DE102010010371B4

DE102010010371B4 - Aktive Antenne für Mehrfrequenz-Diversity-Empfang

Info

Publication number: DE102010010371B4
Application number: DE102010010371A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bulbin Yuri
Original assignee: ANTENNENTECHNIK BAD BLANKENBURG AG
Current assignee: Antennentechnik Bad Blankenburg GmbH
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2030-03-06
Also published as: DE102010010371A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aktive Antenne für Mehrfrequenz-Diversity-Empfang, umfassend eine schleifenförmige Leiterbahn mit durch einen Kondensator überbrückter Unterbrechung und einem Anschlussbereich, wobei am Anschlussbereich die Primärseite eines Anpassungstransformators angeschlossen ist, dessen Sekundärseite auf eine Verstärkerschaltung führt. Erfindungsgemäß steht die schleifenförmige Leiterbahn mit einer Stichleitung in Verbindung, wobei das von der schleifenförmigen Leiterbahn entfernte Ende der Stichleitung an der Sekundärseite des Anpassungstransformators angeschlossen ist, so dass durch die Wahl des Verbindungspunkts zwischen Stichleitung und schleifenförmiger Leiterbahn eine Abstimmung auf die elektrische Feldkomponente und die diesbezügliche Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung im FM-Bereich erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Antenne für Mehrfrequenz-Diversity-Empfang, umfassend eine schleifenförmige Leiterbahn mit durch einen Kondensator überbrückter Unterbrechung und einem Anschlussbereich, wobei am Anschlussbereich die Primärseite eines Anpassungstransformators angeschlossen ist, dessen Sekundärseite auf eine Verstärkerschaltung führt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die vorgeschlagene aktive Antenne ist insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Empfang von Rundfunk- und Fernsehprogrammen in verschiedenen Frequenzbereichen geeignet.
Zum Stand der Technik gehören stabförmige, im Regelfall auch teleskopierbar ausgeführte Antennen, die an Kraftfahrzeugteilen, insbesondere Kraftfahrzeugkarosserien, befestigt sind. Die Strahlerlänge einer solchen Antenne ist üblicherweise auf den Hauptempfangsbereich abgestimmt mit all den sich daraus ergebenden Nachteilen und Kompromissen in der Empfangsqualität.
Darüber hinaus beeinträchtigen Stabantennen das Design eines Fahrzeugs und es kommt zu störenden Windgeräuschen. Zum Schutz vor Beschädigungen müssen Stabantennen demontiert oder eingefahren werden. Fest montierte Stabantennen sind vor dem Einfahren in Waschstraßen zu entfernen.
Zum Stand der Technik gehören darüber hinaus Heckscheibenantennen, wie beispielsweise in der US 4,791,426 oder US 6,215,450 gezeigt.
In dem Fall, wenn z. B. durch Druck aufgebrachte Heizungselemente der Scheibe als Antennenstrahler genutzt werden, sind Entkopplungsfilter notwendig, um den Heiz-Gleichstrom von den HF-Signalen zu trennen. Derartige Entkopplungsfilter sind relativ großbauend und teuer. Falls der oder die Heizleiter defekt sind, verliert die Antenne den gewünschten Wirkungsgrad oder ihre Funktion insgesamt. Die im Stand der Technik beschriebenen elektrischen Antennen liefern darüber hinaus sehr hohe Rauschanteile im Vergleich zu einer magnetischen Antenne.
Windschutzscheibenantennen nach US 3,972,048 , US 5,198,826 oder US 5,650,791 weisen den Nachteil auf, dass selbige am Rand der Scheibe angebracht werden müssen, um Sichtbehinderungen auszuschließen. Darüber hinaus ist die Gestaltung der Windschutzscheibe beeinträchtigt. Notwendige Anschlusselemente und deren Verbindungen erhöhen die Kosten, was insbesondere beim Austausch einer Windschutzscheibe, z. B. Steinschlagbedingt, ein Problem darstellt.
Eine in einem Kraftfahrzeugspoiler montierbare Antenne zeigt die US 5,442,368 . Voraussetzung ist hier jedoch, dass ein entsprechendes Fahrzeug auch einen Spoiler oder eine ähnliche Windleiteinrichtung aufweist. Im Übrigen ist die Anordnung von Spoilern bezogen auf den Empfang von AM- oder FM-Signalen nicht optimal. Die Anpassungs- und Richtcharakteristik der Antenne nach US, 5,442,368 ist nicht optimal. Die dort gezeigte Antenne ist im Übrigen passiv und verfügt nur über eine mangelnde Selektivität.
Aus der DE 34 10 415 A1 ist eine aktive Antenne in bzw. auf der Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs vorbekannt. Diese Antenne soll sowohl einen AM-Empfang im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich als auch einen FM-Empfang, d. h. im UKW-Bereich ermöglichen.
Bei der Antenne nach DE 34 10 415 A1 wird ein weiterer, mit dem Heizfeld galvanisch nicht verbundener flächenhaft ausgebildeter Antennenleiter auf der Scheibe erzeugt. Dieser Antennenleiter steht mit dem Anschluss einer Eingangsklemme eines rauscharmen Verstärkers mit kapazitiv hochohmigem Eingangswiderstand in Verbindung. Die Masseverbindung dieses Antennenverstärkers ist über eine kurze Leitung mit der Umrandung des leitfähigen Teils der Heckscheibe verbunden. Die entsprechenden Abstände und Querabmessungen des Antennenleiters bezogen auf die Berandung und das Heizfeld unterliegen einer bestimmten Dimensionierung, die nicht für alle Frequenz- und Empfangsverhältnisse optimierbar ist.
Aus der WO02/05236 A1 ist eine aktive Antenne vorbekannt, welche schleifenförmige Leiterbahnen umfasst, und wobei eine durch einen Kondensator überbrückte Unterbrechung und ein Anschlussbereich vorgesehen ist. Am Anschlussbereich ist die Primärseite eines Anpassungstransformators angeschlossen, dessen Sekundärseite auf eine Verstärkerschaltung führt.
Einen ähnlichen Lösungsansatz zeigt die GB2384367 A .
Die US4395714 offenbart eine aktive Antenne, umfassend eine schleifenförmige Leiterbahn mit einem Anschlussbereich, wobei am Anschlussbereich die Primärseite eines Anpassungstransformators angeschlossen ist, dessen Sekundärseite auf eine Verstärkerschaltung führt. Die schleifenförmige Leiterbahn ist hier mit einer Stichleitung in Verbindung stehend.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Antenne für den AM- und FM-Mehrfrequenz- und Diversity-Empfang, insbesondere für Kraftfahrzeuge, anzugeben, die von einer magnetisch-elektrisch aktiven Konstruktion ausgeht und welche einen guten Empfang in mehreren Frequenzbereichen ermöglicht. Die Hochfrequenz-Parameter sollen empfangsbezogen optimal werden, wobei gleichzeitig der mechanisch konstruktive Aufbau einfach zu gestalten ist und ein optimaler Feldkomponenten-Diversityempfang möglich wird.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine aktive Antenne gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach von einer aktiven Antenne für AM- und FM-Mehrfrequenz- und Diversity-Empfang, umfassend eine schleifenförmige Leiterbahn mit durch einen Kondensator überbrückter Unterbrechung und einem Anschlussbereich ausgegangen, wobei im Anschlussbereich die Primärseite eines Anpassungstransformators angeschlossen ist, dessen Sekundärseite auf eine Verstärkerschaltung führt. Weiterhin steht die schleifenförmige Leiterbahn mit einer Stichleitung in Verbindung. Erfindungsgemäß ist das von der schleifenförmigen Leiterbahn entfernte Ende der Stichleitung an der Sekundärseite des Anpassungstransformators angeschlossen derart, dass durch die Wahl des Verbindungspunkts zwischen der Stichleitung und der schleifenförmigen Leiterbahn eine Abstimmung auf die elektrische Feldkomponente und die diesbezügliche Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung im FM-Bereich möglich ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Sekundärseite des Anpassungstransformators eine Reihenschaltung von zwei Wicklungen auf, wobei die Stichleitung am Verbindungspunkt der Teilwicklungen der Sekundärseite des Transformators angeschlossen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umfang der schleifenförmigen Leiterbahn ≤ dem 0,2-Fachen der kleinsten Wellenlänge des gewünschten Empfangsbereichs.
Der Überbrückungskondensator und der Anpassungstransformator bewirken eine Anpassung der magnetischen Feldkomponente an die Verstärkerschaltung für den FM-Bereich, wobei der Blindwiderstand des Kondensators im AM-Bereich bei mehreren kΩ liegt.
Das Verhältnis der Wicklung von Primärseite zu Sekundärseite des Anpassungstransformators liegt erfindungsgemäß im Bereich zwischen 1:2 bis 1:4.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Unterbrechung in der schleifenförmigen Leiterbahn vom Anschlussbereich entfernt befindlich.
Bei einer diesbezüglich abweichenden Ausführungsform ist die Unterbrechung mit Überbrückungskondensator in unmittelbarer Nähe des Anschlussbereichs und damit auch in der Nähe des Primärteils des Anpassungstransformators befindlich.
Der Verbindungspunkt zwischen der schleifenförmigen Leiterbahn und der Stichleitung ist so angeordnet, dass die Länge der Schleife in einem Verhältnis zwischen 1:6 bis 1:2 geteilt wird.
Bei einer Ausgestaltung der schleifenförmigen Leiterbahn verläuft diese kreisförmig oder aber alternativ vieleckig-flächig.
Der Überbrückungskondensator kann als Planarkondensator ausgebildet sein.
Die schleifenförmige Leiterbahn, der Kondensator und die als Zusatzleiterbahn ausgeführte Stichleitung können auf einer dielektrischen Folie ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die schleifenförmige Leiterbahn, der Kondensator, der Anpassungstransformator und die Stichleitung als Zusatzleiterbahn nebst Verstärker auf einer dielektrischen Leiterplatte, die einen Verdrahtungsträger bildet, vorhanden sind, so dass eine einheitliche kompakte Baugruppe entsteht.
Um den Anwendungen im Kraftfahrzeug zu genügen, können die aktiven und passiven elektronischen Elemente, insbesondere der Anpassungstransformator und der Verstärker mit einer witterungs- und feuchtebeständigen Umspritzung oder Umhausung versehen sein.
Ebenfalls besteht die Möglichkeit, dass der Transformator als Leitungstransformator auf einem Ferritkern gewickelt realisiert wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform der aktiven Antenne mit Anpassungstransformator und Verstärkerschaltung;
2 eine Ausführungsform ähnlich derjenigen nach 1, jedoch mit einer Anordnung der schleifenförmigen Leiterbahn mit Stichleitung und Kondensator auf einer isolierenden, insbesondere dielektrischen Folie;
3 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, jedoch hier mit einer Ausbildung der Antennenanordnung auf einem Verdrahtungsträger, insbesondere einer dielektrischen Leiterplatte;
4 eine weitere Ausführungsform der aktiven Antenne, wobei die Unterbrechung in der schleifenförmigen Leiterbahn in der Nähe des Anschlussbereichs und damit in der Nähe des Anpassungstransformators ausgeführt ist;
5 eine prinzipielle Darstellung der Wahl verschiedener Anschlusspunkte oder Anschlussstellen als Verbindung zwischen der schleifenförmigen Leiterbahn und der Stichleitung und
6 eine prinzipielle Darstellung eines Wicklungsschemas des Anpassungstransformators auf einem Ferritkern.
Bei der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird von denselben Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile ausgegangen.
Mit der erfindungsgemäßen Struktur, die aus einer Schleife, einer Unterbrechung und einer Zusatzleiterbahn als Stichleitung sowie einem Kondensator besteht, lassen sich hochfrequenzbezogen zwei Strahler generieren, und zwar sowohl in magnetischer als auch elektrischer Hinsicht.
Die Schleife 1 ist durch den Kondensator 2 und den Transformator (Anpassungstransformator) 4 zu der Eingangsimpedanz des Verstärkers 6 bezogen auf die magnetische Komponente im FM-Frequenzbereich angepasst.
Im AM-Frequenzbereich ist der Blindwiderstand des Kondensators 2 relativ hoch und liegt im Bereich zwischen 2 bis 5 kΩ. Die Schleife 1 und die Stichleitung oder Zusatzleiterbahn 5 sind hier als elektrischer Monopol wirksam.
Der Anpassungstransformator 4 überträgt das Signal von der Antenne zum Eingang des Verstärkers 6 (Eingänge 13 und 14). Der Verstärker arbeitet hier auch als Impedanzwandler.
Im FM-Frequenzbereich arbeitet die schleifenförmige Leiterbahn 1 nebst Unterbrechung 3 und Kondensator 2 ebenfalls wie ein elektrischer Monopol.
Durch die Positionswahl der Verbindung 18 zwischen Schleife 1 und Stichleitung 5 sowie der Parameter des Anpassungstransformators 4 ist dieser elektrische Monopol zu der Eingangsimpedanz des FM-Frequenzbereichs bezogen auf die elektrische Komponente angepasst.
Im FM-Frequenzbereich empfängt damit die erfindungsgemäße Antenne gleichzeitig und unabhängig sowohl die magnetische Komponente als auch die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes der Signale und funktioniert damit als magnetisch-elektrisch wirksame Antenne.
Die magnetischen und die elektrischen Komponenten des elektromagnetischen Feldes sind unabhängig, wobei diese Eigenschaft beim Diversity-Empfang vorteilhaft genutzt werden kann. Feldkomponenten-Diversity-Empfang ist effektiver als ein Mehrantennen-Diversity-Empfang und leichter zu realisieren mit Blick auf konstruktiv-mechanische Anforderungen.
Ein Diversity-Empfang ist außerordentlich wichtig für FM-, DAB-, DVBT-Sendungen in Städten, um Interferenzen der HF-Signale zu vermeiden oder zu kompensieren und damit die Qualität des Empfangs zu verbessern.
Als Innenantenne wirkt eine magnetische Antenne besser als eine rein elektrische Antenne, weil die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes weniger gedämpft in den Innenraum eindringt, als es bei elektrischen Komponenten der Fall ist.
Wenn die magnetisch-elektrische Schleifenantenne als Leiterplattenantenne gefertigt wird, ergibt sich eine leichte Montierbarkeit. Das heißt, es lässt sich mit einer solchen Innen-Aktivantenne in einfacher Weise eine passende Montagestelle finden. Verbindungen zur Karosserie, zur Windschutzscheibe und zur Heckscheibe oder dergleichen sind nicht erforderlich.
Der Anpassungstransformator addiert die magnetischen und elektrischen Komponenten der Signale und verbessert darüber hinaus das Signal-/Rauschverhältnis.
Der Verstärker 6 versorgt den in den Abbildungen nicht gezeigten Empfänger mit den pegelseitig notwendigen Signalen. Seine Ausgangsimpedanz ist an die Eingangsimpedanz des Empfängers angepasst.
Wie erläutert, besitzt die schleifenförmige Leiterbahn 1 eine Unterbrechung 3, die bei den Ausführungsformen nach den 1, 2, 3 und 5 an einer Stelle angeordnet ist, die dem Anschlussbereich des Anpassungstransformators 4 entfernt ist.
In der Ausführungsform nach 4 ist die Unterbrechung 3 nahe dieses Anschlussbereichs befindlich, und zwar insbesondere in unmittelbarer Nähe eines der Anschlüsse 8 von den Anschlüssen 7 und 8 der Primärseite des Anpassungstransformators 4.
Der Anpassungstransformator 4 weist demnach die erwähnte Primärseite mit den Anschlüssen 7 und 8 und eine Sekundärseite mit den Wicklungen und den Anschlüssen 9 und 10 bzw. 11 und 12 auf.
Die Teilwicklungen 9 und 10 sowie 11 und 12 sind in Reihe geschaltet. An der Verbindungsstelle der Wicklungen 10 und 11 ist die Stichleitung 5 (Punkt 17) angeschlossen, z. B. über einen diesbezüglichen elektrischen Leiter.
Die Anschlüsse 14 und 16 sind gemeinsame Bezugspunkte des Verstärkers 6 mit den Eingangsanschlüssen 13 und 14 und den Ausgangsanschlüssen 15 und 16.
Wie in der 1 dargestellt, sind die Anschlüsse 7 und 8 der Primärseite des Anpassungstransformators 4 parallel zu den Enden der schleifenförmigen Leiterbahn 1 angeschlossen. Die Anschlüsse 9 und 12 der Sekundärseite des Anpassungstransformators 4 liegen parallel zu den Eingangsanschlüssen 13 und 14 des Verstärkers.
Die Anschlüsse 10 und 11 der Sekundärseite des Transformators 4 stehen mit dem Punkt 17 der Stichleitung oder Zusatzleiterbahn 5 in elektrischer Verbindung.
Wie in der 2 angedeutet, kann bei einer Ausführungsform der Erfindung die schleifenförmige Leiterbahn 1, der Kondensator 2 und die Stichleitung 5 auf einer dielektrischen Folie 19 angeordnet werden.
Der Kondensator 2 kann als Planarkondensator ausgebildet sein.
Bei der Darstellung nach 3 wird davon ausgegangen, dass die gesamte Baugruppe einschließlich Verstärker 6 auf einem dielektrischen Verdrahtungsträger, d. h. einer Leiterplatte 20 befindlich ist, die in entsprechender Weise als kompakte Baugruppe im Kraftfahrzeug montierbar ist.
Bei der Darstellung nach 4 befindet sich die Unterbrechung 3 in der schleifenförmigen Leiterbahn 1 in unmittelbarer Nähe des Anschlussbereichs der Primäranschlüsse 7 und 8 des Anpassungstransformators 4.
Wie mit der Darstellung nach 5 angedeutet, teilt die Stichleitung 5 mit ihrem Anschlusspunkt 17 und dem Verbindungspunkt 18 die schleifenförmige Leiterbahn 1 in verschiedenen Verhältnissen (gestrichelte Darstellungen). Die Teilung der Schleife kann hier in einem Verhältnis zwischen 1:6 bis 1:2 vorgenommen werden.
Bei den figürlichen Darstellungen ist die schleifenförmige Leiterbahn als rechteckiges Gebilde gezeigt, wobei auch eine kreisförmige oder runde Ausgestaltung oder eine vieleckige Ausführungsform im Sinne der Erfindung liegt.
6 zeigt eine Wicklungsanordnung für die Ausbildung des Anpassungstransformators 4 auf einem Ferritkern.

Claims

Aktive Antenne für Mehrfrequenz-Diversity-Empfang, umfassend eine schleifenförmige Leiterbahn (1) mit durch einen Kondensator (2) überbrückter Unterbrechung (3) und einem Anschlussbereich (7; 8), wobei am Anschlussbereich (7; 8) die Primärseite eines Anpassungstransformators (4) angeschlossen ist, dessen Sekundärseite auf eine Verstärkerschaltung (6) führt und die schleifenförmige Leiterbahn (1) mit einer Stichleitung (5) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das von der schleifenförmigen Leiterbahn (1) entfernte Ende (17) der Stichleitung (5) an der Sekundärseite (10; 11) des Anpassungstransformators (4) angeschlossen ist, so dass durch die Wahl des Verbindungspunkts (18) zwischen Stichleitung (5) und schleifenförmiger Leiterbahn (1) eine Abstimmung auf die elektrische Feldkomponente und die diesbezügliche Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung (6) im FM-Bereich vorliegt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite des Anpassungstransformators (4) eine Reihenschaltung von zwei Wicklungen (9; 10; 11; 12) aufweist, wobei die Stichleitung am Verbindungspunkt (10; 11) der Teilwicklungen angeschlossen ist.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der schleifenförmigen Leiterbahn (1) ≤ dem 0,2-Fachen der kleinsten Wellenlänge des gewünschten Empfangsbereichs ist.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überbrückungskondensator (2) und der Anpassungstransformator (4) eine Anpassung der magnetischen Feldkomponente an die Verstärkerschaltung für den FM-Bereich bewirkt, wobei der Blindwiderstand des Kondensators (2) im AM-Bereich bei mehreren kΩ liegt.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wicklung von Primär- zur Sekundärseite des Anpassungstransformators (4) im Bereich zwischen 1:2 bis 1:4 liegt.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung (3) vom Anschlussbereich (7; 8) entfernt in der schleifenförmigen Leiterbahn (1) angeordnet ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung (3) mit Überbrückungskondensator (2) in der Nähe des Anpassungstransformators (4) oder des Anschlussbereichs (7; 8) ausgebildet ist.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt (18) zwischen der schleifenförmigen Leiterbahn (1) und der Stichleitung (5) so angeordnet ist, dass die Länge der Schleife im Verhältnis zwischen 1:6 bis 1:2 geteilt wird.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenförmige Leiterbahn (1) kreisförmig flächig oder vieleckig flächig verläuft.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (2) als Planarkondensator ausgebildet ist.
Antenne nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenförmige Leiterbahn (1), der Kondensator (2) und die Stichleitung (5) auf einer isolierenden, insbesondere dielektrischen Folie (19) angeordnet, ein- oder aufgebracht sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle funktionale Baugruppen einschließlich Verstärkerschaltung (6) auf einem elektrischen Verdrahtungsträger befindlich sind.