DE4303072A1 - Mehrbereichsantenne mit aktivem Übertragungsweg bei tiefen Frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Antenne für Kraftfahrzeuge für den LMK- Rundfunkempfang und für den Empfang eines höheren Frequenzbandes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen Fällen ist das höhere Frequenzband eines der Bänder, in denen Tonrundfunk oder Fernsehsignale abgestrahlt werden, also eines der Einzel­ bänder I (TV), Band II (UKW), Band III (TV), Band IV (TV) oder Band V (TV). Das höhere Frequenzband kann jedoch ebenfalls aus zwei oder mehreren die­ ser Einzelbänder bestehen, z. B. aus der Summe der Frequenzbereiche des Fernsehbands I und des UKW-Tonrundfunkempfangsbandes, oder aus dem UKW-Tonrundfunkempfangsband und dem geplanten DAB-Frequenzbereich auf Kanal 10 des Bandes III.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung stellvertretend am Beispiel des Empfangs des UKW-Tonrundfunks erläutert. Besteht das höhere Fre­ quenzband aus einem anderen der Teilbänder oder aus einer Kombination mehrerer dieser Teilbänder, so sind die Lehren sinngemäß anzuwenden, um die Vorteile der Erfindung in gleichartiger Weise zu erhalten.

Derartige Antennen sind z. Biner Rastnase P 33 15 458 C2. Sie weisen eine sehr gute Empfangsleistung in den angegebenen Wellenbereichen auf, wobei allerdings beim angewandten Stand der Technik sowohl der LMK- als auch der UKW-Übertragungsvierpol aktiv ausgeführt sind. Auch die grundsätzliche Möglichkeit, den UKW-Übertragungsvierpol passiv auszuführen, ist in P 33 15 458 C2 genannt.

Um die erforderliche und einer Standard-Teleskopantenne entsprechende Empfindlichkeit zu erreichen, ist die Verwendung eines aktiven LMK- Übertragungsvierpols bei kapazitiv hochohmigen Antennenelementen zwingend erforderlich; die Leistungsfähigkeit des Antennenelements ist im UKW-Bereich jedoch bei einigen Antennenelementen so gut, daß grundsätz­ lich, wie in P 33 15 458 C2 angegeben, auch eine passive verlustarme Ausführung des UKW-Übertragungsvierpols in Frage kommt.

Trotzdem wird der UKW-Pfad bei angewandten Antennen ebenfalls aktiv ausgeführt. Die breitbandig geringe Rückwirkung der aktiven UKW-Schaltung sorgt dabei für die erforderliche Stabilität der Antenne und führt des weiteren dazu, daß die erforderlichen hohen Linearitätsanforderungen im LMK-Bereich erfüllt werden können. Dies betrifft im speziellen die Eigenschaft einer mög­ lichst geringen FM-AM-Konversion, die u. a. in den USA wegen der dortigen großen Senderdichten bei gleichzeitig hohen Senderleistungen von großer Be­ deutung ist. Ebenfalls von großer praktischer Bedeutung ist außerdem, daß Intermodulationsstörungen so weitgehend wie möglich vermieden werden, wobei auch Signale zu berücksichtigen sind, die außerhalb der Empfangsbe­ reiche LMK und UKW liegen.

Antennen nach dem angewandten Stand der Technik erfüllen die heute ge­ stellten Anforderungen; nachteilig bei derartigen Antennen ist jedoch der ver­ gleichsweise hohe technische Aufwand, der sich durch den UKW-Verstärker zwangsweise ergibt. Dieser Aufwand resultiert aus den erforderlichen, hoch­ wertigen Transistoren, die wegen der Anforderung nach einem excellenten Dynamikbereich für das UKW-Band sowohl geringes Rauschen als auch eine hervorragende Großsignalfestigkeit aufweisen müssen. Dies macht Höchstfre­ quenz-Leistungs-Transistoren erforderlich, die, zusammen mit den erforderli­ chen passiven Elementen zur Arbeitspunkteinstellung, auch heute noch einen erheblichen Kostenanteil innerhalb eines Antennenverstärkers bedeuten.

Außerdem kann bei Antennen nach dem angewandten Stand der Technik teilweise trotz hervorragender Linearitätseigenschaften bezüglich der UKW-In­ termodulation nicht in jedem Fall auf Maßnahmen zur Amplitudenregelung im UKW-Pfad verzichtet werden. Hierzu werden z. B. PIN-Dioden als elektronisch steuerbare Dämpfungselemente mit einer entsprechenden Ansteuerung einge­ setzt, wodurch sich ein weiter steigender technischer Aufwand ergibt.

Antennenverstärker, die dem angewandten Stand der Technik entsprechen, sind daher teuer und können vorwiegend in Fahrzeugen der Oberklasse und oberen Mittelklasse eingesetzt werden. Für einen breiten Einsatz, z. B. auch in der unteren Mittelklasse, sind Antennen mit deutlich reduziertem technischen Aufwand erforderlich.

Dieser deutlich reduzierte technische Aufwand ergibt sich, wenn der UKW- Übertragungsvierpol passiv ausgeführt wird, da dann die angegebenen ko­ stenintensiven Bauteile und Maßnahmen in der Antenne entfallen können.

Obwohl diese Möglichkeit einer passiven Ausführung des UKW- Übertragungsvierpols bereits durch P 33 15 458 C2 nahegelegt ist, wird die­ ses Prinzip bisher nicht oder zumindest nicht in großem Umfang angewandt, weil die Problematik besteht, daß die Aufrechterhaltung der von Antennen nach dem angewandten Stand der Technik mit aktivem UKW-Übertragungs­ vierpol bekannten Linearitätseigenschaften nicht möglich ist, wenn nicht das UKW-Netzwerk und das LMK-Netzwerk speziell ausgeführt werden. Im be­ sonderen ist es nicht ausreichend, den passiven UKW-Übertragungsvierpol, der einen Rückkopplungspfad für den aktiven LMK-Pfad mit erheblicher Lei­ stungsverstärkung bildet, nur unter dem Gesichtspunkt der Stabilität der An­ tenne zu dimensionieren.

Die Linearitätsforderungen, insbesondere die Forderung nach einer ausrei­ chend hohen Unterdrückung der FM-AM-Konversion sowie die Forderung nach geringen Intermodulationsstörungen auch für Signale, die außerhalb der Nutzbänder des LMK- und UKW-Bereichs liegen, machen weitergehende Ei­ genschaften erforderlich, über die P 33 15 458 C2 keine Aussagen macht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, technische Lösungen für Antennen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 anzugeben, mit denen bei passiver Ausgestaltung des UKW-Pfads gleichzeitig die hohe erforderliche FM-AM- Konversion und die sonstigen hochwertigen Linearitäts- und Empfindlichkeitseigenschaften in beiden Wellenbereichen erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Erfindung durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 11.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in der Möglichkeit, äußerst kostengünstige gattungsgemäße Antennen mit den erforderlichen hochwertigen elektrischen Eigenschaften realisieren zu können. Auf diese Weise kann das Prinzip der gattungsgemäßen Antennen auch auf Fahrzeuge der unteren und mittleren Preisklasse angewandt werden. Die Aufwandsreduktion hat des weiteren zur Folge, daß wegen der geringeren Zahl aktiver und passiver Bauelemente das erforderliche Verstärkervolumen spürbar geringer ist, wodurch wegen der dann möglichen Miniaturisierung ebenfalls die Probleme der Unterbringung der Verstärker in den Fahrzeugen deutlich geringer werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei erfindungsgemäßen aktiven Antennen aus der Möglichkeit, Schaltungsvarianten anzugeben, bei denen auf Spulen mit großen Induktivitätswerten, die teuer sind, verzichtet werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipschaltbild einer aktiven Antenne mit aktivem LMK- und passivem UKW-Übertragungsvierpol.

Fig. 2 Erfindungsgemäße Antenne mit transformatorischer Auskopplung der UKW-Signale am Eingang des Antennenverstärkers 5.

Fig. 3 Erfindungsgemäße Antenne mit transformatorischer Einkopplung der UKW-Signale am Ausgang des Antennenverstärkers 5.

Fig. 4 Erfindungsgemäße Antenne mit einer Parallelverzweigung der Signale des LMK- und UKW-Bereichs am Eingang des Antennenverstärkers 5.

Fig. 5 Erfindungsgemäße Antenne mit einer Parallelzusammenführung der Si­ gnale des LMK- und UKW-Bereichs am Ausgang des Antennenverstärkers 5.

Fig. 6 Erfindungsgemäße Antenne mit einem UKW-Übertragungsvierpol 15 in T-Schaltung mit Serienkondensatoren und einer zur Antennenmasse geschalteten Induktivität 7 und LMK-Übertragungsvierpol 14 mit UKW-Serien­ drosseln.

Fig. 7 Erfindungsgemäße Antenne mit einem UKW-Übertragungsvierpol 15 in T-Schaltung mit Serienresonanzkreisen.

Fig. 8 Erfindungsgemäße Antenne mit einem LMK-Übertragungsvierpol 14 mit UKW-Seriendrossel und Parallelkapazität am Eingang.

Fig. 9 Erfindungsgemäße Antenne mit einem LMK-Übertragungsvierpol 14 mit UKW-Seriendrossel und Parallelkapazität zwischen der ersten und zweiten Verstärkerstufe.

Fig. 10 Erfindungsgemäße Antenne mit einem LMK-Übertragungsvierpol 14 mit einem UKW-Serien-Sperrkreis und einem nach Masse geschalteten UKW- Serienkreis am Eingang.

Fig. 11 Erfindungsgemäße Antenne mit einem LMK-Übertragungsvierpol 14 mit einer RC-Kombination in der Gegenkopplung.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne. Das Antennenelement 1 ist im niederfrequenten LMK-Frequenzbereich kapazi­ tiv hochohmig, eine Eigenschaft, wie sie z. B. im LMK-Bereich elektrisch kurze Monopole oder elektrisch kurze Drahtstrukturen in Fahrzeugscheiben aufwei­ sen, die nicht leitend mit der Karosserie verbunden sind. Der Realteil der Im­ pedanz des Antennenelements 1 ist dann in der Regel vernachlässigbar gegen den Betrag der Impedanz der Antennenkapazität.

Im stellvertretend für die höherfrequenten Bänder betrachteten UKW-Bereich sind derartige Antennenelemente 1 nicht mehr kurz gegen die Wellenlänge und die Impedanz des Antennenelements am Anschlußpunkt des Antennen­ verstärkers 5 besitzt erhebliche Realteile, so daß eine verlustarme breitban­ dige Anpassung, z. B. an den Wellenwiderstand üblicher Koaxialkabel, möglich ist.

Das Gegengewicht zum Antennenelement 1 bildet die Fahrzeugkarosserie 2, so daß diese die Antennenmasse 30 darstellt (Fig. 2), die ebenfalls die Masse für den LMK-Übertragungsvierpol (14) und den UKW-Übertragungsvierpol (15) ist.

Die Leistungsfähigkeit des Antennenelements 1 im UKW-Bereich sollte für erfindungsgemäße Antennen ausreichend gut sein, da der UKW-Übertra­ gungsvierpol 15 passiv ausgeführt wird. Dies bedeutet, daß der mittlere Si­ gnalpegel des Antennenelements 1 im realen Empfangsfeld beim meßtechni­ schen Vergleich mit dem entsprechenden mittleren Pegel, der mit einer Referenzantenne erreicht wird, nicht wesentlich tiefer liegen sollte. Andern­ falls wäre bei erfindungsgemäßer Ausführung der mittlere Signal-Rauschab­ stand im Vergleich mit der Referenzantenne im praktischen Empfangsbetrieb ebenfalls unterlegen. In derartigen Fällen sollte dann der UKW-Übertragungs­ vierpol aktiv ausgeführt werden, um vom damit erreichbaren Vorteil an Si­ gnal-Rauschabstand zu profitieren.

Bei erfindungsgemäßen aktiven Antennen sind zwei getrennte Übertragungsvierpole für den LMK- und den UKW-Rundfunkempfang vorhan­ den. Daher erfolgt am Eingang des Antennenverstärkers 5 eine Signalauftren­ nung. Wegen der kapazitiven Hochohmigkeit des Antennenelements 1 im LMK-Bereich muß bekanntlich zur Erzielung einer ausreichenden Grenzemp­ findlichkeit jede größere kapazitive Belastung des Antennenelements 1 vermie­ den werden. Daher wird der LMK-Übertragungsvierpol 14 aktiv ausgeführt und verwendet im Eingang ein aktives Element mit kapazitiv hochohmigem Eingangswiderstand, meist einen FET. Daher handelt es sich bei erfindungs­ gemäßen Antennen um aktive Antennen.

Um die so erreichbare hohe Grenzempfindlichkeit für den LMK-Bereich nicht unzulässig zu verschlechtern, darf auch der UKW-Übertragungsvierpol 15 keine unzulässig große kapazitive Belastung für das Antennenelement 1 auf­ weisen. Daher ist dann auch die Eingangsimpedanz des Antennenverstärkers 5 im LMK-Bereich hochohmig.

Da bei erfindungsgemäßen aktiven Antennen die Signale des LMK- und UKW- Bereichs über eine gemeinsame Ausgangsleitung 6 zum Empfänger 13 geführt sind, werden die Signale am Ausgang der beiden Übertragungsvierpole 14 und 15 wieder zusammengeführt.

Diese Signalauftrennung am Eingang des Antennenverstärkers 5 und die Zusammenführung der Signale am Ausgang des Antennenverstärkers 5 kön­ nen bei erfindungsgemäßen Antennen auf unterschiedliche Weise erfolgen. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die UKW-Signale transformatorisch über den Transformator 24 aus dem LMK-Signalpfad ausgekoppelt werden. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht in der die geringen kapaziti­ ven Belastung das Antennenelements 1 durch den UKW-Übertragungsvierpol 15, der nur aus der sehr geringen Kapazität zwischen den beiden Wicklungen des Transformators 24 besteht.

In ähnlicher Weise kann auch, wie in Fig. 3 dargestellt, am Ausgang des Antennenverstärkers 5 eine transformatorische Einkopplung der UKW-Signale über den Transformator 25 in den LMK-Pfad erfolgen. Auf diese Weise stellt der Ausgang des UKW-Übertragungsvierpols 15 auch nur eine geringe Bela­ stung für den Ausgang des LMK-Übertragungsvierpols 14 dar.

In beiden Fällen sind die Primärinduktivitäten 26 und 28 der beiden Transformatoren 24 und 25, die in Serie zum LMK-Signalweg liegen, in der Praxis so gering, daß der Signalfluß im LMK-Bereich im technischen Sinn nicht beeinflußt ist.

Bei erfindungsgemäßen aktiven Antennen weist der Eingang des LMK- Übertragungsvierpols 14 nur eine geringe Belastung des Antennenelements 1 für Frequenzen des UKW-Bereichs auf. Dies erfordert im Beispiel der Fig. 2 z. B., daß die in Serie zum Transformator 24 liegende Eingangsimpedanz des LMK-Übertragungsvierpols 14 für Frequenzen des UKW-Bereichs ausreichend niederohmig ist, um keinen unzulässig hohen Signalverlust zu bewirken. Be­ sonders vorteilhaft sind verlustarme kapazitive Eingangswiderstände, so daß mit der Primärinduktivität 26 des Transformators 24 und mit dem Blindanteil der Impedanz des Antennenelements 1 ein Resonanzkreis gebildet werden kann, dessen Resonanzfrequenz im UKW-Band oder in der Nähe des UKW- Bandes liegt. Wird die Sekundärwicklung 27 durch einen entsprechend ge­ wählten Kondensator 32 ebenfalls zu einem Resonanzkreis ergänzt, so ergibt sich auf diese Weise ein transformatorisch gekoppeltes Zweikreisbandfilter, mit dem vorteilhaft eine für das UKW-Band breitbandige Signalauskopplung für den UKW-Übertragungsvierpol erreicht werden kann.

Ergibt sich der verlustarme kapazitive Eingangswiderstand des LMK-Übertra­ gungsvierpols 14 für Frequenzen des UKW-Bereichs nur aus der Eingangska­ pazität des FETs, so wird dieser durch UKW-Signale ausgesteuert mit der Ge­ fahr von unerwünschten nichtlinearen Verzerrungen. Daher ist es im Interesse hervorragender Linearitätseigenschaften in der Regel erforderlich, die für die Primärresonanz notwendige Kapazität durch einen zusätzlich gegen die An­ tennenmasse 30 geschalteten Kondensator zu realisieren und durch eine für die LMK-Frequenzen niederohmige und für UKW-Frequenzen hochohmige Se­ riendrossel oder durch einen in Serie geschalteten UKW-Sperrkreis den FET vor UKW-Signalen zu schützen. Der Wert dieser zusätzlichen Kapazität ist da­ bei ausreichend klein zu wählen, um die LMK-Grenzempfindlichkeit nicht un­ zulässig zu verschlechtern.

In ähnlicher Weise ist dafür Sorge zu tragen, daß der Ausgang des LMK- Übertragungsvierpols 14 nur eine geringe Belastung für den Ausgang des UKW-Übertragungsvierpols 15 aufweist. Dies erfordert im Beispiel der Fig. 3 eine für UKW-Frequenzen ausreichend niederohmige Ausgangsimpedanz des LMK-Übertragungsvierpols. Diese kann in der Praxis einfach und in der Regel ohne Schwierigkeiten z. B. durch einen zur Antennenmasse geschalteten Kondensator 33 erreicht werden. Wegen der internen Leistungsverstärkung im LMK-Übertragungsvierpols 14 ist dieser Kondensator 33 nur am Signalver­ halten für den LMK- und UKW-Frequenzbereich, nicht jedoch im Hinblick auf die LMK-Grenzempfindlichkeit zu bemessen.

Im übrigen besteht wieder die Möglichkeit, die Primärwicklung 28 des Transformators 25 mit der Kapazität 33 im Ausgang des LMK-Übertragungs­ vierpols in Resonanz für das UKW-Band zu bringen, wodurch der Wert des Kondensators 33 dann kleiner gewählt werden kann. Ebenfalls bietet es sich an, den Transformator 25 zu einem transformatorisch gekoppelten Zweikreis­ bandfilter zu ergänzen mit den bereits geschilderten Vorteilen.

Der Nachteil der Signalauskopplung und Signaleinkopplung nach Fig. 2 und Fig. 3 besteht in der Notwendigkeit von Transformatoren, die für moderne mi­ niaturisierte Schaltungen in SMD-Technik wenig geeignet sind. Soweit sie überhaupt als SMD-Elemente verfügbar sind, sind sie vergleichsweise teuer und daher gerade für erfindungsgemäße aktive Antennen, deren Vorteil in ge­ ringen Kosten liegen soll, wenig attraktiv.

Unter Kostenaspekten vorteilhafte Ausführungen der Signal-einkopplung und -auskopplung bei erfindungsgemäßen aktiven Antennen zeigen die Fig. 4 und 5. In Fig. 4 erfolgt die Signalauskopplung in Form einer Parallelverzweigung, in Fig. 5 entsprechend die Signaleinkopplung als Parallelverzweigung. Bei derarti­ gen Ausführungsformen sind andere technische Lösungen zu verwenden, um die für erfindungsgemäße Antennen geringe wechselseitige Belastung des LMK-Übertragungsvierpols 14 und des UKW-Übertragungsvierpols 15 zu er­ reichen.

Die geringe kapazitive Last für das Antennenelement 1 für Frequenzen des LMK-Bereichs durch den angeschlossenen Übertragungsvierpol für den UKW- Bereich 15 wird vorteilhaft durch eine ausreichend kleine Serienkapazität er­ reicht. Ebenso kann einfach durch eine weitere ausreichend kleine Serienka­ pazität am Ausgang des Übertragungsvierpols für den UKW-Bereich 15 er­ reicht werden, daß für Frequenzen des LMK-Bereichs nur eine geringe Bela­ stung für den Ausgang des Übertragungsvierpols für den LMK-Bereich 14 wirksam ist. Ein entsprechendes Netzwerk für den UKW-Übertragungsvierpol 15 zeigt das Beispiel von Fig. 6.

Um gleichzeitig die Anpassung der UKW-Antennenimpedanz an den Wellenwiderstand der Ausgangsleitung 6 zu bewirken, sind in der Regel wei­ tere Blindelemente im UKW-Übertragungsvierpol 15 erforderlich, z. B. die Induktivität 7, die im Beispiel der Fig. 6 vom Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren 35 und 36 zur Antennenmasse 30 geschaltet ist.

Ein UKW-Übertragungsvierpol 15 für erfindungsgemäße Antennen mit weitergehenden Transformationsmöglichkeiten als mit der Anordnung nach Fig. 6 zeigt Fig. 7. Die Blindelemente 12a und 12b sind als Serienresonanz­ kreise ausgeführt, wobei für die Dimensionierung der Serienkondensatoren in den Serienresonanzkreisen wieder die bereits angegebenen Gesichtspunkte zu berücksichtigen sind. Die Schaltung nach Fig. 7 stellt ein induktiv gekoppeltes Zweikreisbandfilter in T-Schaltung dar, mit dem bekanntlich sehr universelle Impedanztransformationen realisiert werden können.

Die Belastung des Antennenelements 1 für Frequenzen des UKW-Bereichs durch den Eingang des Übertragungsvierpols für den LMK-Bereich 14 ist in der Regel bereits ausreichend klein, wenn, wie üblich, in der Eingangsstufe des Übertragungsvierpols für den LMK-Bereich 14 ein kapazitätsarmer Feldef­ fekttransistor verwendet wird. Dies führt allerdings zu einer Aussteuerung der Eingangsstufe des LMK-Verstärkers durch die UKW-Signale oder durch starke Signale aus anderen Bändern, so daß dann eine sehr hohe Linearität des LMK- Verstärkers für alle Frequenzen sichergestellt sein muß, die nicht ohne Auf­ wand realisiert werden kann.

In einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung wird daher die Belastung des Antennenelements 1 für Frequenzen des UKW-Bereichs durch den Ein­ gang des Übertragungsvierpols für den LMK-Bereich 14 weiter reduziert und gleichzeitig die Aussteuerung des LMK-Übertragungsvierpols durch dem LMK- Band fremde Signale vermieden, in dem eine Drossel 37a in Serie zur LMK- Einkopplung verwendet wird (Fig. 6).

Diese ist so groß zu wählen, daß sich für UKW-Frequenzen eine ausreichend hochohmige Impedanz einstellt und gleichzeitig die Induktivität für die Fre­ quenzen des LMK-Bereichs ausreichend gering ist. Drosseln mit Induktivitäts­ werten von typisch 1 bis 6 pH erfüllen diese Anforderungen, wobei keine ho­ hen Anforderungen bezüglich eines genauen Werts bestehen, da der Fre­ quenzabstand zwischen den beiden Bändern ausreichend groß ist. Falls erfor­ derlich, kann in gleicher Weise eine Drossel 37b in Serie zur LMK-Auskopp­ lung verwendet werden, wenn andernfalls der LMK-Übertragungsvierpol 14 eine unzulässig hohe Belastung für den Ausgang des UKW-Übertragungsvier­ pols 15 aufwiese (Fig. 6).

Soll der Antennenverstärker komplett in SMD-Technik realisiert werden, so sind allerdings derartige Drosseln mit hohen Induktivitätswerten wegen der hohen Kosten unerwünscht. Dann kann vorteilhaft bei erfindungsgemäßen ak­ tiven Antennen die Belastung des Antennenelements 1 für Frequenzen des UKW-Bereichs durch den Eingang des Übertragungsvierpols 14 für den LMK- Bereich durch einen in Serie zur LMK-Einkopplung geschalteten hochohmigen Parallelresonanzkreis 38a ausgeführt werden (Fig. 7), wodurch wegen der Re­ sonanzüberhöhung für die Induktivität der Spule des Resonanzkreises wesent­ lich geringere Werte erforderlich sind, so daß z. B. die Spule kostengünstig re­ alisiert, z. B. aufgedruckt, werden kann. Falls erforderlich, kann ein ähnlicher Parallelresonanzkreis 38b auch wieder die Belastung des UKW-Über­ tragungsvierpols 15 durch den LMK-Übertragungsvierpol 14 ausreichend reduzieren.

Der passive und verlustarme UKW-Übertragungsvierpol 15 stellt für den akti­ ven LMK-Übertragungsvierpol 14 ein Rückkopplungsnetzwerk dar. Wegen der Leistungsverstärkung im LMK-Übertragungsvierpol 14 besteht daher grund­ sätzlich die Gefahr einer Selbsterregung der Schaltung. Es ist jedoch für erfin­ dungsgemäße Antennen nicht ausreichend, die beiden Netzwerke nur unter dem Aspekt der Stabilität zu betrachten.

Hierfür wäre eine Schleifenverstärkung vom Betrag her unter 1 ausreichend, jedoch liegt dann immer noch eine ausgeprägte Rückkopplung vor, die zwar nicht zu einer Selbsterregung ausreichend ist, die jedoch trotzdem zu einer erhöhten Aussteuerung der aktiven Elemente des LMK-Übertragungsvierpols 14 führen würde. Hierdurch ist die Gefahr von Empfangsstörungen durch Kreuz- oder Intermodulation oder durch eine FM-AM-Konversion unzulässig erhöht. Dabei sind nicht nur Signale der beiden Nutzbänder LMK und UKW, sondern ebenfalls die Signale aller anderen Bänder, auf denen in der Praxis vom Antennenelement 1 starke Signale empfangen werden, zu betrachten. Dies trifft z. B. auf die Bänder mit leistungsstarken Fernsehsendern zu, wenn das höhere Frequenzband, wie hier stellvertretend angenommen, das UKW- Band ist.

Für aktive Antennen nach der Erfindung mit hochwertigen Linearitätseigen­ schaften bestehen daher weitergehende Anforderungen an die Netzwerke des LMK-Übertragungsvierpols 14 und des UKW-Übertragungsvierpols 15. Erfin­ dungsgemäße Antennen weisen daher zumindest einen UKW-Übertragungs­ vierpols 15 auf, der für Signale des LMK-Bereichs undurchlässig ist, und einen LMK-Übertragungsvierpol 14 mit einer Filterschaltung 10 mit Tiefpaßcharak­ ter, dessen Grenzfrequenz oberhalb des LMK-Bereichs und unterhalb des hö­ heren Frequenzbereichs, z. B. des UKW-Bereichs, liegt.

Die Undurchlässigkeit des UKW-Übertragungsvierpols 15 für LMK-Signale er­ fordert in der Regel eine Induktivität 7, die von einem signalmäßig nicht über­ brückten Punkt gegen die Antennenmasse 30 geschaltet ist (Fig. 6, Fig. 7), die also innerhalb des UKW-Übertragungsvierpols 15 so angeordnet ist, daß sich eine ausgeprägte Wirkung für die Frequenzen des LMK-Bereichs ergibt. Eine derartige Induktivität ist deswegen sehr effizient, da bei erfindungsgemäßen Antennen das Antennenelement 1 im LMK-Frequenzbereich kapazitiv hoch­ ohmig ist. Zusammen mit der Induktivität 7 ergibt sich so bei tiefen Frequen­ zen eine Hochpaßcharakteristik, wobei der Wert der Induktivität 7 so zu be­ messen ist, daß sich zusammen mit der Ersatzkapazität für das Antennenele­ ment 1 eine Grenzfrequenz ergibt, die deutlich höher als die höchsten Fre­ quenzen des LMK-Frequenzbereichs liegt.

Ist die Induktivität 7 wirksames Bestandteil der UKW-Anpaßschaltung (Werte typisch unter 1 pH), so ist diese Bedingung für derzeit für aktive Antennen verwendete Antennenelemente 1 mit Ersatzkapazitäten von typisch 5 bis 50 pF sicher erfüllt. Mit der in Fig. 7 angegebenen Ausführung des UKW-Übertra­ gungsvierpols 15 ergibt sich dann eine Bandpaßcharakteristik für das UKW- Band, also wiederum eine Hochpaßcharakteristik bei tiefen Frequenzen, was ebenfalls eine Undurchlässigkeit für Frequenzen des LMK-Bereichs bedeutet.

Die Filterschaltung 10 mit Tiefpaßcharakteristik im Übertragungsvierpol 14 für den LMK-Bereich kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt und an unter­ schiedlicher Stelle im Übertragungsvierpol 14 plaziert sein.

Im Beispiel der Fig. 6 ist die Filterschaltung 10 gegeben durch die Seriendros­ sel 37a zusammen mit der Eingangskapazität des Feldeffekttransistors 40, die typisch im Bereich 10 bis 20 pF liegt. Wählt man die Induktivität der Serien­ drossel 37a zu 1 pH, so ergibt sich dadurch eine Grenzfrequenz des Tiefpas­ ses von 35 bzw. 50 MHz. Ist bei erfindungsgemäßen aktiven Antennen eine niedrigere Grenzfrequenz erwünscht, kann entweder der Induktivitätswert der Seriendrossel 37a größer gewählt oder eine zusätzliche Kapazität 39 parallel zum Eingang des FETs 40 geschaltet werden (Fig. 8). Der Wert dieser Kapazi­ tät stellt allerdings eine weitere kapazitive Belastung des kapazitiven Anten­ nenelement 1 für die LMK-Frequenzen dar und reduziert demzufolge die Gren­ zempfindlichkeit. Daher darf der Wert dieser Kapazität 39 nicht unnötig groß gewählt werden.

Die Filterschaltung 10 kann jedoch bei erfindungsgemäßen Antennen auch nach dem ersten aktiven Element 40, der in der Regel ein FET ist, eingebaut werden (Fig. 9). In diesem Beispiel ergibt sich durch die Anordnung der Filter­ schaltung 10 aus den Elementen 42 und 39 in den Gegenkopplungszweig des FETs 40 bei Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz des Tiefpasses eine ge­ genkoppelnde und stark linearisierende Wirkung sowie eine Absenkung der Signale, die den Transistor 41 der zweiten Verstärkerstufe aussteuern. Dieser ist in der Regel ein Bipolartransistor. Der Vorteil dieser Anordnung im Vergleich zu derjenigen der Fig. 8 ergibt sich aus der Möglichkeit, wegen des niederohmigeren Impedanzniveaus vom Induktivitätswert her kleinere Serien­ drosseln 42 und größere Kondensatoren 39 zu verwenden.

Die Filterschaltung 10 mit Tiefpaßwirkung kann auch in den Gegenkopplungs­ zweig der zweiten Verstärkerstufe eingebaut werden, wie dies beispielhaft Fig. 11 zeigt. Die Kombination der Drossel 42 und des Widerstands 43 ergibt ebenfalls eine Tiefpaßwirkung bezüglich einer Auskopplung am Kollektor des Transistors 41, allerdings mit einer geringeren Flankensteilheit als bei den LC- Kombinationen der Fig. 8 und Fig. 9.

Eine besonders hohe Absenkung der in der Regel bezüglich nichtlinearer Ef­ fekte besonders gefährlichen starken Signale des UKW-Bandes in Kombination mit der Tiefpaßcharakteristik der Filterschaltung 10 ist mit der in Fig. 10 ange­ gebenen erfindungsgemäßen Anordnung erreichbar. Als Serienelement wird ein Parallelkreis 38a, als gegen Masse geschaltetes Element ein Serienreso­ nanzkreis 44 verwendet. Die Resonanzfrequenzen beider Kreise werden vor­ zugsweise so festgelegt, daß sie innerhalb des UKW-Bandes und in der Regel bei Bandmitte zu liegen kommen. Bei tiefen Frequenzen wirkt vom in Serie geschalteten Resonanzkreis zunächst nur die Induktivität, vom nach Masse geschalteten Serienresonanzkreis nur die Kapazität, so daß sich auch mit die­ ser Schaltungsanordnung bei tiefen Frequenzen ein Tiefpaßverhalten ergibt, das aber zusätzlich bei den Frequenzen des UKW-Bereichs eine sehr hohe Ab­ senkung der Signale ergibt.

Um die Grenzempfindlichkeit im LMK-Bereich nicht unzulässig zu reduzieren, ist der Wert des Kondensators des Serienresonanzkreises 44 wieder ausrei­ chend klein zu wählen.

Im LMK-Frequenzbereich ist in der Regel ein frequenzunabhängiger Zusam­ menhang zwischen der Leerlaufspannung des Antennenelements 1 und der Eingangspannung 45 des Empfängers 13 erwünscht. Wegen des kapazitiv hochohmigen Eingangswiderstands heutiger Empfänger und wegen der im Vergleich zur Wellenlänge im LMK-Bereich kurzen Länge des Verbindungska­ bels 6 zwischen einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne und dem Empfän­ ger 13 ist auch die Last, die Kabel und Empfänger für den Antennenverstärker darstellen, kapazitiv. Für erfindungsgemäße Antennen, die in der Nähe des Tuners angeordnet sind (Antenne und Tuner im Frontbereich oder Antenne und Tuner im Heckbereich) ist die Länge des Kabels 6 kurz und die kapazitive Last für den Antennenverstärker 5 entspricht in der Praxis nicht mehr als etwa 55 pF. Im Kurzwellenband ergibt sich so eine Last von etwa 500 Ohm kapazitiv.

Um den erwünschten frequenzunabhängigen Zusammenhang zu erreichen ist entweder die Ausgangsimpedanz des Antennenverstärkers im wesentlichen kapazitiv zu gestalten, so daß sich ein frequenzunabhängiger kapazitiver Spannungsteiler ergibt, oder die Ausgangsimpedanz wird ausreichend nie­ derohmig und reell gewählt.

Im Beispiel der Fig. 11 ist dies der Widerstand 46, der im Kollektor der zweiten Verstärkerstufe angeordnet ist und der deshalb im wesentlichen die Ausgangsimpedanz des LMK-Übertragungsvierpols 14 bestimmt. Wird dieser z. B. zu 470 Ohm gewählt, ist ein ausreichend frequenzunabhängiger Zu­ sammenhang zwischen der Leerlaufspannung des Antennenelements 1 und der Eingangspannung 45 des Empfängers 13 gegeben. Ist der Wellenwider­ stand des Kabels, wie häufig bei Autoradios, ebenfalls 150 Ohm, ist dieser zum Ausgang des UKW-Übertragungsvierpols 15 parallel liegende Lastwider­ stand ausreichend hochohmig im Sinne der Erfindung.

Bei größeren Entfernungen zwischen Antennenverstärker 5 und Empfänger 13 ist die kapazitive Last wegen des längeren Kabels 6 niederohmiger. Maximal kann in der Praxis von etwa 200 pF Lastkapazität ausgegangen werden, was einer kapazitiven Last von etwa 130 Ohm entspricht. Wird dann der Wider­ stand 46 entsprechend zu etwa 120 Ohm gewählt, ist ohne zusätzliche Maß­ nahmen dann eine unerwünschte Belastung des Ausgangs des UKW-Übertragungsvierpol 15 gegeben. In derartigen Fällen können dann z. B. die Maßnahmen nach Fig. 6 (Seriendrossel 37b) oder nach Fig. 7 (Parallelkreis 38b) angewendet werden.

Für erfindungsgemäße aktive Antennen sollte vorteilhafterweise im Interesse möglichst geringer Empfangsstörungen durch Kreuz- oder Intermodulation oder durch FM-AM-Konversion die Schleifenverstärkung der Anordnung aus dem durch den passiven UKW-Übertragungsvierpol 14 rückgekoppelten akti­ ven LMK-Übertragungsvierpol 15 vom Betrag her deutlich unter 1 gewählt werden.

Im Falle einer Schleifenverstärkung "kV" nur knapp unter 1 läge nämlich im­ mer noch eine ausgeprägte Rückkopplung vor, die zwar nicht zu einer Selbst­ erregung ausreichend ist, die jedoch trotzdem zu einer erhöhten Aussteue­ rung der aktiven Elemente des LMK-Übertragungsvierpols 14 führen würde, da die Aussteuerung im ungünstigsten Fall der Phasenlage dabei auf 1/(1- |kV|) im Vergleich zum nicht rückgekoppelten Fall ansteigt.

Ein Wert für |kV| von 0,5 kann daher als oberer Grenzwert für erfindungs­ gemäße aktive Antennen angesehen werden, der demzufolge zumindest in den Bändern, in denen leistungsstarke und daher potentiell nichtlineare Ver­ zerrungen erzeugende Sender vorhanden sind, nicht überschritten werden sollte.

Claims (11)

1. Aktive Antenne für Kraftfahrzeuge für den LMK- Rundfunkempfang sowie für den Empfang eines höheren nicht unmittelbar an das LMK-Fre­ quenzband anschließenden Frequenzbandes, mit einem im LMK-Frequenz­ bereich kapazitiv hochohmigen Antennenelement (1), einem Antennenver­ stärker (5) mit zwei Eingangsanschlüssen (3, 8) und zwei Ausgangsan­ schlüssen (4, 9) und einer an diese Ausgangsanschlüsse angeschlossenen Ausgangsleitung (6), wobei das an den Antennenverstärker (5) an­ geschlossene Ende des Antennenelements (1) mit dem ersten Eingangsan­ schluß (3) des Antennenverstärkers (5) und der zweite Eingangsanschluß (8) des Antennenverstärkers (5) mit der leitfähigen Fahrzeugkarosserie (2), die die Antennenmasse (30) bildet, verbunden ist und die Ausgangsleitung (6) des Antennenverstärkers (5) zum Empfänger (13) geführt ist und der Antennenverstärker (5) für den LMK-Bereich und das höhere Frequenzband getrennte Übertragungsvierpole aufweist und der LMK-Übertragungsvierpol (14) einen LMK-Verstärker mit einer im LMK-Frequenzbereich hochohmigen Eingangsimpedanz besitzt und die Eingangsimpedanz des Antennenverstär­ kers (5) im LMK-Bereich hochohmig ist und der Übertragungsvierpol (15) für das höhere Frequenzband aus einem verlustarmen Anpassungsnetzwerk besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des LMK-Übertragungsvierpols (14) nur eine geringe Belastung des Antennenelements (1) für Frequenzen des höheren Frequenzbandes und der Ausgang des LMK-Übertragungsvier­ pols (14) nur eine geringe Belastung für den Ausgang des Übertragungs­ vierpols (15) für das höhere Frequenzband aufweist und der Eingang des Übertragungsvierpols (15) für das höhere Frequenzband für Frequenzen des LMK-Bereichs nur eine geringe kapazitive Last für das Antennenelement (1) und der Ausgang des Übertragungsvierpols (15) für das höhere Frequenz­ band für Frequenzen des LMK-Bereichs nur eine geringe Belastung für den Ausgang des LMK-Übertragungsvierpols (14) aufweist und der LMK-Über­ tragungsvierpol (14) eine Filterschaltung (10) mit Tiefpaßcharakter mit ei­ ner Grenzfrequenz oberhalb des LMK-Frequenzbereichs und unterhalb des Frequenzbereichs des höheren Frequenzbandes enthält und der Übertra­ gungsvierpol (15) für das höhere Frequenzband für Signale des LMK-Be­ reichs weitgehend undurchlässig ist.

2. Aktive Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsvierpol (15) für das höhere Frequenzband auch eine von einem signalmäßig nicht überbrückten Punkt zur Antennenmasse (30) geschaltete Induktivität (7) enthält, die für Fre­ quenzen des LMK-Bereichs niederohmig ist.

3. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (10) am Eingang des LMK- Übertragungsvierpols (14) vor dem ersten aktiven Element (11) angeordnet ist (Fig. 8).

4. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der LMK-Verstärker mindestens zwei Ver­ stärkerstufen enthält und die Filterschaltung (10) zwischen beiden Verstär­ kerstufen angeordnet ist (Fig. 9).

5. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (10) aus einer Serien-In­ duktivität und einer Parallel-Kapazität besteht.

6. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (10) aus einem in Serie geschalteten Sperrkreis (38a) für das höhere Frequenzband und einem nach Masse geschalteten Serienkreis (44) für das höhere Frequenzband mit klei­ ner Kreiskapazität besteht (Fig. 10).

7. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (10) mit Tiefpaßcharakter sich durch eine geeignete Gegenkopplungsimpedanz in einer Verstärker­ stufe innerhalb des LMK-Übertragungsvierpols (14) ergibt (Fig. 11).

8. Aktive Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (10) in der Gegenkopplung einer Verstärkerstufe aus der Serienschaltung einer Induktivität (42) und einem Widerstand (43) besteht.

9. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpedanz des LMK-Übertra­ gungsvierpols (14) reell ist und der Impedanzwert hochohmig gegenüber dem Wellenwiderstand der Ausgangsleitung (6) ist.

10. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsvierpol (15) für das höhere Frequenzband am Ein- und Ausgang jeweils eine kleine Serienkapazität aufweist.

11. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Schleifenverstärkung des durch den Übertragungsvierpol (15) für das höhere Frequenzband rückge­ koppelten LMK-Übertragungsvierpols (14) in Frequenzbändern mit lei­ stungsstarken Sendern kleiner als 0,5 ist.