DE2554829C3

DE2554829C3 - Aktive Empfangsantenne mit einer gegenkoppelnden Impedanz

Info

Publication number: DE2554829C3
Application number: DE19752554829
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof. Dr.-Ing. 8000 München Landstorfer; Heinz Prof. Dr.-Ing. 8033 Planegg Lindenmeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1975-12-05
Publication date: 1985-01-24
Also published as: DE2554829B2; DE2554829A1

Description

Wenn man die Eingangsimpedanz des Kabels direkt als Gegenkopplungswiderstand verwendet, so ist diese Impedanz im allgemeinen nicht optimal. An sich gibt es einen optimalen Gegenkopplungswiderstand auf Grund folgender Gegebenheiten: Mit wachsender Größe der gegenkoppelnden Impedanz wächst die Gegenkopplung, also die Linearität des Antennenverstärkers. Dagegen wächbt die Ausgangsleistung des Verstärkers mit abnehmendem Gegenkopplungswiderstand. Denn in einem stark gegengekoppelten Verstärker ist die an der gegenkoppelnden impedanz entstehende Nutzspannung nahezu unabhängig von der Größe der gegenkoppelnden Impedanz und daher die Ausgangsleistung des Dreipols D umso größer, je größer der Ausgangsstrom in der Quellzuleitung ist, d. h. je kleiner die gegenkoppelnde Impedanz ist

Die Ausgangsleistung einer aktiven Empfangsantenne bestimmt das Signal-Rauschverhältnis der Empfangsanlage, weil diese Anlage zwei voneinander unabhängige Rauschqueüen besitzt, nämlich das Rausehen der aktiven Antenne und das Rauschen des Empfängers. Je größer der Verstärkungsfaktor der aktiven Antenne ist, desto mehr bestimmt das Rauschen der Antenne neben dem Rauschen des Empfängers das Signal-Rauschverhältnis der Empfangsanlage. Da die Rauschzahl der aktiven Antenne vielfach geringer ist als die Rauschzahl des Empfängers, strebt man an, durch eine ausreichende Verstärkung in der aktiver. Antenne den Rauschbeitrag des Empfängers im Signal-Rauschverhältnis der Empfangsanlage sehr klein zu machen, Nachrichtentechnische Zeitschrift 1968, Band 21, S. 322-329, dort Gl. (29).

Wenn man die Eingangsimpedanz des Kabels K direkt als gegenkoppelnde Impedanz verwendet, so hat, wie bereits festgestellt, diese Impedanz durchweg nicht die optimale Größe. In der nicht als vorveröffentlicht geltenden DE-OS 23 63 272 ist daher in Fig.3b und c vorgeschlagen worden, die Eingangsimpedanz des Kabels durch einen in Serie oder parallel geschalteten Widerstand R_p zu verändern. Da dieses R_p jedoch Leistung verbraucht, sinkt dadurch die dem Empfänger aus dem Ausgang der aktiven Antenne zugeführte Leistung und dadurch das Signal-Rauschverhältnis der Empfangsanlage. Ferner ist R_p eine zusätzliche Rauschquelle, so daß durch R_p das Signal-Kauschverhältnis der Empfangsanlage verschlechtert wird. Die Optimierung der gegenkoppelnden Impedanz sollte daher ohne Mitwirkung leistungsverbrauchender Widerstände erfolgen.

Es ist deshalb bedeutungsvoll, die optimale Dimensionierung zwischen den Forderungen nach Linearität und nach kleinem Signal-Rauschverhältnis ohne Verwendung von leistungsverbrauchenden und zusätzliches Rauschen erzeugenden Maßnahmen zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, bei einer Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die nichtlinearen Wirkungen der Antenne wesentlich zu reduzieren, ohne das Signal-Rauschverhältnis wesentlich zu beeinträchtigen.

Dies geschieht bei einer aktiven Empfangsantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch, daß der verlustarme passive Vierpol unter Berücksichtigung des Kabels und der Empfängereingangsschaltung so gestaltet ist,daß seine Eingangsimpedanz bei der Betriebsfrequenz ein Minimum des Scheinwiderstandes besitzt und der Scheinwiderstand mit wachsendem Abstand der Frequenz von der Betriebsfreauenz wäch-.t.

Ist die gegenkoppelnde Impedanz frequenzabhängig, so erscheinen am Ausgang der im allgemeinen breitbandigen Antenne alle empfangenen Frequenzen, und zwar wegen der frequenzabhängigen Gegenkopplung in anderer Amplitudenverteilung als in der empfangenen Welle. Besitzt die gegenkoppelnde Impedanz nicht das im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Merkmal, so können starke Störsender auf diesem Wege den Empfänger übersteuern oder in ihm Kreuzmodulation erzeugen, da die verschiedenen Empfangsfrequenzen durch das Kabel K zum Empfänger gelangen. Da die aktive Antenne verstärkt, sind ihre Ausgangsamplituden oft größer als diejenigen passiver Antennen und daher tritt dann die Nichtlinearität des Empfängers beim Empfang von Störsendern mehr in Erscheinung.

Wesentlich für die Erfindung ist es deshalb, die Frequenzabhängigkeit der Gegenkopplung durch geeignete Wahl des Vierpols so ei^Tustellen, daß die Größe der gegenkoppelnden Impedanz bei der Betriebsfrequenz ein Minimum besitzt und mit wachsendem Abstand der Störfrequenz von der Betriebsfrequenz wächst, so daß die Verstärkung mit wachsendem Abstand der Störfrequenz von der Betriebsfrequenz abnimmt und dadurch die störende Wirkung der Störfrequenzen im Empfänger umso kleiner wird, je weiter die Störfrequenz von der Betriebsfrequenz entfernt ist Da ein auf die Betriebsfrequenz abgestimmter Serienresonanzkreis die genannten Impedanz-Eigenschaften besitzt, soll der hier vorliegende, allgemeinere Fall im folgenden so ausgedrückt werden, daß die Eingangsimpedanz des passiven Vierpols so gewählt ist, daß sie wie ein Serienresonanzkreis wirkt, der auf die Betriebsfrequenz abgestimmt ist

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte aktive Antenne mit gegenkoppelnder Impedanz Z\

Fig.2 eine aktive Antenne nach der Erfindung mit verlustarmem passiven Vierpol mit gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 bemessener Eingangsimpedanz Z;

F i g. 3 einen verlustarmen passiven Vierpol mit Übertrager und sekundärseitigem Serienblindwiderstand;

Fig.4 einen verlustarmen passiven Vierpol mit Übertrager und sekundärseitigem Parallelblindwiderstand;

F i g. 5 einen verlustarmen passiven Vierpol mit Autotransformator und sekundärseitigem Serienbliiidwid-vstand;

F i g. 6 einen passiven Vierpol mit Autotransformator und sekundärseitfger Serienkapazität in Kombination mit der Ersatzschaltung eines elektrisch kurzen Antennenausgangskabels und einer Empfängereingangsschaltung mit abstimmbarem Parallelresonanzkreis und Eingan^stransistor Tf.

Der grundsätzliche Aufbau einer aktiven Antenne mit gegenkoppelnder Impedanz geht aus F i g. 1 hervor. Die aktive Antenne besteht nach F i g. 1 aus einem passiven Antennenteil A, einem aktiven Dreipol D und einer gegenkoppelnden Impedanz Z. Der passive Antennenteil besitzt zwei Anschlüsse 1 und 4, wobei 4 als der Massepunkt der aktiven Antenne bezeichnet wird und im Kraftfahrzeug mit der Karosserie verbunden ist. Der aktive Dreipol enthält mindestens einen Transistor und hat 3 Anschlüsse 1, 2 und 3. Im vorliegenden Fall mit

Gegenkopplung, bei dem aus der gegenkoppelnden Impedanz die Ausgangssignalleistung des Dreipols entnommen wird, ist 3 der hochfrequente Ausgangssignalanschluß des Dreipols. Wenn beispielsweise der Dreipol einen bipolaren Ausgangstransistor T besitzt, der auch die hochfrequente Parallelschaltung mehrerer Transistoren sein kann, ist 3 der Emitteranschluß des Ausgangstransistors. Der Dreipol hat einen Steueranschluß 1 und die Steuerspannung des Dreipols liegt zwischen den Anschlüssen 1 und 3. Der Anschluß 2 dient in bekannter Weise der Zuführung von Strömen, die zum Enstehen der Ausgangssignalströme erforderlich sind. Es können in komplizierteren Dreipolen mehrere derartige Zuführungsanschlüsse vorhanden sein. Diese Punkte können alle oder teilweise mit dem Massepunkt 4 der Antenne hochfrequent verbunden sein, um zusammen mit den Wechselströmen des Dreipols in sich geschlossene Wechseistromkreise zu bilden. Dies isi in F i g. 1 schematisch durch einen Überbrückungskondensator Co zwischen den Punkten 2 und 4 dargestellt. Der Steueranschluß des Dreipols ist an den Anschluß 1 des passiven Antennenteils angeschlossen. Die gegenkoppelnde Impedanz Z liegt zwischen dem Ausgangssignalanschluß 3 des Dreipols und dem Massepunkt 4.

F i g. 2 zeigt eine Antenne nach der Erfindung. Die frequenzabhängige gegenkoppelnde Impedanz Z wird durch die Eingangsimpedanz des verlustlosen Vierpols Vgebildet, dessen Ausgang an den Klemmen 6 und 7 mit der Eingangsimpedanz des Kabels K belastet ist, das an seinem Ende mit der Empfängereinsangsschaltung abgeschlossen ist. Hierbei ist der passive Vierpol gemäß der Erfindung so gestaltet, daß seine Eingangsimpedanz Z bei der Betriebsfrequenz ein Minimum des Scheinwiderstands besitzt und der Scheinwiderstand mit wachsendem Abstand von der Betriebsfrequenz wächst.

in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Vierpol V aus einem verlustarmen, möglichst fest gekoppelten Übertrager, dem gegebenenfalls auf seiner Primärseite oder auf seiner Sekundärseite ein Blindwiderstand jX in Serie oder parallelgeschaltet ist Die Fig.3 und 4 zeigen als Beispiele die Zuschaltung des Blindwiderstandes jX auf der Sekundärseite. Dieser Blindwiderstand kann erforderlich sein, wenn die Eingangsimpedanz des Kabels eine für die Erzeugung der gegenkoppelnden Impedanz nach der Erfindung ungeeignete Blindkomponente enthält. Der Übertrager kann zwecks Verringerung des Aufwandes ein sogenannter Autotransformator sein, der aus einer einzigen Spule mit drei Anschlüssen 3,4,5 besteht und dessen Anschlüsse in bekannter Weise so an die Anschlüsse 3 und 4 und an das Kabel angeschlossen sind, daß die geforderte Transformation entsteht F i g. 5 zeigt als Beispiel den Autotransformator in einer Schaltung, die die Eingangsimpedanz des Kabels einschließlich des zugefügten Blindwiderstandes JX in einen kleineren Wert transformiert

Wenn der passive Vierpol einen Übertrager enthält wie z. B. in F i g. 3 bis F i g. 5 und dieser Übertrager so gewählt ist, daß seine Kopplung hinreichend fest ist, dann multipliziert er in erster Näherung die Impedanz auf seiner Sekundärseite mit einem Übertragungsfaktor. Dann ist es für die erfindungsgemäße Schaffung einer Serienresonanz am Übertragereingang erforderlich, daß die genannte Serienresonanz bereits in derjenigen Impedanz erscheint die den Übertrager auf seiner Sekundärseite belastet nämlich der Kombination des Blindwiderstandes jX und der Eingangsimpedanz des Kabels.

Im üblichen Anwendungsfall, bei dem der Empfänger mehrere abstimmbare Einzelkanäle besitzt, ist die Eingangsimpedanz des Empfängers durch das auf die jeweilige Betriebsfrequenz abgestimmte Eingangsnetz-

werk des Empfängers bestimmt. Solange dieses Eingangsnetzwerk, das Empfängerkabel und der passive Vierpol V verlustarm sind, gibt es nach den allgemeinen Regeln über die Impedanz von verlustarmen Blindwiderstandskombinationen immer die Möglichkeit der

ίο Erzeugung von Resonanzen der Eingangsimpedanz des passiven Vierpols Vderart, daß der Serienresonanzcharakter der gegenkoppelnden Impedanz durch Abstimmung von Blindwiderständen im Eingangsnetzwerk des Empfängers entsteht Vergleiche H. Meinke, Einführung

in die Elektrotechnik höherer Frequenzen, Band 1,1965; dort insbesondere S. 112 bis 115 und Abb. 107, Abb. 108. Hierbei wird vorausgesetzt, daß zur Verein-

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maßnahmen in dem mit der Antenne verbundenen passiven Vierpol Vnicht vorgesehen sind.

Für den speziellen Fall heutiger Autoempfänger im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich besteht eine besonders einfache Möglichkeit, eine solche frequenzabhängige Gegenkopplung mit Serienresonanzcharak-

ter für mehrere Betriebsfrequenzen durch geeignete Abstimmung des Eingangsnetzwerks des Empfängers herzu,.iellen. Nach Fig.6 besteht der Empfängereingang heute üblicher Autoempfänger aus einem Eingangstransistor Tb einer abstimmbaren Induktivität L_E

und einer Eingapgskapazität Gj. Das Empfängerkabelwirkt wie eine dem Eingangskreis des Empfängers parallelgeschaltete Kapazität Ck- Die Eingangsimpedanz des Kabels ist also die Impedanz eines Parallelresonanzkreises mit veränderbarer Resonanz-

frequenz. Der Blindwiderstand jX des passiven Vierpols V hat immer eine solche Frequenzabhängigkeit daß X mit wachsender Frequenz wächst, unabhängig von seinem Aufbau. Die abstimmbare Induktivität L_Ewird so abgestimmt daß an den Eingangsanschlüssen 3, 4 des

passiven Vierpols bei der jeweiligen Betriebsfrequenz angenähert eine Resonanz derart entsteht, daß die Eingangsimpedanz des passiven Vierpols V an den Anschlüssen 3, 4 nahezu reell ist und den Charakter eines Serienresonanzkreises besitzt

Im einfachsten Fall kann man eine solche Serienresonanz durch ein jX aus einem einzelnen Blindwiderstand erzeugen, wobei eine Induktivität oder eine Kapazität eine mögliche Lösung darstellt In F i g. 6 ist eine Schaltung gezeichnet, in der das /X durch eine

Kapazität C auf der Sekundärseite des Übertruiers und in Serie zur Eingangsimpedanz des Kabels liegend dargestellt ist Stellt man dann die abstimmbare Kreisinduktivität L_E so ein, daß die Betriebsfrequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz des aus Ck, Ce

und Le bestehenden Parallelresonanzkreises liegt so ist die Impedanz dieses Parallelresonanzkreises bei der Betriebsfrequenz induktiv und kann mit dem vorgeschalteten C des passiven Vierpols eine Serienresonanz bei der Betriebsfrequenz bilden.

Wenn JX eine Induktivität ist stelk man die abstimmbare Kreisinduktivität Le des Empfängereingangs so ein, daß die Betriebsfrequenz etwas oberhalb der Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises liegt, so daß die Impedanz dieses Parallelresonanzkrei-

ses bei der Betriebsfrequenz kapazitiv ist und mit der vorgeschalteten Induktivität des passiven Vierpols eine Serienresonanz bei der Betriebsfrequenz bilden kann. Zur Vereinfachung der Schaltung des passiven Vierpols

wird in einer vorteilhaften Ausführungsform des passiven Vierpols der Übertrager Üso gestaltet, daß die zur Darstellung des jX verwendete Induktivität als Streuinduktivität Bestandteil des Übertragers ist.

Die hier für eine aktive Antenne zum Empfang des Lang-, Mittel- und/oder Kurzwellenbereichs beschrie-

bene Anordnung kann auch Bestandteil einer Autoantenne sein, bei der an den gleichen passiven Antennenteil A ein zusätzlicher Übertragungsweg für den Empfang des Ultrakurzwellen-Rundfunks angeschlossen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aktive Empfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil, einem aktiven Dreipol mit Quell- und Steueranschluß und einer gegenkoppelnden Impedanz, wobei der aktive Dreipol einen oder mehrere, parallelgeschaltete Ausgangstransistoren enthält und der Quellanschluß der Ausgangstransistoren der Quellanschluß des aktiven Dreipols ist und dieser Quellanschluß hochfrequent mit dem einen Anschluß der gegenkoppelnden Impedanz und der Steueranschluß des aktiven Dreipols mit dem einen Anschluß des passiven Antennenteils verbunden ist und dei zweite Anschluß der gegenkoppelnden Impedanz mit dem zweiten Anschluß des passiven Antennenteils verbunden ist und als gegenkoppelnde Impedanz die Eingangsimpedanz eines veijustannen passiven Vierpols dient, der an seinem Ausgang mit einem zu einem Empfänger führenden Kabel verbunden 'St, dessen Ausgang mit der Eingangsschaltung des Empfängers abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der verlustarme passive Vierpol (V) unter Berücksichtigung des Kabels (K) und der Empfängereingangsschaltung so gestaltet ist, daß seine Eingangsimpedanz (Z) bei der Betriebsfrequenz ein Minimum des Scheinwiderstands besitzt und der Scheinwiderstand mit wachsendem Abstand der Frequenz von der Betriebst rtxjuenz wächst

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung des Empfängers ein je nach Betriebsfrequen^ in mindestens einem seiner Blindwiderstände einstellbares Resonanznetzwerk ist

3. Antenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Vierpol (V) aus einem Übertrager (Ü) und einem in Serie oder parallel zu seiner Sekundärseite geschalteten Blindwiderstand (jX)besleht.

4. Anter.r;.: nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Vierpol (V) aus einem Übertrager (0) und einem in Serie zu seiner Primärseite geschalteten Blindwiderstand besteht

5. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der übertrager eine Spule mit 3 Anschlüssen (3, 4, 5), d.h. ein sogenannter Autotransformator, ist (F i g. 5).

6. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager fest gekoppelt ist.

7. Antenne nach Anspruch 3, 5 und 6 in deren Rückbeziehung auf Anspruch 2, in Kombination mit einem Autoempfänger, dessen Eingangsschaltung als Resonanznetzwerk einen Parallelresonanzkreis besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand QX) des passiven Vierpols eine Kapazität (C) in Serie zur Sekundärspule des Übertragers ist.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 3,4, 5 mit einer Serieninduktivität als Blindwiderstand des passiven Vierpols, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager so gestaltet ist, daß diese Serieninduktivität als Streuinduktivität Bestandteil des Übertragers ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Empfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil, einem aktiven Dreipol mit Quell- und Steueranschluß und einer gegenkoppelnden Impedanz, wobei der aktive Dreipo! einen oder mehrere paraUelgeschaltete Ausgangstransistoren enthält und der Quellanschluß der Ausgangrtransistoren der Quellanschluß des aktiven Dreipols ist und dieser Quellanschluß hochfrequent mit dem einen Anschluß der gegenkoppelnden Impedanz

ίο und der Steueranschluß des aktiven Dreipols mit dem einen Anschluß des passiven Antennenteils verbunden ist und der zweite Anschluß der gegenkoppelnden Impedanz mit dem zweiten Anschluß des passiven Antennenteils verbunden ist und als gegenkoppelnde Impedanz die Eingangsimpedanz eines verlustarmen passiven Vierpols dient, der an seinem Ausgang mit einem zu einem Empfänger führenden Kabel verbunden ist, dessen Ausgang mit der Eingangsschaltung des Empfängers abgeschlossen ist

Eine solche Antenne ist aus der DE-OS 21 15 657 bekannt, vgl. Anspruch 7 unter Berücksichtigung von Seite 7, vorletzter Absatz.

In der DE-AS 20 21331 ist ein rauscharmer gegengekoppelter Antennenverstärker mit mehreren Verstärkerstufen beschrieben, der aus einem aktiven Dreipol mit mehrten bipolaren Transistoren und einem in der Emitterzuleitung des Ausgangstransistors liegenden Gegenkopplungswiderstand besteht; siehe dort in Fig. 4 für einen Dreipol mit zwei Transistoren und in Fig.

1 für einen Dreipol mit drei Transistoren.

In der deutschen OS 23 28 925 ist in Bild 13 ein komplizierter Dreipol mit mehreren Transistoren gezeigt in dem die Ausgangstransistoren hochfrequent parallelgeschaltet sind und dessen nur hochfrequent wirkende Gegenkopplungsimpedanz die Eingangsimpedanz des Kabels mit einem vorgeschalteten Kondensator ist. Das Kabel führt zum Empfänger.

Im folgenden sollen die Begrirfe Quellanschluß und Steueranschluß näher erläutert werden. Ein aktiver Dreipol besitzt einen Quellanschluß, einen Steueranschluß und eine Senke. Die nach derzeitigem Stand der Technik bekannten Grundelemente aktiver Dreipole sind Elektronenröhren, Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren. Die Kathode der Röhre, der Emitter des Bipolartransistors bzw. die Source des Feldeffekttransistors bilden entsprechend ihrer Funktion jeweils den Quellanschluß des aktiven Dreipols. Ebenso repräsentieren das Gitter, die Basis bzw. das Gate, entsprechend ihrer physikalischen Funktion, jeweils die

so Steuerelektrode. Schließlich entspricht jeweils der dritte Anschluß, d. i. die Anode bzw. der Kollektor bzw. die Drainelektrode, der Senke des aktiven Dreipols. Diese Grundelemente lassen sich auf aus der Verstärkertechnik an sich bekannte Weise auch unter Hinzuziehung von nicht verstärkenden Bauelementen zu neuen aktiven Dreipolen kombinieren, wie dies beispielhaft in der erwähnten DE-OS 23 28 925 in F i g. 13 erfolgt ist.

Aktive Empfangsantennen müssen rauscharm und linear sein. Einerseits sollen sie schwache Signale mit gutem Signal-Rauschabstand empfangen, andererseits sollen sie möglichst wenig nichtlineare Effekte zeigen, also wenig Kreuzmodulation und wenig Übersteuerungseffekte. Besonders bei Einsatz in Kraftfahrzeugen erweist sich die Forderung nach extremer Linearität und großer Übersteuerungsfestigkeit als besonders bedeutsam, weil die sich bewegenden Fahrzeuge laufend wechselnde Feldstärken antreffen und auch in die Nähe leistungsstarker Sender gelangen können.