DE2836608A1

DE2836608A1 - Eingangsschaltung fuer empfaenger und antennenverstaerker von elektromagnetischen signalen

Info

Publication number: DE2836608A1
Application number: DE19782836608
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-22
Filing date: 1978-08-22
Publication date: 1980-03-06

Description

Eingangsschaltung für Empfänger und Antennenverstärker von elektromagnetischen
Signalen Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung für Empfänger und Antennenverstärker von elektromagnetischen Signalen, insbesondere fiir Geräte und Anlagen die eine im Vergleich zur Wellenlänge sehr kurze Antenne benutzen.
Die Abmessungen von Empfängern und Antennenverstärkern können durch die Verwendung integrierter Schaltungen sehr klein gemacht werden. Dagegen lassen sich di.e Abmessungen der Antennen bei Verwendung konventioneller Schaltungen, ohne Empfindlichkeitseinbuße nicht weiter verringern. Bei Autoantennen, tragbaren Rundfunkempfängern, Funksprechgeräten, Fernsteuerempfängern, Lawinensuchgeräten u.ä., und Alarmgeräten wäre aber eine weitere Verkleinerung der Antennen von großem Vorteil.
Rundfunkempfänger mit Ferritantennen erreichen nicht annähernd die durch das atmosphärische und kosmische Rauschen gegebene GrenzempfIndichkeit. Das glelche gilt für Empfänger mit Stabantennen in den AM-Bereichen, weil die Antenne sehr lose an dem Schwingkreis angekoppelt werden muß. Diese lose Ankopplung ist erforderlich, weil sonst geringe Änderungen der Antennenkapazität - z.B.
durch einen in Antennennähe befindlicher Gegenstand oder bei Schwankungen der Antenne - bereits den Eingangskreis des Empfängers unzulässig verstimmen wirden. Hierbei können, insbesondere bei Fahrzeugantennen, auch Mikrofonie-Effekte auftreten. Weiterhin werden die Empfänger in der Regel kapazitiv abgestimmt, dh. die Eingangskapazität beträgt das Vielfache der ohne Abstimmkondensator möglichen Kapazität. Das bedeutet eine Verringerung der Eingangsimpedanz des Empfängers und bei kurzen Antennen eine entsprechende Verringerung der Empfindlichkeit.
Mit der Xnachfolgend beschriebenen Anordnung lassen sich auch bei im Vergleich zur Wellenlänge, sehr kurzen Antennen Empfängeremp findlichke it en erreichen.die durch die atmosphärischen Störungen und das kosmische Rauschen begrenzt sind. Hierzu wird erfindungsgemäß bei Empfängern und Antennenverstärkern für elektromagnetische Signale im Antennenkreis bzw. Empfängereingangskreis ein elektromechanischer Resonator angeordnet.
Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt weiterhin den Vorteil, daß trotz großer Selektivität und fester Ankopplung der Antenne an den Empfänger die Verstimmung bei kapazitiver Beeinflussung der Antenne vernachlässigbar ist. Weiterhin besitzt die Anordnung ein gutes Großsignalverhalten, insbesondere be-im Einsatz in Antennenverstärkern, weil nnr die Empfindlichkeit für die bevorzugt zu empfangenen Signale stark angehoben ist.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolwenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigt: Fig. 1 Eine Eingangsschaltung bei dem der elektromechanische Resonator parallel zum Empfängereingang angeordnet ist.
Fig. 2 Eine Eingangsschaltung bei der der elektromechanische Resonator in der Leitung zwischen der Antenne und dem elektromechanischen Resonator angeordnet ist.
Fig. 3 Eine Eingangsschaltung mit einem breitbandigen Ubertragungsweg und einem Ubertragungsweg mit mehreren elektromechanischen Resonatoren.
Fig. 4 Eine Eingangsschaltung mit einer Ferritantenne und einem elektromechanischen Resonator.
In Fig. 1 ist die Antenne 1 z.B. eine im Vergleich zur Wellenlänge kurze Stabantenne. Der elektromechanische Resonator 2 ist bevorzugt elektrostriktiv erregt. Er ist z.B. ein Schwingquarz. Das Signal wird in dem Feldeffekttransistor 3 verstärkt. Der Gegenpol zur Antenne ist die Gerätemasse bzw. Erde 4.
Der Kondensator 5 und die Induktivität 6 bilden einen Hochpaß, der Frequenzen unterhalb des ge»nschten Ubertragungsbereiches schwächt. Gegebenenfalls kann die Eingangsschaltung sinngemäß auch als Bandpaß ,z.B. durch Einfügen einer weiteren Induktivität in Reihe zum Kondensator 5, ausgeführt werden. Der Feldeffekttransistor 3 ist in bekannter Weise mit einem Sourcewiderstand 7, einem ihn kapazitiv überbriickenden Sourcekondensator 8 und einem Drainwiderstand 9 beschaltet. Das verstärkte Signal wird bei 1o abgenommen.
Die Schaltung kann als Eingangsschaltung eines breitbandigen Auto-Antennenverstärkeres, mit einen Ubertragungsbereich von 1ooKHz bis 30MHz, veendet werten, Die Parallelresonanz des elektromechanischen Resonators 2 - unter Berücksichtigung der Impedanz der Schaltung - liegt auf der Frequenz eines, am Empfangsort schwachen, bevorzugt zu empfangenden Senders. Das kann z.B. der Heimatsender er., der vom fernen Urlaubsort empfangen werden soll.
Das Ersatzschaltbild eines elektrostriktiverregten elektromechanischen Resonators ist ein Serienschwingkreis. Die Serienkapazität CS, die Parallelkapasität @ und die Induktivität des Ersatzschalthildes körnigen durch Wahl des Schwinger- und Erregermaterials der Anwendung angepaßt werden. Giinstig für die Anwerdung in Fig. 1 ist, wenn die Kapazität CS viel kleiner als die Antennenkapazität e'; und z.B. 0,1pF beträgt. Dann haben Änderungen der Antennenkapazität keinen wese@@-lichen Einfluß auf die Resonanzfrequenz. Wenn auch noch die Parallelkapasit@ C verhältnismäßig klein ist (<5pF), dann ist Fig. 1 eine Anordnung,bei der ein Schwingkreis mit großer Giite und kleinen Kapazitäten - also großer Impedanz -@est an die Antenne angekoppelt ist, ohne daß die Gefahr einer unzulässig großen Verskunnybg bestegt, /due griße Resonanzkreisimpedanz hat eine sehr niedrige äquivalente Eingangsrauschspannung des Verstärkers zur Folge. Damit lassen sich dann auch mit extrem kurzen Antennen (z.B. Antennenlänge kleiner als einhunderstel der Wellenlänge) Nachweisempfindlichkeiten erreichen, die nur noch durch die atmosphärischen Störungen bzw. das kosmische Rauschen begrenzt sind.
Durch Parallelschalten von mehr als zwei elektromechanischen Resonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen kann die Empfindlichkeit für mehrere Signale angehoben werden. Beim Parallelschalten stört lediglich die Parallelkapazität Cp, so daß man in der Regel nicht mehr als zehn Resonatoren parallelschalten wird.
Die Summierung der Parallelkapazitäten Cp läßt sich vermeiden, wenn die Resonatoren über bevorzugt elektronische Schalter wahlweise mit dem Antennenkreis verbunden werden.
Elektromechanische Resonatoren deren Ersatzschaltbild ein Parallelschwingkreis ist, sind für die beschriebene Aufgabe nicht so gut geeignet, als Resonatoren deren Ersatzschalt:bild ein Serienschwingkreis ist. Sie sind aber auch verwendbar, wenn die innere Parelkapazität verhältnismäßig groß ist (z.B. größer als 100pF) und der Resonator iiber eine kleine innere oder äußere Kapazität (z.B. kleiner als 1pF) an den Antennenkreis angekoppelt wird. Ist die innere Kapazität klein (z.B. kleiner als 10pF) dann läßt sich bei manchen Anwendungen zwar auch die Empfindlichkeit verbessern, der Schwingkreis ist aber nicht mehr verstimmungsun nmpfindlich.
Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung bei der der elektromechanische Resonator in der Verbindungsleitung zwischen der Antenne und dem Verstärkereingang angeordnet ist.
Hier wird die Resonanz des Pl-Gliedes, bestehend aus der Antennenkapazität, dem elektromechanischen Resonator und der Verstärkereingangskapazität ausgenutzt.
Wegen der Trennung der Antennenkapazität und der Verstärkereingangskapazität durch den Resonator ist die Schaltung noch empfindlicher als die Schaltung nach Fig. 1.
Auch hier können wieder mehrere elektromechanische Resonatoren parallelgeschaltet werden. Weiterhin kann, um den Übertragungsfaktor für die nicht in Resonanz mit den Resonatoren befindlichen Signale zu verbessern, parallel zu den Resonatoren ein Kondensator (z.B. 1opF) angeordnet werden.
Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung bei der das breitbandige Signal über den Verstärcer 14 übertragen wird und bei dem drei Resonatoren 2 vor einem anderen Verstärker 13 angeordnet sind. Hinter den Verstärkern, am Ausgang 15, sind die Signa]-wege wieder vereinigt.
Ferritantennen und Rahmenantennen haben den Vorteil, daß sie innerhalb des Empfängers angeordnet werden können. Allerdings ist ihre effektive Antennenhöhe llncl.
damit die Empfindlichkeit des Empfängers gering. Indem (Fig. 4) die Ferritantenne bzw. Rahmenantenne 16 mit elektromechanischen Resonatoren in Resonanz gebracht wird, läßt sich die Nachweisgrenze für schwache Signale im Vergleich zu konventionellen Schaltungen wesentlich verbessern. Die Verbesserung ist besonders groß, wenn die großen Kreisgiiten von elektromechanischen Resonatoren ausgenutzt werden können. Bei der Anordnung nach Fig. 4 sind auch Resonatoren deren Ersatzschaltbild ein Parallelschwingkreis ist vorteilhaft einsetzbar und zwar auch dann, wenn die Parallellapazität verhältnismäßig klein ist.
Bei Antennenverstärkern und Rundfunkempfängern werden mit den elektromechanischen P.esonatoren relativ wenige Empfangskanäle in einem viele Kanäle umfassenden Empfangsbereich in der Empfindlichkeit angehoben. Bei anderen Anwendungen, z.B. Funksprechgeräten, Lawinensuchgeräten und Fernsteuergeräten, kann jedem Empfangskanal ein elektromechanischer resonator zugeordnet werden.
Indem mehrere Resonatoren in der Frequenz etwas versetzt werden oder/und indem mehrere t?esonatoren gcitQnpelt werden, kann der Übertragungsfaktor dieser Konbf'nat ion mit einer Bandpaßcharakteristik ausgestattet werden. Diese Maßnahme ?st zu unterscheiden von einer weiteren vorteilhaften Anordnung, bei der ein resonator mehrere, nindestens um eine Empfangskanalbreite auseinanderliegende, Resonanz@requenzen besitzt. Womit mit einem Resonator mehrere Signale empfangen werden können.
Häufig ist die Kreisgüte der elektromechanischen Resonatoren fiir die Anwendung zu groß. Es kann dann die Parallelresonanz,in die besonders die äußeren Kapazitäten einbezogen sind, durch dämpfende Bauelemente, insbesondere Widerstände, bedämpft werden. Es kann z.B. ein Widerstand in Reihe zur Antennenkapazität und/oder Vcrstärkereingangskapazität eingefügt werden.
Noch günstiger fiir den Störabstand ist es, wenn die Bandbreite der Resonanz des Eingangskreises mit dem elektromechanischen Resonator durch eine Gegenkopplung vergrößert wird Die elektromechanischen Resonatoren können im Empfängereingang angeordnet sein.
Dabei ist es giinstig, wenn sie von der Außenseite des Gerätes ausgewechselt werden können (z.B. mittels Steckverbindungen). Besonders bei Autoantennen ist es aber auch sinnvoll, die Resonatoren nnmittelbar am Fußpunkt der Antenne,gegebenen falls mit der Antenne mechanisch verbunden, anzuordnen.
Zur nachträglichen Erhöhung der Empfindlichkeit von Empfängern können die elektromechanischen Resonatoren in einem Zusatzgerät angeordnet werden. Das Ausgangs signal des Zusatzgerätes kann iiber Leitungen mit dem Empfänger verbunden werden.
Um die nachträglich zu schaffende Leitungsverbindung zu vermeiden ist es aber günstiger, das Signal im Zusatzgerät auf eine Antenne zu geben und von dieser Antenne auf die Antenne des Empfängers zu koppeln. Es können dafür z.B. Stab-, Ferrit- und Rahmenantennen verwendet werden. Wenn im Zusatzgerät Frequenzumsetzung angewendet wird, dann kann in diesem Gerät die gleiche Antenne zum Empfan gen und Wiederaussenden des Signales verwendet werden. Wegen der geringen Entfernung zwischen den Antennen des Zusatzgerätes und des Empfängers kann die Sendeleistun6 so gering gehalten werden, daß die gesetzlichen Vorschriften nicht verletzt werden. In der Regel wird im Zusatzgerät das Signal verstärkt werden.
Bei relativ fester Signalkopplung zwischen den Geräten genügt es aber auch im Zusatzgerät nur mit passiven Bauelementen, insbesondere den elektromechanischen Resonatoren, zu arbeiten.
Die Erfindung ist nicht auf di.e Anwendungsbeispiele beschränkt, insbesondere können Transformationselemente, Koppelelemente und Filter in die Schaltungen eingefügt werden, sowie andere Verstärkerbauelemenhte verwendet werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Eingangsschaltung für Empfänger und Antennenverstärker von elektromagnetischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß im Antennenkreis bzw. Empfängereingangskreis mindestens ein elektromechanischer Resonator angeordnet ist.
.9. EIngangsscha]tung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanz frequenz die aus den Impedanzen des elektromechanischen Resonators zusammen mit den Impedanzen des Antennenirreises und Empfängereingangskreises resultiert gleich der Frequenz des zu empfangenen Signales ist.
3. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Antenne viel kürzer als ein viertel der Wellenlänge des zu empfangenen Signals ist.
1|. Eingangsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Antenne kürzer als ein hundertstel der Wellenlänge des zu empfangenen Signals ist.
5. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Ferri-t- oder Rahmenantenne ist C.
Eingangsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanz am Verstärkereingang eine Parallelresonanz ist.
7. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Resonator parallel zum Antennenkreis oder/und parallel zum Empfängereingangskreis angeordnet ist.
8. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Resonator in der Leitung zwischen der Antenne und dem Empfängereingang angeordnet ist.
9. Eingangsschaltung Wach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektromechanische Resonatoren für unterschiedliche Empfangsfrequenzen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen in der Schaltung angeordnet sind und daß die jeweils nicht in Resonanz mit der Empfangsfrequenz befindlichen elektromechanischen Resonatoren nicht durch Schalter von der Schaltung abgetrennt werden.

1o. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere clektromechanische Resonatoren in der Frequenz so versetzt sind und/oder so miteinander gekoppelt sind, daß der resultierende Übertragungsfaktor des Eingengskreises Bandpaßcharakter hat.

11. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Resonatoren steckhar und von der Außenseite des Gerätes allswecilselbar angeordnet sind.

12. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Resonatoren an der Antenne montiert sind.

13. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die alektromcchanischen Resonatoren in einem Zusatzgerät angeordnet sind und daß das Zusatzgerät galvanisch oder kapazitiv oder induktiv an die Antenne oder den Empfängereingang angekoppelt ist.

14. Eingengsschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung über Antennen erfolgt.

15. Eingangsschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen Ferritantennen oder Rahmenant ennen sind.

16. Eingangsschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zusatzgerät nur passiv arbeitende Schaltungen angeordnet sind.

1?. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Eingangsschaltung n Empfangskanäle beträgt und daß m elektromechanische Resonatoren in der Eingangsschaltung angeordnet sind und daß n >m ist.

18. Eingangsschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum ist.

19. Eingangsschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung in mindestens zwei Wege aufgespalten ist und daß in einem ersten .Jeg keine elektromechanischen Resonatoren angeordnet sind und daß dieser Weg eine Bandbreite von n Empfangckanälen hat und daß in mindestens einem zweiten Weg die elektromechanischen Resonatoren angeordnet sind und daß die Wegc nach der ersten Verstärkerstufe wieder vereinigt werden.

20. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leektromechaniscche Resonator ein elektrostriktiverregter Besonntor ist.

21. Eingangsschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die im Rrsatzschalthild des elektromech anischen Resonators in Reihe zur Induktivität liegende Kapazität CS kleiner als die Antennenkapazität CA ist.

2. Eingangsschaltung nach Ansp[ruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß CS@0,1CA ist.

25. Eingangsschaltung nach Anspruci 1, dadurch gekennzeichnet1 daß der elek romechanische Resonator mehrere Resonanzen besitzt sind daß die verschiedenen Resonanzfrequenzen gleich den Frequenzen von bevorzugt zu empfangenden Si nalen sind.

24. Eingangsschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der elektremechanische Reconatior ein Schwingquarz ist.

25. Eingangeschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekonnzeichnbet, daß parallel zum elektromechanischen Resonator ein Kondensator angeordnet ist.

26. Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicknet, daß die Bandb@eite der Parallelresonanz und/oder der Serienresonanz durch Widerstände oder andere dämpfende Bauelemente oder Schaltungen vergrößert wird.