-
Empfangs-Rahmenantenne Die Erfindung bezieht sich auf eine Empfangs-Rahmenantenne
mit nachgeschaltetem Vorverstärker, welche insbesondere für den Dekameterwellenbereich
bestimmt ist.
-
Zur Zeit werden die Antennen mit auf die Mittelfrequenz des zu empfangenden
Bandes abgestimmten Halbwellendipolen bevorzugt, wenn man eine Verbindung großer
Güte mit einem hohen Rauschabstand erhalten möchte.
-
Diese Antennen haben jedoch den Nachteil einer großen Länge, was in
vielen Installationsfällen Schwierigkeiten hervorruft und die Antennen fdr örtliche
Störquellen empfindlich macht. Ferner sind solche Antennen auf Grund ihres Mangels
an Eigenselektivität für Kreuzmodulationserscheinungen anfällig, die auf das Vorhandensein
von Sendungen mit benachbarten Frequenzen zurückzuführen sind. Man muß dann den
Empfänger durch zusätzliche Einrichtungen schützen, die den Preis der Antenne merklich
vergrößern.
-
Die klassischen Rahmenantennen sind auf Grund ihres symmetrischen
Aufbaues und der Möglichkeit, sie durch eine elektrostatische Abschirmung zu schützen,
für elektrische Störsignale weniger empfindlich. Jedoch sind bei gleichen Abmessungen
die induzierten Spannungen sehr viel kleiner, so daß der für einen guten Empfang
erforderliche Rauschabstand nur beim Empfang beträchtlicher Feldstärken erreicht
wird.
-
Man kann die Abmessungen des Rahmens nicht unbegrenzt vergrößern,
denn der »Antenneneffekt«, der insbesondere im oberen Teil des Bereichs auftritt,
wird sehr schnell unzulässig groß: Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer
Rahmenantenne mit besonderer Selektivität. die eine Verbindungsgüte ergibt, die
wenigstens gleich derjenigen eines Halbwellendipols im Bereich von 3 bis 30 MHz
ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Umfang des
Rahmens Ferritstäbe angeordnet sind und daß der in unmittelbarer Nähe des Rahmens
angeordnete Vorverstärker wenigstens eine mit einer selektiven Gegenkopplungsschleife
versehene Verstärkerstufe aufweist, wobei ein Quarzkreis parallel zur Gegenkopplungsschleife
geschaltet ist, dessen Impedanz bei der Empfangsfrequenz minimal ist.
-
Der Rahmen enthält bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
mehrere gleichartige koaxiale Schleifen, die wahlweise in Serie und parallel schaltbar
sind.
-
Vorteilhafterweise kann die Antenne nach der Erfindung so ausgestaltet
werden, daß der Vorverstärker einen in Emitterschaltung geschalteten ersten Transistor
enthält, daß der Quarzkreis in den Emitterkreis dieses Transistors eingeschaltet
ist, daß ein zweiter Transistor in Basisschaltung den ersten Transistor energiemäßig
speist und daß wahlweise ein aus mehreren Widerständen ausgewählter Widerstand zwischen
den Quarz und Masse einschaltbar ist.
-
Zur Abschirmung können erfindungsgemäß zwei halbkugelförmige Schalen
vorgesehen werden, die gleichachsig zur Rahmenachse den Rahmen und den Vorverstärker
umgeben. Die Schalen werden vorzugsweise aus Glasfasermaterial hergestellt.
-
Weiter kann die erfindungsgemäße Antenne einen Träger für die aus
dem Rahmen, den Schalen und dem Vorverstärker bestehende Anordnung sowie eine elektrostatische
Abschirmung in Form eines entlang einer Mantellinie geschlitzten Zylinders aufweisen,
welche den Rahmen und den Vorverstärker umgibt.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber
beschrieben. Darin zeigt F i g. l eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Antenne,
F i g. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Antenne in einer Ebene parallel
zur Windungsebene, F i g. 3 eine Einzelheit der Antenne von 1~ i g. 1 und 2, F i
g. 4 ein Diagramm. das zur Wahl der- optimalen Abmessungen eines Antennenrahmens
der dargestellten Art dient, -
F i g. 5 das elektrische Schaltbild
eines Rahmenblocks und eines Vorverstärkerblocks nach der Erfindung und F i g. 6
Diagramme zum Vergleich des Verhaltens der erfindungsgemäßen Rahmenantenne und eines
auf 10 MHz abgestimmten Halbwellendipols.
-
Die. in- F;i g. 1, 2 und 3 dargestellte Ferritrahmenantenne ist folgendermaßen
aufgebaut: Sie enthält einen Rahmen, der aus einer bestimmten Anzahl von kreisrunden
Windungen, beispielsweise vier Windungen 11 bis 14, besteht, die mittels
einer Schaltvorrichtung 2 für die verschiedenen Teilbereiche in Serie oder parallelgeschaltet
werden können.
-
An ..die -Innenseite des Rahmens sind Ferritstäbe 31 bis 39
angelegt, die parallel zur Windungsachse liegen, damit die äquivalente Fläche des
Rahmens vergrößert wird. Das Verhältnis der - Länge zum Durchmesser dieser Stäbe
liegt in der Größenordnung von 20, damit ihnen ein zentraler Permeabilitätskoeffizient
yc erteilt wird, der in der Nähe der Torus-Permeabilität liegt.
-
Eine elektrostatische Abschirmung 4 von im allgemeinen zylindrischer
Form ist entlang einer Mantellinie 40 unterbrochen und umschließt einen in die Antenne
eingebauten Vorverstärkerblock 5.
-
Ein Antennenzuleitungskabel 6 ist -mit dem Vorvierstärker 5 über einen
-Koaxialstecker 57 verbunden. Ein einstellbarer Träger enthält einen zylindrischen
Isolerring 81, in welchem die Windungen 11 bis 14
und gegebenenfalls
die Ferritstäbe.31 bis 39 befestigt sind, und einen einstellbaren Sockel
82, der drehbar auf einem festen Sockel, 83 gelagert ist, durch den das von
einem Röhr 84 geschützte Antennenzuleitungskabel geht.
-
Eine Glasfaserhülle 9, die aus zwei halbkugelfdrmigen Schalen 91 und
92 gebildet ist, ist über Dichtungsringe 93 und 94 an den einstellbaren
Trägerring 81 angelegt. Die beiden halbkugelförmigen Schalen werden-durch
Schrauben 95; 96, die senkrecht zu dem Ring 81 durch die Antenne gehen, zusammengebaut.
und gegen den Rang 81 geklemmt.
-
F i g: 3 zeigt in. größerem Maßstab den Vorverstärker 5 zur
-Darstellung der Lage des Steuerorgans 50welches die Regelung der in F i g. 5: gezeigten
Kondensatoren 110 und 140 gestattet, sowie der Lage der abnehmbaren Teile;
welche die Wahl 'des Teilbereichs ermöglichen: Hierfür dienen ein Quarz 51: und-
ein Bügel 52; mit welchem ein Anpassungswiderstand für das Frequenzband des Quarzes
zwischen den Quarz- und Masse eingeschaltet wird.
-
Das .Diagramm von F i g: 4 erläutert das Verfahren, das zur Bestimmung
der Abmessungen -verwendet -wird; "wiche dem zuvor beschriebenen Rahmen gegeben
werden- müssen, damit - die Gute, der Verbindung, die durch den Rausehabstand=gekennzeichnet-
ist; -wenigstens i -den zur Aufrechterhaltung der Verbindung notwendigen Weit hat.
Es gilt:--
Darin sind:
Es seien folgende Bezeichnungen eingeführt:-
worin F6 der Rauschfaktor des Empfängers ist. Dann gilt:
In F i g..4 ist auf der Ordinate der Rauschabstand, ausgedrückt in Dezibel in bezug
auf seinen :Höchstwert (x, und auf der Abszisse der Parameter f aufgetragen.
-
Diese Kurve weist ein Knie bei etwa 2 auf; was einem Rauschabstand
von -1;75 db entspricht.. Wenn (i über 2 ansteigt, erfolgt- die. Zunahme des Rauschabstandes
sehr viel weniger schnell als bis zu dem Wert -l =- 2.
-
Es ist daher vorteilhaft, die Abmessungen des Rahmens so zu wählen,
daß @t = 2.
-
Daraus folgt:
Np entspricht dem Pegel der atmosphärischen Störungen, die von der Antenne zum Eingang
des Empfängers übertragen werden; dieser Wert hängt bei einem gegebenen Störfeld-
nur von den Kenngrößen der Antenne ab.
-
Die zuvor aufgestellte Beziehung Np = 2Fb - Na
drückt
praktisch das Verhältnis aus, das zur Erzielung einer ausreichenden Verbindungsgüte
zwischen dem von der Antenne zum Empfängereingang übertragenen atmosphärischen Rauschen
und dem Eigenrauschen der Antenne und des Eingangskreises des Empfängers bestehen"muß.
-
Wenn P die von der'Antenne beim Fehlen eines Signals gelieferte Leistung
ist, kann man schreiben: - , _ p-Np.
-
Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung der Bedingung @i- -- 2:
P==2 Fb - Na.
-
@P ist eine bekannte Funktiön-des Formfaktärs'Ff des Rahmens,- der
empfangenen Frequenz' f, des Gütefaktors Q -des Rahmens im Vakuum-, des Durchmessers
d des Rahmens und der -Feldstärke hT
Darin sind: ./' ausgedrückt in Hertz, d ausgedrückt in Meter, H
ausgedrückt in Volt/Meter.
-
Man wählt zunächst den Wert der Koeffizienten F f und
Q, und man nimmt für den Wert von H den Kleinstwert der Störfeldstärke am
Einbauort der Antenne. .
-
In dem Glied 2 Fh - Na wird der Rauschfaktor Fh des
Empfängers als gegeben vorausgesetzt, und das Antennenrauschen ist der absoluten
Temperatur und der Bandbreite B proportional: Na = KTB. Darin sind: K die
Boitzman-Konstante, T die absolute Temperatur; wobei angenommen ist, daß die Antenne
an die Eingangsimpedanz des Empfingers angepaßt ist. Wenn man nach dem vorstehend
angegebenen Verfahren den Durchmesser d des Rahmens einer Antenne der in F i g.
1 bis 3 dargestellten Art bestimmt hat, können zwei Fälle auftreten: a) Der Umfang
des Rahmens ist klein gegen die Wellenlänge der Betriebsfrequenz.
-
Bei einer Betriebsfrequenz von 30 MHz ergibt beispielsweise ein Rahmen
mit einem Durchmesser von höchstens 30 cm ein Verhältnis von 5,3, was eine Verringerung
der effektiven Höhe der Antenne um etwas mehr als 1%, zur Folge hat; dies kann als
annehmbar angesehen werden.
-
b) Der berechnete Durchmesser überschreitet den kritischen Wert, was
eine übermäßige Verringerung der effektiven Höhe im oberen Teil des Bereichs zur
Folge haben würde.
-
In diesem Fall greift man auf Ferritstäbe zurück, deren Zahl ausreichend
groß ist, daß die äquivalente Fläche des Rahmens in einem Verhältnis vergrößert
wird, das die Vergrößerung des Durchmessers unter -den kritischen Wert ermöglicht.
-
Der der Hinzufügung von n Ferritstäben des Querschnitts Sb entsprechende
Leistungsgewinn ist gleich dem Quadrat des Verhältnisses der nutzbaren Fläche Su
des Rahmens zu der Fläche Sc dieses Rahmens:
Darin ist lic der Permeabilitätskoeffizient der Stäbe, der nahe bei der Torus-Permeabilität
liegt.
-
Wenn man das gewünschte Verhältnis
kennt, kann man also die zur wirksamen Begrenzung des »Antenneneffekts« erforderliche
Zahl ia von Stäben bestimmen.
-
Das Schaltbild von F i g. 5 entspricht einem Antennenrahmen mit einem
eingebauten Vorverstärker nach der Erfindung.
-
Sechs Einsteckglieder 21 bis 26 ermöglichen die Anpassung des symmetrischen
Rahmenaufbaus an sechs Teilbereiche. Jedes Einsteckglied trägt einen Kondensator
210, 220, 230, 240, 250 bzw. 260 mit einem Festwert, der einem Teilbereich entspricht
und zwischen zwei Kondensatoren 110 und 140 eingefügt wird, deren Werte in
Abhängigkeit von der gewählten Frequenz des Teilbereichs einstellbar sind. Der in
F i g. 5 dargestellte Vorverstärker besteht aus drei Stufen mit Siliziumtransistoren
53, 53a und 53h; die eine Gesamtverstärkung von 26 db mit einem Rauschfaktor
von 6 db ergeben.
-
Der entsprechend der zu empfangenden Frequenz geschnittene Quarz 51
ist in den Emitterkreis eines ersten Transistors 53 eingefügt, der in Emitterschaltung
betrieben ist. Der Bügel 52 ermöglicht die Wahl eines der Widerstände
521 bis 525 zur Einstellung der Bandbreite in Abhängigkeit von der
Frequenz. Der Quarz wirkt wie ein Serienresonanzkreis. Wenn er in Resonanz ist,
hat er die Impedanz Null. Der Gegenkopplungsgrad des Verstärkers ist dann gering,
und seine Verstärkung ist groß. Wenn der Quarz nicht in Resonanz ist, trifft das
Gegenteil ein.
-
Die Stromversorgung des Transistors 53 erfolgt über einen zweiten
Transistor 54, der in Basisschaltung geschaltet ist. Dessen dynamische Ausgangsimpedanz,
die parallel zur Impedanz des Quarzes 51
liegt, ist sehr groß. Dies ermöglicht
die Speisung der ersten Stufe 53 ohne merkliche Dämpfung des von dem Quarz gebildeten
Schwingkreises großer Güte.
-
Zur Kompensation der (bei 51a gestrichelt angedeuteten) Parallelkapazität
des @ Quarzes 51, deren Wirkung außerhalb der Bandbreite des Quarzes überwiegen
könnte, wird der am Eingang der Stufe über einen einstellbaren Kondensator 56 abgenommene
Hochfrequenzstrom dein Emitter des Transistors 54 zugeführt, der seine Phase um
I80 dreht, bevor er ihn bei 55 der oberen Klemme des Quarzes 51 zuführt. Dies hat
die Wirkung, daß der in der Parallelkapazität 51a fließende Hochfrequenzstrom
kompensiert wird.
-
Diese Kompensation ermöglicht die Erzielung eines sehr beträchtlichen
Gegenkopplungsgrades für die außerhalb der Resonanz liegenden Frequenzen, während
der Quarz bei seiner Resonanzfrequenz eine geringe Impedanz aufweist, welcher ein
sehr kleiner Gegenkopplungsgrad entspricht.
-
Man erhält dadurch eine große Selektivität des Vorverstärkers.
-
Der Vorverstärker 5 erfüllt drei Aufgaben: a) Er verstärkt das Signal
und das atmosphärische Rauschen vor der Antennenzuleitung und verringert demzufolge
die relative Wirkung der in der Antennenzuleitung aufgenommenen Störsignale.
-
b) Er verbessert den Rauschfaktor der aus der Antenne und dem Empfänger
bestehenden Anordnung.
-
c) Er ist mit einer Quarzfilteranordnung ausgestattet, die ohne Beeinträchtigung
des Rauschfaktors eine außerordentlich selektive Filterwirkung zu der bereits durch
den großen Giitefaktor des Rahmens erzielten Filterwirkung hinzufügt.
-
Die Diagramme von F i g. 6 erläutern die Ergebnisse, die mit einem
erfindungsgemäßen Antennenrahmen erzielt werden, der in dem Band von 3 bis 30 MHz
bei Unterteilung in sechs Teilbereiche arbeitet. Man liefert ein Signal, dem ein
Verhältnis
von 10 db entspricht, mit der Rahmenantenne (gestrichelte Linie), und man nimmt
in jedem der sechs Teilbereiche mit einem auf 10 MHz abgestimmten
Dipol
das Verhältnis
ab: das durch die Kurven dargestellt ist, die -als Folgen von- Kreuzehen gezeichnet
sind.
-
Die Kurven in vollen Linien geben den Gewinn an, der mit dem erfindungsgemäßen
Antennenrahmen gegenüber dem Dipol erzielt wird. Dieser Gewinn liegt im MitteFum
15 db höher. außer am Ende des Bereichs. -