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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antennen, die an
Kraftfahrzeugen installiert sind und zum Empfang von AM/fM-Bändern verwendet werden,
und insbesondere auf eine verkürzte Stabantenne mit
Kompensationsschaltkreisen.
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Wenn verkürzte Stabantennen in Kraftfahrzeugen zum Empfang von
AM/FM-Bändern (-Frequenzbändern) verwendet werden, tritt scheinbar ein deutlicher
Empfindlichkeitsabfall auf. Demzufolge ist es die Praxis geworden, einen
AM-Breitbandverstärker und einen FM-Breitbandverstärker parallel zu
verbinden und diese Verstärker zwischen der Antenne und einer Zuführleitung
einzusetzen.
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Insbesondere wenn eine AM/FM-Antenne in dem FM-Frequenzband verwendet
wird, falls eine solche Antenne kurzer als der resonante Zustand ist,
z.B. bei einer Länge von 50 cm (mit einem 6 mm Durchmesser), die ungefähr
1/2 der Länge ist, die bei FM-Frequenzen in Resonanz tritt, wie dies in
Fig. 6B dargestellt ist, dann wird der Antennenwiderstand Ra ungefähr
10 Ohm (Fig. 6A) werden. Dies ist geringer als der Niderstand in dem
resonanten Zustand (der ungefähr 75 Ohm ist) und führt zu einer
Antennenreaktanz Xc von ungefähr -200 0hm (äquivalente, elektrostatische
Kapazität: ungefähr 12 PF).
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Automobilantennen besitzen gewöhnlich eine Teleskopstruktur, so daß die
Antenne innerhalb der Fahrzeugkarosserie zurückgezogen wird, wenn sie
nicht verwendet wird. Als Ergebnis beträgt allgemein die Streukapazität
an der Basis der Antenne 20 PF bis 40 PF aufgrund der eingesetzten,
mechanischen Struktur. Aufgrund dieser Streukapazität wird der scheinbare
Antennenwiderstand sogar geringer.
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Nenn eine herkömmlich verwendete, koaxiale Zuführleitung (die eine
charakteristische Impedanz von 50 Ohm bis 200 Ohm besitzt) direkt mit einer
solchen Antenne verbunden wird, wird der fehlanpassungsverlust größer und
die Bandbreite wird extrem eng. Demzufolge ist es möglich, einen
FM-Empfang mit einer guten Empfindlichkeit zu erhalten. Herkömmlich ist dieses
Problem durch Einsetzen von Breitandverstärkern zwischen der Antenne und
der Zuführleitung gelöst worden, wie dies vorstehend erwähnt ist.
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Wenn die AM/FM-Antenne ungefähr 50 cm lang ist, so daß sie in dem
AM-frequenzband verwendet wird, ist eine solche Antennenlänge extrem kurz
verglichen mit Wellenlängen in dem AM-Frequenzband. Demgemäß wird der
Antennenwiderstand Ra virtuell 0 Ohm und die Antennenreaktanz Xc wird
-20 Kilo-Ohm bis -50 Kilo-Ohm (äquivalente, elektrostatische Kapazität:
ungefähr: 7 PF), was zu einer Antenne mit einer extrem hohen Impedanz
fuhrt.
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Wenn eine Antenne und ein Radioempfänger durch eine koaxiale
Zufuhrleitung verbunden werden, ist die Zuführleitung kurzer als die Wellenlänge,
die eingesetzt wird. Demzufolge ist in diesem Fall kein Erfordernis
vorhanden, eine Impedanzanpassung zu berücksichtigen. Allerdings tritt hier
ein Kapazitätsaufteilungsverlust auf, der von der Antennenkapazität und
der Antennenstreukapazität plus der elektrischen Kapazität der
Zuführleitung herrührt, was zu einem beträchtlichen Abfall in der
Empfangsempfindlichkeit fuhrt.
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Weiterhin erreicht im Fall einer motorgetriebenen Antenne die Länge der
Zufuhrleitung 4 bis 5 m und die elektrostatische Kapazität der
Zuführleitung erreicht 150 bis 300 PF oder höher. Als Ergebnis beträgt der
Aufteilungsverlust bis zu -25 bis -35 dB.
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Unter Berücksichtigung des Vorstehenden wird ein Kabel mit niedriger
Kapazität mit hohen Impedanzcharakteristika in einigen Fällen verwendet,
um den Kapazitätsaufteilungsverlust zu reduzieren. In solchen Fällen
steigt allerdings der FM-Signalanpassungsverlust an und die
FM-Empfangsempfindlichkeit wird schlecht.
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Herkömmlich ist deshalb zwischen den vorstehend beschriebenen zwei
Situationen ein Kompromiß in Kauf genommen worden und Koaxialkabel mit
einer Kapazität von 30 bis 50 PF/m sind gewöhnlich verwendet worden.
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Wenn starke elektromagnetische Wellen in herkömmlichen Vorrichtungen, wie
sie vorstehend erwähnt sind, empfangen werden, werden die
elektromagnetischen Wellen in den nicht linearen Bereichen der Breitbandverstärker
verstärkt, so daß eine Amplitudenverzerrung erzeugt wird, und der Klang,
der empfangen wird, wird verzerrt.
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Weiterhin werden, wenn ein Versuch unternommen wird, andere Wellen unter
starken elektromagnetischen Wellen zu empfangen, eine
Kreuzmodulationsverzerrung und eine Intermodulationsverzerrung durch die nicht lineare
Verzerrung der Breitbandverstärker erzeugt. Als Ergebnis wird nicht nur
der empfangene Klang verzerrt, sondern der Empfang kann in einigen Fällen
unmöglich werden.
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Zusätzlich fällt aufgrund des Rauschens, das durch den
Breitbandverstärker erzeugt wird, die praktische Empfangsempfindlichkeit ab. Anders
ausgedrückt wird der Empfängereingangssignalpegel, der erforderlich ist, um
das vorbeschriebene S/N-Verhältnis zu erreichen, z.B. 20 dB in dem Fall
von AM-Senderwellen und 30 dB in dem Fall von FM-Senderwellen, erhöht.
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Weiterhin erhöhen sich, da sowohl AM- als auch FM-Breitbandverstärker
verwendet werden, die Gesamtkosten der Antenne. Wenn
Hochleistungsverstärker mit einer hohen Linearität verwendet werden, um eine solche
Verzerrung des empfangenen Klangs zu verhindern, werden die Kosten noch
weiter angehoben.
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Die EP-A-0023943 offenbart eine Funkempfangsantenne für eine Verwendung,
um AM- und FM-Frequenzen zu empfangen, die eine Antenne kürzer als die
Resonanzfrequenzen verwendet. Ein Verstärker ist vorgesehen, der nur die
Hochfrequenzsignale des unteren Frequenzbereichs verstärkt. Obere
Frequenzbereichssignale führen an dem Verstärker mittels eines
Bandpaßfilters
im Bypass vorbei, der entweder durch einen einzelnen
Resonanzschaltkreis oder durch zwei miteinander verkoppelte gebildet ist. In dem Fall,
wo dort zwei Resonanzschaltkreise vorhanden sind, bildet die Antenne die
Induktivität und die Kapazität für den ersten.
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Die US-3939424 offenbart einen AM-Signalverstärker, der mit einem
Bandpaßfilter über ein Frequenzkorrekturnetzwerk verbunden ist, das einen
Hochimpedanzeingang besitzt. Dieses Dokument ist nicht auf eine
FM-Verstärkung gerichtet.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Antenneneinheit, die eine
verkürzte Stabantenne und eine Kompensationsschaltkreiseinrichtung besitzt,
weist FM- und AM-Kompensationsschaltkreise auf, die mit der Stabantenne
verbunden sind, wodurch die Antenne in einem Zustand kürzer als der
resonante Zustand der Antenne verwendet werden kann,
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wobei die Antenne Einrichtungen umfaßt, die so angeordnet sind, um die
Antenne direkt mit der Kompensationsschaltkreiseinrichtung zu verbinden,
wodurch eine Streukapazität an der Verbindung zwischen der Antenne und
der Kompensationsschaltkreiseinrichtung 10 PF oder geringer ist;
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wobei der FM-Kompensationsschaltkreis nur aus passiven Elementen gebildet
ist und erste und zweite Reihenresonanzschaltkreise und
Kopplungseinrichtungen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Reihenresonanzschaltkreis
gekoppelt sind, aufweist, wodurch eine Breitbandbreite über das gesamte
FM-Sendeband erhalten wird;
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wobei der AM-Kompensationsschaltkreis ein aktives Element besitzt, das
als ein Source-Folger oder als ein Emitter-Folger konfiguriert ist und so
angeordnet ist, um ein AM-Sendesignal unter einer hohen Impedanz zu
empfangen und es unter einer niedrigen Impedanz abzugeben; und
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wobei die Einheit weiterhin Drosseleinrichtungen aufweist, die zwischen
dem FM-Kompensationsschaltkreis und dem AM-Kompensationsschaltkreis
verbunden
sind, um den AM-Kompensationsschaltkreis von dem
FM-Kompensationsschaltkreis in der Hochfrequenzstufe zu trennen;
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gekennzeichnet dadurch, daß der AM-Kompensationsschaltkreis einen
Eingangsbandpaßfilter aufweist, wobei die niedrige Abschneidcharakteristik
davon durch die Streukapazität an der Antennenseite, die
Kopplungseinrichtung des FM-Kompensationsschaltkreises und eine Induktivität, die
parallel zu der elektrostatischen Kopplungskapazität eingesetzt ist,
bestimmt wird; und wobei die Hochbereichsabschneidecharakteristik davon
durch die Eingangskapazität des aktiven Elements und eine Induktivität
bestimmt wird, die in Reihe zu einer zusätzlichen Kapazität eingesetzt
ist;
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und daß die Antenne, ein ü.berspannungsschutzteil und der Eingang des
FM-Kompensationsschaltkreises zusammen verbunden sind und mit dem Eingang
des AM-Kompensationsschaltkreises über die Drosseleinrichtung verbunden
sind.
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Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die verkürzte
Stabantenne, die mit Kompensationsschaltkreisen ausgestattet ist, vorgesehen
ist, die eine Verzerrung des empfangenen Klangs dort verhindern kann, wo
starke elektromagnetische Wellen empfangen werden und auch einen
fehlerhaften Empfang dort verhindert, wo ein Versuch unternommen wird, andere
elektromagnetische Wellen zu empfangen. Die Antenne verhindert weiterhin
irgendeinen praktikablen Empfangsempfindlichkeitsabfall und kann unter
niedrigen Kosten hergestellt werden.
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In der vorliegenden Erfindung wird, da die Streukapazität des
Kopplungsteils der Antenne auf 10 PF oder geringer gehalten wird, ein
Anpassungsverlust verringert werden und der Empfangsempfindlichkeitsabfall kann
vermindert werden. Als Ergebnis kann der FM-Kompensationsschaltkreis so
aufgebaut werden, daß nur passive Elemente verwendet werden. Demzufolge
kann eine Verzerrung des empfangenen Klangs in Fällen, wo starke
elektromagnetische Wellen empfangen werden, verhindert werden, und ein
fehlerhafter
Empfang kann in Fällen verhindert werden, wo der Empfang anderer
elektromagnetischer Wellen unter starken elektromagnetischen Wellen
versucht wird. Weiterhin wird, da die Ausgangsimpedanz des
AM-Kompensationsschaltkreises niedrig ist, der Kapazitätsaufspaltungsverlust der Antenne
und der Zuführleitung verringert werden, der
Empfangsempfindlichkeitsabfall wird verhindert und die Antenne als Ganzes ist billig herzustellen.
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Diese Erfindung kann besser aufgrund der nachfolgenden, detaillierten
Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
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Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt, das einen Fall darstellt, wo ein 50 cm verkürzter Stab
verwendet wird;
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Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das ein Funkempfängersystem darstellt, das für
die Ausführungsform der Fig. 1 verwendet wird;
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Fig. 3A ein Schaltkreisdiagramm zeigt, das einen äquivalenten Schaltkreis
des FM-Kompensationsschaltkreises und der Antenne in dem FM-Frequenzband
in der Ausführungsform der Fig. 1 darstellt;
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Fig. 3B den äquivalenten Schaltkreis darstellt, der sich auf die
FM-Frequenzcharakteristika in Fig. 3A bezieht;
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Fig. 4A ein Schaltkreisdiagramm zeigt, das einen äquivalenten Schaltkreis
des AM-Kompensationsschaltkreises und der Antenne in dem AM-Frquenzband
in der Ausführungsform der Fig. 1 darstellt;
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Fig. 48 den äquivalenten Schaltkreis darstellt, der sich auf die
AM-Frequenzcharakteristika in Fig. 4A bezieht;
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Fig. 5 einen Graphen zeigt, der die FM-Reflexionsverlustcharakteristika
darstellt, und zwar aus Sicht der Antennenseite von dem Ausgangsanschluß
der Ausführungsform der Fig. 1 aus; und
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Fig. 6A und 6B Graphen zeigen, die Impedanzkennlinien einer
herkömmlichen, verkürzten Stabantenne darstellen.
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Fig. 1 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt. Dieses Diagramm ist ein
Schaltkreisdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Dieses Diagramm ist ein Schaltkreisdiagramm für eine Antenne, die einen
50 cm Kurzstab verwendet. Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines
Funkempfängersystems für eine solche Ausführungsform.
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In der Ausführungsform wird ein Kompensationsschaltkreis 20 direkt mit
einer Teleskopstabantenne 10 verbunden. Der Kompensationsschaltkreis 20
enthält einen FM-Kompensationsschaltkreis 21 und einen
AM-Kompensationsschaltkreis 22. Der FM-Kompensationsschaltkreis 21 ist ein Schaltkreis,
der nur aus passiven Elementen besteht, um eine Kompensationswirkung an
den FM-Rundfunksendesignalen vorzunehmen. Der
AM-Kompensationsschaltkreis 22 ist ein Schaltkreis, der aktive Elemente umfaßt, die eine hohe
Impedanz in eine niedrige Impedanz wandeln. Der
AM-Kompensationsschaltkreis 22 führt eine Kompensationswirkung an den AM-Rundfunksendesignalen
durch.
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Der Kompensationsschaltkreis 20 wird direkt mit dem Antennenstab 10
verbunden, um die Streukapazität Cs an der Seite der Antenne 10 zu
minimieren. Demzufolge beträgt die Streukapazität Cs an dem Kopplungsteil der
Antenne 10 10 PF oder weniger.
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Für die Spulen L und die Kondensatoren C in dem
Kompensationsschaltkreis 20 zeigt ein angehängtes "a" an, daß die Teile für einen AM-Empfang
verwendet werden, während ein angehängtes "f" anzeigt, daß die Teile für
einen FM-Empfang verwendet werden.
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Der Uberspannungsschutz Z1 schützt den FET (wird später beschrieben)
durch Absorbieren statischer Hochspannungen, die in der Antenne 10
erzeugt werden. Die Diode D1 schützt den FET, wenn die
DC-Spannungsversorgung fehlerhaft umgekehrt verbunden wird. Die Drosselspulen Lf3 und Lf4
werden dazu verwendet, FM-Rundfunksendewellen zu stoppen; diese Spulen
isolieren den AM-Kompensationsschaltkreis 22 gegen den
FM-Kompensationsschaltkreis 21.
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Die Spule La1 und der Widerstand R1 in dem FM-Kompensationsschaltkreis 21
sind Schaltkreiselemente, die den Bandpaßfilter in dem AM-Frequenzband
aufbauen. In dem FM-Frequenzband können diese Elemente ignoriert werden,
allerdings kann die Spulenstreukapazität Cs', die parallel zu der
Spule La1 ist, nicht ignoriert werden. Diese elektrostatische Kapazität Cs'
wird mit der Kapazität Cfc kombiniert und wird dazu verwendet, als
Kopplungskapazität zu wirken. Die elektrostatische Kapazität Cs' selbst ist
nicht in den Figuren dargestellt; allerdings ist diese Kapazität Cs' in
der elektrostatischen Kapazität Cfc enthalten, die in Fig. 4A dargestellt
ist.
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In dem FM-Kompensationsschaltkreis 21 ist ein doppelt abgestimmter
Schaltkreis vorhanden, der aus einem primärseitigen Resonanzschaltkreis,
einem sekundärseitigen Resonanzschaltkreis und einer
Kopplungskapazität Cfc besteht. Der primärseitige Resonanzschaltkreis besteht aus einem
Reihenresonanzschaltkreis, der durch die Widerstandskomponente Ra der
Antenne 10, der Kapazitätskomponente Ca der Antenne 10, zusätzlich der
Streukapazität Cs und der Spule Lf1 gebildet ist. Der sekundärseitige
Resonanzschaltkreis besteht aus einem Reihenresonanzschaltkreis, der
durch den Kondensator Cf2 und die Spule Lf2 gebildet ist. Die
Kopplungskapazität Cfc verbindet den primärseitigen Resonanzschaltkreis und den
sekundärseitigen Resonanzschaltkreis.
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Der AM-Kompensationsschaltkreis 22 besitzt einen FET. Der FET ist dazu
vorgesehen, als Source-Folger zu wirken. Genauer gesagt werden
AM-Rundfunksendesignale unter einer hohen Impedanz empfangen und unter einer
niedrigen Impedanz von 100 bis 200 Ohm abgegeben.
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Der AM-Kompensationsschaltkreis 22 besitzt einen eingangsseitigen
Bandpaßfilter.
Die niedrigen Abschneidcharakteristika dieses eingangsseitigen
Bandpaßfilters werden durch die Streukapazität Cs, die elektrostatische
Koppelkapazität Cfc des FM-Kompensationsschaltkreises 21 und die
Induktivität Lal, die parallel zu der elektrostatischen Koppelkapazität Cfc
eingesetzt ist, bestimmt. Die Hochbereichsabschneidcharakteristika des
eingangsseitigen Bandpaßfilters werden durch die Eingangskapazität C2 des
FET und die Induktivität La2 bestimmt.
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Als nächstes wird die Betriebsweise der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform erläutert:
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Fig. 3A zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis
des FM-Kompensationsschaltkreises 21 und der Antenne in dem
FM-Frequenzband darstellt. Fig. 3B stellt einen äquivalenten Schaltkreis dar, der
insbesondere die Teile zeigt, die sich auf die FM-Frequenzcharakteristika
beziehen.
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In der Ausführungsform ist die Streukapazität Cs klein, d.h. 10 PF oder
geringer. Demgemäß können, wie anhand der Fig. 1 ersichtlich ist, der
FM-Kompensationsschaltkreis 21 (d.h. der Schaltkreis, der die Antenne 10
und die Zuführleitung 30 anpaßt) unter Verwendung von nur passiven
Elementen aufgebaut werden. Als Ergebnis ist dort keine Verzerrung im Fall
starker Eingangssignale vorhanden und die Gesamtkosten der Antenne sind
geringer als dies der Fall ist, wenn aktive Elemente verwendet werden.
Weiterhin ist dort kein Erfordernis für eine Energieversorgungsquelle
vorhanden.
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Weiterhin kann, da ein doppelt abgestimmter Schaltkreis, der die
Antenne 10 umfaßt, gebildet wird, eine Impedanzanpassung zwischen der
Antenne 10 und der Zuführleitung 30 vorteilhaft durchgeführt werden. Auch kann
eine Breitbandbreite erhalten werden, die eine Abdeckung des gesamten
FM-Rundfunksendebands ermöglicht.
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Zusätzlich besitzt, da sich die Antenne 10 in einem nicht resonanten
Zustand befindet, sie eine Reaktanzkomponente. Demgemäß kann ein
Schaltkreisverlust minimiert werden und eine Schaltkreisvereinfachung kann
durch Auswahl der Schaltkreiskonstanten des primärseitigen Schaltkreises
des doppelt abgestimmten Schaltkreises erreicht werden, so daß sich der
Resonanzschaltkreis in dem FM-Frequenzband (einschließlich der
Antennenreaktanz der Streukapazität Cs) ergibt.
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Da die Streukapazität Cs klein ist, ist kein großer Abfall in dem
scheinbaren Antennenwiderstand vorhanden. Demgemäß kann ein Schaltkreis, der
die Antenne 10 und die Zuführleitung 30 anpaßt, unter Verwendung nur
passiver Elemente aufgebaut werden.
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Die Bandbreite, die für den FM-Rundfunksenderempfang erforderlich ist,
kann durch geeignete Auswahl der Kopplungskapazität Cfc erhalten werden
und die Antenne 10 und die Zuführleitung 30 können effektiv durch
geeignete Auswahl des Kapazitätsverhältnisses der Kapazitätskomponenten Ca der
Antenne 10 an den Kondensator Cf2 angepaßt werden.
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Fig. 5 stellt die Reflexionsverlustcharakteristika, betrachtet an der
Antennenseite, von dem Ausgangsanschluß der Ausführungsform dar.
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Als nächstes wird die Betriebsweise des AM-Kompensationsschaltkreises 22
beschrieben:
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Fig. 4A zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis
des AM-Kompensationsschaltkreises 22 und der Antennen in dem
AM-Frequenzband darstellt. Fig. 4B stellt einen äquivalenten Schaltkreis dar, die
insbesondere die Teile zeigt, die sich auf die AM-Frequenzcharakteristika
beziehen.
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Der FET in dem AM-Kompensationsschaltkreis 22 führt eine aktive
Impedanzwandlung durch, so daß die Ausgangsimpedanz des
AM-Kompensationsschaltkreises 22 auf einen Wert von ungefähr 100 bis 200 Ohm herabgesetzt wird.
Demgemäß kann der Kapazitätsaufteilungsverlust, der von der
Zuführleitung 30 herrührt, in einem solchen Umfang verringert werden, daß er
virtuell
vernachlässigt werden kann. Anders ausgedrückt wird, gerade dann,
wenn eine Kapazität von 150 bis 300 PF parallel zu dem Ausgang des FET
geschaltet wird, eine solche Kapazität fast keinen Effekt haben, da die
Ausgangsimpedanz des AM-Kompensationsschaltkreises 22 niedrig ist.
Demgemäß kann ein Koaxialkabel mit 50 bis 75 Ohm, das optimal für eine
FM-Übertragung ist, als die Zuführleitung 30 verwendet werden.
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Da der FET dazu gebracht wird, als Source-Folger zu wirken, können die
Eingangs-Ausgangscharakteristika dahingehend gebracht werden, in einer
linearen Art und Weise hoch bis zu ungefähr 1/2 der
DC-Energieversorgungsspannung zu wirken. Als Ergebnis kann ein Betrieb, der frei von
verschiedenen Typen einer nicht linearen Verzerrung ist, bis zu einem
starken Signal von ungefähr 130 dB u erreicht werden. Demgemäß würde
absolut kein Problem unter normaler Benutzung entstehen.
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Es würde möglich sein, eine Kopplungsinduktivität anstelle der
Kopplungskapazität Cfc zu verwenden, um den primärseitigen Resonanzschaltkreis und
den sekundärseitigen Resonanzschaltkreis in dem
FM-Kompensationsschaltkreis 21 zu verbinden. Es würde auch möglich sein, einen Transistor als
Emitter-Folger anstelle des FET in dem AM-Kompensationsschaltkreis 22 zu
verwenden.
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Wie vorstehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung,
die sich auf eine Kraftfahrzeug-Radioantenne bezieht, die in einem
Zustand kürzer als der resonante Zustand der Antenne verwendet wird, eine
Verzerrung des empfangenen Klangs in Fällen, wo starke elektromagnetische
Wellen empfangen werden, verhindert werden, und ein fehlerhafter Empfang
kann in Fällen verhindert werden, wo es erwünscht ist, andere Wellen
unter starken elektromagnetischen Wellen zu empfangen. Es ist ein
geringer Anpassungsverlust zwischen Antenne und der Zuführleitung
vorhanden, so daß es möglich ist, den praktischen Empfangempfindlichkeitsabfall
zu verhindern. Zusätzlich sind die Kompensationsschaltkreise billig.