DE10304909B4 - Antenne mit Monopolcharakter für mehrere Funkdienste - Google Patents
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Abstract
Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste, bestehend aus einem längs einer geraden Linie (11) ausgeführten Monopolelement (10), das Monopolelement (10) mit einer 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) rotationssymmetrisch und aus einander umgebenden und durch ringförmige Spalte (3) voneinander getrennten flächenhaften rotationssymmetrischen Ringstrukturen (2), die konzentrisch zu der geraden Linie (11) orientiert sind, gebildet ist und Reaktanzschaltungen (4) vorhanden sind, durch welche die 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) 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, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, gleichmäßig am Umfang der Ringstrukturen (2) angebrachte Reaktanzschaltungen (4) vorhanden sind, deren parallele elektrische Wirkung einen großen wirksamen Blindwiderstand X(f) für die höheren Frequenzbereiche bildet, der für die Anschaltung des nächsten äußeren Ringes bei den tieferen Frequenzen jedoch niederohmig ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste, bestehend aus einem im Wesentlichen längs einer geraden Linie
11 ausgeführten Monopolelement10 gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Antenne ist aus derEP 0 963 004 A2 bekannt. - Monopolantennen für mehrere Funkdienste sind z. B. bekannt aus der
DE 101 63 793 A1 . Dort ist in21b 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 derEP 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 derDE 101 63 793 A1 angegeben als Funkantenne für mehrere Funkdienste mit der dort angegebenen Antenne für den Satellitenempfang verwendet werden. Eine Monopolantenne mit in konzentrische Ringe durch ringförmige Spalte unterteilter Dachkapazität ist bekannt aus derEP 0 963 004 A2 . Mit dem Ziele, die frequenzselektive elektrische Verbindung bzw. Abtrennung zwischen den Ringen zu bewirken, ist jeweils an einer Stelle des Umfangs eines Schlitzes eine Resonanzschaltung vorhanden. Diese Form der punktuellen Verbindungen zwischen den ringförmigen Teilen der Dachkapazität hat jedoch den Nachteil der azimutalen Unsymmetrie der Anordnung und – damit einhergehend – die azimutale Unsymmetrie der Richtcharakteristik der Monopolantenne zur Folge. - 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.
- In
1 ist eine Monopolantenne über leitender Grundfläche9 gemäß der vorgeschlagenen Erfindung angegeben. Die Dachkapazität1 besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Ringstrukturen2 . Das Monopolelement10 ist an seinem oberen Ende über Reaktanzschaltungen4 mit einer inneren Ringstruktur2 verbunden. Die äußere Ringstruktur2 ist über weitere Reaktanzschaltungen4 mit der inneren Ringstruktur2 verbunden. Die Reaktanzschaltungen4 werden in vorteilhafter Weise aus Blindelementen8 dargestellt, deren Blindwiderstand X(f) derart gestaltet ist, dass die Reaktanzschaltungen4 , welche die äußere Ringstruktur2 mit der inneren Ringstruktur2 verbinden, im Frequenzbereich des Funkdienstes mit der höheren Frequenz entsprechend hochohmig ist, so dass die äußere Ringstruktur2 weitgehend unwirksam ist. Im Frequenzbereich des Funkdienstes mit der niedrigeren Frequenz sind alle in1 dargestellten Reaktanzschaltungen4 hinreichend niederohmig. Durch die angegebene Anordnung kann bei geeigneter Wahl der Außenabmessungen7 der Ringstrukturen2 sichergestellt werden, dass das Vertikaldiagramm der Monopolantenne mit Dachkapazität1 in beiden Frequenzbereichen dem eines elektrisch kleinen Strahlers entspricht. Weiterhin kann durch geeignete Wahl der Reaktanzschaltungen4 sichergestellt werden, dass die Impedanz am Fußpunkt des Monopols in beiden Frequenzbereichen nahezu reell ist und Anpassung leicht hergestellt werden kann. - 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 Blindelementen8 , welche über den Umfang der Ringstrukturen2 gleichmäßig verteilt werden. - In
2 ist der Innenradius der innersten Ringstruktur2 zur Null gewählt, so dass die innerste Ringstruktur2 zu einer kreisförmigen geschlossenen Fläche5 entartet. In der dargestellten Form mit weiteren zwei Ringstrukturen2 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. - Auf ähnliche Weise ist in
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/UMTS-Standard in einem zweiten Frequenzbereich zwischen 1710 MHz und 2170 MHz sind die Reaktanzschaltungen4 in3 auf vorteilhafte Weise wie in4 angegeben, gestaltet. Die dort angegebene Schaltung aus Blindelementen8 kann z. B. in vier Reaktanzschaltungen4 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 Strahlers20 in22 derDE 101 63 793 A1 eingesetzt werden. - Bei einer Strahlerform nach der Erfindung ist die Bedingung der Rotationssymmetrie aufgrund der im Vergleich zur Wellenlänge kleinen Außenabmessung
7 der einzelnen Ringstrukturen2 in den betreffenden Frequenzbereichen in Verbindung mit der Wirkungslosigkeit der bei höheren Frequenzen abgeschalteten äußeren Ringstrukturen2 auch erfüllt, wenn die Ringstrukturen2 von der kreisrunden Struktur abweichen. Eine derartige Antenne welche, wie in5 mit einer quadratisch gestalteten geschlossenen Fläche5 als innerste Ringstruktur2 und einer quadratisch gestalteten äußeren Ringstruktur2 gestaltet ist, besitzt bei der höheren Frequenz ein azimutales Richtdiagramm, welches in6a dargestellt ist. Bei dieser Frequenz entspricht die Außenabmessung7 einer relative Länge von .5. Damit zeigt sich auf überraschende Weise, dass aufgrund der Hochohmigkeit der Reaktanzschaltungen4 in5 bei der höheren Frequenz die äußere Ringstruktur2 das azimutale Diagramm nicht verfälscht. Ebenso geht aus den6b und6c hervor, dass die Vertikaldiagramme in beiden Frequenzbereichen denen eines elektrisch kurzen Monopols entsprechen. In7 sind die Impedanzen für beide Frequenzbereiche markiert und zeigen Werte, für welche auf einfache Weise Impedanzanpassung erreicht werden kann. - Um die kapazitive Kopplung zwischen den Ringstrukturen
2 ausreichend vorteilhaft klein zu gestalten, sollte die Spaltbreite6 hinreichend groß gewählt sein. Andererseits sollte diese jedoch nicht zu groß gewählt sein, damit die Raumkapazität der verbleibenden Fläche der Ringstrukturen2 nicht zu klein ist. - In
8a und8b sind mögliche Reaktanzschaltungen4 für eine Antenne nach2 für drei Frequenzbereiche mit den darin auftretenden Frequenzen f3 als der niedrigsten und f1 als der höchsten Frequenz angegeben. Hierin zeigt8a den Frequenzverlauf des Blindwiderstands X1(f) für die zwischen der inneren geschlossene Fläche5 und der anschließenden Ringstruktur2 geschalteten Reaktanzschaltungen4 mit niederohmigen Werten in den Bereichen2 und3 und hochohmigen Werten zur Abtrennung der äußersten Ringstruktur2 im höchsten Frequenzbereich1 . Analog hierzu zeigt8b den Frequenzverlauf des Blindwiderstands X2(f) für die zwischen der äußersten und der nächst inneren Ringstruktur2 geschalteten Reaktanzschaltung4 mit niederohmigen Werten im Frequenzbereich3 und hochohmigen Werten zur Abtrennung der beiden äußeren Ringstrukturen2 in den höheren Frequenzbereichen f2 und f1. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Dachkapazität
- 2
- Ringstruktur
- 3
- Ringförmiger Spalt
- 4
- Reaktanzschaltungen
- 5
- geschlossene Fläche
- 6
- Spaltbreite
- 7
- Außenabmessungen
- 8
- Blindelemente
- 9
- Leitende Ebene
- 10
- Monopolelement
- 11
- gerade Linie
- 12
- Flächennormale
Claims (9)
- Antenne mit Monopolcharakter für mindestens zwei Funkdienste, bestehend aus einem längs einer geraden Linie (
11 ) ausgeführten Monopolelement (10 ), das Monopolelement (10 ) mit einer 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 ) rotationssymmetrisch und aus einander umgebenden und durch ringförmige Spalte (3 ) voneinander getrennten flächenhaften rotationssymmetrischen Ringstrukturen (2 ), die konzentrisch zu der geraden Linie (11 ) orientiert sind, gebildet ist und Reaktanzschaltungen (4 ) vorhanden sind, durch welche die 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 ) 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, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, gleichmäßig am Umfang der Ringstrukturen (2 ) angebrachte Reaktanzschaltungen (4 ) vorhanden sind, deren parallele elektrische Wirkung einen großen wirksamen Blindwiderstand X(f) für die höheren Frequenzbereiche bildet, der für die Anschaltung des nächsten äußeren Ringes bei den tieferen Frequenzen jedoch niederohmig ist. - 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. - 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 mehrere Reaktanzschaltungen (4 ) gegeben ist. - Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 3, 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. - Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 4 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. - Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (
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. - Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 1 bis 6, 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. - 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. - Antenne mit Monopolcharakter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Fläche (
5 ) und alle Ränder der Ringstrukturen (2 ) kreisrund und konzentrisch gestaltet sind und der ringförmige Spalt (3 ) somit mit gleichbleibender Spaltbreite (6 ) längs dem Umfang der kreisförmigen Ringstrukturen (2 ) ausgebildet ist.
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