DE4216376C2 - 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 DE 34 10 415 A1. Bei dieser Fahrzeug-Antennenanordnung für den Empfang im Lang-, Mittel- und Kurzwellen (LMK-) und UKW-Bereich wird als Antennenleiter das in einer Fahrzeugscheibe vorhandene Heizfeld verwendet, das über eine bifilar gewickelte Spule mit dem Heizstrom versorgt wird. Eine Empfangsschaltung, die ein erstes aktives Element mit kapazitiv hochohmigem Eingangs­ widerstand aufweist, ist hochfrequent mit ihrem einen Eingangsanschluß mit einem in der Fahr­ zeugscheibe in enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung angeordneten, in der Nähe des me­ tallischen Rahmens befindlichen Antennenanschluß und mit ihrem anderen Eingangsanschluß mit einem Massepunkt auf dem metallischen Rahmen, der die Fahrzeugscheibe umgibt, verbun­ den. Diese bekannte Antennenanordnung erfüllt bereits die Forderung, daß der Antennenan­ schluß und mit ihm der Montageort der Empfangsschaltung in der Nähe des metallischen Rah­ mens an der durch fahrzeugspezifische Aspekte vorgegebenen Position und weitgehend unab­ hängig von den Lambda-Bereich betreffenden Antennengesichtspunkten gewählt werden kann. Diese fahrzeugspezifischen Aspekte und die den LMK-Bereich betreffenden Antennengesichts­ punkte werden zum besseren Verständnis des der Erfindung zugrunde liegenden Standes der Technik und der Aufgabe, deren Lösung sich die Erfindung gestellt hat, im folgenden anhand der Druckschrift EP 0 166 387 B1 erläutert, da bei deren Gegenstand die vorhin genannte Forde­ rung eben nicht erfüllt ist:

Bei dieser aus der genannten Druckschrift bekannten Antenne dient das Heizfeld als An­ tenne für den Empfang der LMK-Signale. Die LMK-Signale werden transformatorisch aus ei­ nem Übertrager ausgekoppelt, dessen Primärwicklung eine bifilar ausgeführte Spule bildet, über die die Gleichstromanschlüsse des Heizfeldes mit dem Heizstrom gespeist werden. An die Se­ kundärwicklung des Übertragers, die magnetisch an die Primärwicklung angekoppelt ist, ist ein Antennennetzwerk angeschlossen.

Die Nachteile einer Empfangsanordnung nach EP 0 166 387 B1 sind nicht elektrischer Natur, sondern sie resultieren aus den Restriktionen, die beim Einbau von Komponenten in mo­ derne Kraftfahrzeuge berücksichtigt werden müssen. Diese Restriktionen ergeben sich ganz we­ sentlich aus den nur sehr begrenzt und nur an speziellen Stellen verfügbaren Einbauräumen. Probleme ergeben sich im Zusammenhang mit EP 0 166 387 B1 aus dem Zwang der magneti­ schen Ankopplung der Sekundärwicklung an die Primärwicklung, wodurch auch die Anordnung des Antennennetzwerkes in unmittelbarer Nähe der bifilaren Spule, die die Primärwicklung bil­ det, 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 optimierte Anordnungen, die bezüglich der Induktivität nach den Lehren von EP 0 166 387 B1 dimensionert sind, müssen großvolumige Schalenkerne (z. B. 30 . 19 mm) mit Wicklungen mit großen Drahtquerschnitten verwenden.

Trotzdem ergeben sich immer noch unerwünscht hohe Temperaturen an der Oberfläche des Ferrits, z. B. von 50°C bei einer Umgebungstemperatur von 20°C. Mit kleineren Ferriten ergäben sich noch höhere 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 untergebracht werden, da diese Klap­ pen in der Regel unterhalb der Scheibe in der Blechkonstruktion ausreichend Platz bieten.

In Fahrzeugen mit feststehender Heckscheibe (normale Limousinen) ist die Situation grundlegend anders. Im Bereich der Heckscheibe kommen als Einbauräume für die Antennen­ netzwerke die Hohlräume 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 Antennennetzwerke untergebracht werden, deren Grundfläche aber nicht sonderlich eingeschränkt ist. Dies ist daher ein sehr geeigneter Einbauplatz für Ver­ stärker von aktiven Antennen, u. a. auch wegen der Möglichkeit, einen Verstärker bei einem De­ fekt 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 anbrin­ gen. Antennennetzwerke 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 ungeeignet, 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 können. Die Zugänglichkeit dieses Bereiches ist jedoch in der Regel sehr viel schlechter als unter den seitlichen Blenden, so daß ein Austausch des An­ tennennetzwerks zu unzulässig hohen Kosten führen würde. Aktive Komponenten können daher in diesem Bereich nicht untergebracht werden. Passive Komponenten, z. B. die bifilare Spule, können jedoch durchaus dort untergebracht werden, da die Ausfallwahrscheinlichkeit 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 DE 38 20 229 C1 oder DE 39 14 424 A1 bekannt. Die Lage des Abgriffs für die UKW-Antenne kann dabei nicht frei gewählt werden, sondern ist aus empfangstechni­ schen Gründen am Rand oberhalb des Heizfeldes vorgegeben.

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

Alle vorhin genannten Einschränkungen werden, wie schon eingangs festgestellt, bei der aus DE 34 10 415 A1 bekannten, dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Fahrzeug- Antennenanordnung vermieden. Dennoch haften auch dieser noch Nachteile an, die im folgen­ den dargelegt werden sollen: Mit der aus DE 34 10 415 bekannten Fahrzeug- Antennenanordnung werden im LMK-Frequenzbereich gute und der 1 m langen Standard- Teleskopantenne gleichwertige Empfangsleistungen bezüglich der Grenzempfindlichkeit er­ reicht, wenn die bifilar gewickelte Spule richtig dimensioniert ist. Hierzu muß die Induktivität der Spule für den Gleichtaktmode, also für eine Erregung des Heizfeldes gegenüber dem metal­ lischen Rahmen, ausreichend groß gewählt werden.

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

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 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 Win­ dungszahl und wegen der hohen Heizströme eine erhebliche Erwärmung der Spule unvermeid­ bar ist, selbst wenn bereits großvolumige Ferrite mit Abmessungen von z. B. 30 mm Durchmes­ ser und 19 mm Bauhöhe verwendet werden.

Ob die Erwärmung des Ferrits in einem tolerierbaren Rahmen bleibt oder nicht, hängt stark davon ab, wie groß konstruktionsbedingt der im jeweiligen Fahrzeug maximal fließende Strom für die Scheibenheizung ist. Eine Aufteilung des Heizfeldes in Teilheizfeldern, von denen nur eins als LMK-Antenne verwendet wird, bringt im übrigen keine Vorteile im Hinblick auf eine Reduktion der Verlustleistung in der bifilar gewickelten Spule. Durch eine derartige Maß­ nahme nimmt zwar der Heizstrom entsprechend der Flächenreduktion ab, gleichzeitig ist jedoch wegen des Zwangs, die Resonanzfrequenz beizubehalten, eine höhere Induktivität für die Spule erforderlich. Dies bedingt eine höhere Windungszahl mit der Folge, daß die Verlustleistung in der Wicklung unverändert bleibt.

Bei unzulässig hoher Erwärmung der Spule kann durch folgende Maßnahme die Win­ dungszahl und damit auch die in der Spule anfallende Verlustleistung reduziert werden. Die Maßnahme besteht darin, die für die Ausbildung der Resonanzfrequenz wirksame Kapazität zu erhöhen, indem parallel zur Spule oder parallel zum Antennenanschluß gegen Masse eine zu­ sätzliche Kapazität geschaltet wird. Dies hat jedoch ebenfalls eine Reduktion der Grenzempfind­ lichkeit im gleichen Ausmaß zur Folge, in der die Verlustleistung reduziert wird. Bei einer Re­ duktion der Verlustleistung um 6 dB wird demnach die Grenzempfindlichkeit ebenfalls um ca. 6 dB schlechter, eine Reduktion der Leistungsfähigkeit, die in vielen Fällen nicht toleriert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fahrzeug-Antennenanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, bei der also der Antennenanschluß und mit ihm der Monta­ geort der Empfangsschaltung in der Nähe des metallischen Rahmens an der durch fahrzeugspe­ zifische Aspekte vorgegebenen Position und weitgehend unabhängig von den LMK-Bereich be­ treffenden Antennengesichtspunkten gewählt werden kann, so auszubilden, daß eine deutliche Reduktion der Verlustleistung in der bifilar gewickelten Spule bei gleichzeitig unverändert hoher Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Grenzempfindlichkeit der Antennenanordnung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptan­ spruchs gelöst.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Vermeidung der Nachteile von Anten­ nenanordnungen nach dem Stand der Technik.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 4 den Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, während anhand der Fig. 5 bis 10 Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen dargestellt und erläutert wer­ den. Es zeigen:

Fig. 1: Fahrzeug-Antennenanordnung nach dem Stand der Technik mit einem Antennenan­ schlußpunkt 3 auf einer Sammelschiene,

Fig. 2: Fahrzeug-Antennenanordnung nach dem Stand der Technik mit einem Antennenan­ schlußpunkt auf einem Koppelleiter 17, der in Scheibenmitte die Heizleiter kreuzt,

Fig. 3: Fahrzeug-Antennenanordnung nach dem Stand der Technik mit einem Koppelleiter 17, der kapazitiv niederohmig an das Heizfeld angekoppelt ist,

Fig. 4: Fahrzeug-Antennenanordnung nach dem Stand der Technik mit einer Verzweigung in der Nähe des Heizungsanschlusses,

Fig. 5: Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Antennenanschluß­ punkt 3 auf einer Sammelschiene und einer Empfangsschaltung 6 mit einer breitbandigen Trans­ formationsschaltung 9,

Fig. 6: Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit einem Antennenanschluß­ punkt 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 ausgeführtem Breitbandtransformator 9 und einer zusätzli­ chen Kapazität 14 parallel zur bifilaren Spule 5,

Fig. 8: Empfangsschaltung einer Fahrzeug-Antennenanordnung nach der Erfindung mit ei­ nem Breitbandtransformator 9, der als Guanella-Übertrager ausgeführt ist,

Fig. 9: Signal-Ersatzschaltbild für den LMK-Bereich für erfindungsgemäße Fahrzeug- Antennenanordnungen.

Fig. 10: Beispiel der Ausführung erfindungsgemäßer Fahrzeug-Antennenanordnungen als komplette LMK/UKW Antenne.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung einer Fahrzeugantennen-Empfangsanordnung, die nach dem aus DE 34 10 415 Fig. 8 bekannten Prinzip aufgebaut ist. Auf der vom metalli­ schen Rahmen 2 umgebenen Fahrzeugscheibe 1 ist ein Heizfeld 12 mit den Heizleitern 18 auf gedruckt, wie es bei modernen Fahrzeugen Stand der Technik ist. Die Zuführung des Heiz­ gleichstroms erfolgt über die Spule 5, die durch zwei parallel geführte Drähte als Bifilarwick­ lung ausgeführt ist. Auf der ersten Seite der Spule sind die Drähte mit den Heizungsanschlüssen 4a und 4b des Heizfeldes verbunden, auf der zweiten Seite der Spule sind die beiden Drähte an die Pole 7 der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Heizungsanschlüsse 4a und 4b sind vor­ teilhaft am unteren Rand der Scheibe angeordnet, also in einem Bereich, in dem sich die großvo­ lumige Spule 5 in modernen Fahrzeugen unterbringen läßt, z. B. unter der Hutablage.

In Fig. 1 ist vorausgesetzt, daß aus fahrzeugspezifischen 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 Situation. Dabei ist es erforderlich, den Antennenanschluß 3 auf der Fahrzeugscheibe 1 in enger Nachbarschaft zur Empfangs­ schaltung 6 anzuordnen. Die Anschlußpunkte der Heizungsanschlüsse sind in Bereichen der Fahrzeugscheibe 1 angeordnet, die nicht in enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung 6 lie­ gen, 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 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 Antennen­ anschluß 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 hoch­ frequente Verbindung 11 ist in der Praxis meist ein Draht aus Kupferlitze. Die Verbindung des zweiten Eingangsanschlusses 6b der Empfangsschaltung 6 mit dem Massepunkt 10 kann eben­ falls über einen Draht aus Kupferlitze erfolgen. Häufig ist jedoch die Masse der Elektronik der Empfangsschaltung 6 über die Befestigungsschraube direkt mit der Karosseriemasse verbunden.

Ein gewisser Nachteil dieser Anordnung besteht in der Notwendigkeit, auf der Fahrzeug­ scheibe 1 neben den beiden Heizungsanschlüssen 4a, b einen weiteren Antennenanschluß 3 zu benötigen, der z. B. bei Standard-Heizscheiben nicht vorhanden ist. Ist einer der beiden Hei­ zungsanschlüsse 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 Antennenanordnung auch so realisiert werden, wie dies die Anschlußtechnik in Fig. 4 zeigt. In diesem Beispiel erfolgt, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zum Heizungsanschluß 4b, eine Verzweigung in einen Gleichstrompfad und in einen Antennensignalpfad. Dies erfolgt in der gezeigten Weise dadurch, daß der Gleichstrompfad über einen Draht ausreichenden Querschnitts und entsprechender Länge zwischen dem Heizfeldanschluß 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 Heizfeldanschluß 4b, über die Hochfrequenzleitung 11 zur eng benachbarten Empfangsschaltung 6.

Eine weitere Antennenanordnung zeigt Fig. 2. Der Antennenanschluß 3 ist in diesem Bei­ spiel ebenfalls im oberen Seitenbereich angeordnet. Die Verbindung zwischen dem An­ tennenanschluß 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 Kop­ pelleiter 17 parallel zum oberen Scheibenrand bis zur Mitte der Fahrzeugscheibe geführt, knickt dann nach unten ab und kreuzt rechtwinklig die Heizleiter. Dieser Koppelleiter 17 ist im LMK- Bereich niederohmig an das Heizfeld angekoppelt.

Eine weitere derartige Antennenanordnung 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 Ankopplung ergibt. Man wird dabei bestrebt sein, den Abstand zwischen dem obersten Leiter des Heizfeldes 12 und dem zusätzlichen Leiter 17 mög­ lichst gering zu machen, wobei aus technologischen Gründen bei Siebdrucktechniken ein Ab­ stand von ca. 0,5 mm nur schwer zu unterschreiten ist. Ein Abstand von bis zu etwa 4 mm führt jedenfalls in der Praxis zu einer ausreichend hohen Verkopplung.

Mit den bisher dargestellten Fahrzeug-Antennenanordnungen werden im LMK- Frequenzbereich gute und der 1 m langen Standard-Teleskopantenne gleichwertige Empfangs­ leistungen bezüglich der Grenzempfindlichkeit erreicht, wenn die bifilar gewickelte Spule 5 richtig dimensioniert ist. Hierzu muß die Induktivität 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 anderen darf die Spule 5 auch nicht stark verlustbehaftet sein, da andernfalls diese Verluste Rauschbeiträge liefern wür­ den, die die Grenzempfindlichkeit unzulässig reduzieren würden. Damit kommt auch der Aus­ wahl eines geeigneten Ferritmaterial 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 Hochfre­ quenzleitung 11 sowie durch parasitär parallelliegende Kapazitäten, z. B. auf Grund der Wick­ lungskapazität 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 Win­ dungszahl und wegen der hohen Heizströme eine erhebliche Erwärmung der Spule 5 unvermeid­ bar ist, selbst wenn bereits großvolumige Ferrite mit Abmessungen von z. B. 30 mm Durchmes­ ser und 19 mm Bauhöhe verwendet werden.

Ob die Erwärmung des Ferrits in einem tolerierbaren Rahmen bleibt oder nicht, hängt stark davon ab, wie groß konstruktionsbedingt der im jeweiligen Fahrzeug maximal fließende Strom für die Scheibenheizung ist. Eine Aufteilung des Heizfeldes in Teilheizfelder, von denen nur eins als LMK-Antenne verwendet wird, bringt im übrigen keine Vorteile im Hinblick auf eine Reduktion der Verlustleistung in der bifilar gewickelten Spule 5. Durch eine derartige Maßnahme nimmt zwar der Heizstrom entsprechend der Flächenreduktion ab, gleichzeitig ist je­ doch wegen des Zwangs, die Resonanzfrequenz beizubehalten, eine höhere Induktivität für die Spule 5 erforderlich. Dies bedingt eine höhere Windungszahl mit der Folge, daß die Verlustlei­ stung in der Wicklung unverändert bleibt.

Bei unzulässig hoher Erwärmung der Spule 5 kann durch folgende Maßnahme die Win­ dungszahl und damit auch die in der Spule anfallende 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 parallel zum Antennenanschluß 3 gegen Masse (Fig. 4) eine zusätzliche Kapazität 14 geschaltet wird. Dies hat jedoch ebenfalls eine Reduktion 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 ebenfalls um ca. 6 dB schlechter, eine Reduktion der Leistungsfähigkeit, die in vielen Fällen nicht toleriert werden kann.

In derartigen Fällen ist erfindungsgemäß eine deutliche Reduktion der Verlustleistung in der Spule 5 bei gleichzeitig unverändert hoher Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Gren­ zempfindlichkeit der Antennenanordnung möglich.

Hierzu wird in der Empfangsschaltung 6 ein Transformator 9, wie dies Fig. 5 zeigt, dem 1. aktiven Element mit kapazitiv hochohmigem Eingangswiderstand vorgeschaltet. Die beiden Anschlüsse der Primärseite 9a des Transformators 9 werden zum einen über eine Hochfre­ quenzleitung 11 mit dem Antennenanschluß 3 und zum anderen mit dem Massepunkt 10 ver­ bunden. 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 Primär- und Sekundärseite ausgeführt, da das von der Fahrzeugantennen-Emp­ fangsanordnung 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 Frequenzbereich der Kurzwelle 5,95 MHz bis 6,2 MHz, so kann auch ein Transformator 9 ohne feste Kopplung ein­ gesetzt werden.

Mittels dieses Transformators 9 kann auf einfache Weise durch die Wahl des Überset­ zungsverhältnisses ü das Impedanzniveau auf der Sekundärseite 9b des Transformators in weiten Grenzen frei wählbar eingestellt werden. Das transformatorische Prinzip kann zudem sehr breit­ bandig ausgeführt werden, so daß die Wirkungsweise der Antenne auch für breite Frequenzbän­ der, wie z. B. für den gesamten 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. Aktive Elemente mit kapazitiv hochohmigem Eingangswiderstand, wie sie für das 1. aktive Element 8 in der Empfangsschaltung 6 verwendet werden, sind bei der heutigen Tech­ nologie Feldeffekttransistoren, 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 einstellen.

Lehren bezüglich des optimalen Übersetzungsverhältnisses ü für einen Transformator, der primärseitig aus einer Quelle mit kapazitivem Innenwiderstand angesteuert wird und der sekun­ därseitig auf eine kapazitive Last arbeitet, finden sich in EP 0 166 387 B1. Die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators ist gemäß 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-Empfangsanordnungen 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 parasitäre Kapazitäten, die elektrisch parallel zu C_p wirken, etwas höhere Werte als es dem 1. aktiven Element allein entspräche. Typi­ sche 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 erfin­ dungsgemäßen Antennen-Empfangsanordnungen Werte deutlich größer als 1 und für die Praxis relevante Verbesserungen bezüglich des Signal-Rauschabstands, wenn die Lehren dieser Anmel­ dung 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. Transformatoren mit einem Übersetzungsverhältnis nahe 1 sind daher wenig sinnvoll. Eine unte­ re Grenze für das Übersetzungsverhältnis des Transformators 9 kann bei etwa 2 angesetzt wer­ den, da sich damit eine auch subjektiv bemerkbare Verbesserung des Signal-Rauschabstands ergibt, die den erhöhten technischen Aufwand gerechtfertigt erscheinen läßt.

Für die Ausführung des Transformators 9 sind unterschiedliche technische Lösungen an­ wendbar. Soll der gesamte Frequenzbereich des LMK-Rundfunks abgedeckt werden, ist ein Breitband-Transformator erforderlich mit einer ausreichend festen Kopplung, die in der Praxis dadurch erreicht wird, daß die Wicklungen auf einem gemeinsamen 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 Permeabilität hoch ist. Dies ist bei Ferriten, die für den LMK-Frequenzbereich geeignet sind, gegeben. Getrennte Primär- und Sekundärwicklungen (Fig. 6) sind genauso einsetzbar wie Spartransformatoren (Fig. 7), bei denen die Primärwicklung gleichzeitig eine Teilwicklung der Sekundärwicklung bildet. Bei beiden Bauformen kann das Übersetzungsverhältnis ü in den für erfindungsgemäße Antennen-Empfangsanordnungen erfor­ derlichen Grenzen mit Werten von ü zwischen etwa 2 und 10 exakt eingestellt werden.

Ebenfalls geeignet ist auch das bekannte Prinzip des Leitungsübertragers (Guanella- Übertrager) (Fig. 8), das den Vorteil aufweist, noch breitbandiger realisierbar zu sein als die Transformatoren nach Fig. 6 oder Fig. 7. Das Übersetzungsverhältnis bei Leitungsübertragern ist prinzipbedingt nur ganzzahlig realisierbar. Im Falle der Anordnung nach Fig. 8 ist ü = 2; durch geeignete Verschaltung von mindestens zwei Leitungsübertragern sind jedoch bekanntlich auch andere, aber immer nur ganzzahlige Übersetzungsverhältnisse 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 erreicht werden, wenn ü ungefähr dem optimalen Wert ent­ spricht.

Der grundsätzliche Verlauf der bei erfindungsgemäßen Antennen-Empfangsanordnungen das 1. aktive Element ansteuernden Signalspannung 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 Innenwi­ derstand und eine Last mit kapazitivem Charakter vorliegt (Fig. 9 der vorliegenden Anmeldung und Fig. 6 in EP 0 166 387 B1). Im Unterschied zu EP 0 166 387 B1 ergibt sich im Falle der hier diskutierten erfindungsgemäßen Fahrzeug-Antennenanordnungen nach Fig. 9 für die primärseitig am Transformator wirksame Induktivität die Parallelschaltung der Induktivitäten der Spule 5 und der Primärwicklung 9a des Transformators 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 überdeckenden 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 bestim­ men, nämlich die Kapazität C_a des Heizfelds gegenüber dem metallischen Rahmen und der Um­ gebung, und die auf der Primärseite des Transformators 9 wirksame Kapazität, die auf C_p zu­ rückgeht 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 Wicklun­ gen vom Heizgleichstrom durchflossen werden, wodurch sich unvermeidbar auf Grund des ohm­ schen 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 vorteilhaft, die Primärinduktivität des Transformators 9 ausreichend groß zu machen, so daß im technischen Sinn bezüglich der Induktivitäten 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-Teleskopantenne deutlich über­ legen 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 unterlegen sind, ergeben sich mit erfindungsgemäßen Antennen-Empfangsanordnungen nochmals wesentliche bessere Eigenschaften.

In einer besonders vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird daher der in der Praxis nicht erforderliche vorhandene Empfindlichkeitsüberschuß erfindungsgemäßer Antennen- Empfangsanordnungen 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 Verlustleitung in der Spule 5 zu erreichen, ist der Wert der Kapazität 14 etwa so groß wie die gesamten parallel zur Spule 5 wirksamen Kapazitäten bei Abwesenheit von der Kapazität 14, oder noch größer. Die Werte für die Kapazität 14 betragen daher in der Praxis 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 gleichwertig. Durch die Anschaltung der Kapazität 14 in Kombination mit einem 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 erfin­ dungsgemäße Fahrzeug-Antennenanordnung.

Bezüglich der Antenneneigenschaften z. B. im UKW-Bereich sind diese Varianten der An­ schaltung der Kapazität 14 jedoch unterschiedlich. Wird die Kapazität 14 z. B. parallel zum An­ tennenanschluß 3 gegen Masse angeschaltet, so ergibt sich dadurch eine breitbandige Belastung des Antennenanschlußes ebenfalls für den UKW-Bereich. Je nach erforderlicher Transformati­ onsschaltung 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 mög­ lichst kleinen UKW/LMK-Konversion sowie wegen der getrennten Optimierbarkeit getrennte Signalwege für beide Frequenzbereiche. Die Auftrennung erfolgt dabei am Eingang der Schal­ tung, wie dies Fig. 10 zeigt. In diesen Fällen ist die Anordnung der Kapazität 14 auf der Sekun­ därseite des Transformators 9 (Fig. 10) vorteilhaft, weil die im UKW-Bereich hochohmige Streuinduktivität 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 verwendeten 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 Trans­ formator 9 vernachlässigbar.

Der UKW-Zweig ist im Beispiel der Fig. 10 über einen Serienresonanzkreis aus den Ele­ menten 23 und 24 eingangsseitig an den Antennenanschluß 3 angeschlossen, der für die tiefen Frequenzen des LMK-Zweigs bei geeigneter Dimensionierung nur eine vernachlässigbare Be­ lastung darstellt.

Claims (15)

1. Fahrzeug-Antennenanordnung mit einer Empfangsschaltung für den Empfang im gesamten Lang-, Mittel- und Kurzwellen- (LMK-)Bereich oder in einem Teilband desselben (Nutz­ frequenzband) unter Verwendung eines in einer von einem metallischen Rahmen umgebenen Fahrzeugscheibe angebrachten Heizfeldes als Antennenleiter, das eine Anzahl von meist hori­ zontalen, 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 Empfangs­ schaltung ein erstes aktives Element mit kapazitiv hochohmigen Eingangswiderstand aufweist und zwei Eingangsanschlüsse besitzt, deren einer über eine hochfrequente Verbindung mit
einem in der Fahrzeugscheibe in enger Nachbarschaft zur Empfangsschaltung angeordneten, in der Nähe des metallischen Rahmens befindlichen Antennenanschluß und deren anderer mit
einem Massepunkt auf dem metallischen Rahmen verbunden ist, und der Antennenanschluß im LMK-Bereich niederohmig an das Heizfeld angekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den beiden Anschlüssen (20, 21) der Empfangsschaltung (6) und dem aktiven Ele­ ment (8) in der Empfangsschaltung eine breitbandige Transformationsschaltung (9) eingefügt ist, so daß ein Schwingkreis gebildet ist, der aus der für den Gleichtaktmode wirksamen In­ duktivität der bifilar gewickelten Spule (5) zusammen mit der Eigeninduktivität der Trans­ formationsschaltung (9) sowie der auf der Primärseite (9a) der Transformationsschaltung (9) wirksamen Kapazität unter Einbeziehung der Ersatzkapazität (13) des aktiven Elements (8) besteht.

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) galvanisch angekoppelt ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung (6) am seitlichen Scheibenrand oben untergebracht ist und daß der Antennenanschluß (3) auf der Höhe der Empfangsschaltung (6) auf der Scheibe angebracht ist und durch einen Koppelleiter(17) kapazitiv an das Heizfeld angekoppelt ist.

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.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsübersetzungsverhältnis ü der Transformationsschaltung (9) größer oder minde­ stens gleich zwei ist.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsübersetzungsverhältnis ü der Transformationsschaltung (9) so bemessen ist, daß im Nutzfrequenzband ein ausreichend hohes Signal-Rauschverhältnis erreicht ist.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des im Anspruch 1 bezeichneten Schwingkreises bei etwa dem √2- fachen der tiefsten Frequenz des Nutzfrequenzbandes liegt.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 7, 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 (96) der Transformationsschaltung (9) erhöht ist und die Schwingkreisin­ duktivität zur Erzielung der gleichen Resonanzfrequenz entsprechend verringert ist (Fig. 6 und Fig. 7).

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 7 und 8, 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 Induk­ tivität praktisch nur durch die genannte Induktivität der bifilar gewickelten Spule (5) bestimmt ist.

10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsschaltung (9) aus zwei galvanisch getrennten Wicklungen (Primärwick­ lung 9c und Sekundärwicklung 9d) auf einem Ferrit (15) aufgebaut ist.

11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsschaltung (9) als Spartransformator auf einem Ferrit (15) aufgebaut ist (Fig. 7).

12. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsschaltung (9) als Leitungsübertrager (Guanella-Übertrager) aufgebaut ist (Fig. 8).

13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auch ein UKW-Signalzweig vorhanden ist und der Antennenanschluß (3) ebenfalls für die Auskopplung der UKW-Signale dient.

14. Antennenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein getrennter UKW-Signalweg vorhanden ist.

15. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auch ein UKW-Signalzweig vorhanden ist und die UKW-Signale an einem weiteren Anten­ nenanschluß abgegriffen werden.