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Die vorliegende Antenne betrifft eine niedrige Antenne mit
offener Kerbe, eine sogenannte Y-Antenne, die bevorzugt als
Mobiltelefonantenne für Motorfahrzeuge oder alternativ für
tragbare Taschentelefone oder persönliche Pagers gedacht ist. Die
Antenne weist eine Y-förmige Blechstruktur mit zwei offenen
Kerben auf, die in unterschiedlichen Frequenzen in
Viertelwellenresonanz sind, miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind
und bevorzugt mittels einer Speiseeinheit an einem gemeinsamen
Speisepunkt gespeist werden. Die Antenne umfaßt ferner eine
rechteckige Basisplatte aus Metall, die symmetrisch unter und
rechtwinklig zu dem vertikalen Schaft des Y angebracht und
galvanisch damit verbunden ist.
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In bestimmten Fällen, nämlich wenn die Antenne auf einer großen
Blechfläche angeordnet ist, wie dies in Privatautos der Fall
ist, kann die Basisplatte mittels eines dichten
Doppelklebebandes an dem Blech des Wagens befestigt sein, über das die
Antenne darüber hinaus kapazitiv mit dem darunterliegenden Blech des
Fahrzeugs gekoppelt ist. In anderen Fällen, also wenn die
Antenne an einem tragbaren Taschentelefon oder einem persönlichen
Pager angebracht ist, ist die Basisplatte derart ausgelegt, daß
gegebenenfalls durch einen Filtereffekt eine relativ große
Kopplungsimpedanz zwischen der Antenne und dem
Vorrichtungsgehäuse erhalten werden kann.
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Die EP 0301216 A2 offenbart eine Kerbantenne, die ein Substrat
mit planaren, leitfähigen Antennenelementen mit gekrümmten
Kanten aufweist, die auf dem Substrat angeordnet sind und
aufgeweitete Kerben bilden.
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Antennen für Motorfahrzeuge bestehen normalerweise aus einer
Viertelwellen langen Einpolantenne oder einer kolinearen
Franklin-Antenne, die normalerweise etwa dreiviertel Wellen
hoch ist, und soweit dies tragbare Telefone angeht, sind die
Antennen mit der Länge einer Viertel- oder Halbwelle allgemein
vorherrschend. Antennen mit einem offenen Schlitz, sogenannte
Kerbantennen (Fig. 1) sind im Stand der Technik bekannt und von
Cary und Johnson beschrieben.
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Allerdings sei bemerkt, daß die von Carry und Johnson
beschriebene Kerbantenne (Fig. 1) kein ungerichtetes
Strahlungsdiagramm, sondern ein herzförmiges Diagramm in der yz-Ebene
ergibt, was eine maximale Strahlung in Richtung der positiven x-
Achse und eine Null-Strahlung in der entgegengesetzten Richtung
bedeutet. In diesem Fall besteht die Kerbantenne aus einer
Kerbe in einem großen Blech, was aus Fig. 1 deutlich wid.
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Wird das Blech deutlich geschnitten, so daß das restliche Blech
um die Kerbe, z. B. der Abstand zwischen der Kerbe und der Kante
in der Größenordnung von drei bis vier hundertsteln einer
Wellenlänge der Frequenz ist, bei der die offene Kerbe ihre
Viertelwellenresonanz hat, und wird dieses deutlich geschnittene
Kerbenblech rechtwinklig über und idealerweise in Kontakt mit
einem Erdebenenblech angeordnet, dann erhält man eine nahezu
ungerichteten Antenne erhalten, die in Fig. 2 gezeigt ist, und
deren Strahlungseigenschaften auch im wesentlichen einer
Viertelwellen hohen Einpolantenne entsprechen, wenn diese auf
entsprechende Weise über einer Erdebene angeordnet ist. Die Höhe
der Kerbantenne kann auf weniger als ein zehntel einer
Wellenlänge (0,10 Lambda) begrenzt werden, was mit der Höhe einer
Einpolantenne zu vergleichen ist, die bei Resonanz knapp unter
einer viertel Wellenlänge (0,25 Lambda) liegt.
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Die oben beschriebene Version der Kerbantenne, die der
Antennenausführungsform nach Fig. 2 entspricht, ist im Stand der
Technik bekannt. Für viele Anwendungen, bei denen eine Antenne
mit geringer Ausdehnung in vertikaler Richtung und guten
ungerichteten Strahlungseigenschaften erwünscht ist, bietet die
oben beschriebene Version der Kerbantenne eine
zufriedenstellende Lösung für das Antennenproblem, was diese Eigenschaften
angeht, aber es ist eine Lösung, die dennoch wegen der
ungenügenden Bandbreiteneigenschaften der Antennenauslegung und -
konstruktion außer Frage steht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine
Antenne mit hervorragenden ungerichteten Strahlungseigenschaften zu
realisieren, die in vertikaler Richtung eine geringe Ausdehnung
hat und darüber hinaus auch eine größere Bandbreitenkapazität
als die oben beschriebene Kerbantenne aus dem Stand der Technik
bietet. Die vorliegende Erfindung realisiert eine mechanisch
einfache und niedrige, ungerichtet strahlende und vertikal
polarisierte Antenne mit im wesentlichen den gleichen
ungerichteten Strahlungseigenschaften und der Polarisierung sowie
Vertikal- und Längenabmessungen wie bei einer Ausführungsform der
Kerbantenne (Fig. 2) aus dem Stand der Technik; außerdem ist
die Antenne nach der vorliegenden Erfindung niedrig und kurz
und weist darüber hinaus eine beträchtlich verbesserte
Bandbreite mit 7 oder 8% oder mehr auf, was deutlich über der
Bandbreite liegt, die die entsprechende, in Fig. 2 gezeigte Antenne
aus dem Stand der Technik bieten kann. Dies liegt unter anderem
daran, daß die Antenne nach der vorliegenden Erfindung zwei
parallele Kerben unterschiedlicher Längen umfaßt.
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Die obengenannten und weitere Aufgaben wurden nach der
vorliegenden Erfindung mittels einer niedrigen Y-förmigen
Metallstruktur gelöst, deren Höhe auf weniger als ein zehntel der
Wellenlänge des Bandmittenbereichs im Arbeitsbereich der
Antenne begrenzt werden kann und bei der die Y-förmige Struktur auf
solche Weise ausgelegt ist, daß sie zwei
viertelwellenresonante, bevorzugt parallele Kerben umfaßt, die an einem kurzen Ende
offen und elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform haben die beiden Kerben
eine gemeinsame Seite, die aus der Oberkante des vertikalen
Abschnitts 14 des Y besteht. Die offenen parallelen Kerben 24 und
26 sind jeweils in ihrem V-förmigen Schenkel 10 und 12 des Y
angeordnet, wobei der Winkel zwischen den V-förmigen Schenkeln
in der Größenordnung von 2 · 30-60º liegt. Bei der bevorzugten
Ausführungsform wird nur eine Kerbe, bevorzugt die
niederfrequente, d. h. die längere Kerbe gespeist. Dies bringt mit sich,
daß eine Kerbe direkt und die andere durch eine gegenseitige
elektromagnetische Feldverbindung gespeist wird, so daß die
feldgespeiste Kerbe in Funktion tritt, wenn sich die Frequenz
der übertragenen Feldenergie der Resonanzfrequenz der Kerbe
nähert, wobei sie sich gleichzeitig von der Resonanzfrequenz der
direkt gespeisten Kerbe entfernt. Was die elektromechanische
Auslegung angeht, so sei bemerkt, daß die Y-förmige
Metallstruktur galvanisch mit einer Basisplatte 16 aus Metall
verbunden ist, die beispielsweise Teil einer Erdebene bilden oder als
Kopplungselement zu einer angrenzenden Erdebene funktionieren
kann oder, mit anderen Worten, einen Teil eines Gegengewichts
zu der Y-förmigen Antennenstruktur bilden kann.
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Die Basisplatte ist derart ausgelegt und mit dem Antennenträger
gekoppelt, auf den die Antenne gesetzt werden soll, daß die
abgestrahlte Energie beim Senden und dadurch eine maximale
Empfindlichkeit beim Empfang erhalten werden, und zwar soweit wie
möglich in einer Ebene, die so gedacht ist, daß sie sich
rechtwinklig von dem vertikalen Schenkel 14 nach außen erstreckt,
und daß die abgehende Strahlung bzw. die Empfindlichkeit gleich
sind oder leichte Schwankungen in jeder Peilrichtung in dieser
Ebene aufweisen.
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Durch Verwendung einer komplexeren Auslegung der Erfindung
lassen sich der Verstärkungsfaktor in der oben erwähnten Ebene
sowie die Bandbreite der Antenne um einige Prozent erhöhen. Dies
wird dadurch erreicht, daß die Strahlung aus der V-Öffnung der
Y-Struktur reduziert wird, was wiederum mit Hilfe eines
zusätzlichen Metallschirms 22 realisiert wird, der galvanisch mit dem
kurzgeschlossenen kurzen Ende des direkt gespeisten V-Schenkels
verbunden ist, wonach sich der zusätzliche Schenkel durch die
Längsöffnung des V-Schenkels knapp außerhalb der Ebene
erstreckt, wo er derart gebogen ist, daß etwa 70% abgedeckt
werden. Die Kanten dieses zusätzlichen Schenkels folgen den
Längsseiten der V-Schenkel über mehr als die Hälfte ihrer Länge und
in einem Abstand, der bevorzugt weniger als ein hundertstel
einer Wellenlänge innerhalb des Frequenzbandes der Antenne ist.
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Eine weitere Erhöhung der Bandbreite auf über 10%, d. h. 10-11%
oder mehr wird erreicht, indem Kantenunterbrechungen in die
oberen horizontalen Kanten der Schenkel 10 und 12 eingebracht
werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese
Unterbrechungen als Verzahnungen dieser Kanten, bevorzugt in Form
rechteckiger Aufweitungen 27 und 28 der Schenkelplatten 10 und
12 angebracht, wobei die freien Ecken der Rechtecke mit 45º
geschnitten wurden, Fig. 8. Als Ergebnis dieser Kantenzahnbildung
sind die Gütewerte der beiden Kerbresonanzen reduziert, und
dadurch und dadurch ergibt jede Kerbe eine größere Bandbreite.
Der Einfluß der Kerbresonanzen ist von der Höhe, Länge und
Position der Blechzähne entlang der Oberkanten der Schenkel 10
und 12 bestimmt. Die Blechzähne sind bevorzugt derart
angeordnet, daß sie in der Mitte der Oberkanten der Schenkel 10 und 12
liegen. Die Länge der Zähne beträgt bei einer bevorzugten
Ausführungsform etwa 1/8 einer Wellenlänge an der
gegenüberliegenden Kerbresonanzfrequenz, und ihre Höhe entspricht einem bis
zwei hundertsteln einer Wellenlänge der Bandmittenfrequenz im
Arbeitsbereich der Antenne.
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Der Abmessungen der Zähne sind derart abgestimmt, daß sich die
erweiterten Frequenzbänder beider Kerben überlappen. Die
Speiseimpedanz der Antenne kann in einem solchen Fall gut an die
Impedanz des Speisekabels angepaßt werden, und zwar ohne starke
Schwankungen über den gesamten Arbeitsfrequenzbereich der
Antenne, und dadurch werden auch nur kleine Schwankungen in den
Strahlungseigenschaften der Antenne über das gleich
Frequenzband erhalten.
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Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und die durch sie
gebotenen Vorteile sind einfacher unter Bezug auf die folgende
Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen zu verstehen, die
eine, bevorzugte Ausführungsform der Y-Antenne nach der
Erfindung zeigen.
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Fig. 1 zeigt eine Kerbantenne.
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Fig. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Kerbantenne.
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Fig. 3 (a-c) zeigen beispielhaft eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 4 (a-b) zeigen ein Beispiel einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 5 (a-c), Fig. 6 (a-c) und Fig. 7 (a-c) zeigen Beispiele
von Bauteilen in der Antenne der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 8 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Antenne.
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Fig. 9 und Fig. 10 zeigen Beispiele von Bauteilen in der
Antenne der vorliegenden Erfindung.
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Die Y-Antenne nach der vorliegenden Erfindung weist eine Y-
förmige Blechstruktur 14 mit zwei offenen Kerben 24 und 26 auf,
die bei unterschiedlichen Frequenzen in Viertelwellenresonanz
sind und jeweils in ihren V-förmigen Schenkeln 10 bzw. 12 des Y
angeordnet sind, wobei der Winkel zwischen diesen Schenkeln
bevorzugt 60º beträgt (Fig. 3 a-c). Bei der veranschaulichten
Ausführungsform der Y-Antenne wird nur die längere Kerbe 26 mit
niedrigerer Frequenz mit Energie versorgt und damit direkt
gespeist, während die zweite Kerbe 24 durch gegenseitige
elektromagnetische Feldverbindung zwischen den Kerben gespeist wird.
Die Speiseeinheit besteht bei der bevorzugten Ausführungsform
aus einem sogenannten halbstarren Koaxialkabel 18.
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Die komplexere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfaßt einen zusätzlichen Metallschenkel 22, der in Fig. 4a
ge
zeigt ist, und/oder alternativ rechteckige Aufweitungen längs
der Oberkanten der Schenkel 10 und 12, wie dies in Fig. 8a
gezeigt ist.
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Da die Kerben unterschiedlich lang sind und demnach
unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, können sie jeweils in
einem von zwei angrenzenden Frequenzbereichen arbeiten. Die
direkt gespeiste Kerbe arbeitet in dem Frequenzbereich der
zweiten Kerbe als Verbindung in einer Übertragungskette bei der
Übertragung von Energie zu der zweiten Kerbe.
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Falls beabsichtigt ist, daß die Y-Antenne ein breites,
ununterbrochenes Frequenzband umfassen soll, werden die Kerblängen und
die Position des Speisepunktes 18-20 derart abgestimmt, daß die
angrenzenden Frequenzbereiche einen gut angepaßten
Überlappungsbereich erhalten, woraus sich eine gute Impedanzanpassung
und gute Strahlungseigenschaften innerhalb des gesamten
Frequenzbandes ergeben.
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Der Winkel zwischen den beiden Schenkeln 10 und 12 des V sowie
die Kerbbreite gehören zu den Parametern, die die Kopplung
zwischen den Kerben beeinflussen, und sollten deshalb bei der
Feinabstimmung der Y-Antenne dabei sein. Die Antenne ist
geeigneterweise auf einer planaren Metallplatte 16 angebracht. Bei
einer Trägerwellenfrequenz von etwa 890 MHz kann die Antenne
geeigneterweise die folgenden Daten aufweisen:
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Antennenlänge 85,0 mm
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Antennenhöhe 23,0 mm
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Kerblänge (26) 75,0 mm
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Kerblänge (24) 85,0 mm
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Kerbhöhe (26) 2,7 mm
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Kerbhöhe (24) 2,7 mm
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Schenkelhöhe (10) 25,0 mm
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Schenkellänge (10) 85,0 mm
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Schenkelhöhe (12) 25,0 mm
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Schenkellänge (12) 85,0 mm
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Schenkelbreite (10) 12,3 mm
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Schenkelbreite (12) 12,3 mm
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Basisplattenlänge (16) 85,0 mm
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Basisplattenbreite (16) 30,0 mm
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Gesamtlänge Zusatzschenkel 75,0 mm
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Schenkelkantenzahnlänge (27) 32,0 mm
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Schenkelkantenzahnhöhe (27) 5,0 mm
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Schenkelkantenzahnlänge (28) 40,0 mm
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Schenkelkantenzahnhöhe (28) 5,0 mm
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Verschiedene Änderungen und Modifizierungen an der Erfindung
sind möglich, soweit diese nicht aus dem Umfang der
vorliegenden Erfindung nach der Definition der Ansprüche fallen.
Beispielsweise können die Abmessungen der Antenne derart geändert
werden, daß sie für andere Frequenzen, z. B. Frequenzen um 450
MHz oder 1700 MHz paßt.