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Kraftfahrzeug als Antenne
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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, bestenend aus einem metallischen
Dach, einem metallischen Unterbau und leitenden Streben, die Dach und Unterbau verbinden,
verwendet als Antenne zum Senden und/oder Empfangen in einem leinen Frequenzbereich,
wobei im Sendefall durch ein Sendegerät hochfrequente Wechselströme auf dem Kraftfahrzeug
erzeugt werden oder im Empfangs fall eine auf dem Kraftfahrzeug entstandene hochfrequente
inechselspannung einem Empfangsgerät zugeführt wird.
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Wenn man in einem Kraftfahrzeug Senden una/oder Empfangen will, ist
es üblich, zusätzlichc Maßnahmen am Kraftfahrzeug vorzunehmen, beispielsweise einen
Stab auf der leitenden Karosserie oder Draht te auf den Fensterscheiben anzubringen
oder Veränderungen an den leitenden Teilen des Fahrzeugs durchzuführen. Die bisher
bekannten Anordnungen dieser Art erzeugen durchweg sehr komplizierte und schwer
durchschaubare Stromverteiluncjen auf der Karosserie, so daß die Strahlungseigenschaften
des Kraftwagens nicht optimal und kaum genauer voraussagbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Karosserie des Autos ohne zusätzliche
strahlende Teile und ohne bauliche Veränderungen als Antenne zu verwenden und auf
der Karosserie eine definierte und für die Strahlung besonders günstige Stromverteilung
herzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemß dadurch gelöst, daß ein Sende-und/oder
Empfangsgerät an die Ausgangsanschlüsse eines verlustarmen Vierpols angeschlossen
ist und der erste Eingangsanschluß des verlustarmen Vierpols über einen hochfrequent
wirksamen Verbindungsleiter mit dem Dach und der zweite Eingangsanschluß des verlustarmen
Vierpols mit dem Unterbau des Kraftfahrzeugs verbunden ist und der verlustarme Vierpol
mindestens zwei Blindwiderstände jX1, 3X2 enthält, von denen der erste die Eingangsanschlüsse
des verlustarmen Vierpols hochfrequent verbindet und der zweite den ersten Eingangsanschluß
und den ersten Ausgangsanschluß des verlustarmen Vierpols verbindet, und die beiden
Blindwiderstände so gewählt sind, daß am Ausgang des verlustarmen Vierpols die für
das Sende- und / oder Empfangsgerät
erforderliche Impedanzanpassung
besteht.
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In Fig. 1 ist 1 das metallische Dach und 2 der Unterbau des Kraftfahrzeugs.
3 sind die leitenden Streben, z.B. Fensterrahmen, die 1 und 2 verbinden. V ist der
verlustarme Vierpol mit den Eingangsanschlüssen 4 und 5 und den Ausgangsanschlüssen
6 und 7.
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8 ist der hochfrequent wirksame Verbindungsleiter zwischen 1 und 4,
der ein einfacher Draht sein kann, aber nicht notwendigerweise eine Gleichstromverbindung
sein muß, sondern nur eine Hochfrequenzverbindung sein kann, z.B. eine Serienkapazität
zur Potentialtrennung oder zum Schutz gegen atmosphärische Entladungen enthalten
kann. Am Ausgang 6, 7 des verlustarmen Vierpols ist das Sende- und/oder Empfangsgerät
E angeschlossen. E kann ein Sendegerät oder ein Empfangsgerät sein. Wenn die Antenne
wahlweise zum Senden und Empfangen verwendet wird, ist E ein kombiniertes Sende-und
Empfangsgerät bekannter Bauart. E kann ein Zuleitungskabel enthalten, wenn das eigentliche
Gerät in einer gewissen Entfernung vom Vierpolausgang aufgestellt ist.
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Fig. 2 zeigt das elektrische Ersatzbild der Anordnung nach der Erfindung.
Zwischen dem Dach 1 und dem Unterbau 2 besteht die Kapazität C12. Die 1 und 2 verbindenden
Streben stellen eine relativ kleine Induktivität L3 dar. C12 und L3 zusammen bilden
einen Parallelresonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz relativ hoch ist und bei vielen
Kraftfahrzeugen etwa bei 80 rez liegt. Der unvermeidbare Abstand zwischen Dach und
Unterbau erfordert eine hochfrequente Verbindung 8 vom Dach 1 zum Anschluß 4 des
verlustarmen VierpolsV, wenn dessen Eingang 5 an den Unterbau 2 angeschlossen ist.
Diese Verbindung wirkt wie eine Induktivität L8. Da die Verbindung 8 als Hauptbestandteil
einen relativ dünnen Draht besitzen muß, ist L8 im allgemeinen merklich größer als
L3, so daß die Kombination von C12, L3 und L8 an den Anschlüssen 4 und 5 im allgemeinen
einen induktiven Blindwiderstand jX darstellt. Nur in einem kleinen Frequenzbereich
unmittelbar oberhalb der genannten Eigenresonanz des Fahrzeugs ist jX kapazitiv.
In diesem kleinen Frequenzbereich ist die Anordnung nach der Erfindung zwar nicht
unbrauchbar, aber unvorteilhaft, so daß sich die Erfindung vorzugsweise auf Frequenzen
bezieht, bei denen jX induktiv ist. Da das Kraftfahrzeug als Antenne auch Verluste
durch Strahlung und
stromdurchflossene Widerstände hat, liegt zwischen
den Anschlüssen 4 und 5 insgesamt eine komplexe Impedanz Z = R + jX mit relativ
kleinem R.
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Der Vierpol V enthält mindestens zwei Blindwiderstände jX1 und jX2.
Der Blindwiderstand jX1 verbindet hochfrequent die beiden Eingangsanschlüsse (4,
5) des Vierpols V. Iiierbei kann es sich um eine direkte Verbindung wie in Fig.
2 handeln. Es können aber auch in komplizierter aufgebauten Vierpolen weitere Blindwiderstände
in dieser Verbindung liegen. Der Blindwiderstand jX2 verbindet hochfrequent den
ersten Eingangsanschluß 4 mit dem ersten Ausgangsanschluß 6 des Vierpols. Hierbei
kann es sich um eine direkte Verbindung wie in Fig. 2 handeln. Es können aber auch
in komplizierter aufgebauten Vierpolen weitere Blindwiderstände in dieser Verbindung
liegen.
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Die aus C12, L3 und L8 erzeugte Impedanz Z, die nur eine kleine Wirkkomponente
R besitzt, eignet sich wegen ungeeigneter Impedanzanpassung nicht zum unmittelbaren
Anschluß an das Sende-und/oder Empfangsgerät E. Der verlustarme Vierpol V hat daher
die Aufgabe, eine Impedanztransformation derart zu erzeugen, daß am Ausgang des
Vierpols eine für die Anpassung an das Gerät E geeignete Impedanz erscheint. Diese
Impedanzanpassung kann eine Leistungsanpassung anstreben, im Empfangs fall auch
eine Rauschanpassung. Zur Erzielung der Impedanzanpassung benötigt man mindestens
zwei Blindwiderstände, also mindestens jX1 und jX2.
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Vgl. H. Meinke, Einführung in die Elektrotechnik höherer Frequenzen,
1. Band, 2. Auflage, Berlin 1965, Abschn. III.1, insbesondere Abb. 91.
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Da Z nur relativ kleine Wirkkomponenten enthält, ist die Schaltung
der Fig. 2 als Ganzes eine Resonanzschaltung mit kleiner Bandbreite. Die Anordnung
nach der Erfindung ist daher nur für einen kleinen Betriebsfrequenzbereich geeignet,
z.B. für den zivilen Gegensprechverkehr bei 27 MHz. Bei Impedanztransformationen
in Resonanzschaltungen mit kleiner Bandbreite dient der erste Blindwiderstand jX1
im wesentlichen nur zur Herstellung der Resonanz, der zweite Blindwiderstand jX2
im wesentlichen zur Herstellung der Anpassung; vgl. das genannte Buch von Meinke,
Abschn.
III.2, beispielsweise Abb. 101.
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Die folgenden Figuren zeigen Beispiele der Schaltung des verlustarmen
Vierpols V mit zwei Blindwiderständen jX1 und jX2 nach Fig. 2, und zwar Fig. 3 einen
Vierpol mit 2 Kapazitäten C1 und C2, Fig. 4 die Transformationswirkung der Schaltung
der Fig. 3 in der komplexen Impedanzebene R, X, Fig. 5 einen Vierpol mit einer Kapazität
C1 und einer Induktivität L2, Fig. 6 die Transformationswirkung der Schaltung der
Fig. 5 in der komplexen I:npedanzeben R, X, Fig. 7 den Anschluß des Vierpols V an
das Fahrzeug, Fig. 8 ein Beispiel einer Feinabstimmung mit einer Varaktordiode C4.
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Es wird eine Betriebs frequenz vorausgesetzt, ei der der Blindwiderstand
jX der Kombination C12, L3, L8 induktiv ist. Zur Erzielung der Resonanz muß dann
der verlustarme Vierpol kapazitive Komponenten hinzufügen. Da jX2 in Serie zur Eingangsimpedanz
des Cer.ts E liegt und daher keine sehr großen Ströme führen kann, ist in einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für Resonanzschaltungen mit kleiner Bandbreite
und entsprechend großen Blindstrrimen der Blindwiderstand jX1 eine Kapazität C1.
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wenn jX ein induktiver Blindwiderstand und jX1 eine Kapazität C1 ist
und beide zusar.men angenähert eine Parallelresonanz bei der betriebsfrequenz bilden,
kann man am Ausgang 6, 7 des Vierpols die Impedanzanpassung sowohl durch ein induktives
jX2 wie in Fig. 5 als auch durch ein kapazitives jX2 wie in Fig. 3 erreichen.
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Es ist wegen der einfacheren Herstellung und wegen der geringeren
Verluste vorteilhaft, das jX2 durch eine Kapazität C2 zu realisieren.
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Fig. 4 zeigt die Transformationswirkung einer Schaltung mit C1 und
C2 in der komplexen Widerstandsebene.
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P1 ist die komplexe Irlpe«anz Z mit einer kleinen Wirkkom?onente.
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Das Ziel der Transformation ist die Impedanz in einen Punkt P3, der
die gewünschte Anpassung an das Gerat E ergibt und durch den Aufbau von E vorgeschrieben
ist. Das parallelgeschaltete C1 verschiebt P1 auf einem Kreis K konstanten Wirkleitwerts
im Uhrzeigersinn. Der Punkt P5, in dem K die reelle Achse schneidet, ist der exakte
Resonanzpunkt, in den P1 transformiert würde, wenn C1 den für die exakte Resonanz
erforderlichen zielt1R hatte. Wenn iX2 eine Kapazität ist, wählt man C1 geringfügig
kleiner als die für Resonanz erforderliche Kapazität C1R1 so daß P1 nicht ganz nach
P5 geschoben wird, sondern nach P2. C1 ist so gewählt, daß P2 senkrecht über dem
Zielpunkt P3 liegt, so daß man P2 durch die geeignet gewählte Kapazität C2 senkrecht
nach unten nach P3 schieben kann. Die Strecke von P2 nach P3 ist der Blindwiderstand
X2, aus dem man bei gegebener Frequenz das erforderliche C2 berechnen kann. Der
Kreisbogen zwischen P1 und P2 dient zur Berechnung des C1 nach dem bereits genannten
3uch von lIeinke, Abb. 86 und Gl. (204). Solange die geforderte Impedanz an den
Anschlüssen 6, 7 merklich kleiner als der Blindwiderstand X2 ist, gilt angenähert
C1 + C2 = C1R. Durch geeignete Wahl von C1 und C2 kann man alle Punkte P3 erreichen,
die unterhalb des in Fig. 4 gezeichneten Kreises K liegen, so daß die Schaltung
universell verwendbar ist.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung, in der jX2 eine Induktivität L2 ist,
und Fig. 6 die Transformationswirkung dieser Schaltung in der komplexen Impedanzebene.
C1 ist jetzt größer als 1R zu wählen, so daß P1 durch C1 auf dem Kreis R in den
Punkt P2 unterhalb der reellen Achse verschoben wird. C1 ist so gewählt, daß P2
genau unter dem Zielpunkt P3 liegt und durch eine Serieninduktivität nach P3 geschoben
werden kann. Die Strecke von P2 nach P3 ist der Blindwiderstand X2, aus dem man
bei gegebener Frequenz L2 berechnen kann. Um Sichtbehinderung der Fahrzeuginsassen
klein zu halten, legt man den Verbindungsleiter 8 vorteilhaft in die Nähe einer
der Streben 3 wein Fig. 7. Da die Resonanz zur Hauptsache zwischen der Kapazität
C1 des Vierpols und den Induktivitäten L3 und L8 entsteht, fließen die wesentlichen
und relativ großen Blindströme der Resonanz schaltung vom Anschluß 4 durch den
Verbindungsleiter
8 und zurück über die benachbarte Strebe 3 zum Anschluß 5. Um die Verluste in diesem
Stromkreis klein zu halten, ist es nicht nur vorteilhaft den Verbindungsleiter 8
nicht zu dünn zu machen, sondern auch den Verlustwiderstand der betroffenen Strebe
3 dadurch klein zu halten, daß man entlang der Strebe zwischen dem Anschluß 5 des
verlustarmen Vierpols und dem Anschluß 10 des Verbindungsleiters 8 am Dach 1 einen
zusätzlichen, beispielsweise bandförmigen Leiter aus gut leitendem Slaterial verlegt
und mit der Strebe vorteilhaft an mehreren Stellen leitend verbindet.
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Resonanz schaltungen mit kleiner Bandbreite benötigen eine sehr genaue
Resonanzabstimmung. Bei Kraftfahrzeugen ist ferner diese Resonanz auch meist nicht
ausreichend zeitlich konstant. Die sich ändernde Umgebung und das Wetter, rostende
Kontaktflächen, Beladen des Daches mit Gepäckstücken und andere Veränderungen der
Karosserie beeinflussen die Kapazität C12. Wenn man optimale Anpassung der Antenneneinrichtung
an das Gerät E erzielen will, so enthält der verlustarme Vierpol in einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung eine zusätzliche Einrichtung zur Feinabstimmung der
Resonanz und eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der Resonanz, mit deren Hilfe die
Feinabstimmung vorgenommen wird. Diese Feinabstimmung liegt vorteilhaft in einem
solchen Zweig der Resonanzschaltung, in dem die Feinabstimmung durch relativ kleine
Impedanzänderungen vorgenommen werden kann.
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Diese Feinabstimmung kann in bekannter Weise durch eine kleine, einstellbare
Kapazität parallel zu C1 oder C2 erfolgen. Falls diese Feinabstimmung durch einen
Elektromotor erfolgt, kann die Feinabstimmung mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung auch
automatisch erfolgen. Wenn die Feinabstimmung ohne eine mechanische Einstelleinrichtung
auf elektrischen Wege erfolgen soll, so dient hierzu beispielsweise eine Varaktordiode.
Derartige elektrisch einstellbaren Blindwiderstände eröffnen eine besonders einfache
Möglichkeit, mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung eine automatische Feinabstimmung vorzunehmen.
Weil eine Varaktordiode ein nichtlineares Element ist, entstehen wegen der großen
Hochfrequenzamplituden im Sendefall unter Umständen die bekannten amplitudenabhängigen
Resonanzabstimmungen. Da es sich im vorliegenden Fall
nur un: sehr
kleine Änderungen der Resonanzschaltung durch Feinabstimmung handelt, also die Varaktordiode
nur wenig Blindleistung zu verarbeiten braucht , veencet man vorteiliiaft die Varaktordiode
in einer Schaltung, in der an der Varaktordiode nur kleine Spannungsamplituden liegen.
Im Beispiel der Fig. 8 liegt parallel zu C1 als Feinabstimmung die Serienschaltung
einer kleinen Festkapazität C3 und einer Varaktordiode C4. ifierbei ist C3 so gewählt,
daß der Blindwiderstand des C3 wesentlich crößer als der höchste, im Betriebsfall
eingestellte Blindaziderstand der Varaktordiode ist. An der Varaktordiode liegt
dann nur ein kleiner Teil der in Fig. 8 zwischen den Punkten 4 und 5 liegenden Hochfrequenzspannung,
und die Varaktordiode arbeitet auch bei größeren zwischen 4 und 5 auftretenden Hoclifrequenzamplituden
weitgehend linear. C3 wird in seiner Grobe so gewählt, daß die Varaktordiode nicht
wesentlich mehr als denjenigen Variationsbereich der zwischen 4 und 5 liegenden
Impedanz erzeugt, wie er für die Feinabstimmung erforderlich ist. Was im Vorhergehenden
für eine einstellbare Kapazität beschrieben wurde, kann sinngemäß auch mit Hilfe
einer einstellbaren Induktivität vorgenommen werden. Vorteilhaft für eine automatische
Feinabstimmung ist dabei eine Induktivität, die durch einen Gleichstrom verändert
werden kann, z.B. eine Induktivität mit magnetisch wirksamen Kern, dessen magnetische
Eigenschaften durch ein von dem genannten Gleichstrom im Kern erzeugtes magnetische
Zusatz-Gleichfeld in bekannter Weise verändert werden. Im vorliegenden Anwendungsfall
schaltet man, analog zu dem vorher beschriebenen Fall der Varaktordiode, in Serie
zu der einstellbaren Induktivität eine Kapazität C3, um das nichtlineare Verhalten
der Induktivität zu vermindern.
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