DE10114769A1

DE10114769A1 - Aktive Breitbandempfangsantenne

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Publication number: DE10114769A1
Application number: DE10114769A
Authority: DE
Inventors: Heinz Lindenmeier; Jochen Hopf; Leopold Reiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: EP1246294A3; EP1246294B1; EP1246294A2; US20020171600A1; DE10114769B4; JP3124385U; US6603435B2; JP2002359570A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aktive Breitbandempfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil (1) mit einer frequenzabhängigen effektiven Länge l¶e¶, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Eingangsanschlüssen einer Verstärkerschaltung (21) verbunden sind. Die Verstärkerschaltung (21) besteht aus einem Feldeffekttransistor (2) und einer verlustarmen Filterschaltung (3) mit einer Eingangsadmittanz (7). Die verlustarme Filterschaltung (3) ist an ihrem Eingang (6) an den Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2) angeschlossen. An ihrem Ausgang (4) ist das hochfrequente Empfangssignal (8) ausgekoppelt, und die verlustarme Filterschaltung (3) ist mit einem an ihrem Ausgang (4) wirksamen Wirkwiderstand (5) belastet und die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) sind derart gewählt, dass die Frequenzabhängigkeit des Realteils G der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) derart eingestellt ist, dass bei geforderter Empfangsleistung der durch die frequenzabhängige affektive Länge l¶e¶ des passiven Antennenteils (1) bedingte Frequenzgang im hochfrequenten Empfangssignal (8) innerhalb eines breiten Frequenzbandes nach frei gewählten Gesichtspunkten gestaltet ist und der Betrag der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) außerhalb dieses Frequenzbandes zur Vermeidung von nichtlinearen Effekten im Sperrfrequenzbereich hinreichend klein ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Breitbandempfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil 1 mit einer frequenzabhängigen effektiven Länge l_e, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Eingangsanschlüssen einer Verstärkerschaltung 21 verbunden sind. Elektrisch lange Antennen oder Antennen, die sich in direkter Kopplung mit elektrisch großen Körpern befinden, besitzen bei Erregung mit einer über der Frequenz konstant gehaltenen elektrischen Feldstärke eine frequenzabhängige Leerlaufspannung, die sich durch die effektive Länge l_e(f) ausdrückt. Insbesondere im Frequenzbereich oberhalb 30 MHz ist die Antennenrauschtemperatur TA bei terrestrischer Umgebung - von tiefen Frequenzen kommend - soweit abgesunken, dass für Bipo lartransistoren von Seiten des passiven Antennenteils eine Quellimpedanz in der Nähe der für den Transistor optimalen Impedanz Z_opt für Rauschanpassung zu fordern ist, um keinen wesentli chen Empfindlichkeitsverlust durch das Transistorrauschen zu erleiden. Die Grundform einer aktiven Antenne dieser Art ist in Fig. 2a dargestellt und ist bekannt z. B. aus der DT-AS 23 10 616, der DT-AS xx xx 300. Bei aktiven Breitbandantennen, welche nicht kanalselektiv, sondern auf ein Frequenzband, wie z. B. dem UKW-Rundfunkfrequenzbereich breitbandig abgestimmt sind, ist es notwendig, die Antennenimpedanz Z_S(f) eines kurzen Strahlers in Z_A(f) in die Nähe von Z_opt zu transformieren. Dies führt sowohl bei elektrisch großen als auch bei elektrisch kleinen Antennen zu einer frequenzabhängigen Leerlaufspannung am Transistoreingang, welche sich als stark frequenzabhängige effektive Länge l_e(f) des passiven Antennenteils ausdrückt, woraus sich in Verbindung mit der Frequenzabhängigkeit des Spannungsteilungsfaktors zwischen Z_opt und dem davon abweichenden Eingangswiderstand des Transistors die Notwendigkeit ergibt, den daraus resultierenden Frequenzgang des Empfangssignals am Lastwiderstand Z_L mit Hilfe einer Anpassungsschaltung am Ausgang der aktiven Schaltung zu glätten. Dies ist auch zum Schutz der nachfolgenden Empfangsanlage gegen nichtlineare Effekte durch Pegelüberlastung notwen dig.

Die Grundform einer aktiven Antenne dieser Art ist in Fig. 2a dargestellt und ist bekannt z. B. aus der DT-AS 23 10 616, der DT-AS xx xx 300. Aktive Antennen nach diesem Stand der Technik werden z. B. in großem Umfang oberhalb des Hochfrequenzbereichs mit Antennenanordnungen in einer Kraftfahrzeugfensterscheibe zusammen mit einem Heizfeld für die Scheibenheizung angebracht, wie z. B. in EP 0 396 033, EP 0 346 591 und in EP 0 269 723 beschrieben. Bei den als passiver Antennenteil 1 verwendeten Strukturen der Heizfelder handelt es sich um ursprüng lich nicht für die Nutzung als Antenne vorgesehene Fahrzeugteile, welche aufgrund ihrer Funkti on zur Heizung nur wenig veränderbar sind. Wird an einem derartigen Antennenelement eine aktive Antenne nach dem Stande der Technik wie in Fig. 2a realisiert, so ist die am Heizfeld vorliegende Impedanz mit Hilfe einer primären Anpassschaltung in die Nähe der Impedanz Z_opt für Rauschanpassung zu transformieren und der Frequenzgang der aktiven Antenne mit Hilfe eines ausgangsseitigen Anpassungsnetzwerks zu glätten. Dieses Vorgehen bedingt die relativ umständliche Dimensionierung zweier Filterschaltungen, welche für ein vorteilhaftes Gesamt verhalten der aktiven Antenne aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit voneinander nicht für jedes Filter getrennt erfolgen kann. Hinzu kommt, dass die Verstärkerschaltung zur Erzielung hinreichender Linearitätseigenschaften nicht als einfaches verstärkendes Element wie in Fig. 2a gestaltet werden kann, wodurch die gestalterische Freiheit der beiden Anpassnetzwerke nen nenswert eingeengt ist. Zusätzlich ist mit der Gestaltung von zwei Filtern ein erhöhter Aufwand verbunden. Als weiterer nennenswerter Nachteil einer aktiven Antenne dieser Art zeigt sich die Belastung der an das Heizfeld angeschlossenen Anpassschaltung mit nachgeschaltetem Verstär ker, wenn aus demselben Heizfeld mehrere aktive Antennen zur Bildung eines Antennendiversi tysystems bzw. einer Gruppenantenne mit besonderen Richteigenschaften oder anderen Zwecken gestaltet sind. Dieser nachteilige Sachverhalt liegt bei allen Antennenanordnungen vor, deren passive Antennenteile in nennenswerter elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen. Beispielsweise werden nach dem Stand der Technik bei einem aus dem Heizfeld gebil deten Mehrantennen-Scanning-Diversitysystem an den am Heizfeld gebildeten Anschlussstellen für die Antennenverstärker Schaltdioden angebracht, welche jeweils nur diejenige Anpassungs schaltung mit Verstärker anschaltet, deren Signal zum Empfänger durchgeschaltet wird und wel che die übrigen Anschlussstellen freischalten. Dies führt in solchen Systemen zu einem erhebli chen Aufwand und zu der zusätzlichen Forderung der genau mit der Antennenauswahl synchro nen Umschaltung der Dioden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine aktive Breitband-Empfangsantenne nach dem Ober begriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass bei vorgegebenem passiven Antennenteil unter Si cherstellung einer hohen Rauschempfindlichkeit eine weitgehend unabhängig von der Frequenz abhängigkeit der effektiven Länge und der Impedanz des passiven Antennenteils frei wählbare Frequenzabhängigkeit der Empfangsleistung erreicht wird und, dass für Mehrantennenanordnun gen die mehrfache Auskopplung von Empfangssignalen aus einer passiven Antennenanordnung mit mehreren Anschlussstellen, welche in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen, durch die Bildung der aktiven Antennen keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangssignale gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen im Besonderen in der Reduzierung des Aufwands und in der Einfachheit zur Erzielung eines hinsichtlich des Signalrauschverhältnisses und hinsichtlich der Gefährdung durch nichtlineare Effekte optimalen Empfangssignals. Auf grund des Wegfallens eines primären Anpassnetzwerkes in Verbindung mit der eingangsseitigen Hochohmigkeit der Verstärkerschaltung ergibt sich eine äußerst vorteilhafte Freiheit bei der Ge staltung komplizierter Mehrantennensysteme, deren passive Antennenteile in Strahlungskopp lung zueinander stehen. Die im Zusammenhang mit der Diversityanordnung oben erwähnten Schaltdioden zur Freischaltung von Anschlussstellen, an denen jeweils kein Signal zur Durch schaltung zum Empfänger verwendet ist, sind demnach vorteilhaft nicht notwendig.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer aktiver Breitbandempfangsantennen und Antennensy steme sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Im ein zelnen zeigt:

Fig. 1 Aktive Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit einer direkt an den passiven Anten nenteil 1 angeschlossenen Verstärkerschaltung 21 mit einem Feldeffekttransistor 2, mit in der Sourceleitung befindlicher Eingangsadmittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 und aus gangsseitig wirksamem Wirkwiderstand 5.

Fig. 2

a) Elektrisches Ersatzschaltbild einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit Serienrauschspannungsquelle u_r und in ihrer Wirkung vernachlässigbarer Parallelrauschstromquelle i_r des Feldeffekttransistors 2 mit einer außerhalb des Übertragungsbereichs eingangsseitig hochohmigen verlustarmen Filterschaltung 3.
b) Elektrisches Ersatzschaltbild einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach dem Stand der Technik mit Rauschanpassungsnetzwerk und frequenzabhängiger effektiver Länge des passiven Antennenteils 1 am Anschlusspunkt des Transistors und ausgangsseitigem Anpassungsnetzwerk zur Glättung des Frequenzgangs.

Fig. 3

a) Elektrisches Ersatzschaltbild wie in Fig. 2a, jedoch mit ausgangsseitigem Abschluß der ver lustarmen Filterschaltung 3 mit einer Hochfrequenzleitung 10 und einer daran angeschlossenen Verstärkereinheit 11 mit Beitrag des Eigenrauschens der Verstärkereinheit 11 zum Gesamtrau schen.
b) Elektrisches Ersatzschaltbild wie in Fig. 3a mit einer Verstärkereinheit 11 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 mit einer Hochfrequenzleitung 10 und einer weiterführenden Ver stärkerschaltung.

Fig. 4 Gestaltung eines erweiterten Feldeffekttransistors 2 mit Hilfe eines Eingangs-Feldeffekttransis tors 13 und eines durch die Source angesteuerten Bipolartransistors 14 in Emitterfolgerschaltung.

Fig. 5 Beispiel einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit einem miniaturisiert ausgeführten Frontend der aktiven Antenne, einer Hochfrequenzleitung 10 und einer ergänzen den Filterschaltung 3 zur Anbringung auf der Heckfensterscheibe eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 6

a) Verlauf der seriellen Blindwiderstände X₁ und X₃ sowie des parallelen Blindleitwerts B₂ der erfindungsgemäßen T-Filteranordnung in Fig. 6b über der Frequenz am Beispiel der breitbandi gen Abdeckung der Rundfunkbereiche UKW-Hörrundfunk sowie VHF- und UHF-Fernsehrund funk.
b) Elektrisches Ersatzschaltbild einer Antenne nach der Erfindung für die unter a) genannten Frequenzbereiche.

Fig. 7 Aktive Antenne nach der Erfindung mit zwei Übertragungswegen für unterschiedliche Übertra gungsfrequenzbereiche und Aufspaltung der Signalwege am Ausgang des Eingangs-Feldeffekt transistors 13 mit jeweils einem Bipolartransistor 14 und nachgeschalteter verlustarmer Filter schaltung 3 für den betreffenden Übertragungsfrequenzbereich und Zusammenschaltung der Ausgangssignale am gemeinsam wirksamen Wirkwiderstand 5.

Fig. 8 Aktive Antenne nach der Erfindung mit einem weiteren Feldeffekttransistor 17 zur Kompensati on von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und einem ausgangsseitigen Um symmetrierglied 20.

Fig. 9 Aktive Antenne wie in Fig. 8, jedoch mit einer Signalverzweigung entsprechend der Antenne in Fig. 7 mit jeweils einem Umsymmetrierglied 20 am Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3.

Fig. 10 Aktive Antenne nach der Erfindung mit einem Übertrager 24 zur Schaffung günstiger Übertra gungsverhältnisse und einem Linearisierungswiderstand 30 zur weiteren Erhöhung der Linearität.

Fig. 11 Aktive Antenne nach der Erfindung, jedoch mit einem Übertrager 24 mit hinreichend hochohmi ger Primärinduktivität und hinreichend großem Übersetzungsverhältnis zur breitbandigen Erhö hung der effektiven Länge l_e.

Fig. 12 Aktive Antenne nach der Erfindung mit einer in der verlustarmen Filterschaltung 3 gestalteten frequenzselektiven Signalverzweigung.

Fig. 13 Gruppenantenne zur Gestaltung von Richtwirkungen mit einer passiven Antennenanordnung 27 mit elektrischer Strahlungskopplung zwischen den Anschlussstellen 18, welche jeweils mit einer Verstärkerschaltung 21 und einer Hochfrequenzleitung 10 beschaltet sind und deren Signale im Antennencombiner 22 zusammengefasst sind.

Fig. 14 Scanningdiversity-Antennenanlage mit einer Anordnung wie in Fig. 13, jedoch mit elektroni schen Umschalter 25 an Stelle des Antennencombiners 22 und jeweils einem Ersatzlastwider stand 26 zur Belastung der nicht durchgeschalteten Antennenzweige.

Fig. 15

a) Scanningdiversity-Antennenanlage gebildet aus auf die Fensterscheibe gedruckten Heizfeldern mit diversitätsmäßig geeignet positionierten Anschlussstellen 18 zur Erreichung diversitätsmäßig unabhängiger Empfangssignale 8.
b) Scanningdiversity-Antennenanlage wie unter a), jedoch mit einer auf die Fensterscheibe ange brachten leitenden Fläche mit hinreichend kleinem Oberflächenwiderstand und Gestaltung von Anschlussstellen 18 mit Hilfe galvanisch oder kapazitiv angekoppelter Sammelelektroden.

Fig. 16 Scanningdiversity-Antennenanlage gebildet aus auf die Fensterscheibe gedruckten Heizfeldern mit diversitätsmäßig geeigneten Anschlussstellen 18 und gesondert ermittelten Blindleitwerten 23 zur Erhöhung der diversitätsmäßigen Unabhängigkeit der Empfangssignale.

Fig. 17 Passiver Antennenteil 1 mit einer Anschlussstelle 18, deren beide Anschlüsse gegenüber dem Masseanschluß hochliegen, mit einem Feldeffekttransistor 2 und einem weiteren Feldeffekttran sistor 17 und einer massesymmetrisch ausgeführten verlustarmen Filterschaltung 3 und einem ausgangsseitigen Umsymmetrierglied 20 zur Erzeugung unsymmetrisch vorliegender Empfangs signale am wirksamen Wirkwiderstand 5.

Fig. 18

a) und b): Beispielhafte Antennenkonfigurationen möglicher passiver Antennenteile 1
b) Impedanzverläufe der Antennenstrukturen A1, A2 und A3 in der Imepanzebene im Frequenz bereich von 76 bis 108 MHz und schraffierte Bereiche für R_A < R_Amin und R_A < R_Amax
c) Realteile der Antennenimpedanzen nach c) mit zulässigem Wertebereich R_Amin < R_A < R_Amax

In Fig. 1 ist eine Antenne nach der Grundform der Erfindung dargestellt. Am Beispiel des auf eine Fensterscheibe gedruckten Heizfeldes eines Kraftfahrzeugs ist ersichtlich, dass der passive Antennenteil 1 nicht in einer Form gestaltet werden kann, dass sie hinsichtlich der Verwendung als Antenne im Meter- und Dezimeterwellenbereich besondere gewünschte Eigenschaften besitzt und somit eine entsprechend ihrer geometrischen Struktur und der metallischen Umrandung des Fensters eine zufällige Frequenzabhängigkeit sowohl der effektiven Länge l_e als auch ihrer Im pedanz besitzt. Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine aktive Antenne zu realisieren, welche es erlaubt, diese Zufälligkeit der Frequenzabhängigkeit des vorgegebenen passiven Antennenteils 1 mit Hilfe einer wenig aufwändigen und einfach zu ermittelnden und einfach zu realisierenden aktiven Antenne aufzufangen und bezüglich Eigenrauschen, Linearität und Frequenzgang frei zu gestalten und zwischen der einfallenden Welle mit der elektrischen Feldstärke E und dem hochfrequenten Empfangssignal 8 einen vorgegebenen Frequenzgang zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die an einer Anschlussstelle 18 vorliegende Empfangsspan nung der Verstärkerschaltung 21 zugeführt, wobei diese aus einem Feldeffekttransistor 2, wel cher in seiner Sourceleitung mit der Eingangsadmittanz 7 einer verlustarmen Filterschaltung 3 gegengekoppelt ist, welche an ihrem Ausgang mit einem wirksamen Wirkwiderstand 5 abge schlossen ist. Bei einer Antenne dieser Art ist die Eingangsadmittanz 7 erfindungsgemäß z. B. derart zu gestalten, dass die starke Frequenzabhängigkeit, welche die Empfangsleerlaufspannung, ausgedrückt durch die wirksame Länge l_e des so gestalteten passiven Antennenteils 1 im hoch frequenten Empfangssignal 8 weitgehend ausgeglichen ist.

Die Funktionsweise und der Gestaltungsgrundsatz einer Antenne nach der Erfindung werden an Hand der elektrischen Ersatzschaltbilder der Fig. 2a und 3a erläutert:
Die Eignung eines vorgegebenen passiven Antennenteils 1 für die Gestaltung einer hinreichend rauschempfindlichen aktiven Antenne kann anhand der im Übertragungsfrequenzbereich herr schenden Antennentemperatur abgeschätzt werden. Feldeffekttransistoren besitzen in der Regel eine extrem kleine Parallelrauschstromquelle i_r, so dass deren Beitrag i_r.Z_A bei vernachlassigbar kleinen Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten C₂ und C₁ und den in der Praxis auftretenden Antennenimpedanzen Z_A im Vergleich zur Serienrauschspannungsquelle u_r des Feldeffekttransi stors, ausgedrückt durch seinen äquivalenten Rauschwiderstand R_äF, stets vernachlässigbar klein ist. Die Empfindlichkeitsforderung reduziert sich somit darauf, dass die Rauschspannungsquelle u_r ² = 4kT_oBR_äF im Verhältnis zur empfangenen Rauschspannungsquelle u_rA ² = 4kT_ABR_A, welche durch die Antennentemperatur T_A und dem Realteil R_A der Antennenimpedanz Z_A gegeben ist, kleiner oder höchstens gleich groß ist. Bei gleich großen Rauschbeiträgen ist somit als hinrei chendes Empfindlichkeitskriterium bei vernachlassigbar kleinen Kapazitäten C₁, C₂ lediglich die einfach zu prüfende Forderung

R_A < R_äF.T_o/T_A (1)

zu erfüllen. Moderne Gallium-Arsenid-Transistoren besitzen im Vergleich zur übrigen Beschal tung vernachlässigbare Kapazitäten C₁ und C₂ und eine im Hinblick auf die vorgesehene Anwen dung vernachlässigbare Wirkung von i_r als Ursache für die bei Rauschanpassung solcher Transi storen extrem kleinen Rauschtemperatur T_N0. Der äquivalente Rauschwiderstand ist vom Ruhe strom abhängig und kann oberhalb 30 MHz breitbandig mit 30 Ohm und weniger angesetzt wer den. Für das Beispiel einer Antenne für den UKW-Frequenzbereich und einer dort vorherrschen de Antennentemperatur von ca. 1000 K ist somit im Hinblick auf die Rauschempfindlichkeit für den Realteil der komplexen Antennenimpedanz, welcher bei verlustarmem Feldeffekttransistor 2 den Strahlungswiderstand darstellt, innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs ausschließlich R_A(f) < ca. 10 Ohm als hinreichende Bedingung zu fordern.

In Fig. 3a wird der Rauschbeitrag einer Verstärkereinheit 11 am Ende der an die verlustarme Filterschaltung 3 ausgangsseitig angeschlossenen Hochfrequenzleitung 10 betrachtet. Bei hinrei chender Verstärkung in der Verstärkerschaltung 21 wird dieser Beitrag entsprechend klein ge halten. Zum Schutz der nachgeschalteten Verstärkereinheit 11 vor nichtlinearen Effekten ist es häufig notwendig, diese Verstärkung innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs weitgehend frequenzunabhängig zu gestalten. Dies wird durch entsprechende vorzugsweise verlustfreie Transformation des wirksamen Wirkwiderstands 5 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 in eine geeignet frequenzabhängige Eingangsadmittanz 7 erreicht. Ist die aufgrund der Fre quenzabhängigkeit der effektiven Länge l_e(f) für die Eingangsadmittanz 7 geforderte Frequenz abhängigkeit bekannt, so kann eine Schaltung aus Blindwiderständen für die verlustarme Filter schaltung 3 gefunden werden, welche dieser Forderung weitgehend entspricht.

Das erfindungsgemäße Kriterium für die beispielhafte Gestaltung einer notwendigen und fre quenzunabhängigen Empfangsleistung innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs wird für den terrestrischen Rundfunkempfang einer aktiven Fahrzeugantenne im Hinblick auf die Empfangs leistung in der nachgeschalteten Empfangsanordnung an Hand von Fig. 3a erläutert. Das weitge hend frequenzunabhängige Empfangsverhalten ist zu fordern, um einerseits die Empfindlichkeit des Gesamtsystems durch den Rauschbeitrag des der aktiven Antenne nachgeschalteten Emp fangssystems nicht nennenswert zu reduzieren und andererseits, um nichtlineare Effekte durch Verstärkungsüberhöhungen als Folge des frequenzabhängigen Empfangsverhalten innerhalb ei nes Übertragungsfrequenzbereichs zu vermeiden. Das der aktiven Antenne nachgeschaltete Emp fangssystem wird Fig. 3a durch die Verstärkereinheit 11 mit der Rauschzahl F_v repräsentiert. Sein Rauschbeitrag zum Gesamtrauschen ist in Fig. 3b als äquivalenter Rauschwiderstand R_äV am Ein gang der Verstärkerschaltung 21 dargestellt, wobei gilt:

Hierin ist mit G(f) der frequenzabhängige Realteil der Eingangsadmittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 bezeichnet. Dieser Rauschbeitrag ist dann unwesentlich gegenüber dem unver meidlichen empfangenen Rauschen des mit T_A rauschenden R_A, wenn gilt:

Um die Empfindlichkeitsbedingung zu erfüllen, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform einer aktiven Antenne nach der Erfindung die Frequenzabhängigkeit des Realteils G(f) der Eingangs admittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 reziprok zum Frequenzgang des Realteils R_A(f) der komplexen Antennenimpedanz zu wählen. Für das Beispiel eines UKW- Rundfunkempfängers mit F_V ~ 4 wäre demnach angenähert G(f) < 1/(3.R_A(f)) zu wählen. Zum Schutz des Empfängers vor zu großen Empfangspegeln ist es andererseits zweckmäßig, die Lei stungsverstärkung der aktiven Antenne nicht wesentlich größer als für optimale Empfindlichkeit des Gesamtsystems und somit G(f) etwa so groß zu wählen wie im rechten Teil der Gleichung (3) angegeben.

Mit der Erfindung ist der große Vorteil verbunden, dass der aus R_A(f) vorgegebene Frequenzgang für G(f) deshalb leicht erfüllbar ist, weil weder die eingangsseitig ansteuernde Quellimpedanz der verlustarmen Filterschaltung 3, welche mit 1/g_m des Feldeffekttransistors 2 gegeben ist, noch der wirksame Wirkwiderstand 5 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 nicht vermeid bare wesentliche Blindkomponenten besitzen. Hieraus resultiert die vorteilhaft freie Gestaltbar keit des Frequenzverhaltens der aktiven Antenne nach der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz hierzu ist bei einer aktiven Antenne nach dem Stand der Technik in Fig. 2b die frequenzabhängi ge Strahlerimpedanz Z_S(f) zwangsweise und untrennbar als Quellimpedanz des primärseitigen Transformationsnetzwerks vorhanden. Ihr Frequenzverhalten begrenzt die erreichbare Bandbreite der in die Nähe von Z_opt transformierten Impedanz und damit die Bandbreite des Signal-Rausch verhältnisses am Ausgang der aktiven Schaltung.

Im folgenden wird die beispielhafte Gestaltung des Frequenzverlaufs von G(f) einer aktiven Fahrzeugantenne nach der Erfindung beschrieben, wenn die Forderung besteht, dass die Emp fangsleistung P_a am Eingang des der aktiven Antenne nachgeschalteten Empfangssystems um einen Faktor V größer ist als mit einer passiven Referenzantenne, z. B. einer passiven Stabanten ne am Fahrzeug bei deren Resonanzlänge. Aufgrund der zwangsweise unterschiedlichen Richt diagramme wird dieser Faktor bezogen auf die azimutalen Mittelwerte unter einem definierten konstanten Elevationswinkel θ des Welleneinfalls. Durch vergleichende azimutale Richtfaktor messungen mit Hilfe einer Antennenmessstrecke mit Fahrzeugdrehstand am passiven Antennen teil 1 und an der Vergleichsantenne ergeben sich bei N Winkelschritten für eine volle Umdre hung und mit dem Richtfaktor D_a(ϕ_n, θ) des vorgegebenen passiven Antennenteils 1 und entspre chend dem Richtfaktor D_p(ϕ_n, θ) der passiven Referenzantenne jeweils für den n-ten Winkel schritt die folgenden azimutalen Mittelwerte für die Richtfaktoren:

bzw. für die Referenzantenne bei der Bezugsfrequenz:

Das der aktiven Antenne nachgeschaltete Empfangssystem, welches in Fig. 3a durch die Verstär kereinheit 11 repräsentiert wird, ist in der Regel auf den Leitungswellenwiderstand Z_L des Hoch frequenz-Leitungssystem bezogen. Die mittlere azimutale Empfangsleistung im Lastwiderstand 9 ergibt sich bei hinreichend großer Steilheit g_m der Eingangskennlinie des Feldeffekttransistors 2 zu:

wobei l_em ²(f) den bei jeder Frequenz auftretenden azimutalen Mittelwert der quadratischen ef fektiven Länge des passiven Antennenteils 1 unter Berücksichtigung der sich mit D_am(f) gem. Gleichung (2) ergebenden effektiven Fläche des passiven Antennenteils 1 wie folgt darstellt:

Die mittlere azimutale Empfangsleistung der passiven Referenzantenne beträgt mit D_pm aus Glei chung 5:

Unter Berücksichtigung der Verstärkungsforderung P_am/P_pm = V ergibt sich der erfindungsgemäß zu fordernde Frequenzverlauf für G(f) zu:

Für den Fall eines verlustbehafteten passiven Antennenteils 1 mit dem Wirkungsgrad η ist in Gleichung (8) der Richtfaktor D_am(f) durch D_am(f).η zu ersetzen. Die übrigen Dimensionierungs regeln sind dadurch nicht geändert.

Für den Fall etwa gleicher azimutaler Mittelwerte D_pm und D_am(f) ist die Frequenzabhängigkeit von G(f) proportional zu 1/R_a(f) zu gestalten. Ist V so groß gewählt, dass

gilt, dann ist der Rauschbeitrag des der aktiven Antenne nachgeschalteten Empfangssystems zum Gesamtrauschen vernachlässigbar klein. Ist zusätzlich die in Gleichung (1) angegebene Bedingung erfüllt, dann ist die Empfindlichkeit ausschließlich durch die Richtwirkung des passiven Antennenteils 1 und von der herrschenden Störeinstrahlung abhängig. Die minimal notwendige mittlere azimutale Strahlungsdichte Sam für ein Signal-Störverhältnis = 1 lautet dann:

und steigt mit 1/η an, wenn D_am(f) durch D_am(f).η zu ersetzen ist.

Unter Berücksichtigung der vom Fahrzeug selbst ausgehenden Störstrahlung kann die Auswahl einer für eine erfindungsgemäße Antenne geeigneten passiven Antennenteils 1 als am Fahrzeug befindliche Struktur in Verbindung mit der in Gleichung (1) angegebenen und im folgenden nä her diskutierten Bedingung für R_A(f) deshalb treffsicher dadurch erfolgen, dass das Verhältnis T_A/D_am(f) für den Übertragungsfrequenzbereich als hinreichend groß festgestellt wird.

In Fig. 18a und 18b sind beispielhaft Antennenkonfigurationen möglicher passiver Antennenteile 1 aktiver Antennen nach der Erfindung angegeben. An den Anschlussstellen 18 liegen die in der komplexen Impedanzebene in Fig. 18c dargestellten Impedanzverläufe Z_A(f) in Abhängigkeit von der Frequenz vor. Der im linken Randbereich des Diagramms durch Schraffur gekennzeichnete Bereich ist einseitig durch den Wert R_Amin = const. berandet. Impedanzverläufe, die außerhalb des so gekennzeichneten Bereich verlaufen, erfüllen somit die gemäß Gleichung (1) vorgegebene Bedingung des vernachlässigbaren Rauschens des Feldeffekttransistors 2 bei Vorliegen einer bestimmten Störeinstrahlung gemäß T_A. Das Diagramm zeigt überzeugend den Vorteil einer er findungsgemäßen aktiven Antenne gegenüber einer aktiven Antenne gemäß Fig. 2b nach dem Stand der Technik, der darin liegt, dass ohne eingangsseitige Anpassungsmittel sämtliche Anten nenstrukturen diese Bedingung ohne eingangsseitige Transformationsmittel erfüllen. In der Fig. 18c sind die Realteile der in Fig. 18a und b dargestellten passiven Antennenteile 1 über der Frequenz von 76 bis 108 MHz aufgetragen. Der Frequenzverlauf des Realteils der erfin dungsgemäß zu gestaltenden Eingangsadmittanz 7 am Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3 ist deshalb jeweils invertiert zu den in Fig. 18d dargestellten Kurvenverläufen nach Gesichts punkten wie sie im Zusammenhang mit den Gleichungen (3) und (8) erörtert wurden, zu gestal ten.

Bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 21 besteht naturgemäß aufgrund möglicher nichtlinearer Effekte, wie Intermodulation, auch eine obere Grenze für die Größe der am Eingang wirksamen tolerierbaren Spannung, welche sich im Empfangsfeld über die wirksame Länge l_e ergibt. Die maximal tolerierbare Spannung kann durch Auswahl eines geeigneten Feldeffekttran sistors 2 und durch Wahl eines geeigneten Arbeitspunkts sowie durch andere an sich bekannte Schaltungsmaßnahmen gesteigert werden. Gleichung (6) kann erfindungsgemäß einem maximal tolerierbaren azimutalen Mittelwert l_em bei bekanntem azimutalen Richtfaktor D_am(f) ein maximal tolerierbarer Wirkanteil R_Amax zugeordnet werden. Der für die Dimensionierung unzulässige Wertebereich mit R_A < R_Amax ist in den Fig. 18c und 18d ebenfalls schraffiert gekennzeichnet. Die Strahlungswiderstände R_A der Impedanzwerte besonders günstiger Strukturen für die Ver wendung als passiver Antennenteil 1 befinden sich demnach außerhalb des schraffierten Werte bereichs mit R_Amin < R_A < R_Amax.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine vorgegebene Antennen struktur durch Verwendung eines verlustarmen Übertragers mit dem Übersetzungsverhältnis ü, wie in Fig. 11 angegeben, ergänzt, welcher zusammen mit der Antennenstruktur - z. B. einem Heizfeld auf der Fensterscheibe - den passiven Antennenteil 1 bildet. Das breitbandige Überset zungsverhältnis wird vorteilhaft derart gewählt, dass die am Ausgang des Übertragers messbare Impedanz mit ihrem Realteil im Wertebereich mit R_Amin < R_A < R_Amax platziert ist. Hierbei ist es günstig, die Primärinduktivität hinreichend hochohmig zu gestalten.

Die Linearitätsforderung wird durch eine hinreichend große Gegenkopplung, durch die in der Sourceleitung befindliche Eingangsadmittanz 7 erfüllt. Dies erfordert eine im Übertragungsbe reich vergleichsweise niedrige Gegenkopplung, welche gemäß der Verstärkungsforderung z. B. entsprechend Gleichung (8) dimensioniert ist, die jedoch außerhalb des Übertragungsbereichs so groß wie möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Realisierung solcher verlustarmer Filterschaltungen 3 bevorzugt T-Halbfilter oder T-Filter bzw. Kettenschal tungen solcher Filter eingesetzt. Solche Filter sind in ihrer Grundstruktur in den Figuren darge stellt. Zur Entsprechung eines komplizierteren Frequenzverlaufs des G(f) können die Einzelele mente durch weitere Blindelemente ergänzt werden. Im Interesse der eingangsseitigen Hoch ohmigkeit und der Sperrwirkung im Sperrbereich ist es zweckmäßig, Serien- bzw. Parallelzweig jeweils aus einer Kombination von Blindwiderständen derart zu bilden, dass sowohl der Abso lutwert eines Blindwiderstands im Serienzweig 28 als auch der Absolutwert eines Blindleitwerts im Parallelzweig 29 jeweils innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs hinreichend klein und außerhalb eines solchen hinreichend groß ist (Fig. 6b).

In einer weiteren vorteilhaften Anwendung der Erfindung wird vorgeschlagen, für verschiedene charakteristische Verläufe von G(f) entsprechende Grundstrukturen für verlustarme Filterschal tungen 3 mit zunächst unbekannten Werten für die Blindelemente in einem modernen Digital rechner abzulegen und sowohl die Impedanz Z_A des passiven Antennenteils 1 messtechnisch als auch den azimutalen Mittelwert D_am des Richtfaktors messtechnisch oder rechnerisch zu ermit teln und ebenfalls im Digitalrechner abzulegen. Der somit anhand von Gleichung (8) ermittelte Frequenzverlauf von G(f) ermöglicht die anschließende konkrete Ermittlung der Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung 3 für eine geeignet ausgewählte Filtergrundstruktur mit Hilfe bekannter Strategien der Variationsrechnung für die vorgegebene Verstärkung V der aktiven Antenne.

Insbesondere bei solchen Antennensystemen, bei denen mehrere Antennen gebildet sind, wie z. B. bei Antennendiversitysystemen, Gruppenantennenanlagen oder Mehrbereichsantennenanla gen, ist es in einer vorteihaften Weiterbildung der Erfindung hilfreich, wie in Fig. 3b angegeben, die Verstärkereinheit 11 als aktive Ausgangsstufe der Verstärkerschaltung 21 zu gestalten. Diese kann mit einem Ausgangswiderstand gleich dem Wellenwiderstand Z_L üblicher Koaxialleitungen versehen werden. Der wirksame Wirkwiderstand 5 wird dabei durch die Eingangsimpedanz der Verstärkereinheit 11 gebildet. G(f) ist sinngemäß nach den o. g. Ausführungen mit Hilfe einer mit dieser Impedanz abgeschlossenen verlustarmen Filterschaltung 3 zu gestalten.

Um eine Vergrösserung der inneren Steilheit und damit besondere Linearitätseigenschaften des Feldeffekttransistors 2 zu erreichen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung, wie in Fig. 4 gezeigt, ein erweiterter Feldeffekttransistor 2 mit Hilfe eines Eingangs- Feldeffekttransistors 13 und eines von dessen Source angesteuerten Bipolartransistor 14 in Emitterfolgerschaltung gestaltet werden.

Bei der Verwendung einer Antenne nach der Erfindung als eine aktive Fensterscheibenantenne ist es auf vorteilhafte Weise möglich, wie in Fig. 5 gezeigt, die Verstärkerschaltung 21 im sehr schmalen Randbereich des Fahrzeugfensters unsichtbar unterzubringen. Deshalb ist es wün schenswert, den an der Anschlussstelle 18 anzubringenden Teil miniaturisiert auszuführen und nur die dort funktionell notwendigen Teile der Verstärkerschaltung 21 anzubringen. Die weiteren Teile der verlustarmen Filterschaltung 3 sind abgesetzt platziert und über die Hochfrequenzlei tung 10 angeschaltet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die aktive Antenne als Mehrbe reichsantenne für mehrere Frequenzbereiche ausgeführt. Hierfür sind in Fig. 6a für die Frequenz bereiche UKW-Hörrundfunk sowie VHF- und UHF-Fernsehrundfunk die prinzipiellen Fre quenzverläufe von Blindwiderständen X₁, X₃ bzw. des Blindleitwerts B₂ einer T-Filteranordnung der in Fig. 6b angegebenen verlustarmen Filterschaltung 3 beispielhaft angegeben. Die T- Filterkonfiguration stellt hierbei die eingangsseitige Hochohmigkeit der verlustarmen Filterschal tung 3 zur Erreichung einer hinreichend großen Gegenkopplung des Feldeffekttransistors 2 in den Sperrbereichen sicher.

Die Schaffung mehrerer Frequenzbereiche kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung anhand getrennter Übertragungswege für die betreffenden Übertragungsfrequenzbän dern erfolgen. Hierbei werden, wie in Fig. 7 gezeigt, zur Gestaltung von mehreren Übertragungs frequenzbändern mehrere Bipolartransistoren 14 zur Erweiterung des Feldeffekttransistors 2 ein gesetzt, deren Basiselektroden an die Source-Elektrode des Eingangs-Feldeffekttransistors 13 angeschlossen sind und welche jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit dem Eingang einer ge trennten verlustarmen Filterschaltung 3 zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betref fenden Frequenzbänder verbunden sind.

Zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und der daraus resul tierenden Interband-Frequenzkonversionen in der Verstärkerschaltung 21 wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 8 neben dem Feldeffekttransistor 2 ein weiterer Feldeffekttransistor 17 mit gleichen elektrischen Eigenschaften eingesetzt. Hierbei wer den die Eingangsanschlüsse der Verstärkerschaltung 21 durch die beiden Steueranschlüsse der Feldeffekttransistoren 15 und 16 gebildet und der Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3 mit den Source-Anschlüssen 19a und 19b verbunden. Ein Umsymmetrierglied 20 in der verlustarmen Filterschaltung 3 dient zur Umsymmetrierung der hochfrequenten Empfangssignale 8. Eine sol che Schaltung kann, wie in Fig. 17, vorteilhaft ebenso an eine Anschlussstelle 18 mit zwei gegen Masse Spannung führenden Anschlüssen angeschlossen werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Maßnahmen zur Unter drückung der nichtlinearen Effekte gemäß der für Fig. 8 gegebenen Erläuterungen und der Schaf fung getrennter Übertragungswege gemäß der für Fig. 7 gegebenen Erläuterungen wie in Fig. 9 kombiniert. Die Gestaltung getrennter frequenzselektiver Übertragungswege kann vorteilhaft, wie in Fig. 12 angedeutet, auch anhand von Signalverzweigungen in der verlustarmen Filter schaltung 3 zur frequenzselektiven Auskopplung von hochfrequenten Empfangssignalen 8 für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbänder an mehreren Ausgängen gestaltet werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die vorliegende aktive Antenne in einer Antennenanlage mehrfach verwendet, deren passive Antennenteile 1 mit frequenzabhän gigen und in Bezug auf einfallende Wellen nach Betrag und oder nur in Phase unterschiedlichen Richtdiagrammen der effektiven Längen l_e besitzen, welche jedoch in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen und zusammen eine passive Antennenanordnung 27 mit mehreren Anschlussstellen 18 bilden. Erfindungsgemäß ist dabei jede jeweils mit einer erfin dungsgemäßen Verstärkerschaltung 21 beschaltet, so dass durch die Auskopplung der hochfre quenten Empfangssignale 8 an den passiven Antennenteilen 1 keine merkliche gegenseitige Be einflussung der Empfangsspannungen gegeben ist. Eine solche Antennenanordnung ist ganz all gemein in Fig. 13 dargestellt. Die am Ausgang der Verstärkerschaltung 21 vorliegenden Emp fangssignale 8 werden z. B. zur Gestaltung einer Gruppenantennenanordnung mit vorgegebenen Empfangseigenschaften hinsichtlich Richtwirkung und Antennengewinn ohne Rückwirkung auf die an den passiven Antennenteilen 1 anliegenden hochfrequenten Empfangssignale 8 in einem hierfür vorhandenen Antennencombiner 22 nach Betrag und Phase überlagert.

Die Effizienz von Antennendiversitysystemen wird von der Anzahl der verfügbaren, voneinander diversitätsmäßig unabhängiger Antennensignale geprägt. Diese Unabhängigkeit drückt sich im Korrelationsfaktor zwischen den in einem Rayleigh-Wellenfeld während der Fahrt auftretenden Empfangsspannungen auf. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere aktive Empfangsantennen nach der Erfindung in einer Antennendiversityanlage für Fahrzeuge verwendet, wobei die passiven Antennenteile 1 derart gewählt sind, dass ihre in einem Rayleigh-Empfangsfeld im Leerlauf an den Anschlussstellen 18 vorliegenden Empfangssignale E.l_e diversitätsmäßig möglichst unabhängig voneinander sind. Solche Systeme, bei denen die Anschlussstellen 18 unter diesem Gesichtspunkt und unter Berücksichtigung von fahrzeugtechni schen Aspekten gewählt sind, sind beispielhaft in den Fig. 15a und 15b dargestellt. Aufgrund der zwischen den Anschlussstellen 18 bestehenden elektromagnetischen Strahlungskopplungen trifft diese Unabhängikeit dann nur für die im Leerlauf betriebenen Anschlussstellen 18 zu. Durch Beschaltung der Anschlussstellen 18 mit den erfindungsgemäßen Verstärkerschaltungen 21 werden aufgrund von deren vernachlässigbar kleinen kapazitivem Eingangsleitwert die hoch frequenten Empfangssignale 8 rückwirkungsfrei an den Antennenausgängen abgegriffen. Die diversitätsmäßige Unabhängigkeit der Empfangssignale an den Anschlussstellen 18 wird somit durch diese Maßnahme in vorteilhafter Weise nicht beeinflusst und diese Unabhängigkeit besteht folglich in gleicher Weise für die Empfangssignale 8 an den Antennenausgängen. Somit stehen an den Antennenausgängen voneinander unabhängige Empfangssignale 8 zur Auswahl in einem Scanningdiversity-System bzw. zur Weiterverarbeitung in einem der weiteren bekannten Diver sityverfahren zur Verfügung.

Im Gegensatz hierzu würde die Beschaltung der Anschlussstelle 18 mit einer Transformations schaltung nach dem Stand der Technik gemaß Fig. 2b über die an der Anschlussstelle 18 fließen den Ströme eine Abhängigkeit der Antennensignale am Antennenausgang verursachen. Dieser Zusammenhang wird im folgenden für einen passiven Antennenteil 1 mit zwei Anschlussstellen 18 näher erläutert:
Sind U01 und U02 die Leerlaufspannungsamplituden an den Anschlussstellen 18 einer passiven Antennenanordnung 27 im Empfangsfeld und Z11, Z22 die dort gemessenen Antennenimpedan zen und ist ferner Z12 die Wechselwirkungsimpedanz aufgrund der Verkopplung der Anschluss stelle 18 und sind Y1 und Y2 die Eingangsadmittanzen der Verstärker, mit denen die Anschluss stelle 18 belastet sind, so ergibt sich für die unter dieser Belastung auftretenden Spannungsam plituden an den Anschlussstellen 18 folgende Beziehung:

Der Korrelationsfaktor zwischen den Spannungsamplituden U1 und U2 und somit auch zwischen den Antennenausgangsspannungen ergibt sich mit Hilfe der zeitlichen Mittelwerte der Spannun gen U1 und U2 zu:

Für den hier vorausgesetzten Fall ergeben sich bei einer Fahrt im Rayleigh-Empfangsfeld von einander unabhängige Leerlauf-Empfangsspannungsamplituden U10 und U20. Dies drückt sich durch einen verschwindenden Korrelationsfaktor aus, d. h.:

Sind die Eingangsadmittanzen der Verstärker, mit denen die Anschlussstellen 18 belastet sind erfindungsgemäß vernachlässigbar klein, d. h. Y1 = 0 und Y2 = 0, dann ergeben sich die Spannun gen U1 und U2 aus Gleichung (11) wie folgt:

Die mit der Zahl 0 besetzten Wechselwirkungen in der Einheitsmatrix in Gleichung (13) zeigen, dass die in Gleichung (13) beschriebene verschwindende Dekorrelation in den Spannungen U1 und U2 bei einer Verstärkerschaltung 21 nach der Erfindung erhalten bleibt. Die Auswertung von Gleichung (11) dagegen ergibt eine Verknüpfung der beiden Leerlaufspannungen über die Wech selwirkungsparameter Z12.Y2 bzw. Z12.Y1 mit den jeweiligen Spannungen bei Belastung, denn es gilt dann:

U1 = (1 - Z22.Y2).U10 + Z12.Y2.U20

bzw.

U2 = (1 - Z11.Y1).U20 + Z12.Y1.U10 (15)

Es ist offensichtlich, dass bei nicht verschwindender Verkopplung der Anschlussstellen 18, d. h. nicht verschwindendem Z12, der Korrelationsfaktor nur dann verschwindet, wenn Y1 = Y2 = 0 beträgt.

Andererseits zeigen die vorangegangenen Betrachtungen, dass bei bestehender gegenseitiger Abhängigkeit der Leerlaufspannungen U10 und U20, dass spezielle Werte für Y1 und Y2 gefun den werden können, welche über die in Gleichung (15) beschriebene Transformation die gegen seitige Abhängigkeit in den Verstärkereingangsspannungen U1 und U2 reduzieren oder ver schwinden lassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es deshalb, wie in Fig. 15 angedeutet, vorgesehen, die passive Antennenanordnung 27 an ihren Anschlussstellen 18 durch hierfür geeignete Leitwerte - vorzugsweise aus Gründen der Empfindlichkeit-Blindleit werte 23 derart zu beschalten, dass die Korrelation zwischen den Spannungen an den Anschluss stellen 18 im Interesse einer größeren Diversityeffizienz kleiner wird. Aktive Antennen nach der Erfindung besitzen dabei den entscheidenden Vorteil, dass die Festlegung solcher geeigneter Blindelemente weitgehend unabhängig von Empfindlichkeitsbetrachtungen getroffen werden kann. Denn für die sich dabei an den verschiedenen Anschlussstellen 18 ergebenden Strahlungs widerstände R_A(f) ist jeweils kein genauer Abgleich erforderlich, sondern es ist lediglich zu for dern, dass sie dem in Fig. 18 beschriebenen zulässigen Wertebereich angehören.

Liste der Bezeichnungen

0

Masse

1

Passiver Antennenteil

2

Feldeffekttransistor

3

Verlustarme Filterschaltung

4

Ausgang

5

wirksame Wirkwiderstand

6

Eingang

7

Eingangsadmittanz

8

Hochfrequentes Empfangssignal

9

Lastwiderstand

10

Hochfrequenzleitung

11

Verstärkereinheit

12

Emitteranschluß

13

Eingangs-Feldeffekttransistor

14

Bipolartransistor

15

,

16

Steueranschluß

17

Weiterer Feldeffekttransistor

18

Anschlussstelle

19

Source-Anschluß

20

Umsymmetrierglied

21

Verstärkerschaltung

22

Antennencombiner

23

Blindleitwert

24

Übertrager

25

Elektronischer Umschalter

26

Ersatzlastwiderstand

27

passive Antennenanordnung

28

Serienzweig

29

Parallelzweig

30

Linearisierungswiderstand
F_v

Rauschzahl
G Wirkleitwert
le effektive Länge
λ Wellenlänge
k Boltzmannkonstante
Z₀

Wellenwiderstand des freien Raums
B Messbandbreite

Claims

1. Aktive Breitbandempfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil (1) mit einer fre quenzabhängigen effektive Länge l_e, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Eingangsanschlüssen einer Verstärkerschaltung (21) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (21) aus einem Feldeffekttransistor (2) und einer verlustarmen Filter schaltung (3) mit einer Eingangsadmittanz (7) besteht und die verlustarme Filterschaltung (3) an ihrem Eingang (6) an den Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (2) angeschlossen ist und an ihrem Ausgang (4) das hochfrequente Empfangssignal (8) ausgekoppelt ist, und die verlustarme Filterschaltung (3) mit einem an ihrem Ausgang (4) wirksamen Wirkwiderstand (5) belastet ist und die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) derart gewählt sind, dass die Fre quenzabhängigkeit des Realteils G der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirk samen Eingangsadmittanz (7) derart eingestellt ist, dass bei geforderter Empfangsleistung der durch die frequenzabhängige effektive Länge l_e des passiven Antennenteils (1) bedingte Fre quenzgang im hochfrequenten Empfangssignal (8) innerhalb eines breiten Frequenzbandes nach frei gewählten Gesichtspunkten gestaltet ist und der Betrag der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) außerhalb dieses Frequenzbandes zur Ver meidung von nichtlinearen Effekten im Sperrfrequenzbereich hinreichend klein ist (Fig. 1).

2. Aktive Breitbandempfangsantenne für die Verwendung oberhalb 30 MHz nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (2) eine in ihrer Wirkung vernachlässigbare Parallelrauschstromquelle i_r, eine sehr kleine Gate-Drain-Kapazität C₁ und eine sehr kleine Gate-Source-Kapazität C₂ und ein vernachlässigbares 1/f-Rauschen aufweist und seine minimale Rauschtemperatur T_N0 bei Rau schanpassung wesentlich kleiner ist als die Umgebungstemperatur T₀ (Fig. 2).

3. Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der am Ausgang (4) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksame Wirkleitwert (5) durch den Eingangswiderstand einer an ihrem Ende mit dem Lastwiderstand (9) belasteten Hochfrequenz leitung (10) gestaltet ist und der Lastwiderstand (9) durch die Eingangsimpedanz einer weiterfüh renden Verstärkereinheit (11) mit der Rauschzahl F_v gebildet ist und der Realteil G der am Ein gang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Admittanz (7) hinreichend groß gewählt ist, dass der Rauschbeitrag der Verstärkereinheit (11) kleiner ist als der Rauschbeitrag des Fel deffekttransistors (2) (Fig. 3a).

4. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (2) als erweiterter Feldeffekttransistor gestaltet ist, bestehend aus einem Eingangs-Feldeffekttransistor (13), von dessen Source der Bipolartransistor (14) in Emitterfol gerschaltung angesteuert ist und durch dessen Emitteranschluß (12) die Sourceelektrode des erweiterten Feldeffekttransistors (2) gebildet ist (Fig. 4).

5. Aktive Breitbandempfangsantenne für den UKW-Rundfunkempfang im Auto nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der passive Antennenteil (1) durch eine auf einen dielektrischen Träger, wie z. B. eine Fenster scheibe oder einen Kunststoffträger, gedruckte Leiterstruktur gestaltet und die verlustarme Filter schaltung (3) als Bandpaß mit Durchlaß im UKW-Frequenzbereich und hochohmiger Ein gangsimpedanz außerhalb des UKW-Frequenzbereichs ausgeführt ist (Fig. 1).

6. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der räumlichen Abtrennung eines miniaturisiert ausgeführten Frontends der aktiven Antenne in der verlustarmen Filterschaltung (3) eine Hochfrequenzleitung (10) als ein die wirk same Admittanz (7) frequenzabhängig transformierendes Element enthalten ist (Fig. 5).

7. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändern die Frequenzabhängigkeit des Wirkleitwerts G der wirksamen Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) der art gestaltet ist, dass der Frequenzgang im hochfrequenten Empfangssignal (8) innerhalb jedes der Frequenzbänder breitbandig weitgehend kompensiert ist und der Betrag der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) außerhalb dieser Fre quenzbänder hinreichend klein ist (Fig. 6a).

8. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändern mehrere Bipolartransistoren (14) zur Erweiterung des Feldeffekttransistors (2) vorhanden sind, deren Basiselektroden an die Source- Elektrode des Eingangs-Feldeffekttransistors (13) angeschlossen sind und welche jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit dem Eingang einer verlustarmen Filterschaltung (3) zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betreffenden Frequenzbänder verbunden sind (Fig. 7).

9. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und der daraus resul tierenden Interband-Frequenzkonversionen in der Verstärkerschaltung (21) neben dem Feldef fekttransistor (2) ein weiterer Feldeffekttransistor (17) mit gleichen elektrischen Eigenschaften vorhanden ist und die Eingangsanschlüsse der Verstärkerschaltung (21) durch die beiden Steuer anschlüsse der Feldeffekttransistoren (15, 16) gebildet sind und der Eingang der verlustarmen Filterschaltung (3) mit den Source-Anschlüssen (19a und 19b) verbunden ist und in der verlustarmen Filterschaltung (3) ein Umsymmetrierglied (20) zur Umsymmetrierung der hochfre quenten Empfangssignale (8) vorhanden ist (Figur (8).

10. Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 8 in Kombination mit Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass für die Verstärkerschaltung (21) in Anspruch 9 zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfre quenzbändern für die betreffenden Frequenzbänder getrennte Übertragungswege gemäß An spruch 8 gestaltet sind (Fig. 9).

11. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die verlustarme Filterschaltung (3) als T-Halbfilter oder T-Filter bzw. als Kettenschaltung sol cher Filter gestaltet ist, dessen bzw. deren Serien- bzw. Parallelzweig jeweils aus einer Kombi nation von Blindwiderständen derart gebildet ist, dass sowohl der Absolutwert eines Blindwider stands im Serienzweig (28) als auch der Absolutwert eines Blindleitwerts im Parallelzweig (29) jeweils innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs hinreichend klein und außerhalb eines solchen hinreichend groß ist (Fig. 6b).

12. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (2) und dem Eingangsanschluß der Filterschaltung (3) ein ohmscher Linearisierungswiderstand (30), dessen Widerstandswert kleiner als der äquivalente Rauschwiderstand R_ä des Feldeffekttransistors (2) ist, zur weiteren Erhöhung der Linearität geschaltet ist (Fig. 10).

13. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass zur breitbandigen Schaffung günstiger Übertragungsverhältnisse in der Filterschaltung (3) ein Übertrager (24) mit geeignetem Übersetzungsverhältnis ü vorhanden ist (Fig. 10).

14. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur breitbandigen Erhöhung der effektiven Länge l_e des passiven Antennenteils (1) zwischen dessen Anschlussstelle (18) und dem Eingang der Verstärkerschaltung (21) ein Übertrager (24) mit hinreichend hochohmiger Primärinduktivität und geeignet gewähltem Übersetzungsverhält nis vorhanden ist (Fig. 11).

15. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass in der verlustarmen Filterschaltung (3) anhand von Signalverzweigungen frequenzselektive Übertragungswege zur frequenzselektiven Auskopplung von hochfrequenten Empfangssignalen (8) für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbänder an mehreren Ausgängen gestaltet sind (Fig. 12).

16. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere passive Antennenteile (1) mit frequenzabhängigen und in Bezug auf einfallende Wellen nach Betrag und Phase unterschiedlichen Richtdiagrammen der effektiven Längen l_e vorhanden sind, welche in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen und zusammen eine passive Antennenanordnung (27) mit mehreren Anschlussstellen (18) bilden, von denen jede jeweils mit einer Verstärkerschaltung (21) gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 beschaltet ist, so dass durch die Auskopplung der hochfrequenten Empfangssignale (8) an den passiven Antennenteilen (1) keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangsspannungen gegeben ist (Fig. 13).

17. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgang der Verstärkerschaltung (21) vorliegenden Empfangssignale (8) zur Gestaltung einer Gruppenantennenanordnung mit vorgegebenen Empfangseigenschaften hinsichtlich Richtwirkung und Antennengewinn ohne Rückwirkung auf die an den passiven Antennenteilen (1) anliegenden hochfrequenten Empfangssignale (8) in einem hierfür vorhandenen Antennencom biner (22) nach Betrag und Phase überlagert sind (Fig. 13).

18. Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Empfangsantennen in einer Antennendiversityanlage für Fahrzeuge verwendet sind und die passiven Antennenteile (1) derart gewählt sind, dass ihre in einem Rayleigh-Empfangs feld vorliegenden Empfangssignale diversitätsmäßig möglichst unabhängig voneinander sind und die hochfrequenten Empfangssignale (8) rückwirkungsfrei, d. h. ohne die diversitätsmäßige Un abhängigkeit der Empfangssignale zu beeinflussen, zur Auswahl in einem Scanningdiversity- System bzw. zur Weiterverarbeitung in einem der weiteren bekannten Diversityverfahren zur Verfügung gestellt sind (Fig. 14).

19. Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der diversitätsmäßigen Unabhängigkeit der Empfangssignale der passiven Antennenteile (1) deren Anschlußstellen (18) mit hierfür gesondert ermittelten Blindleitwerten (23) parallel zum Eingang der Verstärkerschaltung (21) belastet sind (Fig. 16).

20. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 17 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass die passive Antennenanordnung (27) als Leiterstrukturen auf einem in die Aussparung einer lei tenden Fahrzeugkarosserie eingebrachten Kunststoffträgers oder auf der Fensterscheibe eines Fahrzeugs z. B. in Form von einem oder mehreren Heizfeldern oder/und von der Heizung ge trennte Leiterstrukturen vorhanden sind und an diesen Leiterstrukturen mehrere Anschlussstellen (18) zur Ausbildung passiver Antennenteile (1) zum Anschluss von Verstärkerschaltungen (21) vorhanden sind (Fig. 15a, b).

21. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 17 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die passive Antennenanordnung (27) als eine im wesentlichen zusammenhängende, zur Unter drückung der Strahlungstransmission im Infrarotbereich aufgebrachte leitende Fläche mit hinrei chend kleinem Oberflächenwiderstand auf der Fensterscheibe eines Autos gestaltet ist und zur Auskopplung von Empfangssignalen am nicht mit der leitenden Karosserie verbundenen Rand der leitenden Fläche geeignet positionierte Anschlussstellen (18) mit Verstärkerschaltungen (21) gebildet sind, deren hochfrequente Empfangssignale (8) über Hochfrequenzleitungen (10) zur Gestaltung einer Richtantenne einem Antennencombiner (22) bzw. zur Gestaltung einer Scan ning-Diversity-Anlage einem elektronischen Umschalter (25), oder zur Gestaltung einer nach einem beliebigen anderen Verfahren arbeitenden Diversityanordnung zugeführt ist.

22. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass der passive Antennenteil aus einem ursprünglich nicht für die Nutzung als Antenne vorgesehe nem Fahrzeugteil abgeleitet ist und in seiner Gestaltung nur wenig veränderbar ist und an diesem Element eine Anschlußstelle (18) zur Bildung eines passiven Antennenteils (1) gebildet ist und für die im Nutzfrequenzbereich zutreffende Polarisation und Elevation einer einfallenden Welle ein bestimmter azimutaler Mittelwert D_m des Richtfaktors festgestellt ist und der Realteil R_A der Impedanz Z_A des passiven Antennenteils (1) im Übertragungsfrequenzbereich im Bereich zwi schen R_Amin und einem Maximalwert R_Amax gegeben ist (Fig. 18).

23. Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass ein moderner Digitalrechner vorhanden ist und sowohl die Impedanz Z_A des passiven Antennen teils (1) messtechnisch oder rechnerisch erfasst als auch der messtechnisch oder rechnerisch be stimmte azimutale Mittelwert D_m des Richtfaktors im Digitalrechner abgelegt sind und in wel chem für verschiedene charakteristische mögliche Frequenzverläufe von Antennenimpedanzen hierfür geeignete Grundstrukturen für verlustarme Filterschaltungen (3) im Digitalrechner abge legt sind und mit Hilfe bekannter Strategien der Variationsrechnung die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) für einen vorgegebenen mittleren Gewinn der aktiven Antenne er mittelt sind.