DE10114769B4

DE10114769B4 - Aktive Breitbandempfangsantenne

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Publication number: DE10114769B4
Application number: DE10114769.4A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Lindenmeier Heinz; Prof. Dr.-Ing. Hopf Jochen; Dr.-Ing. Reiter Leopold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: US20020171600A1; JP3124385U; EP1246294A3; DE10114769A1; EP1246294A2; EP1246294B1; US6603435B2; JP2002359570A

Abstract

Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne mit einem im Meter- und Dezimeterwellenbereich liegenden Übertragungsfrequenzbereich, wobei die aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne aus einem passiven Antennenteil (1) mit einer innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs der aktiven Breitband-Fahrzeugempfangsantenne frequenzabhängigen effektiven Länge le und einer Verstärkerschaltung (21) besteht, deren Eingangsanschlüsse mit den Ausgangsanschlüssen des passiven Antennenteils (1) verbunden sind, wobei die Verstärkerschaltung (21) aus einem Feldeffekttransistor (2) und einer Blindelemente umfassenden, verlustarmen Filterschaltung (3) besteht, deren Eingang (6) an einen Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2) angeschlossen ist und an deren Ausgang (4) ein hochfrequentes Empfangssignal (8) ausgekoppelt ist, und wobei der Betrag einer am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) in einem außerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs liegenden Sperrfrequenzbereich so klein bemessen ist, dass nichtlineare Effekte der Verstärkerschaltung (21) vermieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustarme Filterschaltung (3) an ihrem Ausgang (4) mit einem Wirkwiderstand (5) belastet ist und den Wirkwiderstand (5) innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs in eine Eingangsadmittanz (7) mit frequenzabhängigem Realteil (G(f)) am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) transformiert, dass die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) derart gewählt sind, dass das hochfrequente Empfangssignal (8) innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs einem Frequenzgang folgt, bei dem der Frequenzgang des Realteils (G(f)) der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) reziprok zu dem durch die frequenzabhängige effektive Länge le bedingten Frequenzgang des Realteils (RA(f)) der Impedanz (ZA(f)) des passiven Antennenteils (1) ist, und dass der Realteil (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) im Übertragungsfrequenzbereich so groß gewählt ist, dass der Rauschbeitrag des vom passiven Antennenteil (1) empfangenen Rauschens in einer das hochfrequente Empfangssignal (8) auskoppelnden Verstärkereinheit (11) größer ist als der Eigenrauschbeitrag der Verstärkereinheit (11) zum Gesamtrauschen und hierzu der Realteil (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustfreien Filterschaltung (3) etwa so groß oder größer als dem Wert des Ausdrucksentsprechend gewählt ist, wobei RA(f) der Realteil der ...

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 T_A bei terrestrischer Umgebung – von tiefen Frequenzen kommend – soweit abgesunken, dass für Bipolartransistoren 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 wesentlichen Empfindlichkeitsverlust durch das Transistorrauschen zu erleiden. Die Grundform einer aktiven Antenne dieser Art ist in 2b dargestellt und ist bekannt z. B. aus der DE 23 10 616 A oder DE 15 91 300 A . Bei aktiven Breitbandantennen, welche nicht kanalselektiv, sondern auf ein Frequenzband, wie z. B. den UKW-Rundfunkfrequenzbereich breitbandig abgestimmt sind, ist es notwendig, die Antennenimpedanz Z_S(f) eines kurzen Strahlers in Z_A(f), d. h. 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 notwendig.
Die Grundform einer aktiven Antenne dieser Art ist in 2b dargestellt und ist bekannt z. B. aus der DE 23 10 616 A oder DE 15 91 300 A . 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 A2 , EP 0 346 591 A1 und in EP 0 269 723 B1 beschrieben. Bei den als passiver Antennenteil verwendeten Strukturen der Heizfelder handelt es sich um ursprünglich nicht für die Nutzung als Antenne vorgesehene Fahrzeugteile, welche aufgrund ihrer Funktion zur Heizung nur wenig veränderbar sind. Wird an einem derartigen Antennenelement eine aktive Antenne nach dem Stande der Technik wie in 2b 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 Gesamtverhalten 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 2b gestaltet werden kann, wodurch die gestalterische Freiheit der beiden Anpassnetzwerke nennenswert 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 Verstärker, wenn aus demselben Heizfeld mehrere aktive Antennen zur Bildung eines Antennendiversitysystems 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 gebildeten Mehrantennen-Scanning-Diversitysystem an den am Heizfeld gebildeten Anschlussstellen für die Antennenverstärker Schaltdioden angebracht, welche jeweils nur diejenige Anpassungsschaltung mit Verstärker anschaltet, deren Signal zum Empfänger durchgeschaltet wird und welche die übrigen Anschlussstellen freischalten. Dies führt in solchen Systemen zu einem erheblichen Aufwand und zu der zusätzlichen Forderung der genau mit der Antennenauswahl synchronen Umschaltung der Dioden.
Aus DE 43 03 072 A1 ist eine nach dem 2-Wege-Prinzip arbeitende aktive Fahrzeug-Empfangsantenne für den LMK-Rundfunkempfang einerseits und den UKW-Rundfunkempfang andererseits bekannt. Die Antenne umfasst einen aktiven Übertragungsvierpol für den LMK-Frequenzbereich mit einem eingangsseitig kapazitiv hochohmigen Feldeffekttransistor, der direkt an ein passives Antennenteil angeschlossen ist. Für den UKW-Frequenzbereich ist ein gleichfalls an den selben Antennenteil angeschlossener Übertragungsvierpol vorgesehen. Die Übertragungsvierpole sind ausgangsseitig an eine gemeinsame, zu einem Empfänger führende Hochfrequenzleitung angeschlossen. Im LMK-Frequenzbereich ist der passive Antennenteil als kapazitiv hochohmiger, kurzer Monopol anzusehen, dessen Impedanz einen vernachlässigbaren kleinen Realteil hat. Im UKW-Frequenzbereich hat die Impedanz des passiven Antennenteils hingegen einen frequenzabhängigen, mittels des Übertragungsvierpols tansformierbaren Realteil. Die Übertragungsvierpole sind als Tiefpassfilter ausgebildet, wobei das Tiefpassfilter für den LMK-Weg im LMK-Frequenzbereich durchlässig ist und im UKW-Frequenzbereich sperrt, während das Tiefpassfilter des UKW-Wegs im UKW-Frequenzbereich durchlässig ist und im LMK-Frequenzbereich sperrt. Das Tiefpassfilter für den LMK-Weg kann hierbei mit seinem Eingang an den Source-Anschluss des Feldeffekttransistors angeschlossen sein.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine aktive Breitband-Empfangsantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass bei vorgegebenem passiven Antennenteil unter Sicherstellung einer hohen Rauschempfindlichkeit eine weitgehend unabhängig von der Frequenzabhängigkeit der effektiven Länge und der Impedanz des passiven Antennenteils frei wählbare Frequenzabhängigkeit der Empfangsleistung erreicht wird und, dass für Mehrantennenanordnungen 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. Aufgrund des Wegfallens eines primären Anpassnetzwerkes in Verbindung mit der eingangsseitigen Hochohmigkeit der Verstärkerschaltung ergibt sich eine äußerst vorteilhafte Freiheit bei der Gestaltung komplizierter Mehrantennensysteme, deren passive Antennenteile in Strahlungskopplung zueinander stehen. Die im Zusammenhang mit der Diversityanordnung oben erwähnten Schaltdioden zur Freischaltung von Anschlussstellen, an denen jeweils kein Signal zur Durchschaltung zum Empfänger verwendet ist, sind demnach vorteilhaft nicht notwendig.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer aktiver Breitbandempfangsantennen und Antennensysteme sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Im einzelnen zeigt:
1: Eine aktive Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit einer direkt an den passiven Antennenteil 1 angeschlossenen Verstärkerschaltung 21 mit einem Feldeffekttransistor 2 mit in der Sourceleitung befindlicher Eingangsadmittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 und ausgangsseitig wirksamem Wirkwiderstand 5.
2:

a) Ein elektrisches Ersatzschaltbild einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit Serienrauschspannungsquelle u_r und in ihrer Wirkung vernachlässigbarer Parallelrauschstromquelle i_r des Feldeffekttransistors 2 und einer außerhalb des Übertragungsbereichs eingangsseitig hochohmigen verlustarmen Filterschaltung 3.
b) Ein 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.

3:

a) Ein elektrisches Ersatzschaltbild wie in 2a, jedoch mit ausgangsseitigem Abschluß der verlustarmen Filterschaltung 3 mit einer Hochfrequenzleitung 10 und einer daran angeschlossenen Verstärkereinheit 11 mit Beitrag des Eigenrauschens der Verstärkereinheit 11 zum Gesamtrauschen.
b) Ein elektrisches Ersatzschaltbild wie in 3a mit einer Verstärkereinheit 11 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 mit einer Hochfrequenzleitung 10 und einer weiterführenden Verstärkerschaltung.

4: Die Gestaltung eines erweiterten Feldeffekttransistors 2 mit Hilfe eines Eingangs-Feldeffekttransistors 13 und eines durch die Source angesteuerten Bipolartransistors 14 in Emitterfolgerschaltung.
5: Das Beispiel einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit einem miniaturisiert ausgeführten Frontend der aktiven Antenne, einer Hochfrequenzleitung 10 und einer ergänzenden Filterschaltung 3 zur Anbringung auf der Heckfensterscheibe eines Kraftfahrzeugs.
6:

a) Den Verlauf der seriellen Blindwiderstände X₁ und X₃ sowie des parallelen Blindleitwerts B₂ der erfindungsgemäßen T-Filteranordnung in 6b über der Frequenz am Beispiel der breitbandigen Abdeckung der Rundfunkbereiche von UKW-Hörrundfunk sowie VHF- und UHF-Fernsehrundfunk.
b) Das elektrisches Ersatzschaltbild einer Antenne nach der Erfindung für die unter a) genannten Frequenzbereiche.

7: Eine aktive Antenne nach der Erfindung mit zwei Übertragungswegen für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbereiche und Aufspaltung der Signalwege am Ausgang des Eingangs-Feldeffekttransistors 13 mit jeweils einem Bipolartransistor 14 und nachgeschalteter verlustarmer Filterschaltung 3 für den betreffenden Übertragungsfrequenzbereich und Zusammenschaltung der Ausgangssignale am gemeinsam wirksamen Wirkwiderstand 5.
8: Eine aktive Antenne nach der Erfindung mit einem weiteren Feldeffekttransistor 17 zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und einem ausgangsseitigen Umsymmetrierglied 20.
9: Eine aktive Antenne wie in 8, jedoch mit einer Signalverzweigung entsprechend der Antenne in 7 mit jeweils einem Umsymmetrierglied 20 am Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3.
10: Eine aktive Antenne nach der Erfindung mit einem Übertrager 24 zur Schaffung günstiger Übertragungsverhältnisse und einem Linearisierungswiderstand 30 zur weiteren Erhöhung der Linearität.
11: Eine aktive Antenne nach der Erfindung, jedoch mit einem Übertrager 24 mit hinreichend hochohmiger Primärinduktivität und hinreichend großem Übersetzungsverhältnis zur breitbandigen Erhöhung der effektiven Länge l_e.
12: Eine aktive Antenne nach der Erfindung mit einer in der verlustarmen Filterschaltung 3 gestalteten frequenzselektiven Signalverzweigung.
13: Eine 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.
14: Eine Scanningdiversity-Antennenanlage mit einer Anordnung wie in 13, jedoch mit elektronischen Umschalter 25 an Stelle des Antennencombiners 22 und jeweils einem Ersatzlastwiderstand 26 zur Belastung der nicht durchgeschalteten Antennenzweige.
15:

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

16: Eine 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.
17: Einen passiven Antennenteil 1 mit einer Anschlussstelle 18, deren beide Anschlüsse gegenüber dem Masseanschluß hochliegen, mit einem Feldeffekttransistor 2 und einem weiteren Feldeffekttransistor 17 und einer massesymmetrisch ausgeführten verlustarmen Filterschaltung 3 und einem ausgangsseitigen Umsymmetrierglied 20 zur Erzeugung unsymmetrisch vorliegender Empfangssignale am wirksamen Wirkwiderstand 5.
18:

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

In 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 Impedanz 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 Empfangsspannung der Verstärkerschaltung 21 zugeführt, wobei diese aus einem Feldeffekttransistor 2 besteht, welcher in seiner Sourceleitung mit der Eingangsadmittanz 7 einer verlustarmen Filterschaltung 3 gegengekoppelt ist, welche an ihrem Ausgang mit einem wirksamen Wirkwiderstand 5 abgeschlossen 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 hochfrequenten Empfangssignal 8 hat, weitgehend ausgeglichen ist.
Die Funktionsweise und der Gestaltungsgrundsatz einer Antenne nach der Erfindung werden an Hand der elektrischen Ersatzschaltbilder der 2a und 3a erläutert:
Die Eignung eines vorgegebenen passiven Antennenteils 1 für die Gestaltung einer hinreichend rauschempfindlichen aktiven Antenne kann anhand der im Übertragungsfrequenzbereich herrschenden Antennentemperatur abgeschätzt werden. Feldeffekttransistoren besitzen in der Regel eine extrem kleine Parallelrauschstromquelle i_r, so dass deren Beitrag i_r·Z_A bei vernachlässigbar 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 Feldeffekttransistors, 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 den Realteil R_A der Antennenimpedanz Z_A gegeben ist, kleiner oder höchstens gleich groß ist. Bei gleich großen Rauschbeiträgen ist somit als hinreichendes Empfindlichkeitskriterium bei vernachlässigbar kleinen Kapazitäten C₁, C₂ lediglich die einfach zu prüfende Forderung R_A > R_äF·T₀/T_A (1) zu erfüllen. Moderne Gallium-Arsenid-Transistoren besitzen im Vergleich zur übrigen Beschaltung vernachlässigbare Kapazitäten C₁ und C₂ und eine im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung vernachlässigbare Wirkung von i_r als Ursache für die bei Rauschanpassung solcher Transistoren extrem kleinen Rauschtemperatur T_N0. Der äquivalente Rauschwiderstand ist vom Ruhestrom abhängig und kann oberhalb 30 MHz breitbandig mit 30 Ohm und weniger angesetzt werden. Für das Beispiel einer Antenne für den UKW-Frequenzbereich und einer dort vorherrschende 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 3a wird der Rauschbeitrag einer Verstärkereinheit 11 am Ende der an die verlustarme Filterschaltung 3 ausgangsseitig angeschlossenen Hochfrequenzleitung 10 betrachtet. Bei hinreichender Verstärkung in der Verstärkerschaltung 21 wird dieser Beitrag entsprechend klein gehalten. 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 Frequenzabhängigkeit der effektiven Länge l_e(f) für die Eingangsadmittanz 7 geforderte Frequenzabhängigkeit bekannt, so kann eine Schaltung aus Blindwiderständen für die verlustarme Filterschaltung 3 gefunden werden, welche dieser Forderung weitgehend entspricht.
Das erfindungsgemäße Kriterium für die beispielhafte Gestaltung einer notwendigen und frequenzunabhängigen Empfangsleistung innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs wird für den terrestrischen Rundfunkempfang einer aktiven Fahrzeugantenne im Hinblick auf die Empfangsleistung in der nachgeschalteten Empfangsanordnung an Hand von 3a erläutert. Das weitgehend frequenzunabhängige Empfangsverhalten ist zu fordern, um einerseits die Empfindlichkeit des Gesamtsystems durch den Rauschbeitrag des der aktiven Antenne nachgeschalteten Empfangssystems nicht nennenswert zu reduzieren und andererseits, um nichtlineare Effekte durch Verstärkungsüberhöhungen als Folge des frequenzabhängigen Empfangsverhalten innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs zu vermeiden. Das der aktiven Antenne nachgeschaltete Empfangssystem wird in 3a durch die Verstärkereinheit 11 mit der Rauschzahl F_V repräsentiert. Sein Rauschbeitrag zum Gesamtrauschen ist in 3b als äquivalenter Rauschwiderstand R_äV am Eingang 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 unvermeidlichen 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 Eingangsadmittanz 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 Leistungsverstärkung 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 vermeidbare wesentliche Blindkomponenten besitzen. Hieraus resultiert die vorteilhaft freie Gestaltbarkeit des Frequenzverhaltens der aktiven Antenne nach der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz hierzu ist bei einer aktiven Antenne nach dem Stand der Technik in 2b die frequenzabhängige 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-Rauschverhältnisses 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 Empfangsleistung 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 Stabantenne am Fahrzeug bei deren Resonanzlänge. Aufgrund der zwangsweise unterschiedlichen Richtdiagramme wird dieser Faktor bezogen auf die azimutalen Mittelwerte unter einem definierten konstanten Elevationswinkel θ des Welleneinfalls. Durch vergleichende azimutale Richtfaktormessungen mit Hilfe einer Antennenmessstrecke mit Fahrzeugdrehstand am passiven Antennenteil 1 und an der Vergleichsantenne ergeben sich bei N Winkelschritten für eine volle Umdrehung und mit dem Richtfaktor D_a(ϕ_n, θ) des vorgegebenen passiven Antennenteils 1 und entsprechend dem Richtfaktor D_p(ϕ_n, θ) der passiven Referenzantenne jeweils für den n-ten Winkelschritt die folgenden azimutalen Mittelwerte für die Richtfaktoren:
bzw. für die Referenzantenne bei der Bezugsfrequenz:
Das der aktiven Antenne nachgeschaltete Empfangssystem, welches in 3a durch die Verstärkereinheit 11 repräsentiert wird, ist in der Regel auf den Leitungswellenwiderstand Z_L des Hochfrequenz-Leitungssystems bezogen. Die mittlere azimutale Empfangsleistung im Lastwiderstand 9 ergibt sich bei hinreichend großer Steilheit g_m der Eingangskennlinie des Feldeffekttransistors 2 zu: P_am = 1 / 2· E²·l_em ²(f)·G(f) (5) wobei l_em ²(f) den bei jeder Frequenz auftretenden azimutalen Mittelwert der quadratischen effektiven 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 Gleichung 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 Dimensionierungsregeln 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 S_am 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 näher 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 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 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 erfindungsgemäßen aktiven Antenne gegenüber einer aktiven Antenne gemäß 2b nach dem Stand der Technik, der darin liegt, dass ohne eingangsseitige Anpassungsmittel sämtliche Antennenstrukturen diese Bedingung ohne eingangsseitige Transformationsmittel erfüllen. In der 18d sind die Realteile der in 18a und b dargestellten passiven Antennenteile 1 über der Frequenz von 76 bis 108 MHz aufgetragen. Der Frequenzverlauf des Realteils der erfindungsgemäß zu gestaltenden Eingangsadmittanz 7 am Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3 ist deshalb jeweils invertiert zu den in 18d dargestellten Kurvenverläufen nach Gesichtspunkten wie sie im Zusammenhang mit den Gleichungen (3) und (8) erörtert wurden, zu gestalten.
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 Feldeffekttransistors 2 und durch Wahl eines geeigneten Arbeitspunkts sowie durch andere an sich bekannte Schaltungsmaßnahmen gesteigert werden. Gemäß 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 18c und 18d ebenfalls schraffiert gekennzeichnet. Die Strahlungswiderstände R_A der Impedanzwerte besonders günstiger Strukturen für die Verwendung als passiver Antennenteil 1 befinden sich demnach außerhalb des schraffierten Wertebereichs mit R_Amin < R_A< R_Amax.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine vorgegebene Antennenstruktur durch Verwendung eines verlustarmen Übertragers mit dem Übersetzungsverhältnis ü, wie in 11 angegeben, ergänzt, welcher zusammen mit der Antennenstruktur – z. B. einem Heizfeld auf der Fensterscheibe – den passiven Antennenteil 1 bildet. Das breitbandige Übersetzungsverhältnis 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 Übertragungsbereich 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. Kettenschaltungen solcher Filter eingesetzt. Solche Filter sind in ihrer Grundstruktur in den Figuren dargestellt. Zur Entsprechung eines komplizierteren Frequenzverlaufs des G(f) können die Einzelelemente durch weitere Blindelemente ergänzt werden. Im Interesse der eingangsseitigen Hochohmigkeit und der Sperrwirkung im Sperrbereich ist es zweckmäßig, Serien- bzw. Parallelzweig jeweils aus einer Kombination von Blindwiderständen derart zu bilden, dass sowohl der Absolutwert 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 (6b).
In einer weiteren vorteilhaften Anwendung der Erfindung wird vorgeschlagen, für verschiedene charakteristische Verläufe von G(f) entsprechende Grundstrukturen für verlustarme Filterschaltungen 3 mit zunächst unbekannten Werten für die Blindelemente in einem modernen Digitalrechner 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 ermitteln 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 Mehrbereichsantennenanlagen, ist es in einer vorteihaften Weiterbildung der Erfindung hilfreich, wie in 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 Erfindung, wie in 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 5 gezeigt, die Verstärkerschaltung 21 im sehr schmalen Randbereich des Fahrzeugfensters unsichtbar unterzubringen. Deshalb ist es wünschenswert, 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 Hochfrequenzleitung 10 angeschaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die aktive Antenne als Mehrbereichsantenne für mehrere Frequenzbereiche ausgeführt. Hierfür sind in 6a für die Frequenzbereiche – UKW-Hörrundfunk sowie VHF- und UHF-Fernsehrundfunk – die prinzipiellen Frequenzverläufe von Blindwiderständen X₁, X₃ bzw. des Blindleitwerts B₂ einer T-Filteranordnung der in 6b angegebenen verlustarmen Filterschaltung 3 beispielhaft angegeben. Die T-Filterkonfiguration stellt hierbei die eingangsseitige Hochohmigkeit der verlustarmen Filterschaltung 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 Übertragungsfrequenzbändern erfolgen. Hierbei werden, wie in 7 gezeigt, zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändern mehrere Bipolartransistoren 14 zur Erweiterung des Feldeffekttransistors 2 eingesetzt, deren Basiselektroden an die Source-Elektrode des Eingangs-Feldeffekttransistors 13 angeschlossen sind und welche jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit dem Eingang einer getrennten verlustarmen Filterschaltung 3 zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betreffenden Frequenzbänder verbunden sind.
Zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und der daraus resultierenden Interband-Frequenzkonversionen in der Verstärkerschaltung 21 wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß 8 neben dem Feldeffekttransistor 2 ein weiterer Feldeffekttransistor 17 mit gleichen elektrischen Eigenschaften eingesetzt. Hierbei werden 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 solche Schaltung kann, wie in 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 Unterdrückung der nichtlinearen Effekte gemäß der für 8 gegebenen Erläuterungen und der Schaffung getrennter Übertragungswege gemäß der für 7 gegebenen Erläuterungen wie in 9 kombiniert. Die Gestaltung getrennter frequenzselektiver Übertragungswege kann vorteilhaft, wie in 12 angedeutet, auch anhand von Signalverzweigungen in der verlustarmen Filterschaltung 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 frequenzabhängige und in Bezug auf einfallende Wellen nach Betrag und/oder nur in Phase unterschiedliche Richtdiagramme 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 Anschlussstelle 18 jeweils mit einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 21 beschaltet, so dass durch die Auskopplung der hochfrequenten Empfangssignale 8 an den passiven Antennenteilen 1 keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangsspannungen gegeben ist. Eine solche Antennenanordnung ist ganz allgemein in 13 dargestellt. Die am Ausgang der Verstärkerschaltung 21 vorliegenden Empfangssignale 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 unabhängigen Antennensignale geprägt. Diese Unabhängigkeit drückt sich im Korrelationsfaktor zwischen den in einem Rayleigh-Wellenfeld während der Fahrt auftretenden Empfangsspannungen aus. 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 fahrzeugtechnischen Aspekten gewählt sind, sind beispielhaft in den 15a und 15b dargestellt. Aufgrund der zwischen den Anschlussstellen 18 bestehenden elektromagnetischen Strahlungskopplungen trifft diese Unabhängigkeit 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 kapazitiven Eingangsleitwerten die hochfrequenten 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 Diversityverfahren zur Verfügung.
Im Gegensatz hierzu würde die Beschaltung der Anschlussstelle 18 mit einer Transformationsschaltung nach dem Stand der Technik gemäß 2b über die an der Anschlussstelle 18 fließenden 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 Antennenimpedanzen und ist ferner Z12 die Wechselwirkungsimpedanz aufgrund der Verkopplung der Anschlussstellen 18 und sind Y1 und Y2 die Eingangsadmittanzen der Verstärker, mit denen die Anschlussstellen 18 belastet sind, so ergibt sich für die unter dieser Belastung auftretenden Spannungsamplituden 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 Spannungen U1 und U2 zu:
Für den hier vorausgesetzten Fall ergeben sich bei einer Fahrt im Rayleigh-Empfangsfeld voneinander 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 Spannungen U1 und U2 aus Gleichung (11) wie folgt:
Die mit der Zahl 0 besetzten Wechselwirkungen in der Einheitsmatrix in Gleichung (14) 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 Wechselwirkungsparameter 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 gefunden werden können, welche über die in Gleichung (15) beschriebene Transformation die gegenseitige Abhängigkeit in den Verstärkereingangsspannungen U1 und U2 reduzieren oder verschwinden lassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es deshalb, wie in 15 angedeutet, vorgesehen, die passive Antennenanordnung 27 an ihren Anschlussstellen 18 durch hierfür geeignete Leitwerte – vorzugsweise aus Gründen der Empfindlichkeit – Blindleitwerte 23 derart zu beschalten, dass die Korrelation zwischen den Spannungen an den Anschlussstellen 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 Strahlungswiderstände R_A(f) ist jeweils kein genauer Abgleich erforderlich, sondern es ist lediglich zu fordern, dass sie dem in 18 beschriebenen zulässigen Wertebereich angehören.
Bezugszeichenliste

0: Masse
1: Passiver Antennenteil
2: Feldeffekttransistor
3: Verlustarme Filterschaltung
4: Ausgang
5: wirksame Wirkwiderstand
9: 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

Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne mit einem im Meter- und Dezimeterwellenbereich liegenden Übertragungsfrequenzbereich, wobei die aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne aus einem passiven Antennenteil (1) mit einer innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs der aktiven Breitband-Fahrzeugempfangsantenne frequenzabhängigen effektiven Länge l_e und einer Verstärkerschaltung (21) besteht, deren Eingangsanschlüsse mit den Ausgangsanschlüssen des passiven Antennenteils (1) verbunden sind, wobei die Verstärkerschaltung (21) aus einem Feldeffekttransistor (2) und einer Blindelemente umfassenden, verlustarmen Filterschaltung (3) besteht, deren Eingang (6) an einen Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2) angeschlossen ist und an deren Ausgang (4) ein hochfrequentes Empfangssignal (8) ausgekoppelt ist, und wobei der Betrag einer am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) in einem außerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs liegenden Sperrfrequenzbereich so klein bemessen ist, dass nichtlineare Effekte der Verstärkerschaltung (21) vermieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustarme Filterschaltung (3) an ihrem Ausgang (4) mit einem Wirkwiderstand (5) belastet ist und den Wirkwiderstand (5) innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs in eine Eingangsadmittanz (7) mit frequenzabhängigem Realteil (G(f)) am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) transformiert, dass die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) derart gewählt sind, dass das hochfrequente Empfangssignal (8) innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs einem Frequenzgang folgt, bei dem der Frequenzgang des Realteils (G(f)) der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) reziprok zu dem durch die frequenzabhängige effektive Länge l_e bedingten Frequenzgang des Realteils (R_A(f)) der Impedanz (Z_A(f)) des passiven Antennenteils (1) ist, und dass der Realteil (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) im Übertragungsfrequenzbereich so groß gewählt ist, dass der Rauschbeitrag des vom passiven Antennenteil (1) empfangenen Rauschens in einer das hochfrequente Empfangssignal (8) auskoppelnden Verstärkereinheit (11) größer ist als der Eigenrauschbeitrag der Verstärkereinheit (11) zum Gesamtrauschen und hierzu der Realteil (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustfreien Filterschaltung (3) etwa so groß oder größer als dem Wert des Ausdrucks
entsprechend gewählt ist, wobei R_A(f) der Realteil der Impedanz (Z_A(f)) des passiven Antennenteils (1), T_A die Antennenrauschtemperatur des Realteils der Impedanz (Z_A(f)) des passiven Antennenteils (1), F_V die Rauschzahl der der aktiven Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nachgeschalteten Verstärkereinheit (11) und T_O die Umgebungstemperatur ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne 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 Rauschanpassung wesentlich kleiner ist als die Umgebungstemperatur (T₀).
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der am Ausgang (4) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksame Wirkwiderstand (5) durch den Eingangswiderstand einer an ihrem Ende mit einem Lastwiderstand (9) belasteten Hochfrequenzleitung (10) gestaltet ist und der Lastwiderstand (9) durch die Eingangsimpedanz der nachgeschalteten Verstärkereinheit (11) gebildet ist, wobei der Realteil (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) so groß gewählt ist, dass der Rauschbeitrag der Verstärkereinheit (11) kleiner ist als der Rauschbeitrag des Feldeffekttransistors (2).
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2; 13) ein Bipolartransistor (14) in Emitterfolgerschaltung angesteuert ist und der Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) anstatt an den Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2; 13) an einen Emitteranschluss (12) des Bipolartransistor (14) angeschlossen ist.
Aktive Breitband-Fahzeugempfangsantenne 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 Fensterscheibe oder einen Kunststoffträger, angeordnete, gedruckte Leiterstruktur gestaltet und die verlustarme Filterschaltung (3) als Bandpass ausgeführt ist, dessen Übertragungsfrequenzbereich im UKW-Frequenzbereich durchlässig ist und dessen Eingangsadmittanz (7) außerhalb des UKW-Frequenzbereichs einer hochohmigen Eingangsimpedanz entspricht.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der räumlichen Abtrennung eines miniaturisiert ausgeführten Frontends der aktiven Breitband-Fahrzeugempfangsantenne in der verlustarmen Filterschaltung (3) eine Hochfrequenzleitung (10) als ein den Wirkwiderstand (5) in die Eingangsadmittanz (7) frequenzabhängig transformierendes Element enthalten ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung des Übertragungsfrequenzbereichs mit mehreren Übertragungsfrequenzbändern die Frequenzabhängigkeit des Realteils (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) derart gestaltet ist, dass der Frequenzgang im hochfrequenten Empfangssignal (8) innerhalb jedes der Übertragungsfrequenzbänder breitbandig weitgehend kompensiert ist und der Betrag der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) außerhalb dieser Übertragungsfrequenzbänder hinreichend klein ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung des Übertragungsfrequenzbereichs mit mehreren Übertragungsfrequenzbändern mehrere Bipolartransistoren (14) vorhanden sind, deren Basis-Anschlüsse an den Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2; 13) angeschlossen sind, wobei die Bipolartransistoren (14) jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit den Eingängen getrennter verlustarmer Filterschaltungen (3) zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betreffenden Übertragungsfrequenzbänder verbunden sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und der daraus resultierenden Interband-Frequenzkonversionen in der Verstärkerschaltung (21) neben dem Feldeffekttransistor (2) ein weiterer Feldeffekttransistor (17) mit gleichen elektrischen Eigenschaften vorhanden ist, wobei die Eingangsanschlüsse der Verstärkerschaltung (21) durch Steueranschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren (2, 17) gebildet sind und der Eingang der verlustarmen Filterschaltung (3) mit den Source-Anschlüssen (19a und 19b) der beiden Feldeffekttransistoren (2, 17) verbunden ist und wobei in der verlustarmen Filterschaltung (3) ein Umsymmetrierglied (20) zur Umsymmetrierung der über die verlustarme Filterschaltung (3) aus den Source-Anschlüssen der beiden Feldeffekttransistoren (2, 17) ausgekoppelten hochfrequenten Empfangssignale (8) vorhanden ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung des Übertragungsfrequenzbereichs mit mehreren Übertragungsfrequenzbändern an die Source-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren (2, 17) der Verstärkerschaltung jeweils mehrere Bipolartransistoren (14) mit deren Basis-Anschlüssen angeschlossen sind, wobei die Bipolartransistoren (14) jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit dem Eingang getrennter verlustarmer Filterschaltungen (3) zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betreffenden Übertragungsfrequenzbänder gestaltet sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustarme Filterschaltung (3) als T-Halbfilter oder T-Filter oder als Kettenschaltung solcher Filter gestaltet ist, wobei deren Serienzweig und Parallelzweig jeweils aus einer Kombination von Blindwiderständen derart gebildet ist, dass sowohl der Absolutwert eines Blindwiderstands im Serienzweig (28) als auch der Absolutwert eines Blindleitwerts im Parallelzweig (29) jeweils innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs hinreichend klein und außerhalb eines solchen hinreichend groß ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Source-Anschluss des Feldeffekttransistors (2) und den Eingangsanschluss der verlustarmen 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.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur breitbandigen Schaffung günstiger Übertragungsverhältnisse in der verlustarmen Filterschaltung (3) ein Übertrager (24) mit geeignetem Übersetzungsverhältnis (ü) vorhanden ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlussstellen (18) des passiven Antennenteils (1) und den Eingangsanschlüssen der Verstärkerschaltung (21) ein/der Übertrager (24) vorhanden ist, dessen hinreichend hochohmige Primärinduktivität und geeignet gewähltes Übersetzungsverhältnis für eine breitbandige Erhöhung der effektiven Länge l_e des passiven Antennenteils (1) bemessen sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der verlustarmen Filterschaltung (3) anhand von Signalverzweigungen mehrere frequenzselektive Übertragungswege zur frequenzselektiven Auskopplung von hochfrequenten Empfangssignalen (8) für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbänder des Übertragungsfrequenzbereichs an mehreren Ausgängen gestaltet sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne mehrere passive Antennenteile (1) und mehrere jeweils aus dem Feldeffekttransistor (2) und der verlustarmen Filterschaltung (3) bestehende Verstärkerschaltungen (21) aufweist, wobei die passiven Antennenteile (1) frequenzabhängige und in Bezug auf einfallende Wellen nach Betrag und Phase unterschiedlichen Richtdiagramme der effektiven Längen l_e haben, welche in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen und zusammen eine passive Antennenanordnung (27) mit mehreren Anschlussstellen (18) bilden, von denen jede jeweils mit einer der Verstärkerschaltungen (21) beschaltet ist, so dass durch die Auskopplung der hochfrequenten Empfangssignale (8) keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangsspannungen an den passiven Antennenteilen (1) gegeben ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Ausgängen der Verstärkerschaltungen (21) ausgekoppelten, hochfrequenten Empfangssignale (8) zur Gestaltung einer Gruppenantennenanordnung mit vorgegebenen Empfangseigenschaften hinsichtlich Richtwirkung und Antennengewinn ohne Rückwirkung auf an den passiven Antennenteilen (1) anliegende Empfangsspannungen in einem Antennencombiner (22) nach Betrag und Phase überlagert sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Breitband-Fahrzeugempfangsantennen in einer Antennendiversityanlage für Fahrzeuge verwendet sind und die passiven Antennenteile (1) derart gewählt sind, dass ihre in einem Rayleigh-Empfangsfeld vorliegenden Empfangsspannungen diversitätsmäßig möglichst unabhängig voneinander sind und die hochfrequenten Empfangssignale (8) rückwirkungsfrei, d. h. ohne die diversitätsmäßige Unabhängigkeit der Empfangsspannungen zu beeinflussen, zur Auswahl in einem Scanningdiversity-System oder zur Weiterverarbeitung in einem anderen an sich bekannten Diversityverfahren zur Verfügung gestellt sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der diversitätsmäßigen Unabhängigkeit der Empfangsspannungen der passiven Antennenteile (1) deren Anschlußstellen (18) mit hierfür gesondert ermittelten Blindleitwerten (23) parallel zum Eingang der Verstärkerschaltung (21) belastet sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Antennenanordnung (27) als Leiterstrukturen auf einem in die Aussparung einer leitenden Fahrzeugkarosserie eingebrachten Kunststoffträgers oder als Leiterstrukturen auf eine Fensterscheibe des Fahrzeugs z. B. in Form von einem oder mehreren Heizfeldern oder/und als von einem Heizfeld getrennte Leiterstrukturen vorhanden sind und an diesen Leiterstrukturen mehrere Anschlussstellen (18) zur Ausbildung passiver Antennenteile (1) zum Anschluss mehrerer Verstärkerschaltungen (21) vorhanden sind.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Antennenanordnung (27) als eine zur Unterdrückung der Strahlungstransmission im Infrarotbereich aufgebrachte, im Wesentlichen zusammenhängende leitende Fläche mit hinreichend 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 Scanning-Diversity-Anlage einem elektronischen Umschalter (25), oder einer anderen Diversityanordnung zugeführt ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Antennenteil (1) aus einem ursprünglich nicht für die Nutzung als Antenne vorgesehenem und in seiner Gestaltung nur wenig veränderbaren Fahrzeugteil gebildet ist und an diesem Fahrzeugteil eine/die Anschlussstelle (18) zur Bildung eines passiven Antennenteils (1) gebildet ist und dass der Realteil (R_A(f)) der Impedanz (Z_A(f)) des passiven Antennenteils (1) im Übertragungsfrequenzbereich größer als ein Minimalwert des Realteils (R_Amin) = R_äF·T_O/T_A ist, wobei R_äF der äquivalente Rauschwiderstand des Feldeffekttransistors (2), T_A die Antennentemperatur und T_O die Umgebungstemperatur ist.
Aktive Breitband-Fahrzeugempfangsantenne für den UKW-Empfangsfrequenzbereich nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Realteil (G(f)) der Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) größer als entsprechend dem Ausdruck
gewählt ist, wobei R_A(f) der frequenzabhängige Realteil der Impedanz (Z_A(f)) des passiven Antennenteils (1) ist.