DE4220131A1 - Aktive Empfangsantenne in Form einer Leiterschleife - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Eine solche Empfangsantenne ist bekannt aus dem DBP 23 11 861. Mit der genannten Anordnung ist es zwar mög­ lich, das magnetische Feld einer einfallenden elektro­ magnetischen Welle zu empfangen, diese Antenne empfängt aber auch Störstrahlung aus praktisch allen Raumrich­ tungen mit Ausnahme der Richtung der Schleifenachse senkrecht zur Schleifenebene. Diese Eigenschaft beein­ trächtigt die Einsetzbarkeit der Antenne in vielen Fällen. So kann z. B. die zu empfangende Originalwelle an einem Hindernis reflektiert werden und sich diese Reflexion der Originalwelle so überlagern, daß Interfe­ renz auftritt und sich dadurch, aufgrund der stark ortsabhängigen Amplitude des magnetischen (und elek­ trischen) Überlagerungsfeldes eine starke Ortsabhängig­ keit der Ausgangsspannung der gegebenen Antenne ergibt. Dieser Fall ist z. B. bei der Übertragung eines Signales in Form einer TEM-Welle, die von einem geschlitzten Koaxialkabel geführt und abgestrahlt und von einer Schleifenantenne, die sich längs des Kabels in konstan­ tem Abstand von diesem bewegt, empfangen wird, gegeben. Durch Reflexion der TEM-Welle am Kabelende und an anderen Inhomogenitäten im Feld entsteht längs des Kabels ein Anteil an örtlich stehenden Wellen. Da eine Antenne nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 nur die magnetische Gesamtfeldstärke empfängt, ist ihre Aus­ gangsspannung und damit ihr Übertragungsfaktor bezogen auf die ungestörte Original-TEM-Welle stark ortsabhän­ gig. Bei einem Breitbandsignal, wie es sich z. B. bei der Übertragung von Fernsehsignalen ergibt, treten aufgrund der wellenlängenabhängigen Interferenz die Feldstärkeminima frequenzabhängig an verschiedenen Orten auf, so daß auch bei einer örtlich stationären Antenne frequenzselektiv Einbrüche im Ausgangssignal und damit im Übertragungsfaktor auftreten. Dies führt zu starken Verzerrungen des Antennenausgangssignals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß sie für aus gegebenen Raumrichtungen einfallende störende Wellen weitgehendst unempfindlich wird, d. h. daß ihre Empfangscharakteristik in der vorgegebenen Raumrichtung entweder eine Nullstelle oder ein deutliches Minimum aufweist. Hierdurch können die vorstehend beschriebenen Verzerrungen des Ausgangssignals vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine aktive Empfangsantenne der eingangs erwähnten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ malen gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die aus bestimmten Raumrichtungen einfallen­ den Störwellen unterdrückt und so ein orts- und von der Frequenz weitgehend unabhängiger Übertragungsfaktor der Antenne erzielt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren in mehreren Ausführungsformen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine erfindungsgemäße Antenne mit zwei Unter­ brechungsstellen mit den Anschlußstellen 1, 2 und 3, 4, sowie einem Antennenverstärker 5, einem Kabel 6 zur Fortleitung des Ausgangssignals und einem Zweipol mit der Eingangsimpedanz Z. Ferner ist eine einfallende elektromagnetische Welle mit der elektrischen Feldstärkenamplitude E und der magnetischen Feldstärkenamplitude H, die mit der Ebene der Leiterschleife einen Winkel α bildet, dargestellt. ist der Poyntingsche Vektor, der die Ausbreitungsrichtung der Welle und ihre Leistungsdichte beschreibt.

Fig. 2: Eine erfindungsgemäße Antenne, die einseitig an einem leitenden Träger 7 befestigt ist. Der an den Klemmen 3, 4 liegende Antennenverstärker ist zur Vereinfachung der Darstellung des Funktions­ prinzips nicht gezeichnet, U ₄₃ ist die komplexe Amplitude der Eingangsspannung des Antennenver­ stärkers zwischen den Klemmen 4 und 3.

Für passive Schleifenantennen ist bekannt, daß man sie an einer Stelle auf einem leitenden Träger montiert und sie symmetrisch zu dieser Montagestelle aufbaut. Man erreicht dadurch, daß die Antenne nicht als elektri­ scher Dipol bzw. Monopol wirkt, d. h. als Empfangsanten­ ne keine elektrischen Felder empfängt. Minima des Empfangs ergeben sich bei einer solchen Antenne deshalb nur dann, wenn keine magnetische Feldstärkekomponente der einfallenden Welle durch die Schleifenfläche tritt, d. h. keine Induktion in der Schleife stattfindet. Dies ist nur dann der Fall, wenn die Einfallsrichtung der Welle senkrecht auf der Schleifenebene steht. Legt man unter bewußter Verletzung des geschilderten symmetri­ schen Aufbaus die Anschlußklemmen des Antennenverstär­ kers an eine Unterbrechungsstelle 3, 4 (Fig. 1) außer­ halb der Symmetrieebene und vergrößert die Unsymmetrie der Leiterschleife durch Einbau eines Zweipols mit der komplexen Impedanz Z an einer zweiten, ebenfalls außer­ halb der Symmetrieebene gelegenen Unterbrechungsstelle 1, 2, so setzt sich die Eingangsspannung des Antennen­ verstärkers an den Klemmen 3, 4 aus der Summe einer aus der elektrischen Feldstärkenkomponente E stammenden, influenzierten und einer aus der magnetischen Feldstär­ kenkomponente H herrührenden, induzierten Spannung zusammen. Durch geeignete Wahl der Lage der Unterbre­ chungsstellen 1, 2 und 3, 4, der Antennengeometrie, sowie des Betrages und des Phasenwinkels der Zweipolimpedanz Z gelingt es, den magnetischen und den elektrischen Spannungsanteil der Spannung an den Klemmen 3, 4 für einen gegebenen Einfallswinkel α₀ der Welle gleich groß aber gegenphasig zu machen, so daß die Gesamtein­ gangsspannung U ₄₃ des Antennenverstärkers zu Null oder, bei nur annähernder Erfüllung der genannten Be­ dingung, wenigstens minimal wird.

Dabei ist es im allgemeinen Fall nicht notwendig, daß die einfallende Welle eben und homogen ist; d. h. sie muß weder konstante elektrische noch magnetische Feld­ stärke aufweisen und das Verhältnis aus den komplexen Amplituden E und H der beiden Feldstärkekomponenten muß nicht notwendigerweise der Beziehung

E/H = Z_F0 = 377 Ohm, (1)

wie dies bei ebenen Wellen im freien Raum der Fall ist, genügen. Z_F0 stellt hierin den Feldwellenwiderstand des freien Raumes dar.

Das Grundprinzip der Erfindung soll nun anhand von Fig. 2 in stark vereinfachter Form erläutert werden. Die Antenne in Form einer rechteckigen Leiterschleife ist einseitig mit dem Masseleiter 7 verbunden. Das einfal­ lende Wellenfeld ist wie in Fig. 1 bezüglich seiner elektrischen Feldstärkekomponente senkrecht polari­ siert. Zur Vereinfachung der Darstellung wird zunächst angenommen, daß elektrische und magnetische Feldstärke im Bereich der Leiterschleife konstante Amplitude auf­ weisen und einfrequente harmonische Schwingungen mit den komplexen Amplituden E und H darstellen. Die ortho­ gonal durch die Schleifenebene tretende komplexe magne­ tische Feldstärkenamplitude sei H _n. Es gilt dann:

H _n = H sin α, (2)

worin α entsprechend Fig. 1 den Winkel der Richtung der magnetischen Feldstärkenkomponente mit der Ebene der Leiterschleife darstellt.

Aufgrund der Induktionswirkung ergibt sich zwischen den Klemmen 4 und 3 die komplexe Spannungsamplitude:

U _ind = jωμ₀H _nhl = jωμ₀H · sinα · hl. (3)

Hierin ist μ₀ die Permeabilitätskonstante des freien Raumes, ω die Kreisfrequenz, l die Schleifenlänge und h die Schleifenhöhe nach Fig. 2. j ist die imaginäre Einheit.

Die Wirkung des elektrischen Feldes kann vereinfacht so erfaßt werden, daß die auf der Leiterschleife fließen­ den Leiterströme als Fortsetzung des Verschiebungsstro­ mes im freien Raum gedeutet werden. Bei einem zeitab­ hängigen elektrischen Feld, das eine harmonische Schwingung mit der Amplitude E darstellt, ergibt sich die komplexe Amplitude der Verschiebungsstromdichte zu

J = jωε₀ E, (4)

worin ε₀ die dielektrische Konstante des freien Raumes darstellt.

Der insgesamt auf die untere Fläche der Leiterschleife auftreffende Verschiebungsstrom teilt sich in zwei Leiterströme I ₃ und I ₄ auf, die auf den links bzw. rechts von der Unterbrechungsstelle 3, 4 gelegenen Leiterabschnitten zum Masseleiter 7 abfließen. Es gilt:

I ₃ = jωε₀ E · A (5)

und

I₄ = jωε₀ E · B, (6)

worin A und B Faktoren mit der Dimension einer Fläche darstellen. Das Verhältnis A/B hängt wesentlich von der Lage der Unterbrechungsstelle 3,4 ab und in gerin­ gerem Maße von der Zweipolimpedanz Z an den Klemmen 1, 2. Der absolute Wert von A und B wird durch die Ab­ messungen der Leiterschleife bestimmt, wobei A haupt­ sächlich von l₃ und b₃ und B hauptsächlich von l₄ und b₄ abhängt.

Die Leiterströme I ₃ und I ₄ erzeugen, bezogen auf den Masseleiter 7, die komplexen Spannungsamplituden

U₃ = I₃ · Z₃ (7)

und

U₄ = I₄ · Z₄, (8)

worin Z ₃ und Z ₄ die komplexen Impedanzen der jeweili­ gen Schleifenabschnitte darstellen. Dabei enthält Z ₃ additiv zur eigentlichen Schleifenimpedanz des linken Schleifenteils die angeschaltete Zweipolimpedanz Z. Die genannten Schleifenimpedanzen setzen sich aus verteil­ ten Induktivitäten und Kapazitäten wie bei einer in­ homogenen Leitung zusammen; hinzu kommen in der Regel kleine Wirkanteile, die die Strahlungswiderstände der Anordnung beschreiben.

Die gesamte zwischen den Klemmen 4 und 3 am Eingang des Antennenverstärkers zur Wirkung kommende komplexe Spannungsamplitude ergibt sich aus

Durch geeignete Wahl von Z, sowie von A und B (d. h. der Antennengeometrie) kann der Ausdruck in Gl. (9) für einen bestimmten Winkel α₀ zu Null gemacht werden; d. h. eine unter diesem Winkel auf die Antenne treffende Welle erzeugt die Spannung U ₄₃ = 0 und damit eine verschwindende Antennenausgangsspannung. Dies kann auch dann erreicht werden, wenn der elektrische Feldstär­ kevektor nicht wie in Fig. 1 und 2 senkrecht polari­ siert ist, es müssen dann allerdings andere Werte für Z und die Faktoren A und B eingestellt werden. Gleiches gilt für den Fall inhomogener Felder; auch hier kann durch geeignete Wahl von Z, A und B eine willkürliche Nullstelle in der Antennen-Empfangscharakteristik erreicht werden. Dies ist z. B. im Nahfeld einer strah­ lenden, geschlitzten Koaxialleitung von Bedeutung.

Für Abmessungen der Leiterschleife, die klein gegenüber der Wellenlänge sind, gilt näherungsweise

A, B: reell, (10)

Z₃ = Z und Z₄ = 0. (11)

Es folgt dann aus Gl. (9), daß Z ein reeller Widerstand sein muß dessen Größe etwa zwischen

0,1 Z_F0 und 10 Z_F0

liegt.

Aufgrund der Vielzahl der veränderbaren Parameter läßt sich auch erreichen, daß neben der Nullstelle in der Empfangscharakteristik beim Winkel α für einen anderen Winkel α = α_m näherungsweise ein Maximum der Empfangscharakteristik entsteht. Eine vorteilhafte Wahl stellt z. B. α = 90° und α_m = -90° dar, wofür eine maximale Richtkopplungswirkung der Antenne entsteht. Die Antenne nimmt dann aus einer stehenden Welle nur die in einer Richtung wandernde Welle auf, die dazu gegenläufige wird jedoch unterdrückt. Hierdurch wird ein nahezu orts- und frequenzunabhängiger Übertragungsfaktor erreicht.

Realisierungen der erfindungsgemäßen Antenne sind nicht auf die in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Es können z. B. statt des in Fig. 1 und 2 dargestellten Zweipols mehrere Zweipole an verschiedene Unterbrechungsstellen gelegt werden; außerdem kann auch der Antennenverstärker durch mehrere Einzelver­ stärker, die an verschiedene Unterbrechungsstellen angeschlossen werden und deren Ausgangssignale geeignet kombiniert werden, ersetzt werden. Durch die genannten Maßnahmen lassen sich zusätzliche Freiheitsgrade bei der Dimensionierung erreichen, insbesondere dann, wenn die Abmessungen der Leiterschleife nicht mehr als klein gegenüber der Wellenlänge zu betrachten sind und breit­ bandige Anwendungen geplant sind.

Die Form der Leiterschleife ist nicht notwendiger­ weise rechteckig, es eignen sich vielmehr alle ge­ bräuchlichen Geometrien, wie z. B. kreisförmig, oval oder vielecksförmig. Breite und Länge jedes Schleifen­ teils können beliebig variiert werden, um geeignete Faktoren A und B nach Gl. (5) und (6) zu erzielen.

Der Zweipol mit der Impedanz Z in Fig. 1 und Fig. 2 läßt sich auch mit elektronischen Bauteilen, wie z. B. PIN-Dioden, Kapazitätsdioden, Feldeffekttransistoren und ähnlichen Bauelementen bzw. Kombinationen davon realisieren, deren Impedanz durch angelegte Spannungen oder Ströme steuerbar sind. Hierdurch kann der Winkel α für den ein Minimum der Antennen-Empfangscharakte­ ristik auftritt, in gewissen Grenzen ferneingestellt werden. Durch Kombination mit bekannten Regelungsschal­ tungen kann auch erreicht werden, daß sich die Antenne selbsttätig auf einem bestimmten Winkel α₀ einstellt. Dies ist z. B. dort von Bedeutung wo Felder auftreten, deren Inhomogenität nicht von vorneherein bekannt ist und die Impedanz Z deshalb nicht auf einen festen Wert eingestellt werden kann.

Das für ein Nutzsignal am Ausgang des Antennenverstär­ kers auftretende Signal-Rausch-Verhältnis hängt unter anderem vom Rauschen der Zweipolimpedanz Z und vom Eigenrauschen des Verstärkers ab. Nach Enders N. und Landstorfer, F. "Uncooled resistive two-pole networks with noise temperatures below 290 K" in Nachrichten­ techn. Z. 28 (1975), S. 107 bis 110, kann das Rauschen eines Zweipols durch Verwendung von aktiven Halbleiter­ bauelementen kleiner als das thermische Rauschen eines passiven Vierpols gleicher Impedanz gemacht werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Zweipol an den Klemmen 1, 2 in Fig. 1 und 2 durch eine entsprechen­ de Halbleiterschaltung ersetzt, wodurch sich außerdem nach dem Vorstehenden auch die Möglichkeit einer Steue­ rung und einer Regelung ergibt.

Das Eigenrauschen des Antennenverstärkers hängt wesent­ lich von der an seinen Eingangsklemmen 3,4 auftretenden Impedanz ab (vgl. F. Landstorfer, H. Graf: "Rauschprob­ leme der Nachrichtentechnik", Oldenbourg Verlag, München, 1981, Abschn. 5.5). Diese wiederum wird in hohem Maße von der Impedanz Z des an den Klemmen 1, 2 liegenden Zweipols bestimmt. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden alle Parameter der Antenne so gewählt, daß die an die Klemmen 3, 4 transfor­ mierte Impedanz in der Nähe der optimalen Rauschimpe­ danz für diesen Verstärker liegt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Zweipol Z durch einen verstärkenden Vierpol ersetzt, dessen Eingang an den Klemmen 1, 2 liegt und die Impedanz Z aufweist und gemäß den vorstehenden Regeln dimensioniert ist und dessen Ausgang so mit dem Ausgang des an den Klemmen 3, 4 liegenden Antennenverstärkers verschaltet ist, daß sich die Ausgangssignale phasenrichtig addieren. Da sich die Rauschsignale wegen fehlender Korrelation nur quadratisch addieren, läßt sich hiermit ein Optimum des Signal-Rausch-Verhältnisses erreichen.

Claims (7)

1. Aktive Empfangsantenne in Form einer Leiterschleife, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife mindestens zwei Unterbrechungs­ stellen aufweist und an mindestens einer Unterbrechungs­ stelle ein Antennenverstärker angeschlossen ist und an mindestens einer weiteren Unterbrechungsstelle eine komp­ lexe Impedanz Z angeschaltet ist und durch die Wahl der Lage der Unterbrechungsstellen und durch die Wahl der Größe und des Phasenwinkels der Impedanz Z die räumliche Emp­ fangscharakteristik der Antenne so beeinflußt wird, daß sie in einer vorbestimmten Raumrichtung ein deutliches Minimum aufweist.

2. Antenne nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl der Lage der Unterbrechungsstellen und durch die Wahl der Größe und des Phasenwinkels der Impedanz Z die räumliche Empfangscharakteristik der Antenne so be­ einflußt wird, daß sie in einer vorbestimmten Raumrichtung ein Minimum und in einer zweiten vorbestimmten Raumrichtung ein annäherndes Maximum aufweist.

3. Antenne nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumrichtung für die ein Minimum der Empfangs­ charakteristik auftritt und die Raumrichtung für die an­ nähernd ein Maximum der Empfangscharakteristik auftritt, einander entgegengesetzt gerichtet sind und in der Ebene der Leiterschleife liegen.

4. Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur zwei Unterbrechungsstellen besitzt und an einer Unterbrechungsstelle ein Antennenverstärker ange­ schlossen ist und an der anderen Unterbrechungsstelle eine nahezu reelle Impedanz angeschaltet ist, deren Wert im Bereich zwischen 37 Ohm und 3700 Ohm liegt.

5. Antenne nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur zwei Unterbrechungsstellen besitzt und die Impedanz Z durch die Eingangsimpedanz eines zweiten Anten­ nenverstärkers gebildet wird und beide Antennenverstärker an ihren Ausgängen so miteinander verschaltet sind, daß die Antennenausgangsspannung für Wellen, die annähernd aus der Raumrichtung für die die Empfangscharakteristik ein Maximum besitzt, einfallen, ein Maximum des Signal-Störverhältnis­ ses aufweist.

6. Antenne nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz Z durch ein elektrisch steuerbares elek­ tronisches Bauelement realisiert wird, so daß sich die räumliche Richtung des Minimums der Empfangscharakteristik mit Hilfe eines elektrichen Stromes oder einer elektrischen Spannung einstellen läßt.

7. Antenne nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung einer Regelungsschaltung, die räumliche Richtung des Mimimums der Empfangscharakteristik selbsttä­ tig auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.