DE3109391A1

DE3109391A1 - "antennenkreis"

Info

Publication number: DE3109391A1
Application number: DE19813109391
Authority: DE
Inventors: Knud Erik 7600 Struer Bäkgaard
Original assignee: Bang and Olufsen AS
Current assignee: Bang and Olufsen AS
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1981-03-12
Publication date: 1982-03-04
Also published as: DK147560C; US4442434A; GB2071920B; GB2071920A; JPS56137739A; DK147560B; DK107080A

Description

Die Erfindung betrifft einen Antennenkreis der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Herkömmliche Antennen für Rundfunkempfänger sind an einen Resonanzkreis angeschlossen, der eine außerordentlich geringe Impedanz in einem Frequenzbereich in der Nähe der Resonanzfrequenz hat, wodurch die empfangenen schwachen Funkwellen ein einigermaßen starkes Antennensignal zur Weiterverstärkung in einem Empfänger erzeugen können. In dem Empfänger ist ein variabler Abstimmkreis vorhanden, der eine selektive Trennung von Signalen von jeweils unterschiedlichen Frequenzen entsprechend den verschiedenen Sendestationen ermöglicht. Der Antennenkreis ist so ausgelegt, daß er einen breiten wirksamen Empfangsbereich hat, wodurch er in der Lage ist, ein weites Spektrum von Signalen von vielen unterschiedlichen Sendern zu empfangen. Der Gewinn der Antenne ist jedoch beträchtlich für Frequenzen in der Nähe der Grenzen des Frequenzbereichs verringert, und es ist daher allgemein üblich, den Empfänger mit einem Wahlschalter zur Anpassung des An-

SL/N

tennenkreises an unterschiedliche Wellenbereiche, z.B. Langwellen, Mittelwellen oder eine oder mehrere Kurzwellenbereiche, vorzusehen, der die Antenne mit verschiedenen Impedanzen für eine passende Änderung der Resonanzfrequenz und des Bereichs des Antennensystems verbindet.

Prinzipiell wäre es sehr wünschenswert, den Antennenkreis über einen sehr breiten Frequenzbereich wirksam zu machen, ohne daß zwischen verschiedenen Unterbereichen ausgewählt werden muß, und in der Tat ist ein solcher Vorschlag aus der britischen Patentschrift 1 231 022 bekannt, die eine Dipol-Antenne offenbart, die mit einer Impedanz von der Art "negative Impedanz" verbunden ist, d.h. einem elektrischen Kompensationskreis, der dazu bestimmt ist, den Frequenzverlauf der Antenne selbst zu imitieren. Mit Hilfe eines zugehörigen Verstärkers wird diese imitierte Impedanz mit umgekehrtem Vorzeichen der Antennenimpedanz hinzugefügt, derart, daß die sich ergebende Impedanz des Antennenkreises im Idealfall bei allen Frequenzen null ist. In der Praxis ist jedoch dieses ideale Ergebnis kaum zu erreichen, da unvermeidlich einige Abweichungen zwischen den Frequenzcharakteristiken der Antennenimpedanz und der Kompensationsimpedanz vorhanden sind, und selbst cferinge Abweichungen bewirken ein nicht ideales Ergebnis.

Der Erfindung/ liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antennenkreis mit "negativer Impedanz" zu schaffen, mit dem eine praktisch ideale Eliminierung der sich ergebenden Antennenimpedanz und somit ein guter Gewinn der Antenne für

alle Frequenzen über einen sehr breiten Frequenzbereich erreichbar ist.

Gemfcß der Erfindung ist die die Antenne imitierende Impedanz durch eine Hilfsantenne von der gleichen Art wie die erste Antenne gebildet, sie ist vorzugsweise völlig gleich damit ausgebildet. Somit ist die "negative Impedanz" aufgrund einer Antenne gebildet und nicht aufgrund eines synthetischen Imitationskreises, wodurch irgendwelche möglichen Unregelmäßigkeiten der Frequenzcharakteristik der Primärantenne sich automatisch in der Hilfsantenne wiederholen, da die beiden Antennen vollständig und umfassend in der gleichen Weise auf irgendeine Frequenz ansprechen. Hierdurch ist eine praktisch absolute Eliminierung der sich ergebenden Antennenimpedanz unabhängig von solchen Unregelmäßigkeiten erzielbar.

Die Erfindung besteht darüber hinaus in der Erkenntnis, daß die Verwendbarkeit der "negativen Impedanz" zur Verbreiterung des wirksamen Frequenzbereichs eines Antennensystems nicht auf Dipol-Antennen begrenzt ist, da Versuche gezeigt haben, daß ein entsprechendes Prinzip in sehr vorteilhafter Weise auch bei Ferritantennen oder ähnlichen Antennen anwendbar ist, die auf den magnetischen Teil der elektromagnetischen Radiowellen ansprechen, während die Dipol-Antennen auf den elektrischen Anteil oder das entsprechende Feld davon ansprechen. Bei einer Ferritantenne ist es nicht möglich, eine "negative Impedanz" der gleichen Art zu verwenden, wie das für die Verwendung bei Dipol-Antennen vorgeschlagen worden ist, jedoch ist eine "negative Spule" vollkommen ver-

wendbar,und sie ist insbesondere wirksam für die gewünschte vollständige Eliminierung der sich ergebenden .Antennenimpedanz, wenn sie auf einer Antennenspule im Zusammenhang mit einem magnetischen Kern basiert, die vollständig der primären Ferritantenne entsprechen. Idealerweise sollten zwei vollständig gleiche Antennen verwendet werden, die benachbart zueinander angeordnet sind, ohne daß sie induktiv gekoppelt sind; die "negative" Impedanzkopplung zwischen ihnen kann so bewirkt werden, daß es kaum möglich ist, zwischen einer primären und einer Hilfsantenne zu unterscheiden, da das • gesamte System zwei gleiche Antennen und einen dazwischenliegenden, elektrisch aktiven Kopplungskreis aufweist.

Üblicherweise ist die wirksamste Antennenart für Rund— funkwellen bei einem breitenFrequenzbereich wenigstens im AM—Bereich die sogenannte Langdrahtantenne, d.h. ein langer Draht, der gegenüber dem Boden isoliert ist. Diese Art von Antenne hat jedoch drei hauptsächliche Nachteile, das sind: 1.) Sie kann schwierig auszubringen sein, 2.) sie ist nicht für tragbare Empfänger geeignet (wenn auch durchaus als stationäre Antenne dafür geeignet), und 3.) sie empfängt nicht nur Radiowellen, sondern auch elektrische Störsignale von vielen Störquellen, z.B. Funken von Kraftfahrzeugmotoren oder Elektromotoren in der Nachbarschaft der Antenne.

Ferritantennen unterscheiden sich davon, indem sie diese Nachteile nicht aufweisen, während ihr Nachteil darin besteht, daß ihr Wirkungsgrad sehr niedrig ist. Da sie kompakt sind

und eine geringe Größe haben, sind sie leicht und praktisch überall zu installieren, und sie sind gut geeignet für die Verwendung innerhalb von tragbaren Rundfunkempfängern, was das vorherrschende Verwendungsfeld für diese Antennen ist. Es wurde gefunden, daß die magnetische Komponente der Radiowellen im Vergleich zur elektrischen Komponente weit weniger anfällig gegenüber Randstörungen von Ereignissen in der näheren Umgebung ist, und obwohl der Antennengewinn sehr viel geringer ist als der einer Langdrahtantenne, kann das Signal andererseits in sehr hohem Maße verstärkt werden, ohne daß die empfangenen Störungen beeinträchtigend sind. Mit anderen Worten, das Signal/Rauschverhältnis einer Ferritantenne ist weitaus besser als das einer Langdrahtantenne, und der Wirkungsgrad einer eingebauten Ferritantenne ist daher allgemein befriedigend. Es bleibt nur zu berücksichtigen, daß die eingebaute Antenne an den Empfänger gebunden ist, d.h. daß der Empfang immer dann schlecht ist, wenn der Empfänger in eine Umgebung gebracht wird, z.B. in ein Gebäude aus Stahlbeton, wo die Radiowellen besonders schwach sind und oft nicht empfangen werden können.

In solchen Umgebungen ist es daher normalerweise wünschenswert oder erforderlich, eine Außenantenne in einer günstigeren Position anzubringen, und normalerweise sind tragbare Empfänger entsprechend mit einer Buchse für einen Antennenstecker zum Anschluß einer stationären Antenne versehen, wobei natürlich der Nachteil in Kauf zu nehmen ist, daß der tragbare Empfänger durch einen solchen Anschluß nur in begrenztem Maße bewegbar ist.

Unter diesen Umständen würde es in hohem Maße wünschenswert sein, wenn die stationäre Außenantenne ebenfalls eine Ferritantenne sein könnte, da eine solche Antenne aufgrund ihrer geringen Größe viel einfacher zu installieren ist als eine Langdrahtantenne. In der Praxis ist eine solche Verwendung einer Ferritantenne aufgrund der Tatsache ausgeschlossen, daß der effektive Frequenzbereich herkömmlicher Ferritantennen für gewöhnliche Verwendungszwecke zu gering war, und aus verschiedenen Gründen würde es unzweckmäßig sein, eine Fernsteuerung zur Umschaltung zwischen verschiedenen Antennenspulen auf dem magnetischen Grundkern der An-"tenne zur Anpassung an verschiedene Frequenzbereiche vorzusehen.

Bei Verwendung der oben erwähnten "negativen Spule" oder "negativer Induktanz" ist es jedoch möglich, eine EIiminierung der sich ergebenden Impedanz der Ferritantenne in weitem Bereich zu erzielen, so daß die Antenne über den gewünschten breitenFrequenzberexch verwendbar ist, ohne daß eine Fernumschaltung zwischen verschiedenen Bereichen erforderlich ist. Als Folge davon ist es dann in der Praxis möglich, eine äußere Langdrahtantenne durch eine Ferritantenne zu ersetzen, die in der Tat wesentlich einfacher zu installieren ist. Es ist sogar möglich, von dem einfachen Typ von Antenne Gebrauch zu machen, von dem die Ferritantenne entwickelt worden ist, das ist die sogenannte Rahmenantenne, die eine wirksame und einfache Antenne ist, die lediglich mehr Raum als die Ferritantenne benötigt. Für die stationäre Anordnung sind jedoch die zusätzlichen Raumanforderungen einer Rahmen-

antenne nicht von Bedeutung.

Wie allgeEiein bekannt, sind Ferrit- und Rahmenantennen Richtantennen, was je nach den Umständen sowohl vorteilhaft als auch nachteilig ist. Bei einer stationären Anordnung ist es jedoch möglich, die Antenne oder Gruppe von Antennen so anzubringen, daß sie Störsignale aus bestimmten Richtungen unterdrücken, und daneben ist es möglich, zwei Antennen oder Antennengruppen mit bevorzugtenRichtungen oder solcher elektrischer Kopplung zu verwenden, daß sie insgesamt richtungsunabhängig sind.

Zur Erzielung eines breiten Frequenzbereichs und eines guten Äntennengewinnes mag es wünschenswert sein, eine größere Zahl von Windungen für die Antennenspule oder -spulen zu verwenden, und viele Windungen führen zu einer hohen sogenannten Parallelkapazität der Spule, was bei herkömmlichen Antennenkreisen unerwünscht ist. Bei Verwendung einer "negativen Spule" gemäß der Erfindung wird jedoch sogar die Parallelkapazität kompensiert oder eliminiert, und die Erfindung macht es daher möglich, die Zahl von Windungen im Vergleich zu dem Stand der Technik zu vergrößern, wodurch die Wirksamkeit des Antennensystems noch weiter erhöht wird.

Bei Verwendung einer Parallel- oder Hilfsferrit- oder Rahmenantenne in dem Kreis mit negativer Impedanz werden die folgenden zusätzlichen Vorteile erreicht: Das empfangene Wellensignal tritt in beiden Antennen auf, und da die Signale deutlich orientiert sind, können sie einfach addiert werden, während das unvermeidbare selbst erzeugte Rauschen in den beiden Antennen oder ihren Spulen eine beliebige Orientierung

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hat, wodurch die entsprechende Summe der Rauschsignale von den beiden Antennen nicht dem Doppelten des Signals entsprechen, sich vielmehr nur um den Faktor *1 vergrößern, d.h. daß das Signal/Rauschverhältnis \/2 mal besser als bei herkömmlichen Antennenkreisen ist, was einen beträchtlichen Vorteil der Erfindung "darstellt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden, die ein Blockschaltbild eines Antennenkreises gemäß der Erfindung zeigt.

Auf einem ersten Ferritstab ist eine Spule L₁ ange-'bracht, und auf einem getrennten Ferritstab ist eine weitere Spule L₂ angeordnet. Die Spulen sind vollständig oder im wesentlichen vollständig gleich und in Reihe in einen Antennenkreis mit Klemmen T. und T„ eingeschaltet. Zwischen der Klemme T₁ und dem gemeinsamen Punkt P der beiden Spulen ist ein Verstärker F angeordnet, dem Leistung in irgendeiner passenden Weise, z.B. über die Verbindungsdrähte zwischen den Klemmen T₁ , T2 und dem zugehörigen Rundfunkempfänger zugeführt wird. Falls oder wenn die Induktivität der beiden Spulen identisch ist, sollte der Verstärker F den Verstärkungsfaktor zwei haben. Er erhält sein Eingangssignal von der Spule L2 und liefert das verstärkte Ausgangssignal an die Spule L^ in einer solchen Weise, daß die letztgenannte eine Spannung erhält, die gleich ist, jedoch umgekehrt der Spannung, die gleichzeitig in der Spule L₁ erzeugt wird, genauso wie in L2. Die Spulen können als Spannungsgeneratoren betrachtet werden, und die Gesamt-vEmpedanz" der in Reihe geschalteten Spulen

—* 1 Ί —

und der Verstärker, gesehen von diesen Spannungsgenera— toren, wird somit für irgendeine Frequenz null sein, und folglich steht die volle Wirkung des Antennenkreises für alle Frequenzen zur Verfügung.

Obwohl die sich ergebende Impedanz des Spulensystems null ist, so existiert nichtsdestoweniger vektoriell eine Spannung zwischen den Enden des Systems, d.h. zweimal der induzierten Spannung, und dieses Signal gelangt an den selektiven Abstimmkreis des Rundfunkempfängers über Drähte, die ohne weiteres sehr lang sein können. Die beiden Spulen sind in bezug zueinander "negativ", jedoch wird die in beiden Spulen induzierte Energie zu dem zur Verfügung stehenden Ausgangssignal addiert. Wie bereits erwähnt, werden die vektoriell gleichgerichteten Signale der beiden Spulen zu dem doppelten Wert addiert (Gewinnzunähme 6 dB), da sie korreliert sind, während selbst erzeugte,nicht korrelierte Rauschsignale nur zu >2 ihres Wertes addiert werden, d.h. daß der Rauschanstieg nur 3 dB beträgt, so daß das sich ergebende Signal/Eauschverhältnis beträchtlich verbessert ist.

In der Praxis kann der Verstärker F aus einem einzigen Feldeffekttransistor bestehen, dessen Gitter (gate) an dem Punkt P, dessen Anode (drain) an die Stromversorgung und dessen Kathode (source) an den Mittelabgriff eines Autotransformators zwischen den gegenüberliegenden Enden des Spulen— systems angeschlossen ist, vorzugsweise eines Autotransformators mit einem sogenannten Ringkern.

Die Impedanz der Spule L₁ wird zweckmäßigerweise verschieden von der von L- gewählt, und die Verstärkung A in dem Verstärker F sollte dann gerade der Bedingung genügenr

^L2

Wie bereits erwähnt, ist es in besonderem Maße vorteilhaft, zwei praktisch gleiche Spulen zu verwenden, jedoch ist es prinzipiell möglich, eine "negative Spule" durch andere Schaltkreise zu bilden, z.B. einen Kondensator in Verbindung mit einem sogenannten negativen Impedanzkonverter.

Ein Antennensystem gemäß der Erfindung kann einen sehr breiten wirksamen Frequenzbereich haben, obwohl natürlich gewisse Grenzen aus praktischen Gründen bestehen. Es würde natürlich weiterhin möglich sein, eine Umschaltanordnung vorzusehen, falls es erwünscht ist, einen noch weiteren Bereich zu überdecken. Es können auch zwei Gruppen von Antennenkreisen verwendet und an den Empfänger über passende Drähte angeschlossen werden, wodurch das Umschalten von dem Rundfunkempfänger aus bewirkt werden kann.

Wie bereits erwähnt, können zwei oder mehrere Antennenkreise zusammen verwendet werden, um ein nicht gerichtetes Antennensystem zu bilden, und die Erfindung ist vorzugsweise verwendbar bei großen Systemen, z.B. kommerziellen oder Gemeinschaftsantennensystemen, bei denen eine "Batterie" von effektiven Ferrit- oder Rahmenantennen nur geringen Raum beanspruchen.

Die Erfindung ist nicht auf irgendeine besondere Art oder Arten von Antennen beschränkt, nicht einmal auf Rund-

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funkempfängerantennen. So kann ein Ferrit- oder Rahmen— antennensystem gemäß der Erfindung mit Vorteil in Empfängern in sogenannten "Fernschleifen"—Systemen verwendet werden, die allein auf magnetischer Induktion zwischen einer großen Schleife und den Empfängern innerhalb der Schleife beruhen; in diesem Falle besteht gewöhnlich keine besondere Notwendigkeit zur Berücksichtigung irgendeines besonderen breiten Frequenzbereichs, da meist nur Audiofrequenzen betroffen sind, jedoch macht bereits das verbesserte Signal/Rauschverhältnis des Antennenkreises die .Verwendung vorteilhaft. Andere Anwendungsgebiete sind Tonköpfe in Bandaufzeichnungsgeräten, Luftspulen in Tonaufnehmern oder Spulen für drahtlose Kurzwellenübertragung. Die Prinzipien der Erfindung gelten auch bei einigen Sende antennen, bei denen das System gemäß der Erfindung zur Erzielung eines hohen Antennenstromes beitragen kann.

L e θ r s e i t e

Claims

Patentansprüche

( 1./Antennenkreis, mit einer Antenne und einer Impedanz, die zur Erzeugung eines breiten wirksamen Frequenzbereichs des Antennenkreises eine "negative Impedanz" ist, die aufweist einen Verstärker und eine frequenzabhängige Impedanz, die die Impedanz der Antenne imitiert und sie über den Empfänger zu eliminieren sucht, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Impedanz durch eine Hilfsantenne von der gleichen Art wie die Hauptantenne gebildet ist.
2. Antennenkreis nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hilfsantenne wie die Hauptantenne ausgebildet ist.
3. Antennenkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Antenne eine Ferritoder Rahmen(schleifen)-Antenne ist mit einem Kern aus Ferrit

SL/N

oder einem entsprechenden Material zur Aufnahme magnetischer oder elektromagnetischer Wellensignale und bei der auch die
Hilfsantenne von dieser Art ist, wobei die frequenzabhängige Impedanz eine "negative Spule" ist.
4. Antennenkreis nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß sie als stationäres System angeordnet ist, wobei die jeweiligen Spulen der beiden Antennen induktiv voneinander getrennt oder isoliert sind.