DE3635602C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer aktiven Unipol-Empfangsantenne für den Empfang eines ersten, niederfrequenten Frequenzbereichs und eines zweiten, höherfrequenten Frequenzbereichs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Antennen sind bekannt aus der DE-OS 21 15 657, der DE-OS 21 66 898 und der DE 2167276 C2 (die beiden letztgenannten Druckschriften betreffen eine Ausscheidung aus der jeweils vor­ her genannten Druckschrift). Sie finden vorzugsweise Anwendung für den Rundfunkempfang. Dieser betrifft den sog. Lang-, Mit­ tel- und Kurzwellenbereich, abgekürzt (LMK-Bereich), genannt und den Ultrakurzwellenbereich, abgekürzt (UKW-Bereich), genannt. Der niedrige Frequenzbereich (LMK) erstreckt sich von 150 kHz bis 20 MHz und der höhere Frequenzbereich (UKW) zwischen etwa 85 MHz bis 110 MHz. Da bei diesen Antennen der Empfang in zwei Frequenzbereiche aufgeteilt ist, die durch eine Frequenzlücke getrennt sind, sind aus Gründen der Linearität getrennte Über­ tragungswege vorteilhaft. Bei der DE 21 67 276 C2 werden die Si­ gnale der beiden Frequenzbereiche am Quellen- und Senkenanschluß über entsprechende Filter abgegriffen. Für die Linearität, d.i. insbesondere die Vermeidung von Mischprodukten aus Signalantei­ len der beiden Frequenzbereiche, ist hierbei die Linearität des verstärkenden elektronischen Elements in der aktiven Schaltung (T1 in Bild 2 der DE 21 67 276 C2) von ausschlaggebender Bedeu­ tung. Wird das elektronische Element mit Hilfe eines Feldef­ fekttransistors realisiert, wie es aus der DE 21 67 276 C2 bekannt ist, so ist die sich dabei einstellende Linearität für eine Verwendung im Rundfunkbereich i.a. nicht ausreichend. Ins­ besondere bringt die Nichtlinearität der zwischen Gate und Drain befindlichen inneren Transistorkapazität große Verzerrun­ gen mit sich. Obgleich in einer Antenne nach der DE 21 67 276 C2 eine Gegenkopplung vorgesehen ist, läßt sich, auch bei weiterer Vergrößerung des Gegenkopplungswiderstands, die Linearität über ein bestimmtes Maß hinaus nicht steigern. Es treten deshalb Nichtlinearitätserscheinungen in Form von Intermodulation und Kreuzmodulation auf.

In der Druckschrift DE 35 14 052 A1, die nach dem für den Zeitrang der vorliegenden Erfindung maßgeblichen Tag der Öffentlichkeit zugänglich gemacht worden ist, ist eine aktive Empfangsantenne vorgeschlagen, die nicht für den Empfang in zwei durch eine Frequenzlücke getrennte Fre­ quenzbereiche bestimmt ist und demgemäß auch keine getrennten Übertragungswege und Frequenzfilter für diese Frequenzbereiche besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die durch die Nichtlinearität der aktiven Schaltung in einer aktiven Unipol-Empfangsantenne der eingangs genannten Art hervorgerufenen Störungen, die insbeson­ dere durch das Auftreten von Mischprodukten aus Signalanteilen der beiden Frequenzbereiche entstehen, zu vermeiden, ohne da­ durch die Empfindlichkeit der aktiven Unipol-Empfangsantenne merklich zu mindern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Unipol-Empfangsantenne erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Bilder erläutert.

Im einzelnen stellen dar:

Bild 1: Ausführungsform einer Antenne nach der Erfindung zur Vermeidung der nichtlinearen Wirkung der Gate-Drain-Strecke des Transistors T1 durch dynamische Nachführung der Drain-Elek­ trode.

Bild 2: Aktive Antenne nach der Erfindung mit hochohmig kapazi­ tiver Gegenkopplung im niedrigen Frequenzbereich und niederoh­ miger Gegenkopplung im oberen Frequenzbereich mit Auskopplung der niedrigen Frequenzen an der Source und der hohen Frequenzen am Kollektor.

Bild 3: Antenne nach der Erfindung mit weiterführendem Verstär­ ker-Transistor T3 am Ausgang des Filters 7.

Bild 4: Antenne nach der Erfindung mit einem Filter mit Querim­ pedanzschaltung im Übertragungsweg des Frequenzbereichs der niedrigen Frequenzen mit Verstärkertransistor T3 in Emitter-Folgerschal­ tung und dynamischer Nachführung der Drain-Elektrode des Transistors T1 über den Quellenschluß des Transistors T2 mit Hilfe des weiterführenden Verstärkertransistors T3.

Bild 5: Antenne nach der Erfindung mit Gegenkopplung des wei­ terführenden Verstärkertransistors T3 mit Hilfe der Eingangsimpe­ danz des Filters 7 im Übertragungsweg (des Frequenzbereichs) der niedrigen Frequenzen.

Bild 6: Antenne nach der Erfindung mit Doppelfunktion des Tran­ sistors T2 für die dynamische Nachführung der Drain-Elektrode und für die weitere Verstärkung der Signale im niedrigen Frequenzbe­ reich.

Aus Bild 1 ist die Wirkungsweise einer Antenne nach der Erfin­ dung ersichtlich. Anstelle des Transistors T1 in der DE 21 67 276 C2 ist in der vorliegenden Erfindung eine aktive Schaltung 6, die mindestens zwei Transistoren enthält, wirksam. Ein Transi­ stor besitzt grundsätzlich einen Steueranschluß, einen Quellenan­ schluß und einen Senkenanschluß. Im Fall eines Bipolartransi­ stors sind dies die Anschlüsse Basis, Emitter und Kollektor. In Analogie hierzu wird in der vorliegenden Erfindung der aktiven Schaltung 6 ebenso ein Steueranschluß 1, ein Quellanschluß 2 und ein Senkenanschluß 4 zugeordnet. Die nichtlineare Strecke zwischen den Klemmen 1 und 3 des in seinem Quellenzweig mit der Impedanz Z gegengekoppelten Transistors T1 bewirkt bei Unterschiedlichkeit der Spannungen U_d und U_g einen nichtli­ nearen Strom am Steueranschluß 1 des Transistors T1. Zusammen mit der im allgemeinen hochohmigen Impedanz Z_A des passiven Unipols ergibt sich über die somit nichtlineare Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung ein nichtlinearer Spannungsteiler. Die Emp­ fangsspannung E·heff des passiven Unipols erscheint somit um das Spannungsteilerverhältnis reduziert als Eingangsspannung Ug des Verstärkers, wobei diese Eingangsspannung in Folge der Nichtlinearität dieses Spannungsteilers Verzerrungen aufweist und das System auch bei sehr großer Gegenkopplung mit der Impedanz Z durch nichtlineare Effekte gestört ist. Zusätzlich bewirkt die Aus­ steuerung der Strecke zwischen dem Steueranschluß 1 und dem Senkenanschluß 3 des Transistor T1 eine nichtli­ neare Stromverstärkung zwischen dem Strom in der Steuerelek­ trode und der Senkenelektrode. Aufgrund dieser beiden Effekte kann bei Unterschiedlichkeit Ug und Ud auch bei vollkommener Gegenkopplung im Quellenzweig nur eine begrenzte Linearität er­ reicht werden. Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, Maßnahmen zu ergreifen, die eine Nachführung des Poten­ tials am Senkenanschluß mit dem Potential des Steueranschlusses bewirkt. Diese Potentialnachführung kann auf mannigfache Weise geschehen und wird im folgenden anhand der Bilder näher erläutert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Zwecke der Potentialnachführung in den Senkenanschluß des Tran­ sistors T1 eine steuerbare elektronische Dreipolschaltung ein­ gebracht, die durch den Bipolartransistor T2 dargestellt ist, aber auch durch alle bekannten Schaltungen bzw. aktiven Ele­ mente mit ähnlicher Wirkung, wie z. B. Feldeffekttransistoren und Kombinationen von Transistoren, wie z. B. Darlingtonschal­ tungen u.ä, realisiert sein kann. Hierzu wird der Steueran­ schluß (Basis) dieses Transistors T2 an einen geeigneten An­ schlußpunkt im Verstärker angeschlossen derart, daß die Span­ nung U_d nahezu gleich oder genau gleich der Spannung U_g am Ver­ stärkereingang ist. Der Senkenanschluß 4 (Kollektor) des Tran­ sistors T2 wird an den einen Eingangsanschluß des Filters 8 für den zweiten Übertragungsweg des höheren Frequenzbereichs ange­ schlossen. Die niederohmige Emitterelektrode ist mit dem Sen­ kenanschluß 3 des Transisters T1 ver­ bunden. Der Steueranschluß 5 des Transistors T2 wird zum Zwecke der Erzeugung der Spannung U_d auf einfachste Weise, wie in Bild 1, (mit dem Anschluß 3) mit der Quellenelektrode 2 des Transi­ stors T1 verbunden. Der Kollektoranschluß 4 des Transistors T2 wird über den Eingang des Filters 8 mit der Stromquelle 11 verbunden. Die Spannung zwischen dem Quellenanschluß 2 und dem zweiten Anschluß 1′ des passiven Unipols ist bei hinreichendem Gegenkopp­ lungsgrad nahezu gleich der Verstärkereingangsspannung U_g. Da­ mit ist auch die Spannung zwischen dem Anschluß 3 und dem zwei­ ten Anschluß 1′ des passiven Unipols durch die Emitterfolgerwirkung des Transistors T2 praktisch gleich der Spannung U_g am Verstär­ kereingang. Als gegenkoppelnde Impedanz Z zwischen der Quellen­ elektrode 2 des Transistors T1 wirkt die Eingangsimpedanz des Filters 7 im ersten Übertragungsweg des Frequenzbereichs der niedrigen Frequenzen.

Im Interesse einer guten Linearisierung ist die Impedanz Z am Filtereingang bei niedrigen Frequenzen zumindest außerhalb des Frequenzbereichs des Empfangskanals möglichst hochohmig zu wäh­ len. Bei hohen Frequenzen soll der Gegenkopplungsgrad durch Wahl einer niedrigen Impedanz für Z klein gehalten werden. Die Verstärkung ergibt sich für den höheren Frequenzbereich durch Auskopplung der Signale am Kollektor des Transistors T2. Die niedrigen Frequenzen werden demzufolge zweckmäßig bei breitban­ diger Verstärkung mit Hilfe hochohmiger Schaltungen an der Quellenelektrode 2 (Source) des Transistors T1 ausgekoppelt. Die Impedanz Z_L′, die die Eingangsimpedanz der weiterführenden Schaltung im Bereich niedriger Frequenzen repräsentiert, muß demnach so gewählt sein, daß die Impedanz Z in ihren gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigt wird.

Eine sehr einfache Realisierung für ein derartiges Filter ist in Bild 2 als Weiterbildung einer Antenne nach der Erfindung dargestellt. In diesem Fall ist das Filter 7 durch eine Querimpe­ danzschaltung realisiert. Die einfachste Realisierungsform für eine solche Querimpedanzschaltung ist ein Serienresonanzkreis, gebildet aus L7, C7, R7. Wird C7 hinreichend klein gewählt, so ergibt sich die nötige Gegenkopplung bei niedrigen Frequenzen, sofern die weiterführende Verstärkerschaltung hochohmig genug ist. Mit Hilfe von R7 kann der Gegenkopplungsgrad im höheren Frequenzbereich eingestellt werden. Durch geeignete Wahl von L7, C7 und R7 können die Resonanzfrequenz und die Bandbreite derart eingestellt werden, daß die gewünschten Impedanzwerte sowohl im niedrigen als auch im höheren Frequenzbereich auftre­ ten.

Bild 3 zeigt eine Weiterbildung der Antenne nach der Erfindung mit weiterführendem Verstärkertransistor T3 im ersten Übertragungsweg für die niedrigen Frequenzen. Durch geeignete Ausgestaltung des Fil­ ters 7 werden die Impedanzwerte für Z, wie beschrieben, er­ reicht. In einer besonders einfachen Ausgestaltung besteht das Filter 7 aus einem Resonanzkreis, wie er be­ reits bei der Behandlung von Bild 2 beschrieben wurde.

Um die Stromverstärkung des weiterführenden Verstärkertransi­ stors T3 auch für die Nachführung der Drain-Elektrode 3 des Transistors T1 zu benutzen, ist es, gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, möglich, die Steuerelektrode 5 des Transistors T2 nicht mit der Quellenelektrode 2 (Source) von T1 hochfrequent zu verbinden, sondern hochfrequent mit dem Emitteranschluß des Verstärker­ transistors T3 zu verbinden (Bild 4). Diese Verbindung erzwingt die Gleichheit bzw. Ähnlichkeit der Spannungen am Eingang und am Ausgang des Filters 7. In einer besonders einfachen Ausge­ staltung ist das Filter 7 durch eine Querimpedanzschaltung re­ alisiert. Dadurch ist es möglich, die zusätzliche Belastung, die durch Anschluß der Basis 5 des Transistors T2 an der Quellenelektrode 2 (Source) des Transistors T1 entsteht, zu vermeiden. Dies ist in Bild 4 dargestellt.

Vielfach ist es zweckmäßig, die selektive Gegenkopplung nicht zwischen der Quellenelektrode 2 (Source) des Transistors T1 und dem zweiten Anschluß 1′ des passiven Unipols anzubringen, sondern gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Filter 7, wie es in Bild 5 dargestellt ist, mit seinem Eingang zwischen den Emitteranschluß 12 des Verstärker­ transistors T3 und den zweiten Anschluß 1′ des passiven Unipols zu­ schaltet. Der Transistor T1 ist demnach mit der Eingangsimpedanz des Verstärkertransistors T3 gegengekoppelt, der seinerseits mit der Eingangsimpedanz des Filters 7 gegengekoppelt ist. Der Verstärker­ transistor T3 wirkt somit als rauscharme Gegenkopplung für den Tran­ sistor T1. Am Ausgang des Filters 7 wird die weiterführende Verstärkerschaltung bzw. die Antennenanschlußleitung angeschaltet. Bezüglich der Eingangsimpedanz des Filters 7 gelten ähnli­ che Anforderungen wie sie bereits beschrieben wurden. Zur Er­ stellung der Hochohmigkeit im Bereich niedriger Frequenzen und der Niederohmigkeit bei den höheren Frequenzen ist die Anwen­ dung einer Schaltung mit dem Charakter eines Serienresonanz­ kreises vorteilhaft. Um im Bereich der höheren Frequenzen mit dieser Schaltung hohe Verstärkung erzielen zu können, ist es vorteilhaft, den Kollektor des Verstärkertransistors T3 mit dem Kollektor 4 des Transistors T2 in der aktiven Schaltung 6 zu verbinden, so daß die Summe der beiden Kollektorströme über das Filter 8 für die höheren Frequenzen fließt. Aus Gründen eines einfache­ ren Aufbaus und der besseren Beherrschung der Stabilität der Schaltung ist es manchmal vorteilhaft, auf den Strombeitrag des Transistors T2 am Filtereingang zu verzichten und den Eingangs­ klemmen des Filters 8 lediglich den Strom des Transistors T3 zuzuführen.

In einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung wird der Transistor T2 innerhalb der aktiven Schaltung 6 sowohl als Transistor zur dynamischen Nachführung der Drain-Elektrode 3 eingesetzt, als auch als Verstärker für die Signale des niedri­ gen Frequenzbereichs verwendet. Dies ist in Bild 6 darge­ stellt. Die Signalauskopplung und die selektive Gegenkopplung erfolgen am Emitter 3 des Transistors T2. Der Transistor T1 ist mit der Eingangsimpedanz des Transistors T2 gegengekoppelt, der seinerseits mit der Eingangsimpedanz Z des Filters 7 gegenge­ koppelt ist. Die Gleichstromquelle I_o steht symbolhaft für eine hochfrequenzmäßig hochohmige Schaltung, die die Quellenelektrode 2 des Transistors T1 mit Gleichstrom versorgt. Auf ähnliche Weise kann der Transistor T2 an seiner Quellenelektrode mit Hilfe einer hochfrequenzmäßig hochohmigen Stromquelle mit einem zu­ sätzlichen Gleichstrom versorgt werden. Dies ist manchmal vor­ teilhaft, wenn der Strom im Transistor T1 kleiner gewählt wer­ den soll als im Transistor T2. Bezüglich der Eingangsimpedanz Z des Filters 7 gelten die bereits besprochenen Gesichtspunkte. Das Filter 7 für den niedrigen Frequenzbereich ist beispielhaft als Serienresonanzkreis (C7, L7, R7) mit Resonanz im Frequenzbe­ reich der höheren Frequenzen ausgeführt. Die Auskopplung der Signale im niedrigen Frequenzbereich erfolgt vorteilhaft mit Hilfe eines Übertragers, an dessen Ausgang eine weiterführende Verstärkerschaltung oder die Antennenanschlußleitung für den niederen Frequenzbereich angeschlossen ist. Bei Verwendung ei­ nes Empfängers mit abstimmbarem Eingangsresonanzkreis für den LMK-Empfang kann mit Hilfe einer Serienkapazität C_s am Übertra­ gereingang eine Serienresonanz im Empfangskanal des LMK-Be­ reichs erzeugt werden. Damit ist die Eingangsimpedanz des Fil­ ters 7 im LMK-Bereich nur im Empfangskanal niederohmig. Außer­ halb des Frequenzbereichs des Empfangskanals ist die Impedanz Z hochohmig und bewirkt somit die Unterdrückung von Kreuzmodulation und Intermodulation durch Gegenkopplung im LMK- Bereich.

Der Übertragungsweg für den UKW-Bereich besitzt ein Filter 8, das in diesem Beispiel als Hochpaß­ filter mit der Induktivität L8 und der Kapazität C8 und dem Ar­ beitswiderstand R8 dargestellt ist. Schließlich können die Übertragungswege auf an sich bekannte Weise über Filtermaßnahmen zusammengefaßt werden und die Signale für den oberen und unteren Frequenzbe­ reich einer gemeinsamen Antennenanschlußleitung zugeführt wer­ den.

Claims (11)

1. Aktive Unipol-Empfangsantenne für den Empfang eines ersten, niederfrequenten Frequenzbereichs und eines zweiten, höherfre­ quenten Frequenzbereichs, wobei die beiden Frequenzbereiche durch eine Frequenzlücke getrennt sind, bei der die beiden Aus­ gangsanschlüsse des passiven Unipols mit den Eingangsanschlüssen eines Verstärkers mit wenigstens einem ersten Transistor (T1), dessen Steueranschluß den einen (1) der Eingangsanschlüsse bil­ det, verbunden sind, und die Eingangsschaltung des Verstärkers eine aktive Schaltung (6) mit einem Steueranschluß (1), welcher durch den Steueranschluß des ersten Transistors (T1) gebildet ist, mit einem Quellenanschluß (2) und mit einem Senkenanschluß (4) enthält und in der hochfrequenzmäßigen Verbindung zwischen dem Quellenanschluß (2) der aktiven Schaltung (6) und dem ande­ ren (1′) der Eingangsanschlüsse des passiven Unipols eine Gegenkopplungsschaltung vorhanden ist und am Verstärker­ ausgang getrennte erste bzw. zweite Übertragungswege, von denen jeweils einer für einen der beiden Frequenzbereiche bestimmt ist, mit jeweils einem Eingangstor und jeweils wenigstens einem Ausgangstor angeschlossen, sind, daß im ersten Übertragungsweg ein erstes Filter (7) und im zweiten Übertragungsweg ein zweites Filter (8) enthalten ist, und daß das Eingangstor des ersten Übertragungsweges an einem Quellenanschluß in der aktiven Schaltung (6) und das Eingangstor des zweiten Übertragungsweges am Senkenanschluß (4) der aktiven Schaltung (6) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schaltung (6) aus wenigstens einem weiteren, zweiten Transistor (T2) besteht und dabei der Senkenanschluß (3) des ersten Transistors (T1) mit dem Quellenanschluß des zweiten Transistors (T2) hochfrequenzmäßig verbunden ist und der Quellenanschluß des ersten Transistors (T1) den Quellenanschluß (2) der aktiven Schaltung (6) bildet und der Steueranschluß (5) des zweiten Transistors (T2) mit einer aus dem Bereich nach dem ersten Transistor (T1) abgeleiteten Spannung angesteuert ist, die nahezu gleich oder genau gleich der Signalspannung am Steueranschluß (1)des ersten Transistors (T1) ist.

2. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangstor des ersten Übertragungsweges an den Anschluß der aktiven Schaltung (6), die identisch ist mit dem Quellenan­ schluß (2) des ersten Transistors (T1), angeschlossen ist.

3. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (7) als ein im Querzweig liegender Serienreso­ nanzkreis mit Wirkwiderstand ausgebildet ist, dessen Resonanz­ frequenz auf den zweiten Frequenzbereich abgestimmt ist.

4. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Verstärker (T3) in den ersten Übertragungsweg ge­ schaltet ist, an dessen Quellenanschluß die Signale für den niederfrequenten Frequenzbereich ausgekoppelt sind (Bild 3, 4 und 5).

5. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß (10) des weiteren Verstärkertransistors (T3) an den Ausgang des ersten Filters (7) angeschlossen ist (Bild 4).

6. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß (10) des weiteren Verstärkertransistors (T3) an den Quellenanschluß (2) der aktiven Schaltung (6) angeschlossen ist, während sein Quellenanschluß (12) mit dem Eingang des er­ sten Filters (7) und sein Senkenanschluß mit dem Senkenan­ schluß (4) des zweiten Transistors (T2) hochfrequent verbunden ist (Bild 5).

7. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannung für den Steueranschluß (5) des zweiten Tran­ sistors (T2) eine aus dem Quellenanschluß (2) des ersten Transistors abgeleitete Spannung ist (Bild 1).

8. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß (5) des zweiten Transistors (T2) mit der am Quellenanschluß (12) des weiteren Verstärkertransistors (T3) anliegenden Spannung angesteuert ist (Bild 4).

9. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangstor des ersten Übertragungsweges am Quellenanschluß (3) des zweiten Transistors (T2) angeschlossen ist (Bild 6).

10. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (7) als Serienresonanzkreis mit Wirkwiderstand ausgebildet ist, dessen Resonanzfrequenz auf den zweiten Fre­ quenzbereich abgestimmt ist (Bild 6).

11. Aktive Unipol-Empfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter (8) ein Hochpaßfilter ist (Bild 6).