DE3124331A1

DE3124331A1 - "aktive antenne"

Info

Publication number: DE3124331A1
Application number: DE19813124331
Authority: DE
Inventors: Ernst Hugo 2665 Bleiswijk Nordholt; Durk van 2811 Reeuwijk Willigen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-06-20
Filing date: 1981-06-20
Publication date: 1982-04-01
Also published as: HK52688A; AU7193581A; AU544852B2; NL182109C; GB2079064A; GB2079064B; FR2485276A1; DE3124331C2; US4414690A; NL8003566A; JPS5730403A; JPH03802B2; CA1173559A; FR2485276B1

Description

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Durk van Willigen 3 · „_Q „„

Ernst Hugo Nordholt - . PHQ 80

Aktive Antenne

Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Antenne mit einem Antennenelement mit einer Länge, die gegenüber der Wellenlänge, die der Arbeitsfrequenz zugeordnet ist, klein ist und mit einem an das Antennenelement angeschlossenen Verstärker. ,

Eine derartige Antenne ist u.a. bekannt aus dem Artikel "Die transistorisierte Empfangsantenne mit kapazitiv hochohmigem Verstärker als optimale Lösung für den Empfang niedriger Frequenzen", von H. Lindenmeier, veröffentlicht in NTZ 27 (1974), Nr. 11, Seiten 411-418 und wird wegen der kleinen Abmessungen, der großen Breitbandigkeit. und der Möglichkeit, die Ausgangsimpedanz auf einfache Weise an die charakteristische Impedanz des Kabels zu einem Empfänger anzupassen, in ortsbeweglichen Funkempfängern, u.a. Autoradios und in sogenannten Antennen-"arrays" verwendet.

Wegen des Vorhandenseins eines Verstärkers sind Rauschen und Verzerrung unvermeidlich, so daß bei dem Entwurf derartiger Antennen ein optimales Signal/Rauschverhältnis und eine minimale Intermodulation angestrebt werden müssen. Weiterhin ist es insbesondere bei Verwendung in den sogenannten Antennen-"arrays" von Bedeutung, daß die Antennenübertragungsfunktion genau definiert ist und vorzugsweise frequenzunabhängig ist, während der Einfluß atmosphärischer Störungen möglichst unterdrückt werden muß.

Aus dem genannten Artikel geht hervor, daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers der aktiven Antenne hochohmig sein muß,

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Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine aktive Antenne zu verwirklichen, die durch ein neues Konzept weitgehend den gestellten Anfordenngen entspricht.

Die eingangs erwähnte aktive Antenne ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des ersten aktiven Elementes des Verstärkers virtuell geerdet ist.

Dies bietet den Vorteil, daß die Eingangsspannung nahezu gleich Null Volt ist, wodurch nichtlineare Verzerrungen vermieden werden, daß Schutzmaßnahmen·gegen atmosphärische Störungen wie statische Entladungen keinen Einfluß auf die Antennenübertragungsfunktion haben und daß der Einfluß · von parasitärer Verschmutzung der Antenne·, beispielsweise infolge von Staub und Regen, wesentlich- verringert wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Verstärker einen großen Verstärkungsfaktor hat und einen nichtinvertierenden . Eingang und einen invertierenden Eingang aufweist, wobei der nichtinvertierende Eingang mit einem Punkt gemeinsamen Potentials verbunden, das Antennenelement mit dem invertierenden Eingang gekoppelt und der Verstärker mittels eines Rückkopplungskreises gegengekoppelt ist. Dabei kann die Eingangsstufe des Verstärkers' als symmetrischer Differenzverstärker ausgebildet sein.

Dies bietet den Vorteil, daß auf sehr einfache Weise ein Verstärker mit einem sehr niedrohmigen Eingang erhalten ist.

Nach einem weiteren Kennzeichen enthält der Rückkopplungskreis einen zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem invertierenden· Eingang des Verstärkers.vorgesehenen ersten Kondensator.

Der Vorteil einer derartigen aktiven Antenne ist, daß die

PHQ 80 005 Übertragungsfunktion dieser Antenne frequenzunabhängig ist.

Die Wirkungsweise der aktiven Antenne und die Vorteile werden nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen '

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen akfciven Antenne,

Fig. 3 einen Ausbau der aktiven Antenne aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1,

Fig. 4 eine erweiterte Ausführungsform der aktiven Antenne aus. dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

•Die in Fig. 1 dargestellte aktive Antenne enthält ein Antennenelement 1, dessen Länge kleiner ist als die Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz und eine daran angeschlossene Verstärkerschaltung 2 mit einem Eingang 3 und einem Ausgang 4, an den eine Belastung 5 angeschlossen werden kann.

Eine derartige Antenne ist, wenn die Länge 1 dieser Antenne . viel kleiner ist als die Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz, insbesondere geeignet in ortsbeweglichen Empfängern und sogenannten Antennen-"arrays" verwendet zu werden. Weil diese Antennen einen Verstärker enthalten, sind Rausch- und Verzerrungsprodukte, die von dem Verstärker herrühren, unvermeidlich, die zu dem empfangenen Signal addiert werden. De.swegen muß die Konfiguration derart entworfen werden, daß ' . diese unerwünschten Signale möglichst gut unterdrückt werden. Die aktive Antenne ist zum Schutz des Verstärkereingangs vor hohen Spannungen, wie sie von statischen Entladungen herrühren, mit Dioden 5 und 6 versehen. Diese Dioden, die die Eingangsspannungsänderung zwischen Erdpotential und dem Speisespannungspotential begrenzen, weisen

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parasitäre Kapazitäten auf, die das von der Antenne herrührende Signal abschwächen. Außerdem trägt das nichtlineare Verhalten der Dioden zu der Verzerrung der aktiven Antenne bei. Auch eine Verschmutzung der Antenne durch Staub und Feuchtigkeit bildet parasitäre Impedanzen, die die Qualität der Übertragungscharakteristik der Antenne beeinträchtigen.

Um den Einfluß der genannten Effekte wesentlich zu verringern, enthält die Verstärkerschaltung 2 in diesem Aus-

1D führungsbeispiel einen Verstärker 8 mit großem Verstärkungsfaktor und ist der Signaleingang 9 des Verstärkers mit einem Punkt gemeinsamen Potentials verbunden, im Ausführungsbeispiel mit. Erde. Weiterhin ist der Verstärker mit einem Rückkopplungskreis versehen·, der durch eine zwischen dem Ausgang 11. und dem invertierenden Eingang '10 des Verstärkers 8 vorgesehene Impedanz 12 gebildet wird. Die Eingangsstufe des Verstärkers 8 kann als symmetrischer Differenzverstärker ausgebildet sein.

Weil der' Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8 sehr groß ist und die Ausgangssgannung über die Rückkopplungsimpedanz auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt wird, wird die Spannung des invertierenden Einganges 10 der Spannung des Signaleinganges 9 nahezu entsprechen und folglich der Spannug des Punktes gemeinsamen Potentials nahezu entsprechen.

Dies bedeutet, daß der invertierende Eingang virtuell geerdet ist. Dabei sei bemerkt, daß der invertierende Eingang 10 den Steuereingang des ersten aktiven Elementes der Verstärkerschaltung 2 bildet. Durch den sehr geringen Spannungsunterschied zwischen dem Signaleingang 9 und dem

• signalinvertierenden Eingang 10 hat die Verstärkerschaltung 2 eine sehr niedrige Eingangsimpedanz.

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■ Weil der invertierende Eingang virtuell geerdet ist, steht normalerweise an den Schutzdioden 6 und 7 keine Signalspannung und ist der Einfluß dieser Dioden auf die Antennenübertragungscharakteristik ausgeschaltet, Dasselbe gilt für den Einfluß der Antennenverschmutzung infolge von Feuchtigkeit und Staub. Auch die nichtlinearen' Verzerrungen des Verstärkers sind infolge der sehr geringen Eingangsspannungsänderungen wesentlich verringert.·

Eine Antenne mit einer Länge, die viel kleiner ist als die Wellenlänge kann durch eine Spannungsquelle U dargestellt werden, mit dar eine Kapazität C " in Reihe, liegt. Dies zeigt, daß die von dem Antennenelement erzeugte Leerlaufspannung frequenzunabhängig ist.

15" ■■■"".-

Zum Erhalten einer frequenzunabhängigen aktiven Antennenübertragungscharakteristik muß als Rückkopplungsimpedanz eine Kapaztität 16 gewählt werden.

Es läßt sichaif einfache Weise darlegen, daß in diesem Fall die Übertragungsfunktion der folgenden Gleichung entspricht: ■

TT /TT — — C /θ (Λ\

^Ub^/Ua " ^Ca^/Ci6 · Λ^1;» ■

wobei U^ die Spannung an der Last 5 darstellt. Wird' als Rückkopplungsimpedanz 12 ein regelbarer Kondensator C^g verwendet, so folgt aus der Formel (1), daß sich die Verstärkung mit dieser Rückkopplungskapazität C.g linear ändert, wodurch auf einfache Weise die Ausgangsspannung 3Q zum Aussteuern des mit der aktiven Antenne gekoppelten Empfängers, wie eines Autoradios, einstellbar ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt als aktiven Teil der Verstärkerschaltung 2 einen Operationsverstärker 8, dessen nichtinvertierender Eingang 9 wieder

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mit Erde verbunden ist. Der Rückkopplungskreis wird, jedochdurch einen ersten Transformator 13 gebildet, dessen Primärwicklung 14· zwischen dem Ausgang 4 des Verstärkers und Erde liegt und dessen Sekundärwicklung 15 zwischen dem Antennenelement und dem invertierenden Eingang 10 des Verstärkers 8 liegt. Bei einem Verhältnis von n:1 für die Anzahl Windungen der Primärwicklung 14 zu der der Sekundärwicklung 15, gilt für die Übertragungsfunktion der Antenne bei sehr hohem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8:

; V^{ü n}

so daß auch diese Antennenkonfiguration eine gut definierte Übertragungsfunktion hat, die frequenzunabhängig ist.

Dadurch,daß der invertierende Eingang virtuell geerdet ist, sind die Einflüsse von Streukapazitäten 22, wie von an den signalinvertierenden Eingang.10 angeschlossenen Schutzdioden, die Miller-Kapazitäten des ersten aktiven Elementes des Verstärkers 8 und der Verdrahtungskapazität an der Stelle des genannten Einganges 10 ausgeschaltet. Es bleibt nur die*Verdrahtungsstreukapazität 23.

Zum Erhalten einer optimalen Anpassung der aktiven Antenne an die Last 5, die beispielsweise durch die charakteristische Impedanz des Kabels und die Eingangsimpedanz eines Empfängers gebildet werden kann, kann die Rückkopplung des Verstärkers 12 modifiziert werden.

So zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, wobei außer der bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen, dem Ausgang parallel entnommenen Gegenkopplung mit Hilfe eines Kondensators -16 eine in Reihe mit dem Ausgang abgenommene Gegenkopplung mit Hilfe eines zweiten Transformators 18 und eines zweiten Kondensators 17 vorgesehen ist. Dabei ist die Primärwicklung 19 des zweiten Transformators 18 zwischen

»α · * β

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dem Ausgang 11 des Verstärkers 8 der Last 5 angeordnet. Die Primärwicklung Ist durch einen Widerstand 20 mit einem Wert» der gegenüber der Belastungsimpedanz 5 klein ist, überbrückt. Die Sekundärwicklung 21 des Transforma- · tors 18 ist in Reihe mit dem zweiten Kondensator 17 zwischen dem Punkt gemeinsamen Potentials (Erde) und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 8 vorgesehen. Ausgehend von einem Verhältnis von m:1 der Anzahl Windungen der Primärwicklung 19 zu der Anzahl Windungen der Sekundär wicklung 21, ist bei einem sehr großen Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8 der Übertragungsfaktor:

und die Ausgangsimpedanz Z_Q des Verstärkers 2 der folgenden Gleichung entspricht:

Z₀ = R₂₀-(I ₊m C₁₉/C₁₆) ■ (4).

Unter der Bedingung, daß die Belastungsimpedanz Z₅ = Z_Q,

, wild die

und daß L²R₂₀ I ^hEjJ— I und
Formel (3).wie folgt vereinfacht:

τι /tt — Π /on
^Ub^/Ua - ~^Ca^/2Ci6

Wie die Formel (5) zeigt, hat die in Fig. 3 dargestellte aktive Antenne eine definierte, frequenzunabhängige Übertragungscharakteristik. Weiterhin zeigt die Formel (4), daß durch die Wahl der Größe des Widerstandes 20 sehr einfach eine optimale Leistungsübertragung erhalten werden kann, ohne daß dabei ein wesentlicher Verlust der Signalleistung auftritt. . ■ " "

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine

tr* ** 9 ««

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Rückkopplung, wobei außer der dem Ausgang parallel abgenommenen Rückkopplung, wie in Fig. 2 dargestellt, in Reihe mit dem Ausgang eine zusätzlich abgenommene Rückkopplung vorgesehen ist, und zwar auf entsprechende Weise wie in Fig. 3 dargestellt.

Der Unterschied dieser zusätzlichen Rückkopplung zu der in Fig. 3. dargestellten ist, daß die Sekundärwicklung 21 des zweiten Transformators 18 in Reihe mit der Sekundärwicklung 15 des ersten Transformators 13 zwischen dem Antennenelement 1 und dem invertierenden Eingang 10 des Verstärkers liegt.

Für diese aktive Antennenkonfiguration gilt, daß:

V^Ua ^{= Z}5 ^(mZ20 ^{+ Z}5^{/n) (6)}

und daß die Ausgangsimpedanz Z_Q des Verstärkers 2 der folgenden Gleichung entspricht:

Z₀ = mnR₂₀ (7)'.

Durch Zc = Zq vereinfacht die Formel (6) sich'zu:

U_b/U_a = n/2 · (8).

Diese Formel (.8) zeigt, daß die in Fig. 4 dargestellte aktive Antenne eine definierte und frequenzunabhängige Übertragungscharakteristik hat und daß die Ausgangsimpedahz. des.Verstärkers 2 durch die Wahl der Größe des Wider-Standes 20 und/öder des Wickelverhältnisses des zweiten Transformators 18 auf einfache Weise auf eine optimale · Leistungsübertragung eingestellt werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt sich völlig in integrierter Form verwirklichen und eignet sich

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dadurch insbesondere zum Gebrauch bei Autoradios und Antennen-"arrays".

Die beschriebenen aktiven Antennen haben bei!einer Länge des Antennenelementes von 0,5 m über ein Frequenzband von 5 kHz bis 30 MHz eine innerhalb 0,5 dB flache Übertragungscharakteristik mit einer äußerst niedrigen Verzerrung, was anhand der Fig. 5 näher erläutert wird.

In der in dieser Figur dargestellten Graphik ist die von der aktiven Antenne abgegebene Leistung an einer Belastung von 50 0hm in'dBm gegenüber der Wurzel des mittleren quadratischen Wertes der empfangenen Feldstärke E^g ausgedrückt in V/m aufgetragen. Dabei zeigt die gerade Linie 22 den Zusammenhang des gewünschten Signals, die geraden Linien 23a und 23b die dabei auftretende Verzerrung zweiter Ordnung (in der Figur bezeichnet durch 2^e) und die geraden Linien 24a und 24b die dabei auftretende Verzerrung dritter Ordnung (in der Figur durch 3^e bezeichnet). Die Indizes A bzw. B . 20 bedeuten, daß diese Linien der aktiven Antenne zugehören, wie diese in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist. Die Aussteuerungsgrenze der aktiven Antenne ist in Fig. 5 durch die Linie 25 bezeichnet.

²⁵AuS dieser Graphik geht als Qualitätskriterium hervor, daß der Interzeptionspunkt zweiter Ordnung über +7OdBm liegt und der Interzeptionspunkt dritter Ordnung über +50 dBm.. ·

Claims

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• *

- - M ie β

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PATENTANSPRÜCHE:

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1/ Aktive Antenne mit einem Antennenelement mit einer Länge, die gegenüber der Wellenlänge Bei der Arbeitsfrequenz. klein ist und mit einem an das Antennenelement angeschlossenen Verstärker, dadurch gekennzeichnet _f daß der Steuerein-• ⁵ gang (10) des ersten aktiven Elementes des Verstärkers (8)

virtuell geerdet ist,
/**> . ■ ■ " " .
2. Aktive Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (8)· einen großen Verstärkungsfaktor hat und einen nichtinvertierenden Eingang und einen inver-• . tierenden Eingang (10) aufweist, wobei der nichtinvertierende Eingang (9) mit einem Punkt gemeinsamen Potentials verbunden, das Antennenelement (1) mit dem invertierenden Ein-. gang (10) gekoppelt und der Verstärker'(8) mittels eines Rückkopplungskreises gegengekoppelt ist.
3. Aktive Antenne nach Anspruch 2, .dadurch gekennzeichnet _T daß der Rückkopplungskreis einen zwischen dem Ausgang (11) ·*·- des Verstärkers und dem invertierenden Eingang (10) des Verstärkers vorgesehenen ersten Kondensator (16) enthält.
4. Aktive Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß der Rückkopplungskreis einen ersten Transformator (13) enthält, dessen Primärwicklung (14) zwischen dem Ausgang R

(11) des Verstärkers (8) und dem Punkt gemeinsamen Poten-. tials liegt und dessen eine Sekundärwicklung (15) zwischen dem Antennenelement (1) und dem invertierenden Eingang (10) des Verstärkers liegt (Fig. 2). / ,

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5. Aktive Antenne nach Anspruch 3, dadurch gek'erinz ei chne t,. daß der Rückkopplungskreis einen zweiten Transformator (18)

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enthält, dessen Primärwicklung (19) zwischen dem Ausgang (11) des Verstärkers (8) und der Last (5) liegt und dessen Sekundärwicklung (21) über einen zweiten Kondensator (17) zwischen dem invertierenden Eingang (10) und dem Punkt gemeinsamen Potentials liegt, und daß parallel zu der Primärwicklung (19) ein erster Widerstand (20) angeschlossen ist (Fig. 3). ·
6. Aktive Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis einen zweiten Transformator (18) enthält, dessen Primärwicklung (19) zwischen dem Ausgang (11) des Verstärkers (8) und der Last (5) liegt und dessen Sekundärwicklung (21) in Reihe mit der Sekundärwicklung (19) des ersten Transformators (1 3>) liegt, und daß parallel zu der Primärwicklung (19) des zweiten Transformators (18) ein Widerstand (5) vorgesehen ist (Fig. 4).