvolumen des Sacklochs 24 auf unschädliche Weise entweichen kann, wenn das Strahlerelement 14 bei einer allfälligen Berührung der Fahrleitung durch den dann fliessenden, im Kiloampere-Bereich liegenden Kurzschlussstrom extrem stark aufgeheizt wird.

Die Antennenanordnung 10 ist mit den o. g. Abmessungen und der vergleichs- weise kleinen Resonatorstruktur 28 auf der Oberseite des Basiselements 27 für einen vergleichsweise kleinen Frequenzbereich von etwa 5,15-5, 875 GHz aus- gelegt, wie er für manche WLL (Wireless Local Loop) und WLAN (Wireless Local Area Network) -Anwendungen benötigt wird.

Demgegenüber ist die Antennenanordnung 40 des in den Fig. 5-7 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels für einen wesentlich breiteren Frequenzbereich (870 - 2170 MHz) einsetzbar. Auch in diesem Fall umfasst die Antennenanordnung 40 der Fig. 5 eine elektrisch leitende Bodenplatte 48 (siehe auch Fig. 7) aus einer halbharten Aluminiumlegierung mit einer Plattendicke von 15 mm, ein auf der Bo- denplatte 48 montiertes, als Monopol wirkendes Strahlerelement 44, eine koaxiale Anschlussbuchse 47, deren Innenleiter 75 am Einspeisungspunkt 42 mit einem Anschlussstift 43 am Strahlerelement 44 verbunden ist, und eine schützende Haube 41. Die Haube 41 sitzt mit ihrem unteren Rand in einer (elliptischen) Ringnut 58 der Bodenplatte 48 und ist mit der Bodenplatte 48 mittels Schrauben 50 befestigt, die von unten durch Befestigungslöcher 59 in der Bodenplatte 48 hindurch in die Haube 41 eingeschraubt sind. Die koaxiale Anschlussbuchse 47 ist in diesem Fall von oben durch eine Durchgangsbohrung 63 in der Bodenplatte gesteckt und von unten mit einer auf ein Aussengewinde an der Anschlussbuchse 47 aufgeschraubten Befestigungsmutter 45 gekontert. Um die Anschlussbuchse 47 herum ist wiederum ein Dichtungsring 46 vorgesehen, der in eine entspre- chende Ringnut 62 auf der Unterseite der Bodenplatte 48 eingelegt ist. Die An- schlussbuchse 47 kann wiederum durch eine abnehmbare Schutzkappe 49 ge- schützt werden. Ausserhalb der Haube 41 sind in der Bodenplatte 48 Befesti- gungslöcher 61 (Fig. 7) vorgesehen, mittels derer die Antennenanordnung 40 an der Aussenseite eines Fahrzeugs befestigt werden kann.

Das Strahlerelement 44 (Fig. 6) besteht aus einer Platte aus halbharter Alumini- umlegierung mit einer Plattendicke von 10 mm (die Plattendicke erstreckt sich in Fig. 6 senkrecht zur Zeichenebene). Das Strahlerelement 44 hat ein sich parallel und mit Abstand zur Bodenplatte 48 erstreckendes balkenartiges Basiselement 54 mit einer Höhe h1 von 15 mm und einer Länge von (a1+a2+a3+a4+a5) = 140 mm.

Am einen Ende des Basiselements 54 (rechts in Fig. 6) ist zur Bodenplatte 48 hin ein Ansatz mit dem nach unten herausstehenden Anschlussstift 43 vorgesehen.

Der Anschlussstift 43 ist im Beispiel aus dem Vollmaterial herausgearbeitet. Er kann aber auch genauso gut wiederum als Einpressstift ausgebildet sein. Am an-

deren Ende (links in Fig. 6) ist am Basiselement 54 nach unten abstehend ein Fuss 52 mit einem Befestigungsloch 53 angeformt. Mittels des Fusses 52 kann das Strahlerelement 44 durch eine Schraubverbindung 51 auf der Bodenplatte 48 lösbar befestigt werden. Zum Einschrauben einer Schraube ist in der Bodenplatte 48 ein entsprechendes Gewindeloch 60 vorgesehen (Fig. 7).

Am Basiselement 54 des Strahlerelements 44 sind mehrere Resonanzstrukturen <BR> <BR> 55,. ., 57 angeformt. Die erste Resonanzstruktur 55 entspricht einer Stufe mit einer Höhe h2 von 15 mm nach einem Abstand a1 von 30 mm. Die zweite Resonanz- struktur 56 ist ein vertikaler Balken mit einer Höhe h3 von etwa 50 mm und einer Breite a3 von 30 mm. Der Abstand a2 von der Stufe beträgt etwa 30 mm. Die dritte Resonanzstruktur 57 ist ein kurzer vertikaler Balken mit einer Breite a5 von 10 mm und einer Höhe h4 von 9 mm. Die Anmessungen der Resonanzstrukturen sind beispielhaft. Ort und Ausgestaltung der Resonanzstrukturen 55,. ., 57 können durchaus variiert werden. Darüber hinaus können weitere Resonanzstrukturen zwischen den beiden Enden des Basiselements 54, aber auch jenseits der Schraubverbindung 51, vorgesehen werden.

Die Resonanzstrukturen können auch gefaltet und an ihren Ecken abgeschrägt oder abgerundet sein. Ein Beispiel für ein derart verändertes Strahlerelement ist in Fig. 8 dargestellt. Das Strahlerelement 66 der Antennenanordnung aus Fig. 8 umfasst ein balkenartiges Basiselement 70, dass sich parallel und mit Abstand zur Bodenplatte 65 erstreckt, und mittels eines Fusses 69 am einen Ende mit der Bo- denplatte 65 verschraubt ist. Am anderen Ende befindet sich wiederum ein Ein- speisungspunkt 67, an dem das Strahlerelement 66 über eine koaxiale An- schlussbuchse zugänglich ist. Am Basiselement 70 sind mehrere Resonanzstruk- turen 71,72 und 73 angeformt. Die Resonanzstrukturen 71 und 72 sind abgewin- kelt (gefaltet) ; ihre Ecken sind teilweise abgeschrägt und teilweise gerundet. Ge- rundet sind auch die Ecken der balkenförmigen Resonanzstruktur 73.

Das Strahlerelement 66 aus Fig. 8 hat ähnliche Abmessungen wie das Strahler- element 44 aus Fig. 6. Mit ihm können die folgenden Frequenzbänder :

- GSM 900 870-960 MHz - GSM 1800 1710-1880 MHz - PCS 1900 1850-1990 MHz - 1800/UMTS 1710-2170 MHz - WLL/WLAN 2,4-2, 7 GHz ; 3,4-3, 7 GHz ; 5,15-5, 875 GHz abgedeckt werden. Die Resonanzstruktur 71 hat Einfluss auf die tiefen Frequen- zen und auf die Frequenzen um 1 GHz. Die Resonanzstruktur 72 hat ebenfalls Einfluss auf die tiefen Frequenzen, zeigt jedoch hauptsächlich Resonanz unter- halb von 1 GHz. Das Basiselement 70 läuft mit seiner Unterseite in diesem Fall nicht vollständig parallel zur Bodenplatte 65, sondern ist leicht abgestuft.

In Fig. 9 ist die berechnete Rückflussdämpfung ("return loss") der Antennenanord- nung 64 aus Fig. 8 über der Frequenz aufgetragen. Man erkennt, dass die Rück- flussdämpfung zwischen ungefähr 800 MHz und 9 GHz kleiner als 10 dB ist.

BEZUGSZEICHENLISTE 10, 40,64 Antennenanordnung 11,41 Haube 12, 42,67 Einspeisungspunkt 13, 43 Anschlussstift 14,44, 66 Strahlerelement (Monopol) 15, 68 Schraube 16, 46,76 Dichtungsring 17,47 Anschlussbuchse (koaxial) 18, 48,65 Bodenplatte 19, 49 Schutzkappe 20,50 Schraube 21 Buchse 22,52, 69 Fuss 23 Durchgangsbohrung 24 Sackloch

25 Verbindungskanal 26 Abschnitt (vertikal) 27,54, 70 Basiselement (balkenartig) 28, 55,.., 57 Resonanzstruktur 29 Ansatz 30 Gewindeloch 31, 31'Befestigungsflansch 32 Montageplattform 33 Befestigungsloch 34 Gewindeloch 35 Ausfräsung 36,37 Durchgangsbohrung 38,62 Ringnut (Dichtungsring) 39 Fuss 45 Befestigungsmutter 51 Schraubverbindung 53 Befestigungsloch 58 Ringnut (Haube) 59 Befestigungsloch 60 Gewindeloch 61 Befestigungsloch 63 Durchgangsbohrung 71,72, 73 Resonanzstruktur 74, 75 Innenleiter (Anschlussbuchse) a1,.., a4 Abstand h1,.., h4 Höhe