DE4216376A1 - Fahrzeug-Antennenanordnung mit einer Empfangsschaltung für den LMK-Bereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Fahrzeugantennen-Empfangsanordnung dieser Art ist z. B. bekannt aus EP 0 166 387 B1. Bei dieser Antenne dient das Heizfeld als Antenne für den Empfang der LMK-Signale. Die LMK-Signale wer­ den transformatorisch aus einem Übertrager ausgekoppelt, dessen Primärwicklung eine bifilar ausgeführte Spule bildet, über die die Gleichstromanschlüsse des Heizfeldes mit dem Heizstrom gespeist werden. An die Sekundärwicklung des Übertragers, die magnetisch an die Primärwicklung angekoppelt ist, ist ein Antennennetzwerk ange­ schlossen.

Die Nachteile einer Empfangsanordnung nach EP 0 166 387 B1 sind nicht elektrischer Natur, sondern sie resultieren aus den Restrik­ tionen, die beim Einbau von Komponenten in moderne Kraftfahrzeuge berücksichtigt werden müssen. Diese Restriktionen ergeben sich ganz wesentlich aus den nur sehr begrenzt und nur an speziellen Stellen verfügbaren Einbauräumen. Probleme ergeben sich im Zusam­ menhang mit EP 0 166 387 B1 aus dem Zwang der magnetischen Ankopp­ lung der Sekundärwicklung an die Primärwicklung, wodurch auch die Anordnung des Antennennetzwerkes in unmittelbarer Nähe der bifila­ ren Spule, die die Primärwicklung bildet, erfolgen muß.

Ein wesentliches Problem bei der Realisierung dieser bifilaren Spule ergibt sich aus der unvermeidbaren und nicht geringen Verlustleistung, die in dieser Spule anfällt, und die sich aus dem ohmschen Längswiderstand der bifilaren Wicklung in Kombination mit Heizströmen von 16 A und mehr ergibt. In dieser Hinsicht opti­ mierte Anordnungen, die bezüglich der Induktivität nach den Lehren von EP 0 166 387 B1 dimensioniert sind, müssen großvolumige Scha­ lenkerne (z. B. 30*19mm) mit Wicklungen mit großen Drahtquerschit­ ten verwenden.

Trotzdem ergeben sich immer noch unerwünscht hohe Temperaturen an der Oberfläche des Ferrits, z. B. von 50°C bei einer Umgebungs­ temperatur von 20°C. Mit kleineren Ferriten ergäben sich noch hö­ here Temperaturen. Die Abmessungen des Antennennetzwerks in Kombi­ nation mit dem Ferrit sind daher sowohl groß bezüglich der Dicke (ca. 3 cm) als auch bezüglich der Grundfläche (ca. 60 cm²). Trotz dieser erheblichen Abmessungen können Antennen nach EP 0 166 387 B1 meist gut in Fahrzeugen mit Heckklappe unterge­ bracht werden, da diese Klappen in der Regel unterhalb der Scheibe in der Blechkonstruktion ausreichend Platz bieten.

In Fahrzeugen mit feststehender Heckscheibe (normale Limousi­ nen) ist die Situation grundlegend anders. Im Bereich der Heck­ scheibe kommen als Einbauräume für die Antennennetzwerke die Hohl­ räume unter den Holmverkleidungen oder die Einbauräume unter der Hutablage oder die zwischen Himmel und Dachblech in Frage. Unter den Holmverkleidungen können in der Regel nur flache Antennennetz­ werke untergebracht werden, deren Grundfläche aber nicht sonder­ lich eingeschränkt ist. Dies ist daher ein sehr geeigneter Einbau­ platz für Verstärker von aktiven Antennen, u. a. auch wegen der Möglichkeit, einen Verstärker bei einem Defekt leicht austauschen zu können, da die Blenden einfach abgenommen werden können. Des weiteren lassen sich die Anschlüsse an den Sammelschienen für die Zuführung des Heizstroms oder für die Abgriffe der Antennen ohne große Probleme unsichtbar unter den Blenden anbringen. Antennen­ netzwerke wie die für eine Antenne nach EP 0 166 387 B1 können dort wegen ihrer Dicke jedoch nicht eingebaut werden.

Der Platz zwischen Himmel und Dachblech ist für den Einbau von Komponenten mit einer Dicke über 1 cm im allgemeinen völlig unge­ eignet, da die freie Höhe zu gering ist.

Der Einbauraum in der Hutablage ist in der Regel ausreichend hoch, um eine Komponente auch mit größerer Dicke aufnehmen zu kön­ nen. Die Zugänglichkeit dieses Bereiches ist jedoch in der Regel sehr viel schlechter als unter den seitlichen Blenden, so daß ein Austausch des Antennennetzwerks zu unzulässig hohen Kosten führen würde. Aktive Komponenten können daher in diesem Bereich nicht un­ tergebracht werden. Passive Komponenten, z. B. die bifilare Spule, können jedoch durchaus dort untergebracht werden, da die Ausfall­ wahrscheinlichkeit wesentlich geringer ist als bei aktiven Komponenten.

Ein weiterer Gesichtspunkt, der sich für die Anwendbarkeit des Prinzips nach EP 0 166 387 B1 negativ auswirkt, ist die Forderung, daß nahezu immer eine kombinierte LMK-UKW-Antenne benötigt wird. Für eine hohe Leistungsfähigkeit als aktive UKW-Antenne sind Antennenstrukturen z. B. aus P 38 20 229 oder P 39 14 424 A1 be­ kannt. Die Lage des Abgriffs für die UKW-Antenne kann dabei nicht frei gewählt werden, sondern ist aus empfangstechnischen Gründen am Rand oberhalb des Heizfeldes vorgegeben.

Ein Abgriff unterhalb des Heizfeldes wäre zwar aus empfangstechnischen Gründen, wenn ausschließlich die Anten­ nenstruktur auf der Scheibe betrachtet wird, ebenfalls möglich. Da die Heizfelder sich in modernen Fahrzeugen jedoch immer bis zum unteren Rand der Scheibe erstrecken, ergäbe sich eine sehr schlechte Zugänglichkeit des Antennenanschlusses. Dadurch wird eine lange Zuleitung vom Anschluß auf der Scheibe bis zum Verstärkereingang erzwungen, die letzlich die Leistungsfähigkeit der Antenne unzulässig reduzieren würde.

Diese Gesichtspunkte bedeuten in der Praxis eine erhebliche Einschränkung für die Anwendbarkeit des Prinzips nach EP 0 166 387 B1 in vielen Fahrzeugtypen, da in der Regel der Mon­ tageort für die Antennennetzwerke unter fahrzeugspezifischen Aspekten vorgegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fahrzeug-Antennenanord­ nung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so auszu­ bilden, daß der Antennenanschluß und mit ihm der Montageort der Empfangsschaltung in der Nähe des metallischen Rahmens an der durch fahrzeugspezifische Aspekte vorgegebenen Position und weit­ gehend unabhängig von den LMK-Bereich betreffenden Antennenge­ sichtspunkten gewählt werden kann. Zugleich soll eine Möglichkeit geschaffen werden, die Verlustleistung in der bifilar gewickelten Spule zu erniedrigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Vermeidung der Nachteile von Antennenanordnungen nach dem Stand der Technik, wo­ durch sich die praktische Nutzbarkeit des Heizfeldes für den Emp­ fang von Signalen des LMK-Bereichs ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Antennenanschlußpunkt 3 auf einer Sammelschiene,

Fig. 2 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Antennenanschlußpunkt auf einem Koppelleiter 17, der in Scheiben­ mitte die Heizleiter kreuzt,

Fig. 3 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Koppelleiter 17, der kapazitiv niederohmig an das Heizfeld ange­ koppelt ist,

Fig. 4 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einer Verzweigung in der Nähe des Heizungsanschlusses,

Fig. 5 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Antennenanschlußpunkt 3 auf einer Sammelschiene und einer Emp­ fangsschaltung 6 mit einer breitbandigen Transformationsschaltung 9,

Fig. 6 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Antennenanschlußpunkt auf einem Koppelleiter 17 wie in Fig. 2 und mit einer zusätzlichen Kapazität 14 parallel zum Eingang des Breitbandtransformators 9,

Fig. 7 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Koppelleiter 17 wie in Fig. 3, einem als Spartransformator ausge­ führtem Breitbandtransformator 9 und einer zusätzlichen Kapazität 14 parallel zur bifilaren Spule 5,

Fig. 8 Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Breitbandtransformator 9, der als Guanella-Übertrager ausgeführt ist,

Fig. 9 Signal-Ersatzschaltbild für den LMK-Bereich für erfin­ dungsgemäße Fahrzeug-Antennenanordnungen,

Fig. 10 Beispiel der Ausführung erfindungsgemäßer Fahrzeug-An­ tennenanordnungen als komplette LMK/UKW Antenne.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung einer erfindungsge­ mäßen Fahrzeugantennen-Empfangsanordnung. Auf der vom metallischen Rahmen 2 umgebenen Fahrzeugscheibe 1 ist ein Heizfeld aufgedruckt, wie es bei modernen Fahrzeugen Stand der Technik ist. Die Zufüh­ rung des Heizgleichstroms erfolgt über die Spule 5, die durch zwei parallel geführte Drähte als Bifilarwicklung ausgeführt ist. Auf der ersten Seite der Spule sind die Drähte mit den Heizungsan­ schlüssen 4a und 4b des Heizfeldes verbunden, auf der zweiten Seite der Spule sind die beiden Drähte an die Pole der Gleichspan­ nungsquelle angeschlossen. Die Heizungsanschlüsse 4a und 4b sind vorteilhaft am unteren Rand der Scheibe angeordnet, also im einem Bereich, in dem sich die großvolumige Spule 5 in modernen Fahrzeu­ gen unterbringen läßt, z. B. unter der Hutablage.

Für das Beispiel einer erfindungsgemäßen Fahrzeugantennen- Empfangsanordnung ist in Fig. 1 vorausgesetzt, daß aus fahrzeugspe­ zifischen Gründen die Unterbringung der Empfangsschaltung 6 am seitlichen Scheibenrand und dort vorzugsweise im oberen Teil er­ folgen muß. Dies ist die in der Praxis in der Regel gegebene Si­ tuation. Für erfindungsgemäße Antennen ist es erforderlich, den Antennenanschluß 3 auf der Fahrzeugscheibe 1 in enger Nachbar­ schaft zur Empfangsschaltung 6 anzuordnen. Auf Grund der in der Darlegung des Nachteils des Stands der Technik erläuterten Gründe kann wegen ihrer erheblichen Abmessungen die bifilar gewickelte Spule nicht in dem Bereich untergebracht werden, an dem auch die Empfangsschaltung 6 unter einer Blende montiert werden kann. Damit sind die Anschlußpunkte der Heizungsanschlüsse in Bereichen der Fahrzeugscheibe 1 angeordnet, die nicht in enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung 6 liegen, nämlich meist am unteren Scheibenrand.

In enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung ist damit eine der beiden Sammelschienen 19 des Heizfeldes. Vorteilhaft kann dann der Antennenanschluß 3 am vorzugsweise oberen Ende der Sammelschiene angeordnet werden. Auf diese Weise ist der Antennenanschluß 3 galvanisch mit dem Heizfeld 12 verbunden. Die Empfangsschaltung 6 weist bei erfindungsgemäßen Antennen im Inneren ein erstes aktives Element 8 auf, das einen kapazitiv hochohmigen Eingang besitzt. Dieses erste aktive Element ist in der Praxis bei den heute verfügbaren Elementen in der Regel ein Feldeffekt-Transistor (FET).

Der erste Eingangsanschluß 6a der Empfangsschaltung 6, der im Beispiel der Fig. 1 mit dem Gate des Fets verbunden ist, ist über die hochfrequente Verbindung 11 mit dem Antennenanschluß 3 auf der Scheibe 1 verbunden. Der zweite Eingangsanschluß 6b der Empfangs­ schaltung 6 ist mit dem Massepunkt 10 auf dem metallischen Rahmen 2 verbunden. Die hochfrequente Verbindung 11 ist in der Praxis meist ein Draht aus Kupferlitze. Die Verbindung des zweiten Ein­ gangsanschlusses 6b der Empfangsschaltung 6 mit dem Massepunkt 10 kann ebenfalls über einen Draht aus Kupferlitze erfolgen. Häufig ist jedoch die Masse der Elektronik der Empfangsschaltung 6 über die Befestigungsschraube direkt mit der Karosseriemasse verbunden.

Für erfindungsgemäße Antennen kann jedoch die hochfrequente Verbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluß 6a und dem Anten­ nenanschluß 3 und die Verbindung zwischen dem zweiten Eingangsan­ schluß 6b und dem Massepunkt 10 über eine Zweidrahtleitung oder auch über eine koaxiale Leitung erfolgen, wobei im letzten Fall vorzugsweise der Innenleiter der Koaxialleitung die Hochfrequenz­ leitung 11 bildet, die die hochfrequente Verbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluß 6a und dem Antennenanschluß 3 bewirkt.

Ein gewisser Nachteil dieser Anordnung besteht in der Notwendigkeit, auf der Fahrzeugscheibe 1 neben den beiden Hei­ zungsanschlüssen 4a, b einen weiteren Antennenanschluß 3 zu benö­ tigen, der z. B. bei Standard-Heizscheiben nicht vorhanden ist. Ist einer der beiden Heizungsanschlüsse 4a, b in enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung angeordnet, wie dies z. B. der Fall ist, wenn der Heizstrom mittig in die Sammelschienen 19 eingespeist wird, so kann eine erfindungsgemäße Antennenanordnung auch so realisiert werden, wie dies die Anschlußtechnik in Fig. 4 zeigt. In diesem Beispiel erfolgt, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zum Heizungs­ anschluß 4b, eine Verzweigung in einen Gleichstrompfad und in einen Antennensignalpfad. Dies erfolgt in der gezeigten Weise da­ durch, daß der Gleichstrompfad über einen Draht ausreichenden Querschnitts und entsprechender Länge zwischen dem Heizfeldan­ schluß und dem entsprechenden Anschluß der bifilar gewickelten Spule 5 ausgebildet wird. Der Antennensignalpfad führt wieder vom Antennenanschluß 3, der in diesem Fall identisch ist mit dem Heiz­ feldanschluß 4b, über die Hochfrequenzleitung 11 zur eng benach­ barten Empfangsschaltung 6.

Weitere Gesichtspunkte für die Ausgestaltung erfindungsgemäßer Antennenanordnungen ergeben sich, wenn am Antennenanschluß 3 eben­ falls UKW-Signale ausgekoppelt werden sollen, wenn also eine kombinierte LMK-UKW-Antenne erforderlich ist.

Mit einer Anordnung, wie sie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt ist, ergibt sich in der Regel auch eine gute Leistungsfähigkeit bei horizontal polarisierten UKW-Signalen, wenn also auch die UKW- Signale am oberen Ende der Sammelschiene ausgekoppelt werden. Für vertikal polarisierte UKW-Signale ist die Leistungsfähigkeit in der Regel unbefriedigend. Es sind jedoch, z. B. aus P 38 20 229, Antennenstrukturen mit einer hervoragenden Leistungsfähigkeit für horizontal und für vertikal polarisierte UKW-Signale bekannt.

Ein besonderer Vorteil einer erfindungsgemäßen Fahrzeuganten­ nen-Empfangsanordnung für den LMK-Bereich besteht darin, derartige bekannte leistungsfähige UKW-Antennenstrukturen in Heckscheiben auch für den LMK-Frequenzbereich verwenden zu können.

Eine derartige erfindungsgemäße Antennenanordnung zeigt Fig. 2. Der Antennenanschluß 3 ist in diesem Beispiel ebenfalls im oberen Seitenbereich angeordnet. Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen dem Antennenanschluß 3 und den Leitern des Heizfeldes erfolgt in diesem Beispiel über einen ebenfalls auf die Fahrzeugscheibe 1 aufgedruckten Koppelleiter 17. Im Beispiel der Fig. 2 ist dieser Koppelleiter 17 parallel zum oberen Scheibenrand bis zur Mitte der Fahrzeugscheibe geführt, knickt dann nach unten ab und kreuzt rechtwinklig die Heizleiter. Bei erfindungsgemäßen Antennenanord­ nugen ist dieser Koppelleiter 17 im LMK-Bereich niederohmig an das Heizfeld angekoppelt.

Diese Niederohmigkeit der Verkopplung kann z. B. bei Scheiben mit aufgedrucktem Heizfeld sehr einfach und damit kostengünstig dadurch erreicht werden, daß der Koppelleiter galvanisch mit den Heizleitern an den Kreuzungspunkten verbunden ist. Diese galvani­ sche Verbindung ergibt sich bei der Fertigung automatisch, indem alle Leiter im gleichen Siebdruckverfahren aufgebracht werden.

Geometrisch in der Draufsicht ähnlich angeordnete Leiterstrukturen werden vorteilhaft auch für den UKW-Empfang aller Polarisationen bei Verbundglasscheiben verwendet, bei denen die Heizdrähte aus sehr vielen dünnen Drähten in geringem Abstand ge­ bildet sind, die zwischen die beiden Teilscheiben des Verbund­ glases eingelegt werden. Zwischen beiden Scheiben ist dann eine dünne Kunststoffolie von typisch 1 mm Dicke vorhanden, mit der beim Fertigungsvorgang die beiden Teilscheiben verklebt werden.

Der Koppelleiter 17 ist dann mit den Leitern 18 des Heizfeldes 12 nicht zwangsweise galvanisch, jedoch immer für die Frequenzen des LMK-Bereichs kapazitiv ausreichend niederohmig verkoppelt, wenn der Koppelleiter 17 ebenfalls zwischen die beiden Teilschei­ ben der Verbundglasscheibe eingelegt ist. Die ausreichend hohe ka­ pazitive Verkopplung ist deshalb gegeben, weil bei Verbundglasscheiben sehr viele Heizleiter in geringem Abstand vor­ handen sind. Sind die Leiter 19 des Heizfeldes und der zusätz­ liche Leiter 17 auf der gleichen Seite der Folie angeordnet, so wird sich in der Praxis wegen des direkten Kontakts der sich kreu­ zenden Leiter teilweise sogar eine galvanische Verbindung ergeben.

Eine weitere Möglichkeit erfindungsgemäßer Antennen mit einer für die Frequenzen des LMK-Bereichs ausreichend niederohmigen kapazitiven Ankopplung an das Heizfeld zeigt Fig. 3. In diesem Fall ist der zusätzliche Leiter 17 in geringem Abstand parallel zum obersten Heizleiter angeordnet, wodurch sich eine kapazitive An­ kopplung ergibt. Man wird dabei bestrebt sein, den Abstand zwi­ schen dem obersten Leiter des Heizfeldes 12 und dem zusätzlichen Leiter 17 möglichst gering zu machen, wobei aus technologischen Gründen bei Siebdrucktechniken ein Abstand von ca. 0,5 mm nur schwer zu unterschreiten ist. Ein Abstand von bis zu etwa 4 mm führt je­ denfalls in der Praxis zu einer ausreichend hohen Verkopplung.

Der Vorteil einer kapazitiven Ankopplung an das Heizfeld 12 über den Koppelleiter 17 besteht in der bereits innerhalb der Scheibe durchgeführten gleichstrommäßigen Trennung, auf Grund de­ rer in der Empfangsschaltung 6 ein sonst erforderlicher Serienkon­ densator 16 entfallen kann.

Mit den bisher dargestellten erfindungsgemäßen Fahrzeug-Anten­ nenanordnungen werden im LMK-Frequenzbereich gute und der 1 m lan­ gen Standard-Teleskopantenne gleichwertige Empfangsleistungen be­ züglich der Grenzempfindlichkeit erreicht, wenn die bifilar gewic­ kelte Spule 5 richtig dimensioniert ist. Hierzu muß die Induktivi­ tät der Spule 5 für den Gleichtaktmode, also für eine Erregung des Heizfeldes gegenüber dem metallischen Rahmen, ausreichend groß ge­ wählt werden.

Hierzu ist erforderlich, daß die Resonanzfrequenz, die sich durch die Induktivität der Spule 5 zum einen und den wirksamen Kapazitäten zum anderen, nicht höher liegt als es dem √2-fachen der tiefsten Frequenz des Nutzfrequenzbandes entspricht. Zum ande­ ren darf die Spule 5 auch nicht stark verlustbehaftet sein, da andernfalls diese Verluste Rauschbeiträge liefern würden, die die Grenzempfindlichkeit unzulässig reduzieren würden. Damit kommt auch der Auswahl eines geeigneten Ferritmaterials eine wichtige Rolle zu. Die für die Resonanz wirksamen Kapazitäten ergeben sich dabei durch die Eigenkapazität des Heizfeldes gegenüber der Umge­ bung, durch die Eingangskapazität der Empfangsschaltung 6, durch die Kapazität der Hochfrequenzleitung 11 sowie durch parasitär parallelliegende Kapazitäten, z. B. auf Grund der Wicklungskapazi­ tät der Spule 5.

Diese Kapazitäten summieren sich typisch zu etwa 200 pF. Geht man davon aus, daß auch das Langwellenband ab 150 kHz mit guter Empfangsleistung empfangen werden soll, muß die Induktivität der Spule 5 so groß gewählt werden, daß die Resonanzfrequenz bei etwa 212 kHz liegt. Dies erfordert eine Induktivität von etwa 2,8 mH, wodurch wegen der notwendigen Windungszahl und wegen der hohen Heizströme eine erhebliche Erwärmung der Spule 5 unvermeidbar ist, selbst wenn bereits großvolumige Ferrite mit Abmessungen von z. B. 30 mm Durchmesser und 19 mm Bauhöhe verwendet werden.

Ob die Erwärmung des Ferrits in einem tolerierbaren Rahmen bleibt oder nicht, hängt stark davon ab, wie groß konstruktionsbe­ dingt der im jeweiligen Fahrzeug maximal fließende Strom für die Scheibenheizung ist. Eine Aufteilung des Heizfeldes in Teilheiz­ feldern, von denen nur eins als LMK-Antenne verwendet wird, bringt im übrigen keine Vorteile im Hinblick auf eine Reduktion der Ver­ lustleitung in der bifilar gewickelten Spule 5. Durch eine derar­ tige Maßnahme nimmt zwar der Heizstrom entsprechend der Flächenre­ duktion ab, gleichzeitig ist jedoch wegen des Zwangs, die Reso­ nanzfrequenz beizubehalten, eine höhere Induktivität für der Spule 5 erforderlich. Dies bedingt eine höhere Windungszahl mit der Folge, daß die Verlustleistung in der Wicklung unverändert bleibt.

Bei unzulässig hoher Erwärmung der Spule 5 kann durch folgende Maßnahme die Windungszahl und damit auch die in der Spule an­ fallende Verlustleistung reduziert werden. Die Maßnahme besteht darin, die für die Ausbildung der Resonanzfrequenz wirksame Kapazität zu erhöhen, indem parallel zur Spule 5 (Fig. 3) oder par­ allel zum Antennenanschluß 3 gegen Masse (Fig. 4) eine zusätzliche Kapazität 14 geschaltet wird. Dies hat jedoch ebenfalls eine Re­ duktion der Grenzempfindlichkeit im gleichen Ausmaß zur Folge, in der die Verlustleistung reduziert wird. Bei einer Reduktion der Verlustleistung um 6 dB wird demnach die Grenzempfindlichkeit eben­ falls um ca. 6 dB schlechter, eine Reduktion der Leistungsfähig­ keit, die in vielen Fällen nicht toleriert werden kann.

In derartigen Anwendungsfällen ist bei erfindungsgemäßen Antennenanordnungen vorteilhaft eine deutliche Reduktion der Verlustleistung in der Spule 5 bei gleichzeitig unverändert hoher Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Grenzempfindlichkeit der Antennenanordnung möglich.

Hierzu wird in der Empfangsschaltung 6 ein Transformator 9, wie dies Fig. 5 zeigt, dem aktiven Element mit kapazitiv hochohmigem Eingangswiderstand vorgeschaltet. Die beiden Anschlüsse der Primärseite 9a des Transformators 9 werden zum einen über eine Hochfrequenzleitung 11 mit dem Antennenanschluß 3 und zum anderen mit dem Massepunkt 10 verbunden. Dabei sorgt ein in Serie geschalteter Kondensator 16 dafür, daß die Primärseite des Transformators 9 gleichstrommäßig vom Heizfeld abgetrennt ist, wenn der Antennenanschluß 3 galvanisch mit dem Heizfeld verbunden ist.

Die Sekundärseite 9b des Transformators 9 steuert den Eingang des 1.aktiven Elements an. Der Transformator 9 ist vorzugsweise als Breitbandtransformator mit einer festen Kopplung zwischen Pri­ mär- und Sekundärseite ausgeführt, da das von der Fahrzeuganten­ nen-Empfangsanordnung zu überdeckende Frequenzband groß ist. Dies gilt in besonders hohem Maße, wenn der gesamte LMK-Bereich von 150 kHz bis 6 MHz zu grunde gelegt wird. Soll nur ein Teilband des gesamten LMK-Bereichs abgedeckt werden, z. B. nur der Frequenzbe­ reich der Kurzwelle 5,95 MHz bis 6,2 MHz, so kann auch ein Trans­ formator 9 ohne feste Kopplung eingesetzt werden.

Mittels dieses Transformators 9 kann auf einfache Weise durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses ü das Impedanzniveau auf der Sekundärseite 9b des Transformators in weiten Grenzen frei wählbar eingestellt werden. Das transformatorische Prinzip kann zudem sehr breitbandig ausgeführt werden, so daß die Wirkungsweise der Antenne auch für breite Frequenzbänder, wie z. B. für den ge­ samten LMK-Bereich, optimiert werden kann.

Im speziellen wird bei erfindungsgemäßen Antennenanordnungen das Signal-Rauschverhältnis durch die geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses ü des Transformators 9 verbessert. Ak­ tive Elemente mit kapazitiv hochohmigem Eingangswiderstand, wie sie für das 1.aktive Element 8 in der Empfangsschaltung 6 verwen­ det werden, sind bei der heutigen Technologie Feldeffekttransisto­ ren, deren Rauscheigenschaften ersatzweise im wesentlichen durch eine Serienrauschspannungsquelle beschrieben werden können. Der optimale Signal-Rauschabstand ergibt sich daher dann, wenn die Steuerspannung am 1.aktiven Element maximal ist. Dies läßt sich über das Übersetzungsverhältnis ü auf einfache Weise optimal ein­ stellen.

Lehren bezüglich des optimalen Übersetzungsverhältnisses ü für einen Transformator, der primärseitig aus einer Quelle mit kapazitivem Innenwiderstand angesteuert wird und der sekundärsei­ tig auf eine kapazitive Last arbeitet, finden sich in EP 0 166 387 B1. Die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators ist ge­ mäß EP 0 166 387 B1 dann maximal und der Signal-Rauschabstand dann optimal, wenn ü = √(C_a/C_p) gewählt ist.

Dies gilt in gleicher Weise für erfindungsgemäße Antennen-Emp­ fangsanordnungen nach dieser Anmeldung. C_a bezeichnet dabei die Kapazität der Antennenstruktur bezogen auf den Anschlußpunkt 20 an der Primärseite 9a des Transformators 9 gegenüber dem Massepunkt 10, wenn der Transformator 9 am Anschluß 20 und die Spule 5 an den Anschlüssen 4a und 4b des Heizfeldes 12 nicht angeschlossen sind, wenn die Antennenstruktur also im Leerlauf betrachtet wird. C_a liegt in der Praxis bei erfindungsgemäßen Antennen bei Werten von mindestens 100 pF.

Der minimal mögliche Wert für C_p ergibt sich aus der Ersatzkapazität 13 des 1.aktiven Elements. In der Praxis ergeben sich durch unvermeidbare parasitäte Kapazitäten, die elektrisch parallel zu C_p wirken, etwas höhere Werte als es dem 1.aktiven Element allein entspräche. Typische der Praxis entsprechende Werte für C_p sind 10 pF bis 20 pF.

Wesentlich für erfindungsgemäße Fahrzeugantennen- Empfangsanordnungen ist, daß C_p einen deutlich kleineren Wert als C_a aufweist. Für ü = √(C_a/C_p) ergeben sich damit bei erfindungsgemäßen Antennen-Empfangsanordnungen Werte deutlich größer als 1 und für die Praxis relevante Verbesserungen bezüglich des Signal-Rauschabstands, wenn die Lehren dieser Anmeldung angewandt werden.

Den zusätzlichen technischen Aufwand eines Transformators 9 in Kauf zu nehmen ist dann sinnvoll, wenn dadurch eine spürbare Verbesserung des Signal/Rauschabstands erreicht wird. Transforma­ toren mit einem Übersetzungsverhältnis nahe 1 sind daher wenig sinnvoll. Eine untere Grenze für das Übersetzungsverhältnis des Transformators 9 kann bei etwa 2 angesetzt werden, da sich damit eine auch subjektiv bemerkbare Verbesserung des Signal-Rauschab­ stand ergibt, die den erhöhten technischen Aufwand gerechtfertigt erscheinen läßt.

Für die Ausführung des Transformators 9 sind unterschiedliche technische Lösungen anwendbar. Soll der gesamte Frequenzbereich des LMK-Rundfunks abgedeckt werden, ist ein Breitband-Transforma­ tor erforderlich mit einer ausreichend festen Kopplung, die in der Praxis dadurch erreicht wird, daß die Wicklungen auf einem gemein­ samen Ferrit aufgebracht sind. Geeignete Ferrit-Bauformen für erfindungsgemäße Fahrzeugantennen-Empfangsanordnungen sind dabei z. B. Ringkerne oder Schalenkerne, bei denen eine gute Verkopplung zwischen den Wicklungen gegeben ist, wenn die relative Permeabili­ tät hoch ist. Dies ist bei Ferriten, die für den LMK-Freuenzbe­ reich geeignet sind, gegeben. Getrennte Primär- und Sekundärwick­ lungen (Fig. 6) sind genauso einsetzbar wie Spartransformatoren (Fig. 7), bei denen die Primärwicklung gleichzeitig eine Teilwick­ lung der Sekundärwicklung bildet. Bei beiden Bauformen kann das Übersetzungsverhältnis ü in den für erfindungsgemäße Antennen-Emp­ fangsanordnungen erforderlichen Grenzen mit Werten von ü zwischen etwa 2 und 10 exakt eingestellt werden.

Ebenfalls geeignet ist auch das bekannte Prinzip des Leitungs­ übertragers (Guanella-Übertrager) (Fig. 8), das den Vorteil auf­ weist, noch breitbandiger realisierbar zu sein als die Transforma­ toren nach Fig. 6 oder Fig. 7. Das Übersetzungsverhältnis bei Lei­ tungsübertragern ist prinzipbedingt nur ganzzahlig realisierbar. Im Falle der Anordnung nach Fig. 8 ist ü=2; durch geeignete Ver­ schaltung von mindestens zwei Leitungsübertrager sind jedoch be­ kanntlich auch andere, aber immer nur ganzzahlige Übersetzungsver­ hältnisse erreichbar. Die Beschränkung auf ganzzahlige Werte für ü stellt jedoch für die Realisierung erfindungsgemäßer Antennen-Emp­ fangsanordnungen keinen Nachteil dar, da die erfindungsgemäßen Vorteile einer Verbesserung des Signal-Rauschabstands bereits er­ reicht werden, wenn ü ungefähr dem optimalen Wert entspricht.

Der grundsätzliche Verlauf der bei erfindungsgemäßen Antennen- Empfangsanordnungen das 1.aktive Element ansteuernden Signalspan­ nung in Abhängigkeit von der Frequenz für eine frequenzunabhängige Erregung ist bekannt aus EP 0 166 387 B1, Fig. 7; dies ergibt sich aus dem eng verwandten HF-Ersatzschaltbild, da in beiden Fällen eine Quelle mit kapazitivem Innenwiderstand und eine Last mit ka­ pazitivem Charakter vorliegt (Fig. 9 der vorliegenden Anmeldung und Fig. 6 in EP 0 166 387 B1). Im Unterschied zu EP 0 166 387 B1 er­ gibt sich im Falle der hier diskutierten erfindungsgemäßen Fahr­ zeug-Antennenanordnungen nach Fig. 9 für die primärseitig am Trans­ formator wirksame Induktivität die Parallelschaltung der Indukti­ vitäten der Spule 5 und der Primärwicklung 9a des Transforma­ tors 9.

Auch bei Anwesenheit des Transformators 9 empfiehlt es sich wieder, genauso übrigens wie auch bei EP 0 166 387 B1, die sich ergebende Resonanzfrequenz so zu wählen, daß sie bei f_res=√2*f_u zu liegen kommt, wobei f_u die tiefste Frequenz des insgesamt zu über­ deckenden Bandes bezeichnet. Soll der gesamte LMK-Bereich mit gleichmäßigen Eigenschaften abgedeckt werden, ist demnach f_u=150 kHz und f_res sollte zu etwa 212 kHz gewählt werden. Vorgegeben sind dabei die Kapazitäten, die zusammen mit den Induktivitäten die Resonanzfrequenz bestimmen, nämlich die Kapazität C_a des Heizfelds gegenüber dem metallischen Rahmen und der Umgebung, und die auf der Primärseite des Transformators 9 wirksame Kapazität, die auf C_p zurückgeht und die durch ü beeinflußt wird, sowie durch parasitär parallelliegende Kapazitäten, z. B. der Wicklungen der bifilar gewickelten Spule 5 und des Transformators 9. Durch geeignete Wahl der Werte der Induktivität der Spule 5 und der elektrisch parallelgeschalteten Induktivität der Primärwicklung des Transformators 9 kann damit f_res eingestellt werden.

Technisch bereitet die Realisierung der Spule 5 große Schwierigkeiten, da deren Wicklungen vom Heizgleichstrom durch­ flossen werden, wodurch sich unvermeidbar auf Grund des ohmschen Widerstands der Wicklungen eine erhebliche Verlustleistung ergibt. Im Gegensatz dazu ist die Realisierung des Transformators 9 mit einer hohen Induktivität technisch problemlos. Es ist daher vor­ teilhaft, die Primärinduktivität des Transformators 9 ausreichend groß zu machen, so daß im technischen Sinn bezüglich der Indukti­ vitäten die Resonanzfrequenz der Anordnung durch die Induktivität der Spule 5 bestimmt wird. Auf diese Weise kann die Windungszahl der Spule 5 so klein wie möglich gewählt werden, wodurch auch die Verlustleistung minimal wird.

Dieser Dimensionierung kommt eine um so größere Bedeutung zu, je niedriger die tiefste zu empfangende Frequenz ist. Soll also auch der Langwellenbereich mit abgedeckt werden, so führt das bei erfindungsgemäßen Fahrzeug-Antennenanordnungen zu höheren Werten für die Induktivität der Spule 5 als wenn als tiefstes Band der Mittelwellenbereich zu berücksichtigen ist.

Eine wesentliche Zielsetzung für die Verwendung des Transformators 9 besteht darin, eine potentielle Steigerung der Grenzempfindlichkeit zu erreichen, die dann aber in der Praxis nicht in allen Anwendungsfällen genutzt wird. Erfindungsgemäße Fahrzeug-Antennenanordnungen mit im Übersetzungsverhältnis ü=√C_a/C_p optimiertem Transformator 9 liefern in der Praxis nämlich Grenzempfindlichkeiten, die denen mit einer Standard-Teleskopan­ tenne deutlich überlegen sind. Dies trifft sogar im Vergleich mit Teleskopantennen im Frontbereich eines Fahrzeugs zu; im Vergleich mit Heckstabantennen, die auf Grund des Verlängerungskabels um ca. 8 bis 10 dB im Signal-Rauschabstand einer Frontstabantenne unter­ legen sind, ergeben sich mit erfindungsgemäßen Antennen-Empfangs­ anordnungen nochmals wesentliche bessere Eigenschaften.

In einer besonders vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird daher der in der Praxis nicht erforderliche vorhandene Empfindlichkeitsüberschuß erfindungsgemäßer Antennen-Empfangsan­ ordnungen mit Transformator 9 dazu genutzt, die Verlustleistung in der Spule 5 zu reduzieren.

Dies erfolgt wieder durch Parallelschalten einer Kapazität 14 zur Spule 5 (Fig. 7) oder zum Antennenanschluß 3 (Fig. 6) gegen Masse. Um eine spürbare Auswirkung dieser Maßnahme auf die Ver­ lustleitung in der Spule 5 zu erreichen, ist der Wert der Kapazi­ tät 14 etwa so groß wie die gesamten parallel zur Spule 5 wirksa­ men Kapazitäten bei Abwesenheit von der Kapazität 14, oder noch größer. Die Werte für die Kapazität 14 betragen daher in der Pra­ xis ca. 200 pF und mehr. Ist der Transformator 9 fest gekoppelt, kann die Kapazität 14 auch elektrisch gleichwertig parallel zur Sekundärseite des Transformators geschaltet werden.

Die Maßnahme der Anschaltung der Kapazität 14 ist äußerst effizient. Für eine in der Praxis häufig ausreichende Reduktion der Verlustleistung auf ein Viertel muß nur eine wegen der Empfindlichkeitsreserven tolerierbare Verschlechterung des Signal- Rauschabstands von 6 dB in Kauf genommen werden.

Bezüglich der Auswirkung der Maßnahme der Zuschaltung der Kapazität 14 auf den LMK-Bereich sind diese Varianten gleichwer­ tig. Durch die Anschaltung der Kapazität 14 in Kombination mit ei­ nem Transformator 9 kann damit in jeder Variante die Induktivität der bifilar gewickelten Spule 5 deutlich verringert werden mit dem Ergebnis tolerierbarer Verlustleistungen in dieser Spule bei gleichzeitig ausreichender Grenzempfindlichkeit bei Ausführung als erfindungsgemäße Fahrzeug-Antennenanordnung.

Bezüglich der Antenneneigenschaften z. B. im UKW-Bereich sind diese Varianten der Anschaltung der Kapazität 14 jedoch unterschiedlich. Wird die Kapazität 14 z. B. parallel zum Antennen­ anschluß 3 gegen Masse angeschaltet, so ergibt sich dadurch eine breitbandige Belastung des Antennenanschlusses ebenfalls für den UKW-Bereich. Je nach erforderlicher Transformationsschaltung im UKW-Bereich kann diese Kapazität erwünscht, weil als Bestandteil der UKW-Transformationsschaltung nutzbar, oder störend sein. In der Regel wird allerdings eine Kapazität 14 in der Größenordnung von 200 pF und mehr wegen ihrer Niederohmigkeit im UKW-Bereich parallel zum Antennenanschluß 3 unerwünscht sein.

Hochwertige AM/FM Antennenverstärker verwenden wegen der Forderung einer möglichst kleinen UKW/LMK-Konversion sowie wegen der getrennten Optimierbarkeit getrennte Signalwege für beide Frequenzbereiche. Die Auftrennung erfolgt dabei am Eingang der Schaltung, wie dies Fig. 10 zeigt. In diesen Fällen ist die Anord­ nung der Kapazität 14 auf der Sekundärseite des Transformators 9 (Fig. 10) vorteilhaft, weil die im UKW-Bereich hochohmige Streuin­ duktivität der Primärseite des Transformators 9 die Kapazität 14 für den UKW-Bereich unwirksam macht. Diese Streuinduktivität ist im UKW-Bereich deswegen hoch, weil die für den LMK-Bereich verwen­ deten Ferritmaterialien im UKW-Bereich nur noch eine geringe Per­ meabilitätskonstante aufweisen, wodurch zwangsweise die Kopplung für den UKW-Bereich gering wird. Die Belastung des UKW-Zweigs mit dem Verstärker 22 ist daher durch den Transformator 9 vernachläs­ sigbar.

Der UKW-Zweig ist im Beispiel der Fig. 10 über einen Serienresonanzkreis aus den Elementen 23 und 24 eingangsseitig an den Antennenanschluß 3 angeschlossen, der für die tiefen Frequen­ zen des LMK-Zweigs bei geeigneter Dimensionierung nur eine ver­ nachlässigbare Belastung darstellt.

Claims (19)

1. Fahrzeug-Antennenanordnung mit einer Empfangsschaltung für den Empfang im gesamten Lang-, Mittel- und Kurzwellen- (LMK-)Bereich oder in einem Teilband desselben (Nutzfrequenzband) unter Verwendung eines in einer von einem metallischen Rahmen umgebenen Fahrzeugscheibe angebrachten Heizfeldes als Antennenleiter, das eine Anzahl von meist horizontalen, an ihren Enden jeweils durch eine Sammelschiene verbundener Heizleiter und zwei Heizungsanschlüsse aufweist, die über eine bifilar gewickelte Spule mit den beiden Polen einer den Heizstrom liefernden Gleichspannungsquelle verbunden sind, wobei die Empfangsschaltung zwei Eingangsanschlüsse besitzt, deren einer über eine hochfrequente Verbindung mit einem in der Fahrzeugscheibe in der Nähe des metallischen Rahmens befindlichen Antennenanschluß und deren anderer mit einem Massepunkt auf dem metallischen Rahmen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung (6) ein erstes aktives Element (8) mit kapazitiv hochohmigen Eingangswiderstand aufweist und der Antennenanschluß (3) in enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung (6) angeordnet ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung (6) am seitlichen Scheibenrand oben untergebracht ist und daß der Antennenanschluß (3) am oberen Ende einer Sammelschiene (19) auf dieser angebracht ist (Fig. 1).

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung (6) am seitlichen Scheibenrand oben untergebracht ist und daß der Antennenanschluß (3) in der Nähe des seitlichen metallischen Rahmens (2) auf der Höhe der Empfangsschaltung (6) auf der Scheibe angebracht ist und durch einen Koppelleiter (17) im LMK-Bereich niederohmig an das Heizfeld angekoppelt ist (Fig. 2 und 3).

4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelleiter (17) parallel zum oberen Scheibenrand bis zur Mitte der Fahrzeugscheibe (1) geführt ist und dann nach unten abknickend die Heizleiter kreuzt (Fig. 2).

5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Heizleiter kreuzende Abschnitt des Koppelleiters mit den Heizleitern galvanisch verbunden ist (Fig. 2).

6. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Heizleiter kreuzende Abschnitt des Koppelleiters (17) für die Frequenzen des LMK-Bereichs kapazitiv niederohmig mit den Heizleitern verbunden ist (Fig. 2).

7. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelleiter (17) in geringem Abstand parallel zum obersten Heizleiter geführt ist (Fig. 3).

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Anschlüssen (20, 21) der Empfangsschaltung (6) und dem aktiven Element (8) in der Empfangsschaltung eine breitbandige Transformationsschaltung (9) eingefügt ist (Fig. 5).

9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsübersetzungsverhältnis ü der Transformationsschaltung (9) größer oder mindestens gleich zwei ist.

10. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsübersetzungsverhältnis ü der Transformationsschaltung (9) so bemessen ist, daß im Nutzfrequenzband ein ausreichend hohes Signal-Rauschverhältnis erreicht ist.

11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, der aus der für den Gleichtaktmode wirksamen Induktivität der bifilar gewickelten Spule (5) zusammen mit der Eigeninduktivität der Transformationsschaltung (9) sowie der auf der Primärseite (9a) der Transformationsschaltung (9) wirksamen Ersatzkapazität (13) des aktiven Elements (8) besteht, bei etwa dem √2 -fachen der tiefsten Frequenz des Nutzfrequenzbandes liegt.

12. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreiskapazität durch Parallelschaltung einer zusätzlichen Kapazität (14) zur bifilar gewickelten Spule (5) und/oder Primärseite (9a) der Transformationsschaltung (9) und/oder zur Sekundärseite (9b) der Transformationsschaltung (9) erhöht ist und die Schwingkreisinduktivität zur Erzielung der gleichen Resonanzfrequenz entsprechend verringert ist (Fig. 6).

13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigeninduktivität der Transformationsschaltung (9) auf deren Primärseite (9a) so groß im Verhältnis zu der für den Gleichtaktmode wirksamen Induktivität der bifilar gewickelten Spule (5) ist, daß die aus der Parallelschaltung der beiden Induktivitäten resultierende Induktivität praktisch nur durch die genannte Induktivität der bifilar gewickelten Spule (5) bestimmt ist.

14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsschaltung (9) aus zwei galvanisch getrennten Wicklungen (Primärwicklung 9c und Sekundärwicklung 9d) auf einem Ferrit (15) aufgebaut ist.

15. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsschaltung (9) als Spartransformator auf einem Ferrit (15) aufgebaut ist (Fig. 7).

16. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsschaltung (9) als Leitungsübertrager (Guanella- Übertrager) aufgebaut ist (Fig. 8).

17. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auch ein UKW-Signalzweig vorhanden ist und der Antennenanschluß (3) ebenfalls für die Auskopplung der UKW-Signale dient.

18. Antennenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein getrennter UKW-Signalweg vorhanden ist.

19. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Antennenanschluß vorhanden ist, an dem die UKW- Signale abgegriffen werden.