DE4236087C2

DE4236087C2 - Abstimmbares Antennensystem

Info

Publication number: DE4236087C2
Application number: DE4236087A
Authority: DE
Inventors: Robert Preston Parker
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: DE4236087A1; US5349700A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserung an Antennen.

Antennen haben typischerweise Abmessungen, die mit einem Viel fachen eines Viertels der Wellenlänge der abgestrahlten Ener gie vergleichbar sind. Häufig ist es unpraktisch, solche Ab messungen mit körperlichen Strukturen herzustellen, z. B. wenn die Wellenlänge relativ groß ist, wie etwa im AM-Funkband. Ei ne typische Methode zum Erreichen dieser Dimensionen ist das Hinzufügen elektrischer Länge durch induktive Belastung einer Antenne relativ großer mechanischer Länge.

Aus den US-PSen 3 473 128 und 4 843 636 ist es bekannt, Anten nen wegen des höheren Antennengewinns schmalbandiger als das Empfangsband auszubilden und auf die jeweils gewünschte Emp fangsfrequenz abzustimmen. Dazu dient eine mit der Antenne ge koppelte steuerbare Reaktanz, die mit der Antenne einen ab stimmbaren Schwingkreis bildet und der eine der gewünschten Empfangsfrequenz entsprechende Steuerspannung zugeführt wird. Diese Steuerspannung setzt sich aus einer Grobabstimmspannung und einer mit Hilfe einer Regelschleife gewonnenen Feinab stimmspannung zusammen.

In der Zeitschrift NTZ, 1970, Heft 9, Seiten 460/461 be schreibt Friedrich Landstorfer eine "Automatische Resonanzein stellung bei Sende- und Empfangsantennen", bei welcher der Ab stimmspannung für das mit der Antenne gekoppelte Reaktanz-Ele ment eine Wobbelkomponente überlagert ist, die an der Reso nanzkurve des Antennensystems je nach Abstimmzustand eine Spannungskomponente der Wobbelfrequenz entstehen läßt, deren Amplitude und Phasenlage von Richtung und Größe der Abweichung der Antennenresonanzfrequenz von der gewünschten Empfangsfre quenz abhängig ist, so daß mit einer Regelschaltung die Ab stimmspannung für das Antennensystem auf exakte Scharfabstim mung geregelt werden kann. Die Überlagerung des Antennenab stimmsignals mit einem Wobbelsignal ist ferner aus der US-PS 4 851 830 bekannt, um über die Antennenresonanzkurve ein Nach stimmsignal zur Scharfabstimmung der Antennen auf den ge wünschten Sender zu erhalten.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß eine große Am plitude der Zitterkomponente zwar den Fangbereich der Antenne vergrößert, so daß ihre Grobabstimmung relativ ungenau sein kann, andererseits aber infolge der periodischen Verschiebung der Resonanzkurve im Empfangssignal leicht Störungen auftreten können. Andererseits vermeidet eine kleine Zitteramplitude solche Störungen, erfordert jedoch eine genauere Grobabstim mung der Antenne.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorteile einer großen Zitteramplitude für die Abstimmung des Antennensystems auf eine gewünschte Empfangsfrequenz auszunutzen, ohne Störun gen im empfangenen Signal in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkma le gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist auf ein Antennensystem gerichtet, das für den Betrieb über einen vorbestimmten Frequenzbereich ausgelegt ist und eine Antenne enthält, deren Länge und Breite jeweils wesentlich kleiner ist als eine Viertelwellenlänge innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereiches. Mit der Antenne ist ein steuerbares reaktives Element gekoppelt, das eine variable Reaktanz hat, um die Antenne in einem Resonanzkreis auf die Frequenz eines gewünschten Signals im Frequenzbereich abzu stimmen. Eine Antennen-Abstimmschaltung, die auf die Frequenz anspricht, auf welche die Antenne abgestimmt wird, liefert ein Antennenabstimmsignal an das steuerbare Reaktanz-Element, um dessen Reaktanz so zu regeln, daß die Antenne auf die Frequenz des gewünschten Signals abgestimmt bleibt. Das Antennenab stimmsignal enthält eine Frequenzannäherungskomponente, um die Antenne grob auf die Frequenz des gewünschten Signals abzu stimmen, eine Fehlerkomponente zur Feinabstimmung der Antenne auf die Frequenz des gewünschten Signals und eine Zitterkompo nente, um die Abstimmung der Antenne um die Frequenz des ge wünschten Signals herum zu ändern.

Die Antennen-Abstimmschaltung kann einen Detektor zur Erzeu gung eines Pegelsignals enthalten, das repräsentativ für ein durch die Antenne umgesetztes Signal ist, einen Generator zur Erzeugung eines niedrigfrequenten Zittersignals, eine Nach lauffehler-Korrekturschaltung zur Erzeugung der Fehlerkompo nente des Antennenabstimmsignals in Ansprache auf das Maß der im Pegelsignal enthaltenen Energie der Zitterfrequenz und einen deren zweite Harmonische erfassenden Detektor zur Erfas sung der Zitterkomponente des Antennenabstimmsignals in Abhän gigkeit von dem Maß der im Pegelsignal enthaltenen Energie vom Doppelten der Zitterfrequenz. Die Nachlauffehler-Korrektur schaltung kann einen Multiplizierer zur Multiplikation des Pe gelsignals mit dem Zittersignal für die Erzeugung eines einen Gleichstrompegel aufweisenden Produktsignals und einen Inte grator enthalten, um durch Integration des Gleichstrompegels des Produktsignals die Fehlerkomponente des Antennenabstimmsi gnals zu erzeugen. Der Detektor kann ein Hüllkurvendetektor sein, um das Pegelsignal als ein Signal zu erzeugen, das cha rakteristisch für die Hüllkurve eines durch die Antenne gewan delten Trägersignals ist.

Der Generator kann außerdem ein Bezugssignal der doppelten Zitterfrequenz erzeugen, und der die zweite Harmonische erfas senden Detektor kann einen ersten Multiplizierer aufweisen, um durch Multiplikation des Pegelsignals mit dem Bezugssignal ein einen Gleichstrompegel aufweisendes Produktsignal zu erzeugen, ferner einen Integrator, der durch Integration des Gleich strompegels des besagten Produktsignals ein integriertes Pro duktsignal erzeugt, und einen zweiten Multiplizierer, der durch Multiplikation des integrierten Produktsignals mit dem Zittersignal die Zitterkomponente des Antennenabstimmsignals erzeugt.

Es kann ferner eine Überlagerungsempfängerschaltung vorgesehen sein, die einen Überlagerungsozsillator steuerbarer Frequenz, einen Frequenzsynthesizer zum Steuern der dieser Frequenz und eine Nachlaufannäherungsschaltung enthält, um die Frequenzan näherungskomponente des Abstimmsignals in Ansprache auf den Frequenzsynthesizer zu erzeugen. Das steuerbare Reaktanz- Element kann eine Kapazitätsdiode sein. Das System enthält vorzugsweise einen Tuner, um das die Antenne benutzende System über einen Frequenzbereich abzustimmen, der wesentlich größer ist als die Bandbreite des durch die Antenne umgesetzten ge wünschten Signals. Vorzugsweise bilden die Antenne und das Reaktanz-Element einen Resonanzkreis mit einem Gütefaktor, der größer ist als 100.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind zwei Exemplare der besagten Antenne in einem Diversity-System vorgesehen, das zwei gleichartige Kanäle aufweist, deren jeder einen Produkt- Demodulator enthält, um die zitterfrequente Modulation der empfangenen Signale zu erfassen, wobei die besagten Produkt- Demodulatoren durch Bezugssignale der Zitterfrequenz in Phasenquadratur erregt werden. Vorzugsweise enthalten die besagten Kanäle außerdem Produkt-Demodulatoren für die zweite Harmonische, um Modulationskomponenten der doppelten Zitter frequenz in den empfangenen Signalen zu erfassen, wobei die beiden letztgenannten Demodulatoren durch zugeordnete Bezugs signale der doppelten Zitterfrequenz in Gegenphase zueinander erregt werden.

Zahlreiche weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung hervor, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu lesen ist:

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den logischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems veranschaulicht;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung einer Spannung V_log als Funktion der an das steuerbare reaktive Element geleg ten Abstimmspannung;

Fig. 3a zeigt über einer gemeinsamen Zeitskala eine graphische Darstellung der Abstimmspannnung und der resultierenden Spannung V_log für ein verstimmtes System;

Fig. 3b ist eine entsprechende graphische Darstellung für den Fall optimaler Abstimmung;

Fig. 4 ist ein kombiniertes Block- und Detailschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung in einem Diversity-System;

Fig. 5a-5d sind graphische Darstellungen von Signalen beim Abstimmen mit einer zwischen drei Zuständen alternie renden Wellenform ("Dreizustands"-Wechsel);

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung von Typen der Zitter wellenform;

Fig. 7a-7c sind graphische Darstellungen von Zitterwellen formen für Mehrfachantennen.

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Funkanlage 10 gezeigt. Eine vorhandene Antenne 12 kann, wie dargestellt, eine Rahmenantenne sein, oder aber eine Stab antenne mit Erde (Monopol), ein Dipol, eine Schlitzantenne oder irgendeine andere kleine Antennenanordnung. Die Antenne 12 ist mit einem steuerbaren reaktiven Element 14 wie z. B. einer Kapazitätsdiode (Varaktor) verbunden, das mit dem Blindanteil der Antennenimpedanz, die bei Rahmenantennen typischerweise induktiv ist, einen Resonanzkreis bildet. Die Antenne 12 ist über das reaktive Element 14 mit einem Antenneneingang 16 eines antennenbenutzenden Systems 18 verbunden. Das antennenbenutzende System 18 hat einen Aus gangsanschluß 20, und auf einer Leitung 22 wird ein Antennen abstimmsignal geliefert, welches das reaktive Element 14 so steuert, daß die Frequenz seiner Resonanz mit der Reaktanz der Antenne 12 bei der Frequenz des durch die Antenne 12 gewandel ten gewünschten Signals liegt.

Das antennenbenutzende System 18 ist typischerweise ein Über lagerungsempfänger mit einem Überlagerungsoszillator 24, der durch einen Frequenzsynthesizer 26 abgestimmt wird, um auf einer Leitung 28 ein Überlagerungssignal zu erzeugen. Der Frequenzsynthesizer 26 erzeugt auf der Leitung 31 ein Abstimm signal, das an den Überlagerungsoszillator 24 und an eine Antennennachlauf-Annäherungsschaltung 33 gelegt wird. Diese Schaltung 33 erzeugt auf der Leitung 67 ein Nachlaufannähe rungs-Spannungssignal V_app, das einen Eingang eines Signalsum mierers 68 ansteuert, dessen Ausgang eine Abstimmspannung V_tun auf einer Leitung 22 ist, welche das steuerbare reaktive Element 14 ansteuert, um die Antenne 12 abzustimmen. Somit bewirkt die Komponente V_app der Abstimmsignalspannung V_tun, daß die Antennenabstimmung ungefähr mit der Empfängerabstim mung mitläuft, d. h. die Abstimmung des steuerbaren reaktiven Elementes folgt der Abstimmmung des Überlagerungsoszillators 24.

Das von der Antenne 12 aufgefangene Funksignal, das dem anten nenbenutzenden System 18 über das steuerbare reaktive Element 14 und den Antennenanschluß 16 eingekoppelt wird, steuert einen herkömmlichen HF-Verstärker 35 an. Ein Mischer 30 kombiniert das Ausgangssignal des HF-Verstärkers 35 mit dem Überlagerungssignal auf der Leitung 28, um auf der Leitung 32 ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen, das durch einen Zwischenfrequenzverstärker 34 verstärkt wird. Das Ausgangs signal des Zwischenfrequenzverstärkers 34 ist am Ausgangsan schluß 20 verfügbar, für die Demodulation und die Reproduktion des modulierenden Signals.

Das Ausgangssignal des ZF-Verstärkers 34 wird außerdem einem Amplitudendetektor 36, d. h. einem Hüllkurvendetektor, ange legt, der auf der Leitung 38 eine amplitudendemodulierte Signalspannung V_det erzeugt, die proportional dem Absolutwert der Amplitudenänderungen des Trägersignals vom Ausgang des ZF- Verstärkers 34 ist. Die amplitudendemodulierte Signalspannung auf der Leitung 38 wird an eine logarithmische Kompensator schaltung 40 gelegt, deren ausgangsseitige Signalspannung V_log auf der Leitung 41 die Amplitudenänderungen des Trägersignals relativ zur Trägersignalstärke darstellt, d. h. die Änderung der Trägersignalstärke in Prozent. Das Signal V_log auf der Leitung 41 wird durch ein Hochpaßfilter 42 gesendet, dessen Eckfrequenz niedriger als die Zitterfrequenz ist, um irgend welche Gleichstromkomponenten in der resultierenden amplitu dendemodulierten Signalspannung V_amp zu entfernen, die auf der Leitung 44 erscheint.

Die amplitudendemodulierte Signalspannung V_amp auf der Leitung 44 wird an eine Nachlauffehler-Korrekturschaltung gelegt, die einen Multiplizierer 46 und einen Integrator 48 aufweist. Der Multiplizierer 46 ist ein Mehrphasen-Multiplizierer, d. h. ein Vierquadranten-Multiplizierer, der die Größe V_amp mit einem auf der Leitung 49 zugeführten sinusförmigen 70-Hz- Abstimmzittersignal sinwt multipliziert, das von einem Zeit signalgenerator 47 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 46 steuert den invertierenden Integrator 48 an, der auf den Gleichspannungspegel am Ausgang des Multipli zierers 46 anspricht, um auf der Leitung 56 eine sägezahnför mige (d. h. rampenförmige) Fehlersignalspannung V_err zu erzeu gen, die eine negative Steigung proportional zum Gleichspan nungs-Ausgangssignal des Multiplizierers 46 hat. Die Spannung V_err kann als eine sich ändernde Gleichspannung angesehen werden, deren Änderungsgeschwindigkeit von der Gleichspannung am Ausgang des Multiplizierers 46 abhängt. Die Spannung V_err auf der Leitung 56 steuert einen invertierenden Eingang eines Signalsummierers 64 an, dessen Ausgangssignal, das auf der Leitung 66 geliefert wird, mit der Spannung V_app kombiniert wird, um die Spannung V_tun zu erzeugen.

Das amplitudendemodulierte Signal auf der Leitung 44 wird außerdem einer Detektorschaltung zur Erfassung der zweiten Harmonischen angelegt, die einen ersten Multiplizierer 50, einen invertierenden Integrator 52 und einen zweiten Multipli zierer 54 aufweist. Der Multiplizierer 50, ebenfalls ein Mehrphasen-Multiplizierer, multipliziert die amplitudendemodu lierte Signalspannung V_amp auf der Leitung 44 mit der zweiten Harmonischen cos2wt des auf der Leitung 51 erscheinenden Abstimmzittersignals, die ebenfalls vom Zeitsignalgenerator 47 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 50 wird an den Eingang des invertierenden Integrators 52 gelegt, der auf den Gleichspannungspegel am Ausgang des Multiplizierers 50 anspricht, um auf der Leitung 58 eine sägezahnförmige Signal spannung V_sec zu erzeugen, die eine negative Steigung propor tional zu dem am Ausgang des Multiplizierers 50 bestehenden Gleichspannungspegel hat. V_sec kann als eine sich ändernde Gleichspannung angesehen werden, deren Änderungsgeschwindig keit von der Gleichspannung am Ausgang des Multiplizierers 46 abhängt. Über eine Leitung 60 wird eine Integrator-Offsetspan nung V_off als eine Gleichvorspannung an einen anderen Eingang des Integrators gelegt und führt zu einer ausgangsseitigen sägezahnförmigen Signalspannung V_sec, die eine positive Stei gung hat, selbst wenn der Gleichspannungspegel am Ausgangs des Multiplizierers 50 vernachlässigbar ist.

Die ausgangsseitige sägezahnförmige Signalspannung Vsec auf der Leitung 58 wird einem Eingang des Multiplizierers 54 angelegt, und das auf der Leitung 49 erscheinende Abstimmzit tersignal sinwt wird einem anderen Eingang des Multiplizierers 54 angelegt, der diese beiden Signale miteinander multipli ziert, um auf der Leitung 62 ein Zittersignal V_dit zu erzeu gen, das eine Zitterfrequenz w und eine Amplitude proportional zu V_sec hat.

Das Zittersignal V_dit auf der Leitung 62 steuert einen anderen Eingang des Summierers 64 an, der V_dit mit dem auf der Leitung 56 erscheinenden Fehlerspannungs-Sägezahnsignal V_err summiert, um auf der Leitung 66 eine kombinierte Fehler/Zitter-Signal spannung V_err + V_dit zu erzeugen. Diese kombinierte Fehler/Zitter-Signalspannung V_err + V_dit auf der Leitung 66 wird an einen Eingang des Summierers 68 gelegt, der das Fehler/Zitter-Signal mit dem Nachlaufannäherungs-Spannungssi gnal V_app summiert, das auf der Leitung 67 vom Ausgang der Nachlaufannäherungsschaltung 33 geliefert wird. Das auf der Leitung 22 erscheinende Ausgangssignal des Summierers 68 ist V_tun = V_err + V_dit + V_app und stellt das steuerbare reaktive Element 14 zum Abstimmen der Antenne 12 ein.

Nach der Beschreibung des Systemaufbaus sei nun die Arbeits weise erläutert. Die Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des auf der Leitung 41 erscheinenden Ausgangssignals V_log als Funktion der Abstimmspannung V_tun, die dem steuerbaren reakti ven Element 14 über die Leitung 22 angelegt wird. V_tun = C stellt diejenige Abstimmspannung dar, die erforderlich ist, um die Antenne 12 optimal auf den Empfang eines gewünschten Eingangssignals abzustimmen, wo die Spannung V_log, welche die relative Signalstärke des empfangenen Trägers repräsentiert, maximal ist. Wenn V_tun gegenüber C nach oben oder unten abweicht, fällt die durch die Spannung V_log repräsentierte Signalstärke des empfangenen Trägers ab, infolge der Verstim mung der Antenne 12. V_tun = B und V_tun = D bedeuten eine Verstimmung unterhalb bzw. oberhalb C und führen jeweils zur selben relativen Verminderung der durch die Spannung V_log repräsentierten Trägeramplitude. Wie bei V_tun = A aufgezeigt, führt eine größere Abweichung gegenüber V_tun = C zu einer noch größeren Dämpfung des Trägers.

Die Fig. 3a zeigt über der selben Zeitskala einen zeitlichen Verlauf der Abstimmung V_tun und die daraus resultierende Signalspannung V_log der relativen Trägeramplitude für ein verstimmtes System. Im gezeigten Fall zittert die Abstimmspan nung V_tun mit einer Grundfrequenz w sinusförmig um den Wert V_tun = B, und zwar zwischen V_tun = A und V_tun = C. Dies bedeutet eine Verstimmung des Systems, denn für optimalen Empfang ist die Abstimmspannung V_tun = C, und irgendein Zittern müßte um den Wert V_tun = C anstatt um den Wert V_tun = B erfolgen. Infolgedessen ändert sich die Relativamplituden- Signalspannung V_log sinusförmig mit der gleichen Grundfrequenz w, wobei die Maxima dem Wert V_log = C entsprechen, die Minima dem Wert V_log = A entsprechen und die Nulldurchgänge dem Wert V_log = B bzw. V_log = D entsprechen.

Die Fig. 3b zeigt in der gleichen Darstellungsweise über einer gemeinsamen Zeitskala den zeitlichen Verlauf der Abstimmspan nung V_tun und der resultierenden Amplitudendetektorspannung V_log für ein optimal abgestimmtes System. Hier zittert V_tun mit der Grundfrequenz w sinusförmig um den Wert V_log = C zwischen V_log = B und V_log = D. Infolgedessen ändert sich V_log sinusformig mit einer Frequenz, die das Doppelte der Zitter grundfrequenz beträgt, d. h. mit der zweiten Harmonischen 2w, wobei die Maxima dem Wert V_log = C und die Minima dem Wert V_log = B bzw. V_log = D entsprechen.

Hei einem optimal abgestimmten System führt also das Aufprägen eines sinusförmigen Zittersignals auf die Abstimmspannung Vtun dazu, daß der zeitliche Verlauf der die Relativamplitude darstellenden Signalspannung V_log wellenförmig mit einer Frequenz schwingt, die vorherrschend die zweite Harmonische des Zittersignals ist. Das Vorhandensein merkliche Energie der zweiten Harmonischen in der V_log-Wellenform zeigt also an, daß das System optimal abgestimmt ist. Die Amplitude der Zittersi gnalkomponente V_dit in der Abstimmspannung Vtun kann dann vermindert werden. Wird nur wenig oder überhaupt keine Energie der zweiten Harmonischen gefühlt, dann wird das System so vorgespannt, daß sich die Amplitude der Zittersignalkomponente V_dit der Abstimmspannung V_tun erhöht, um das gewünschte Signal besser fangen zu können.

In der Anordnung nach Fig. 1 enthält das die relative Ampli tude darstellende Spannungssignal V_amp, das auf der Leitung 44 vom Ausgang des Hochpaßfilters 42 erscheint, Energie der Zittergrundfrequenz proportional zum relativen Maß des im empfangenen Träger vorhandenen Zitterns bezüglich der Gesamt amplitude des Trägers. V_amp wird im Multiplizierer 46 mit dem Grundfrequenz-Zittersignal sinwt multipliziert, und somit ist der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers 46 proportional zum Maß des wiedergewonnenen Zitterns im empfan genen Träger. Der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizie rers 46 wird durch den invertierenden Integrator 48 inte griert. Wenn in der Signalspannung V_amp eine relativ kleine Menge an Energie der Zittergrundfrequenz w vorhanden ist, dann ist der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers relativ klein, und das resultierende sägezahnförmige Fehlersi gnal V_err hat eine flache Steigung, d. h. der Gleichstrompegel von V_err ändert sich sehr langsam. Wenn umgekehrt eine relativ große Menge an Energie der Zittergrundfrequenz w im Signal V_amp vorhanden ist, dann ist der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers relativ groß, und der resultierende Sägezahn V_err hat eine steilere Steigung, d. h. der Gleich strompegel von V_err ändert sich schnell. Da bei optimaler Abstimmung des Systems keine Energie der Zittergrundfrequenz w vorhanden ist, wird V_err als eine Komponente der Abstimmsteu erspannung V_tun auf das steuerbare reaktive Element 14 so rückgekoppelt, daß die Energie der Zittergrundfrequenz w minimiert wird und damit der Abstimmfehler auf Null getrieben wird.

Die der relativen Amplitude entsprechende Signalspannung V_amp auf der Leitung 44 vom Ausgang des Hochpaßfilters 42 enthält, wenn das System optimal abgestimmt ist, merkliche Energie der zweiten Harmonischen der Zitterfrequenz. V_ampwird im Multi plizierer 50 mit der zweiten harmonischen cos2wt im Signal multipliziert, und somit ist der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers 50 proportional zum Maß der Energie der zweiten Harmonischen im empfangenen Träger. Der Gleichstrompe gel am Ausgang des Multiplizierers 50 wird durch den invertie renden Integrator 60 integriert. Ist im Signal V_amp eine relativ kleine Menge an Energie der zweiten Harmonischen 2w vorhanden, dann wird der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers ansteigen, infolge der Gleichvorspannung V_off am betreffenden Integratoreingang. Wenn umgekehrt eine relativ kleine Menge an Energie der zweiten Harmonischen 2w der Zitterfrequenz im Signal V_amp vorhanden ist, dann ist der Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers relativ hoch, und das resultierende Signal V_sec wird gegen Null abnehmen.

Die Größe V_sec wird im Multiplizierer 54 mit der Zittergrund welle sinwt multipliziert, wobei dieser Multiplizierer als Stufe veränderbarer Verstärkung wirkt, um die Zitterkomponente Vdit der Abstimmspannung V_tun zu erzeugen. Bei verstimmtem System ist nur wenig oder überhaupt keine Energie der zweiten Harmonischen 2w der Zitterfrequenz vorhanden, und somit entsteht nur ein kleiner oder überhaupt kein Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers 50. Somit steigt der Gleichstrompegel des Ausgangssignals V_sec vom Integrator 52 infolge der Gleichvorspannung am Integratoreingang V_off weiterhin an. Der zunehmende Gleichstrompegel von V_sec erhöht die Amplitude des Zittersignals V_dit am Ausgang des Multipli zierers 54 und somit die Amplitude der Zitterkomponente der Abstimmspannung Vtun im Bemühen, das System besser abzustim men. Wenn die Abstimmung des Systems optimal wird, nimmt die Energie der zweiten Harmonischen 2w zu, was wiederum den Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers 50 erhöht. Der zunehmende Gleichstrompegel am Ausgang des Multiplizierers 50 wiegt die dem Integrator 52 angelegte Gleichvorspannung V_off auf, so daß der Gleichstrompegel des Signals V_sec vermindert wird, was seinerseits die Amplitude des Zittersignals Vdit am Ausgang des Multiplizierers 54 herabsetzt und somit die Amplitude der Zitterkomponente in der Spannung Vtun vermindert.

Die Erfindung hat mehrere Vorteile. Sie sorgt für ein beträchtliches Zittern während der ersten wenigen Augenblicke nach Wahl einer neuen Station, wo es am schwierigsten ist, die korrekte Einrastfrequenz zu finden. Kurz danach vermindert die erfindungsgemäße Anordnung das Zittern. Die Erfindung vermei det also die Gefahr eines zu starken Zitterns, das zu hörbaren Störungen führen könnte, und eines zu schwachen Zitterns, welches verhindern könnte, daß das System die korrekte Einrastfrequenz findet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltungsanord nung in der Lage, festzustellen, ob das System annähernd richtig eingerastet ist, und um anschließend, nach dem Fest stellen einer annähernd richtigen Einrastung, die Stärke des Zitterns auf ein niedriges Maß zu vermindern. Wenn das System feststellt, daß keine richtige Einrastung erfolgt, dann erhöht es die Stärke des Zitterns, um die richtige Einrastfrequenz sicherer zu finden und die zum Einrasten benötigte Zeitdauer zu verkürzen.

Gemäß einer alternativen Lösung kann das System das Zittern in einer vorprogrammmierten Weise ändern, indem es automatisch das Zittern für eine feste Zeitdauer erhöht, um ein richtiges Einrasten sicherzustellen, und dann das Zittern vermindert, um die Einrastung zu halten und hörbare Störungen zu reduzieren.

Bei driftfreien Hauteilen (Überlagerungsoszillator und Antenne) kann das Zittern eingeschaltet werden, um die Antenne nach einem Kanalwechsel abzustimmen, und dann kann die Abstimmspannung in einem driftfreien Speicher gespeichert und das Zittern weggenommen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Zittern abhän gig vom Ausgang eines Detektors eingestellt, der den Abstim mungszustand der Antenne fühlt. Bei einem sinusförmigen Zittersignal ist es praktisch, die Abstimmung durch Fühlen der zweiten Harmonischen der Zitter-Sinusschwingung im Pegel des wiedergewonnenen Trägersignals zu fühlen. Das Vorhandensein einer merklichen Stärke der zweiten Harmonischen zeigt an, daß die Antenne richtig abgestimmt ist. Alternativ können auch andere Wellenfarmen des Zitterns verwendet werden. Jede Zitterwellenform, die z. B. drei Zustände hat, jeweils einen für nominelle Abstimmung, niedrige Abstimmung und hohe Abstim mung, kann in ähnlicher Weise verarbeitet werden, um festzu stellen, wann die Antenne richtig abgestimmt ist. Ist im Zustand niedriger und im Zustand hoher Abstimmung das wieder gewonnene Trägeramplitudensignal niedriger als im nominellen Abstimmzustand, dann ist die Antenne annähernd richtig abgestimmt.

Bestimmte Funksysteme in Fahrzeugen benutzen Mehrfachantennen, z. B. zwei Antennen, in einem Diversity-System, welches das Signal von jeweils derjenigen Antenne auswählt, die gerade das Signal besserer Qualität liefert. Bei einer solchen Anordnung ist es wesentlich schwieriger, die richtige Antennenabstimmung herbeizuführen. Der Grund für die zusätzliche Schwierigkeit besteht darin, daß die Amplitude des wiedergewonnenen Trägers von der einen Antenne durch die Abstimmung einer anderen, damit verkoppelten Antenne im System beeinflußt wird. Wenn beide Antennen gleichzeitig mit Hilfe desselben Zittersignals abgestimmt werden, dann ist es schwierig, zu bestimmen, wie auf die Änderung in der Amplitude des wiedergewonnenen Trägers reagiert werden soll.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung löst dieses Problem, indem die Abstimmspannungen der jeweiligen Antenne mit Sinuswellen zum Zittern gebracht werden, welche die glei che Frequenz haben, aber in zeitlicher Quadratur zueinander sind. Die Ansprache der der Amplitude des wiedergewonnenen Trägers entsprechenden Signale wird durch die Abstimmung und das Zittern der anderen Antenne beeinflußt. Jedoch kann die relevante Information zum Abstimmen für jede Antenne unabhän gig gewonnen werden, indem man das Signal der Amplitude des wiedergewonnenen Trägers mit einer Sinuswelle multipliziert, welche die gleiche Phase hat wie die Zitterwellenform für die Abstimmspannung der betreffenden Antenne. Die Enwirkung von der anderen Antenne her ist in zeitlicher Quadratur mit dem Multipliziersignal. Gemittelt über irgendeine Zahl ganzer Perioden verursacht der Term, der diese Wechselwirkung beschreibt, im Endergebnis keinen Gleichstromterm am Ausgang des betreffenden Multiplizierers; deswegen führt die besagte Wechselwirkung zu keinem Abstimmfehler, so daß das richtige Abstimmen beider Antennen möglich wird.

Alternativ, falls der Überlagerungsoszillator, die Speicher einrichtung für die Abstimmspannung und die Antennen ausreichend driftfrei sind, können die Antennen auch nachein ander abgestimmt werden, gerade einmal pro Kanalwechsel in der Weise, wie sie oben für eine einzige Antenne beschreiben wurde, oder abwechselnd.

Die Fig. 4 zeigt in einer kombinierten Block- und Detaildar stellung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einem Diversity-System. Für die Identifizierung der einzelnen Elemente werden die gleichen Bezugszahlen wie für die entspre chenden Elemente in Fig. 1 verwendet, wobei der zusätzlich nachgestellte Buchstabe A zur Identifizierung der Elemente des oberen Kanals und der Buchstabe B zur Identifizierung der Elemente des unteren Kanals dient. Da diese Systeme weiter oben bereits in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden sind, beschränkt sich die nachstehende Beschreibung der Fig. 4 auf die Besonderheiten, dis nur für ein Diversity-System gelten. Die beiden Kanäle benutzen gemeinsam einen Überlagerungsoszil lator 24, einen Synthesizer 26 und eine Nachlaufannäherungs schaltung 33, sowie einen Zeitsignalgenerator 47'. Der Zeitsignalgenerator 47' unterscheidet sich vom Zeitsignalgene rator 47 dadurch, daß er vier statt zwei Ausgangssignale liefert. Es werden zwei in Zeitquadratur zueinanderstehende Signale der Grundfrequenz w erzeugt, deren eines den Kanal A und deren anderes den Kanal B beaufschlagt. Ferner werden zwei zueinander gegenphasige Signale der zweiten harmonischen Frequenz 2w erzeugt, deren eines den Multiplizierer 50A und deren anderes den Multiplizierer 50B beaufschlagt.

Die Fig. 5a-5d sind graphische Darstellungen der Abstimm- und Antwortwellenformen in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Zitterwellenformen mit einer endlichen Anzahl diskreter Zustände verwendet werden, z. B. mit drei Zuständen.

Unter Umständen ist es leichter, eine solche Wellenform anstatt einer sinusförmigen Welle zu realisieren, z. B. bei Verwendung von Digitalschaltungen. Die Anordnung, die bestimmt, ob das Abstimmen nach oben oder nach unten gehen soll oder ob die Antenne richtig abgestimmt ist, ist im wesentlichen die gleiche, wie sie in den Fig. 1 und 4 dargestellt ist, abgesehen von geringfügigen Änderungen im Zeitsignalgenerator. Die Fig. 5a zeigt den Fall einer Fehlab stimmung bei unsymmetrischer Lage unterhalb des Pegels C. Fig. 5b zeigt die richtige Abstimmung bei symmetrischer Lage bezüglich des Pegels C. Die Fig. 5c zeigt den Fall einer Fehlabstimmung bei unsymmetrischer Lage unterhalb des Pegels C auf einer logarithmischen Skala. Fig. 5d zeigt den Fall einer richtigen Abstimmung mit Pegelverschiebung der Wellenform zwischen dem Wert C und den Werten B, D auf logarithmischer Skala.

Alternativ können entweder analoge oder digitale Schaltungen die folgenden Algorithmen durchführen:

Hauptabstimmalgorithmus

Wenn V_log

(t₂

) < V_log

(t₄

), dann erhöhe die Abstimmung.
Wenn V_log

(t₂

) = V_log

(t₄

), dann ändere die Abstimm spannung nicht.
Wenn V_log

(t₂

) < V_log

(t₄

), dann vermindere die Spannung.

Zittersteuerungsalgorithmus

Wenn V_log

(t₁

) + V_log

(t₅

) << V_log

(t₂

) + V_log

(t₄

), dann vermindere die Zitteramplitude.
Wenn V_log

(t₁

) + V_log

(t₃

) << V_log

(t₂

) + V_log

(t₄

), dann vermindere die Zitteramplitude.

Es kann vorteilhaft sein, in den Steueralgorithmen einen gewichteten Mittelwert V_log (t₁. . . t₄) zu verwenden, der in mehreren aufeinanderfolgenden Abtastproben genommen wird. Solche Dreizustands-Wellenformen können in geeigneter Weise modifiziert werden, um zwei Antennen in Quadratur abzustimmen. Die Fig. 7a zeigt einen Vergleich von Quadratur-Sinuswellen mit Quadratur-Dreizustandswellen für die verschiedenen Abstimmspannungen. Die Fig. 7b zeigt einen alternierenden Betrieb mit Dreizustands-Abstimmspannungen. Fig. 7c zeigt einen sequentiellen Betrieb mit Dreizustands-Abstimmspannun gen.

Claims

1. Abstimmbares Antennensystem zum Betrieb über einen vorbestimmten Frequenzbereich, mit:
einer Antenne (12), deren Länge und deren Breite jeweils wesentlich kleiner ist als eine Viertelwellenlänge in nerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs;
einem mit der Antenne gekoppelten steuerbaren Reaktanz- Element (14) mit variabler Reaktanz zur Resonanzabstim mung der Antenne auf die Frequenz eines gewünschten Si gnals innerhalb des Frequenzbereichs; und
einer Antennenabstimmschaltung (18), die zur Nachsteue rung der Antenne auf die Frequenz des gewünschten Signals an das steuerbare Reaktanz-Element ein von der Antennenabstimmfrequenz abhängiges Antennenabstimmsignal liefert, dem eine Zitterkomponente zur Änderung der Ab stimmung der Antenne um die Frequenz des gewünschten Si gnals herum überlagert ist;
dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenabstimmsignal eine Frequenzannäherungskomponente zum groben Abstimmen der Anten ne auf die Frequenz des gewünschten Signals und eine Fehler komponente zur Feinabstimmung der Antenne auf die Frequenz des gewünschten Signals enthält, und daß eine Einrichtung (50, 52, 54) zur Veränderung der Amplitude des Zittersignals gleichsinnig mit dem Abstand der Antennenabstimmfrequenz von der Frequenz des gewünschten Signals vorgesehen ist.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß Antennenabstimmschaltung (18) aufweist:
einen Detektor (36, 40,42) zur Erzeugung eines Pegel signals, das repräsentativ für eine von der Antenne (12) umgesetztes Signal ist;
einen Generator (47) zur Erzeugung des Zittersignals mit einer vorgegebenen Zitterfrequenz;
eine Nachlauffehler-Korrekturschaltung (46, 48) zur Er zeugung der Fehlerkomponente des Antennenabstimmsignals in Abhängigkeit von dem Energiegehalt des im Pegelsignal auftretenden Signals der Zifferfrequenz;
und einen die zweite Harmonische der Zitterfrequenz im Pegelsignal erfassenden Detektor (50, 52, 54), dessen Aus gangssignal vom Energiegehalt der doppelten Zitterfre quenz im Pegelsignal abhängt und die Amplitude der Zit terkomponente im Antennenabstimmsignal bestimmt.

3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Nachlauffehler-Korrekturschaltung (46, 48) einen Multiplizierer (46) zur Multiplikation des Pegelsignals mit dem Zittersignal zu einem Produktsignal, das einen Gleichstrompegel hat, und einen Integrator (48) zum Integrie ren des Gleichstrompegels des Produktsignals zur Erzeugung der Fehlerkomponente des Antennenabstimmsignals enthält.

4. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der das Pegelsignal erzeugende Detektor (36, 40, 42) ein Hüllkurvendetektor ist, der das Pegelsignal als Hüllkurvensignal eines durch die Antenne (12) umgesetzten Trägersignals liefert.

5. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Generator (47) ferner ein Bezugssignal der doppelten Zitterfrequenz liefert, und daß der die zweite Har monische erfassende Detektor (50, 52, 54) folgendes aufweist:

- einen ersten Multiplizierer (50) zum Multiplizieren des Pegelsignals mit dem Bezugssignal zu einem Produkt signal, das einen Gleichstrompegel hat;
- einen Integrator (52) zum Integrieren des Gleichstrompe gels des Produktsignals zu einem integrierten Produktsi gnal; und
- einen zweiten Multiplizierer (54) zum Multiplizieren des integrierten Produktsignals mit dem Zittersignal zu der Zitterkomponente des Antennenabstimmsignals.

6. Antennensystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Einrichtungen:

- eine Überlagerungsempfängerschaltung (24, 30, 34, 35), die einen Überlagerungsoszillator (24) einstellbarer Fre quenz enthält;
- einen Frequenzsynthesizer (26) zur Bestimmung der ein stellbaren Frequenz; und
- eine Nachlaufannäherungsschaltung (33) zur Erzeugung der Frequenzannäherungskomponente des Abstimmsignals unter Steuerung durch den Frequenzsynthesizer.

7. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das steuerbare Reaktanz-Element (14) eine Kapa zitätsdiode ist.

8. Antennensystem nach Anspruch 1 mit einem antennen benutzenden System (18), das einen Tuner (24, 30, 34, 35) zum Abstimmen des antennenbenutzenden Systems über einen Fre quenzbereich hat, der wesentlich größer ist als die Bandbrei te eines gewünschten, durch die Antenne umgesetzten Signals.

9. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Antenne (12) und das Reaktanz-Element (14) einen Resonanzkreis mit einem Gütefaktor von mehr als 100 bilden.

10. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Amplitu denveränderung des Zittersignals einen Abweichungsdetektor (50, 52, 54) aufweist, der in Abhängigkeit von einem Abwei chungssignal als Maß für die Differenz zwischen der Frequenz, auf welche die Antenne gerade abgestimmt ist, und der ge wünschten Frequenz ein Zitteramplituden-Regelsignal erzeugt, welches die Amplitude des Zittersignals bei Abnahme dieser Differenz vermindert.

11. Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Abweichungssignal ein Signal der zweiten Harmonischen ist, dessen Frequenz doppelt so hoch wie die Zitterfrequenz ist, und daß der Abweichungsdetektor (50, 52, 54) auf das Signal der zweiten Harmonischen anspricht, um ein Zitteramplituden-Regelsignal zu liefern, welches die Amplitude des Zittersignals bei zunehmender Amplitude des Si gnals der zweiten Harmonischen vermindert.

12. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprü che, gekennzeichnet durch weiterhin
eine zweite Antenne (12B);
ein mit der zweiten Antenne gekoppeltes zweites steuer bares Reaktanz-Element (14B) veränderbarer Reaktanz zur Abstimmung der zweiten Antenne in einem zweiten Reso nanzkreis auf die Frequenz des gewünschten Signals; und
eine zweite Antennenabstimmschaltung, die zur Nachsteue rung der zweiten Antenne auf die Frequenz des gewünsch ten Signals an das zweite steuerbare Reaktanz-Element ein von der Abstimmfrequenz der zweiten Antenne abhängiges zweites Antennenabstimmsignal liefert, das eine mit der Zitterfrequenz auftretende zweite Zitterkomponente enthält, um die Abstimmung der zweiten Antenne um die Frequenz des gewünschten Signals herum zu ändern;
und daß die zweite Antennenabstimmschaltung einen zwei ten Pegeldetektor (40B, 41B) enthält, der ein Pegelsignal erzeugt, das repräsentativ für ein durch die zweite An tenne umgesetztes Signal ist und ein zweites Abwei chungssignal enthält, das repräsentativ ist für eine zweite Differenz zwischen der momentanen Abstimmfrequenz der zweiten Antenne und der gewünschten Frequenz;
und daß ein zweiter Abweichungsdetektor (50B, 52B, 54B) vorgesehen ist, der auf das zweite Abweichungssignal an spricht, und ein zweites Zitteramplituden-Regelsignal liefert, das bei abnehmendem Wert der zweiten Differenz die Amplitude des Zittersignals vermindert.

13. Antennensystem nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß jedes der Abweichungssignale ein Signal der zweiten Harmonischen des Zittersignals ist, dessen Frequenz das Doppelte der Zitterfrequenz beträgt, und daß jeder der Abweichungsdetektoren (50A-54A; 50B-54B) auf ein jeweils zugeordnetes Abweichungssignal an spricht, um ein entsprechendes Zitteramplituden-Steuersignal zu liefern, welches bei abnehmendem Wert der jeweiligen Dif ferenz die Amplitude eines betreffenden Zittersignals vermin dert.

14. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kurvenform der Zitterkomponente jeweils ei nen charakteristischen Zustand für nominelle Abstimmung, hohe Abstimmung und niedrige Abstimmung hat.

15. Antennensystem nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Antenne (12A, 12B) eine gegenseitige Kopplung besteht, und daß eine Schaltungsanordnung (47, 66A, 68A, 66B, 68B) vorgesehen ist, wel che das erste und das zweite Abweichungssignal benutzt, um das erste bzw. das zweite Antennenabstimmsignal unabhängig zu steuern.

16. Antennensystem nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das erste und das zweite Antennenabstimmsignal eine erste bzw. eine zweite Zitterkomponente mit der gleichen Zitterfrequenz und 90° Phasenverschiebung zueinander enthal ten, um die erste bzw. die zweite Antenne um die Frequenz des gewünschten Signals herum abzustimmen.

17. Antennensystem nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung, die nacheinander das erste Anten nenabstimmsignal an das erste steuerbare Reaktanz-Element und das zweite Antennenabstimmsignal an das zweite steuerbare Reaktanz-Element legt.

18. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kurvenform der Zitterkomponente drei Zu stände annehmen kann.

19. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zitterkomponente eine Kurvenform fort schreitend abnehmender Amplitude hat.

20. Antennensystem nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste und die zweite Antennenabstimmschal tung (40A-68A; 40B-68B) abwechselnd wirksam sind, um die erste und die zweite Antenne abwechselnd auf die gewünschte Fre quenz abzustimmen.

21. Antennensystem nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer Änderung der gewünschten Frequenz die erste Antennenabstimmschaltung wirksam wird, um die erste An tenne auf die geänderte gewünschte Frequenz abzustimmen, und dann die zweite Antennenabstimmschaltung wirksam wird, um die zweite Antenne auf die geänderte gewünschte Frequenz abzu stimmen.