DE3631930A1

DE3631930A1 - Scheibenantenne fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3631930A1
Application number: DE19863631930
Authority: DE
Inventors: Gentei Sato; Haruo Kawakami
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1985-09-21
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1987-04-02
Also published as: FR2587845B1; JPH0441841B2; CA1255790A; US4721964A; JPS6269704A; IT8621769A1; GB2180695B; FR2587845A1; IT8621769A0; GB2180695A; KR870002966A; IT1198030B; GB8622279D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Scheibenantenne für ein Fahrzeugfenster gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Scheibenantenne nach der Erfindung dient als Sende- bzw. Empfangsantenne für ein im Fahrzeug vorhandenes Telefon oder für ein privates Nachrichtenübertragungsgerät, beispielsweise für eine Rufanlage.

Üblicherweise wird als Sende- bzw. Empfangsantenne für ein Fahrzeugtelefon oder für ein privates Nachrichtenübertragungsgerät, wie etwa eine Rufanlage, eine Stabantenne verwendet, die z. B. bei einem Kraftfahrzeug im Bereich der Motorhaube, auf dem Dach oder im Bereich des Kofferraums angeordnet ist. Da das Übertragungsband normalerweise im Bereich zwischen 800 MHz und 900 MHz liegt, wird häufig eine mehrstufige und beispielsweise eine drei bis sechs Stufen aufweisende richtungsunabhängige kolineare Stabantenne verwendet.

Eine derartige Stabantenne kann leicht beschädigt oder gestohlen werden. Anders als eine Stabantenne, die nur zum Empfang eines Radioprogramms dient, weist die mehrstufige richtungsunabhängige kolineare Stabantenne einen ausgedehnten Aufbau auf und kann daher nicht unterhalb der Motorhaube oder innerhalb des Kofferraums untergebracht werden, wenn sie nicht benötigt wird. Soll ein Fahrzeug mit einer derartigen kolinearen Stabantenne in einer automatischen Waschstraße gewaschen werden, so muß daher die Antenne in umständlicher Weise entfernt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sende- bzw. Empfangsantenne mit guten Sende- bzw. Empfangseigenschaften im UHF-Band (mehrere hundert MHz bis mehrere tausend MHz) als Scheibenantenne zu gestalten.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Entsprechend der Erfindung ist eine Scheibenantenne für ein Fahrzeugfenster dadurch gekennzeichnet, daß
- zwei Antennenelemente vorhanden sind, die von einem in der Nähe eines geerdeten leitenden Teils liegenden Speisepunkt abzweigen und sich seitlich in beiden Richtungen entlang des leitenden Teils erstrecken,
- jedes Antennenelement wenigstens ein bogen- bzw. halbschleifenartiges Element aufweist, dessen Länge λ/2 ist und dessen Öffnung in Richtung des geerdeten leitenden Teils weist,
- die Enden der Antennenelemente geerdet sind, und
- der Speisepunkt mit einer unsymmetrischen Zuleitung verbunden ist.

Der geerdete leitende Teil kann beispielsweise ein Fenster- oder Fahrzeugrahmen eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise eines Personenkraftfahrzeugs. Die bogen- bzw. halbschleifenartigen Elemente können dabei die Form halber Kreise oder halber Rechtecke aufweisen. Über die unsymmetrische Zuleitung, die beispielsweise als Koaxialkabel ausgebildet ist, wird Energie zur Antenne oder von der Antenne zu einem Empfänger transportiert.

Eine geschlossene Schleifenantenne bzw. Antennenschleife wird mit Hilfe des geerdeten leitenden Teils erhalten, beispielsweise mit Hilfe des Fensterrahmens. Die Scheibenantenne nach der Erfindung benötigt nur wenig Platz und weist ein sehr gutes Betriebsverhalten auf.

Wie bereits erwähnt, dient die Scheibenantenne als Sende- bzw. Empfangsantenne für ein im UHF-Band arbeitendes Gerät und ist daher mit einer entsprechend abgestimmten Leiterlänge versehen. Vorzugsweise kann die Scheibenantenne gemeinsam mit dem Leiter einer Scheibenheizung und dem Leiter einer Radioempfangsantenne auf der Heckscheibe eines Fahrzeugs angeordnet sein. Zur Leistungsübertragung von und zu der Antenne dient ein Koaxialkabel, dessen Kernleiter (innerer Leiter) mit dem Speisepunkt und dessen äußerer Leiter mit Erdpotential verbunden sind.

Vorzugsweise weisen die Antennenelemente jeweils eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten bogen- bzw. halbschleifenartigen Elementen auf. Dabei können nur die äußeren Enden der links und rechts jeweils außen liegenden Elemente geerdet sein oder alle Enden der Elemente mit Ausnahme derjenigen Enden, die mit dem Speisepunkt verbunden sind.

Die Antennenelemente der Scheibenantenne nach der Erfindung können auch entlang der oberen Seite einer Frontscheibe eines Fahrzeugs oder entlang des Randes einer hinteren Seitenscheibe des Fahrzeugs angeordnet sein.

Statt als Fenster- oder Fahrzeugrahmen kann der geerdete leitende Teil auch als Leitungsdraht ausgebildet sein, der sich auf dem Fensterglas entlang der Antennenelemente erstreckt. Antennenelemente und Leitungsdraht verlaufen vorzugsweise in horizontaler Richtung, können aber auch seitlich an den Scheiben und in vertikaler Richtung verlaufend angeordnet sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich die Scheibenantenne weiterhin durch einen geradlinigen Leiter mit einer etwaigen Länge von λ/2 aus, in dessen Mitte der Speisepunkt liegt, wobei der geradlinige Leiter an seinen Enden jeweils mit einem dem Speisepunkt zugewandten Ende eines Antennenelements verbunden ist.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kraftfahrzeugheckscheibe mit einer normalen FM/AM-Antenne, einer Heckscheibenheizung und einer Antenne nach der Erfindung,

Fig. 2A den schematischen Aufbau der Antenne nach der Erfindung,

Fig. 2B bis 2E weitere Abwandlungen des Grundaufbaus der in Fig. 2A gezeigten Antenne,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verstärkungsgrads bzw. Antennengewinns in Abhängigkeit der Frequenz bei einer Heckfensterantenne nach der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verstärkungsgrads bzw. Antennengewinns in Abhängigkeit der Frequenz bei einer konventionellen Heckpolantenne,

Fig. 5A, 5B und 5C jeweils graphische Darstellungen bezüglich der Richtwirkung der in den Fig. 2A 2C und 2E dargestellten Antennen,

Fig. 6A bis 6E sogenannte Smith-Diagramme für die Fig. 2A bis 2E, und

Fig. 7 bis 11 weitere Modifikationen hinsichtlich des Antennenorts und des Antennenaufbaus.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind ein Antennendraht 1 einer Sende- bzw. Empfangsantenne für ein Autotelefon oder ein Nachrichtenübertragungsgerät sowie ein Leitungsdraht 3 für eine Heckscheibenheizung und ein Antennendraht 4 für eine FM/AM-Antenne gemeinsam auf der inneren Oberfläche einer Heckscheibe 2 durch Aufdrucken und Aufheizen bzw. Backen einer leitfähigen Paste aufgebracht. Der Antennendraht 1 ist so abgestimmt, daß er eine vertikal polarisierte Welle mit hoher Güte übertragen bzw. empfangen kann, deren Frequenz in einem Bereich von 800 MHz bis 900 MHz liegt.

Die Fig. 2A zeigt den Grundaufbau eines Antennenmusters nach der Erfindung. Wie zu erkennen ist, sind halbkreisförmige bzw. halbschleifenförmige Antennenelemente 1 a und 1 b symmetrisch zu einem Speisepunkt 6 angeordnet und zweigen von diesem ab. Die Enden 1 c und 1 d der jeweiligen Antennenelemente 1 a und 1 b sind geerdet. Der Speisepunkt 6 wird mit einer unsymmetrischen Zuleitung mit Energie versorgt, die beispielsweise als Koaxialleitung 7 ausgebildet sein kann. Der äußere Leitungsmantel der Koaxialleitung 7 ist geerdet. Der Speisepunkt 6 und die Enden 1 c sowie 1 d der Elemente 1 a und 1 b liegen im wesentlichen auf einer Linie. Wie in Fig. 1 zuerkennen ist, ist der gesamte Antennendraht 1 in der Nähe eines Körperrahmens 5 angeordnet, der beispielsweise ein geerdeter leitfähiger Teil des Fahrzeugs entlang der Unterseite bzw. des Fensterrahmens der Heckscheibe 2 sein kann. Die Enden bzw. Anschlüsse 1 c und 1 d der Antennenelemente 1 a und 1 b sind mit dem benachbarten Körperrahmen 5 über Leitungsdrähte oder leitfähige Blattfedern verbunden.

Die Länge der halbkreisförmigen Antennenelemente 1 a und 1 b ist im wesentlichen zu λ/2 gewählt. Da in der Praxis ein bestimmtes Frequenzband zum Senden oder Empfangen verwendet wird, bestimmt sich die Wellenlänge λ in Übereinstimmung mit einer bestimmten Frequenz im Zentrum des Frequenzbandes unter Berücksichtigung eines Verkürzungsverhältnisses. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegt die bestimmte Frequenz bei 900 MHz, so daß λ/2 = 167 mm ist. Der Radius der halbkreisförmigen Antennenelemente 1 a und 1 b beträgt jeweils 53 mm.

Ein Strom, der dem Speisepunkt 6 zugeführt wird, fließt von den Enden bzw. Anschlüssen 1 c und 1 d der Antennenelemente 1 a und 1 b durch den Rahmen 5 (geerdeter Leiter) zurück zum äußeren Leitungsmantel des Koaxialkabels 7. Im folgenden sei angenommen, daß auf diese Weise ein halbkreisförmiger Bildstrom durch den Rahmen 5 fließt, der symmetrisch zu jedem der Antennenelemente 1 a und 1 b verläuft. Es kann daher davon ausgegangen werden, daß eine Doppelschleifenantenne vorliegt. Der Umfang jeder Schleife entspricht dabei im wesentlichen einer Wellenlänge. Aufgrund der vorhandenen halbkreisförmigen Leiter kann somit eine hochgenaue Schleifenantenne auf dem Fensterglas angeordnet werden, die nur sehr wenig Platz benötigt. Beispielsweise können auf der Heckscheibe 2 eines Fahrzeugs ein Heizdraht 3 für eine Heckescheibenheizung und ein Antennendraht 4 für eine FM/AM-Antenne angeordnet sein, wie in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall bereitet es keine Schwierigkeiten, die Sende- bzw. Empfangsantenne für das Fahrzeugtelefon oder das Nachrichtenübertragungsgerät im verbleibenden kleinen Scheibenbereich der Heckscheibe 2 zu positionieren.

In der Fig. 3 ist die Empfangsverstärkung bzw. der Antennengewinn der in Fig. 1 dargestellten Heckscheibenantenne nach der Erfindung in Abhängigkeit der Frequenz dargestellt. Im Bereich zwischen 850 MHz und 950 MHz kann ein im wesentlichen flacher Verlauf erkannt werden. Im Vergleich zu dem in Fig. 4 dargestellten Verstärkungsgrad bzw. Antennengewinn einer konventionellen Stabantenne (Heckpolantenne) wird lediglich eine Verminderung des Verstärkungsgrads bzw. Antennengewinns bei der Heckscheibenantenne nach diesem Ausführungsbeispiel von höchstens 10% festgestellt.

Die Fig. 5A zeigt die Richtwirkung des Antennendrahts 1 gemäß dem Grundmuster nach Fig. 2A, die anhand experimenteller Ergebnisse ermittelt worden ist. Es sind Antennengewinne bzw. Verstärkungsverhältnisse für die Frequenzen 855, 900, 904, 910 945 MHz dargestellt. Die maximale Verstärkung bzw. der maximale Antennengewinn für Azimutwinkel zwischen 0° und 360° ist zu 1 normiert. Anhand der Fig. 5A kann leicht gesehen werden, daß die ungerichtete Charakteristik keine extremen Spitzen oder Senken aufweist.

Ein Smith-Diagramm des Antennendrahts 1 nach Fig. 2A ist in Fig. 6A gezeigt. Wie zu erkennen ist, wird im Bereich zwischen 855 und 945 MHz eine Impedanz erhalten, die sehr nahe an der charakteristischen Impedanz Z ₀ = 50 Ω (normierte Impedanz Z/Z ₀ = 1,0) liegt. Daher wird eine gute Anpassung an das Koaxialkabel 7 erreicht. Eine Änderung der Impedanz bei einer Frequenzänderung tritt ebenfalls nicht auf.

Ein Stehwellenverhältnis bzw. Anpassungsverhältnis (SWR) liegt innerhalb des Bereichs von 1,2 bis 1,7, wie der untenstehenden Tabelle 1 zu entnehmen ist, und zwar für den Antennentyp A. Wie anhand der Tabelle 1 zu sehen ist, wird eine gute Anpassung erhalten.

Tabelle 1 Stehwellenverhältnis

Antennentyp

SWR

A

1,2 bis 1,7

B

1,9 bis 2,5

C

1,3 bis 1,8

D

1,6 bis 3,0

E

1,2 bis 1,7

Das in Fig. 2A dargestellte Grundmuster des Antennendrahts 1 stellt den Antennentyp A in nachfolgender Tabelle 2 dar, für den Daten ebenfalls experimentell ermittelt worden sind. Wie anhand der Tabelle 2 zu erkennen ist, wird im Bereich von 855 bis 945 MHz ein relativ gleichmäßiger bzw. flach verlaufender Verstärkungsgrad bzw. Antennengewinn erhalten, wie auch in Fig. 3. Zum Vergleich ist in der Tabelle 2 auch der Verstärkungsgrad bzw. Antennengewinn in Abhängigkeit der Frequenz bezüglich eines vertikalen Elements mit einer Länge von λ/4 dargestellt, das als Scheibenantenne ausgebildet und mit einer unsymmetrischen Zuleitung zur Energiezufuhr verbunden ist, so daß es als virtuelle λ/2 Dipolantenne arbeitet.

Tabelle 2 Maximaler Antennengewinn

In den Fig. 2B bis 2E sind Abwandungen des Grundantennenmusters A gezeigt. So wird das Antennenmuster vom Typ B in Fig. 2B dadurch erhalten, daß links und rechts zum Antennenmuster A in Fig. 2A jeweils ein halbkreisförmiges Antennenelement 1 e und 1 f hinzugefügt werden. In dieem Fall sind dann die äußeren Enden 1 g und 1 h der Antennenelemente 1 e und 1 f geerdet. Um den Antennentyp C in Fig. 2C zu erhalten, werden die Zwischenpunkte 1 c und 1 d (Knoten) des Antennentyps B in Fig. 2B zusätzlich geerdet. Der Antennentyp D in Fig. 2D wird dadurch erhalten, daß die äußeren Enden des Antennentyps C in Fig. 2C zusätzulich mit jeweils einem weiteren Antennenelement 1 i und 1 j verbunden werden. Es werden dann nur die äußeren Enden 1 k und 1 l dieser zusätzlichen Antennenelemente 1 i und 1 jgeerdet. Um den Antennentyp E in Fig. 2E zu erhalten, werden auch die Zwischenpunkte 1 c, 1 d, 1 g und 1 h des Antennentyps D in Fig. 2D zusätzlich geerdet. Bei den genannten Abwandlungen ist die Antennenleiterlänge ein gerades Vielfaches von λ/2 (2 × λ/2, 4 × λ/2, 6 × λ/ 2, ...).

In den Fig. 5B und 5C sind Richtwirkungen der Antennen vom Typ C und E dargestellt, während die Fig. 6B bis 6E Smith-Diagramme für die Antennen gemäß Fig. 2 vom Typ B bis E zeigen. In der Tabelle 1 sind die Stehwellenverhältnisse für die Antennentypen B bis E angegeben, während in der Tabelle 2 die Frequenzkennlinien der Antennen vom Typ C und E angegeben sind. Anhand der genannten Daten läßt sich erkennen, daß die Antennen der Typen B bis E genauso gute Eigenschaften oder bessere als die Antenne vom Typ A aufweisen.

Die Fig. 7 zeigt einen Fall, bei dem ein Antennendraht 1 vom Typ A an der Frontscheibe 9 eines Fahrzeugs angeordnet ist. Der Antennendraht 1 erstreckt sich entlang der oberen Seite der Frontscheibe 9, so daß er nicht im Gesichtsfeld des Fahrers liegt. Fig. 8 zeigt einen Fall, bei dem der Antennendraht 1 an einer hinteren Seitenscheibe 10 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 9 sind die in Fig. 2 als Halbkreise bzw. Halbschleifen dargestellten Antennenelemente als rechteckige Halbschleifen ausgebildet. Auch in diesem Fall weisen die Leiterlängen der jeweiligen rechteckförmig bzw. rechtwinklig ausgebildeten Halbschleifen eine Länge von etwa λ/2 auf.

Die Fig. 10 zeigt den Fall, bei dem ein geerdeter Draht 8 entlang des unteren Bereichs der halbkreisförmige ausgebildeten Antennenelemente angeordnet ist. Die Enden der Antennenelemente sind entsprechend den Fig. 2A bis 2E mit dem Draht zwecks Erdung verbunden. Beispielsweise kann der Draht 8 mit dem Rahmen bzw. Fahrzeugrahmen oder mit dem Abschirmleiter des Koaxialkabels 7 verbunden sein. Der Draht 8 kann beispielsweise parallel zum Fensterrahmen verlaufen, wobei die Antennenelemente mit ihrer offenen Seite zum Draht 8 gerichtet sind.

Eine Abwandlung des Antennengrundmusters ist in Fig. 11 dargestellt. Hier sind zwei halbkreisartig ausgebildete Antennenelemte 1 a und 1 b in horizontaler Richtung unter einem vorgegebenen Abstand relativ zueinander angeordnet. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den beiden Antennenelementen 1 a und 1 b λ/2 (Länge des geraden Linienteils 1 s). Zu diesem Grundmuster können links und rechts weitere halbkreisförmige Antennenelemente hinzugefügt werden, wie in den Fig. 2B bis 2E gezeigt ist.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zwei Antennenelemente jeweils symmetrisch zueinander ausgebildet bzw. angeordnet. Sie können aber auch asymmetrisch zueinander sein, indem die Längen der jeweiligen Antennenelemente verändert werden, um einen Breitbandbetrieb zu ermöglichen (Senden, Empfangen).

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine richtungsunabhängige Sende- bzw. Empfangsantenne für den UHF-Bereich erhalten, die hinsichtlich der charakteristischen Impedanz eine gute Anpassungseigenschaft aufweist. Die Antenne kann auf dem Glas eines Fahrzeugfensters angeordnet werden und benötigt nur wenig Platz.

Claims

1. Scheibenantenne für ein Fahrzeugfenster, dadurch gekennzeichnet, daß
- zwei Antennenelemente (1) vorhanden sind, die von einem in der Nähe eines geerdeten leitenden Teils (5, 8) liegenden Speisepunkt (6) abzweigen und sich seitlich in beiden Richtungen entlang des leitenden Teils (5, 8) erstrecken,
- jedes Antennenelement (1) wenigstens ein bogen- bzw. halbschleifenartiges Element (1 a, 1 b) aufweist, dessen Länge λ/2 ist, und dessen Öffnung in Richtung des geerdeten leitenden Teils (5, 8) weist,
- die Enden (1 c, 1 d) der Antennenelemente (1) geerdet sind, und
- der Speisepunkt (6) mit einer unsymmetrischen Zuleitung (7) verbunden ist.

2. Scheibenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Sende/Empfangsantenne für ein Fahrzeugtelefon ausgebildet ist und eine auf das UHF-Band abgestimmte Leiterlänge aufweist.

3. Scheibenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie gemeinsam mit dem Leiter (3) einer Scheibenheizung und dem Leiter (4) einer Radioempfangsantenne auf der Scheibe (2) eines hinteren Fahrzeugfensters angeordnet ist.

4. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unsymmetrische Zuleitung (7) ein Koaxialkabel zur Leistungsübertragung ist, dessen Kernleiter mit dem Speisepunkt (6) und dessen äußerer Leiter mit Erdpotential verbunden ist.

5. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bogen- bzw. halbschleifenartige Element (1 a, 1 b) die Form eines Halbkreises aufweist.

6. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geerdete leitende Teil ein Fahrzeugkörper (5) ist.

7. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (1) jeweils eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten bogen- bzw. halbschleifenartigen Elementen (1 a, 1 e, 1 i; 1 b, 1 g, 1 j) aufweisen, und daß nur die Enden der links und rechts außen liegenden Elemente geerdet sind.

8. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (1) jeweils eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten bogen- bzw. halbschleifenartigen Elementen (1 a, 1 e, 1 i; 1 b, 1 f, 1 j) aufweisen, und daß die äußeren Enden der jeweiligen Elemente geerdet sind.

9. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (1) entlang der oberen Seite einer Frontscheibe (9) eines Fahrzeugs angeordnet sind.

10. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (1) an einer hinteren Seitenscheibe (10) des Fahrzeugs angeordnet sind.

11. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bogen- bzw. halbschleifenartigen Elemente als Hälften von rechteckförmigen Schleifen ausgebildet sind.

12. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der geerdete leitende Teil als Leitungsdraht (8) ausgebildet ist, der sich auf dem Fensterglas entlang der Antennenelemente (1) erstreckt.

13. Scheibenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen geradlinigen Leiter (1 s) mit einer etwaigen Länge von λ/2, in dessen Mitte der Speisepunkt (6) liegt, und der an seinen Enden jeweils mit einem dem Speisepunkt (6) zugewandten Ende eines Antennenelements (1) verbunden ist.