DE3701378A1

DE3701378A1 - Funkuhrempfaenger mit stabantenne

Info

Publication number: DE3701378A1
Application number: DE19873701378
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Wietzke; Wolfgang Dr Ing Hilberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1987-01-20
Filing date: 1987-01-20
Publication date: 1988-07-28
Also published as: DE3701378C2

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Anordnung zum Empfang des DCF-77-Signals. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Antenne, vorzugsweise eine Stabantenne, verwendet wird. In bisher bekannten DCF-77-Empfängern sind ausschließlich Ferritantennen zu finden, die das magnetische Feld des Senders auswerten. In der Regel sind sie auch Bestandteil eines Schwingkreises, der das gewünschte Frequenzband selektiert. Ein Nachteil dieser bekannten Technik ist die Tatsache, daß bei Ausrichtung der Antennenhauptachse in Richtung des Senders eine ausgeprägte Nullstelle in der Empfangscharakteristik zu beobachten ist. Die Existenz von richtungsabhängigen Empfangsminima ist jedoch im Gebrauch der Funkuhren generell störend. Bekannte Funkuhrempfänger verwenden deshalb manchmal auch Anordnungen, in denen die Antenne z. B. mit dem drehbaren Sockel der Uhr ausgerichtet werden kann, oder in denen zwischen verschiedenen Antennen umgeschaltet wird.

Demgegenüber bringt die erfindungsgemäße Verwendung einer elektrischen (kapazitiven) Antenne, z. B. in Form einer senkrecht stehenden Stabantenne, eine ideale Rundumcharakteristik. Der Nachteil des nichtselektiven Empfanges bei relativ kleiner Antennenhöhe (im Verhältnis zu der zu empfangenden Wellenlänge) kann durch direkt am Fußpunkt der Antenne befindliche Filterverstärker ausgeglichen werden, sofern für diese besondere Maßnahmen ergriffen werden. Die vorgeschlagene Anordnung unterscheidet sich in mehrfacher Hinsicht von den bekannten aktiven Antennen. Zum Beispiel wird in der erfindungsgemäßen Anordnung ein äußerst schmalbandiges Filter am Fußpunkt der Antenne vorgeschlagen, während die übliche aktive Antenne dort kein derartiges Filter aufweist, sondern im wesentlichen einen relativ breitbandigen Verstärker enthält. Dazu kommt, daß bei den Verstärkern der bekannten aktiven Antennen in der Rundfunkempfängertechnik infolge der größeren Antennenlängen (relativ zu den Wellenlängen des Empfangsbereiches) keine besondere Unterdrückung des Schaltungsrauschens durchgeführt wird. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung kommt auch dadurch zustande, daß jetzt nicht mehr wie bei den üblichen aktiven Antennen ein kapazitiver Spannungsteiler aus Antennenkapazität und Verstärkereingangskapazität wirksam wird, weil die letztgenannte Kapazität in den erfindungsgemäßen Schwingkreis (Filter) einbezogen ist.

Die nachfolgenden Überlegungen sollen zunächst zeigen, daß auch die gegenüber Ferritantennen um etwa eine Größenordnung kleineren erzielbaren Eingangsspannungen bei Verwendung geeigneter Bauelemente und rauschoptimierter Schaltungen auswertbar bleiben.

Ausgangspunkt der Betrachtung ist dabei die eigentlich elementare Erkenntnis, die auf dem Gebiet der Funkuhren aber bisher noch nicht ausgesprochen und angewandt wurde, daß grundsätzlich der Signal-Rauschabstand zwischen dem von einer Antenne empfangenen DCF-Signal und dem in einem eng begrenzten Band von ihr empfangenen Rauschen unabhängig von Art und Größe der Antenne ist.

Stets sind die Empfangsspannungen der verschiedenen Antennen direkt proportional zur vorhandenen Signalfeldstärke E _S. So ist die Leerlaufspannung U _F einer Ferritantenne z. B. wie folgt gegeben [1]

U _F = k × E _S × sin (β) (1)

wobei β der Winkel der Antenne zum Sender ist, und k eine Konstante, die von der Anzahl der Windungen auf dem Antennenkörper, dem Querschnitt der Antenne, der Wellenlänge und der Permeabilität abhängt. Bei einer in üblichen Funkuhren eingesetzten Ferritantenne erhält man für die Konstante etwa den Wert k = 0,11 m [1 S. 22].

Bei einer elektrischen Antenne ist die Leerlaufspannung U _S gegeben durch [2]

U _S = E _S × h _eff (2)

Dabei entspricht h _eff etwa der halben geometrischen Höhe der kleinen Stabantenne. Eine zu der oben beschriebenen Ferritantenne mit k = 0,11 gleichwertige elektrische Antenne hätte demnach eine Stabhöhe h von 22 cm.

In beiden Fällen sind die Leerlaufspannungen proportional zur Signalfeldstärke E _S. Dazu kommt, daß die Relation zwischen der empfangenen Signalfeldstärke E _S und der empfangenen Rauschfeldstärke E _A unabhängig von der Antenne ist. Bei zunehmender Miniaturisierung nehmen daher die empfangene Signalamplitude und die empfangene Rauschamplitude in gleichem Maße ab.

Bild 1 zeigt als Bestätigung dieser Überlegungen gemessene Signal- und Rauschwerte bei verschieden hohen elektrischen Antennen. Der Rauschabstand ist deutlich sichtbar der gleiche, auch wenn sich der absolute Pegel für die verschiedenen Antennen unterscheidet.

Selbst extrem miniaturisierte Antennen beeinträchtigen den Rauschabstand zwischen empfangenem Signal und empfangenem Rauschen nicht und sind in dieser Hinsicht größeren Exemplaren gleichwertig.

Allerdings muß für eine Auswertung der Rauschabstand zwischen empfangenem Signal und dem durch die Bauelemente des nachfolgenden Verstärkers selbst erzeugten Rauschen für die Auswertung groß genug sein.

Interessant ist die Frage, bis zu welcher Höhe eine elektrische Antenne sinnvoll miniaturisiert werden kann. Dazu bestimmt man zunächst für den der Antenne nachgeschalteten Filterverstärker eine auf den Eingang bezogene effektive Rauschspannung U _R wie folgt.

Die Höhe der elektrischen Antenne wird man dann noch als sinnvoll ansehen, wenn das vom Verstärker erzeugte Rauschen U _R das empfangene Rauschen in seiner Amplitude nicht übersteigt, wenn also gilt:

E _A × h _eff U _R (3)

Die in [2] genannten Werte für die Außenrauschfeldstärke E _A = 10 µV/m sind auf eine Bandbreite von 1 kHz bezogen. Auf eine für den Empfänger erforderliche Bandbreite von ca. 7,75 Hz umgerechnet ergibt dies einen Wert E _A = 0,88 µV/m.

Bei einer Rauschspannung von etwa 18 nV, die mit Hilfe eines ausgewählten besonders rauscharmen Operationsverstärkers im Zusammenhang mit einer optimierten Beschaltung erreicht werden kann, folgt eine minimale effektive Höhe von h _eff = 0,02 m. Die absolute Höhe h = 0,04 m ist auch hinsichtlich eines möglichen Designs für eine kompakte Funkuhr ein akzeptabler Wert. Zur Veranschaulichung soll ein Bild einer Uhr mit einer Stablänge von 0,2 m dienen (Bild 2). Mit dieser Höhe empfängt die Stabantenne Signalamplituden, die mit denen einer magnetischen Antenne vergleichbar sind.

Die Grenze für eine sichere Auswertung ist dann erreicht, wenn die Summe aller effektiven Rauschspannungen gleich der effektiven Nutzsignalamplitude U _S ist, wenn also unter Berücksichtigung von Gl. (3) und Gl. (2)

U _S² = (E _A × h _eff)² + U _R² = 2 (E _A × h _eff)²

E _S = × E _A

Dies ergibt dann gerade einen Signal-Rauschabstand zwischen Nutzsignal und Gesamtrauschen von 3 dB.

Bei einer mittleren Rauschfeldstärke von E _A = 1 µV/m müßte die Nutzsignalfeldstärke E _S = 1,4 µV/m betragen. Zum Vergleich beträgt die gemessene Feldstärke in Helsinki E _S = 100 µV/m [3].

Selbstverständlich stellt ein Signalrauschabstand von 3 dB große Anforderungen an die Auswertung. In vorliegender, erfindungsgemäßer Schaltung wird diese mit Hilfe eines Mikrokontrollers vorgenommen. Bild 3 zeigt ein Blockschaltbild der Schaltung:

Die Antenne (1) ist direkt an einen nachfolgenden Filterverstärker (2) angekoppelt, um Anpassungsprobleme bei einer andernfalls nötigen Verbindungsleitung zu vermeiden. Außerdem befindet sich an ihrem Fußpunkt ein Resonanzschwingkreis (3), der der Vorselektion dient. Dabei werden die Eingangskapazitäten des folgenden Filterverstärkers in die Abstimmung mit einbezogen. Auf diese Weise wird die Antenne im Resonanzfall nicht kapazitiv belastet und damit auch die Eingangsspannung nicht durch einen eventuellen kapazitiven Spannungsteiler vermindert. Zugleich kann die Spule eventuelle statische Aufladungen des Eingangs abbauen und den Gleichspannungsarbeitspunkt der Schaltung festlegen.

Der gewählte Filterverstärker ist extrem rauscharm und für die Nutzfrequenz eingangsseitig hochohmig. Auf den Filterverstärker folgt eine Mischstufe (4), mit der das DCF-Signal auf eine andere Frequenz herabgemischt wird, um Rückkopplungen zu vermeiden.

Nachfolgend wird weiter verstärkt (5) und die Amplitude den Eingangsbedingungen des im Mikrokontroller (6) befindlichen A/D-Wandlers angepaßt. Der Mikrokontroller (MC 68H811) demoduliert das AM-modulierte DCF-Signal, extrahiert durch Signalanalyse die Zeitinformationen (Amplitudenabsenkungen) aus dem stark verrauschten Signal, wertet sie aus und bringt sie zur Anzeige. Weiterhin kontrolliert er die Signalverstärkung und die Filterresonanz des Filterverstärkers.

Bild 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform des direkt an die Antenne angekoppelten Filterverstärkers. Er ist für eine Verstärkung bis A = 1000 ausgelegt, und er ist gleichzeitig durch die Einfügung eines in Serienresonanz betriebenen Quarzes in die Rückkopplung hochselektiv (3 dB Grenzen bei ca. 7,75 Hz). Durch die gewählte niederohmige Auslegung der Widerstände, die hohe Selektivität und durch Verwendung extrem rauscharmer Operationsverstärker (z. B. LT-1028 von Linear Technologies) kann das Eigenrauschen U _R niedrig gehalten werden.

Als letzter Vorteil der elektrischen Antenne gegenüber einer magnetischen Antenne sei hier noch genannt, daß sich die elektrische Antenne leicht durch dünne, elektrisch leitende Wände gegenüber der in der Empfängerschaltung produzierten Störstrahlung abschirmen läßt. D. h. das metallische Gehäuse einer Funkuhr reicht völlig aus, damit die Eigenstörstrahlung der Schaltungen nicht direkt von der örtlich dicht benachbarten elektrischen Antenne aufgefangen werden kann.

Literatur: [1] R. Kalhöfer
Die Realisierung kompakter störsicherer Funkuhren mit den Mitteln der Mikroelektronik.
Darmstädter Dissertationen D17[2] H. Meinke; H. Lindenmeier
Aktive Empfangsantennen.
Veröffentlichung des Instituts für Hochfrequenztechnik der Universität München, März 1977[3] G. Becker
Die Feldstärke des Zeitsignal- und Normalfrequenzsenders DCF77.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig,
Auszug aus PTB-Bericht PTB-Me-23 (März 1979)

Claims

1. Funkuhrempfänger für den Empfang der Signale des Zeitzeichensenders DCF-77, enthaltend eine Antenne mit nachfolgenden Schaltungen für Filterung, Verstärkung und Signalauswertung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Erzielung eines guten Rundumempfanges im Gegensatz zur üblichen Praxis eine elektrische Antenne vorzugsweise in Form einer Stabantenne Verwendung findet und daß diese sehr kurz bemessen wird, so daß sie z. B. in die Größenordnung von einem Hunderttausendstel der Wellenlänge des Senders kommt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Antenne, die infolge ihrer Kleinheit bei den tiefen Frequenzen des Langwellenbereiches weder eine Selektivität noch gute Empfangseigenschaften besitzt und deshalb ein breites Spektrum an winzigen Empfangsspannungen aller möglichen Sender am Fußpunkt abgibt, dort unmittelbar mit einer Eingangsstufe des Empfängers verbunden wird, die räumlich konzentriert eine Schmalbandfilterschaltung und einen Verstärker enthält, die auf niedrigsten Schaltungs-Rauschpegel hin dimensioniert sind und demzufolge weder hohe Widerstandswerte noch sonstige stark rauschende Schaltungskomponenten enthalten.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorselektion ein Schwingkreis aus einer Kapazität und einer Induktivität eingesetzt wird, wobei die letztere nicht die Funktion einer Ferritantenne hat und demzufolge abgeschirmt ist, und daß diese Induktivität eine Gleichstromverbindung nach Masse aufweist, so daß sich durch Influenz keine großen Gleichspannungen an dem folgenden Verstärkereingang bilden können.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangskapazität des Verstärkers durch Parallelschaltung in die kapazitive Komponente der Schmalbandfilterschaltung einbezogen wird.