DE69817016T2 - Vhf/uhf antenne mit abstimmanordnung und automatischer verstärkungsregelung - Google Patents

Vhf/uhf antenne mit abstimmanordnung und automatischer verstärkungsregelung Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstimmvorrichtung für Antennen, die Rundfunksignale wie Fernsehsignale empfangen.
  • HINTERGRUNDINFORMATIONEN
  • Konventionelle Fernsehantennensysteme für innen enthalten im allgemeinen zwei getrennte Antennen für den VHF- bzw. den UHF-Empfang. Die Antenne zum Empfang der VHF-Bänder verwendet ein Paar von einem Dipol bildenden teleskopförmigen Elementen, wobei jedes der Elemente eine maximale Länge von 1,5 bis 2,5 m aufweist. Die beiden Elemente sind im allgemeinen derart angeordnet, dass die Elemente sich zur Seite erstrecken, um die Dipollänge zu erhöhen oder zu verkürzen, und diese Elemente werden im allgemeinen als "rabbit ears" (Kaninchenohren) bezeichnet. Die UHF-Antenne für Innen ist im allgemeinen eine Schleife mit einem Durchmesser von ungefähr 20 cm.
  • Ein Problem bei den konventionellen Antennensystemen für Innen besteht darin, dass die räumliche Abmessung des VHF-Dipols für die übliche Unterbringung in einem Wohnraum unerwünscht lang ist und dass die Länge sowie die Richtung der Dipolelemente abhängig von den Empfangskanälen eingestellt werden müssen. Ein zweites Problem besteht darin, dass die Leistung derartiger konventioneller VHF/UHF-Antennen für Innen sich aufgrund von Änderungen der räumlichen Bedingungen um die Antennenelemente herum ändert. Es ist zum Beispiel für einen Benutzer schwierig, eine richtige Einstellung der Antenne vorzunehmen, da ein menschlicher Körper, der in Berührung mit einer Antenne kommt, die elektromagnetischen Bedingungen für die Antennenelemente ändert. Das dritte Problem besteht darin, dass die konventionellen Antennensysteme für Innen nicht immer einen ausreichenden Signalpegel für einen guten Empfang liefern.
  • Es besteht ein Bedarf für ein Antennensystem mit Antennen mit einer kompakten Größe, die einen ausreichenden Wert von Signalen über die gesamten VHF/UHF-Rundfunkbänder von Frequenzen ohne räumliche Einstellungen ermöglichen. Au ßerdem besteht der Bedarf für ein derartiges Antennensystem, das für Anwendungen sowohl Innen als auch Außen benutzt werden kann. Die DE 3 538 921 A erfüllt diesen Bedarf teilweise. Jedoch benötigt die vorgeschlagene Lösung mehrere Verstärker. Andererseits beschreibt die US 3 710 337 eine Lösung mit zwei Verstärkerschaltungen für das untere bzw. das obere UHF-Band.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Abstimmvorrichtung für VHF/UHF-Signale eine einen Verstärker enthaltende Anordnung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers und mehrere Impedanz-Anpassnetzwerke zwischen einem Eingang und dem Verstärker. Jedes der mehreren Anpassnetzwerke versorgt ausschließlich die AGC-Anordnung mit einer entsprechenden Gruppe von HF-Signalen, die mehrere empfangbare Sendekanäle enthält. Die Verstärkung des Verstärkers wird durch den Wert der Gruppe von HF-Signalen gesteuert.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung ist folgender: In einem Antennensystem zur Lieferung von VHF/UHF-Signalen für einen Empfänger, enthält der Empfänger, der einen Fernbediensender zur Erzeugung von Steuersignalen für die Wahl einzelner VHF/UHF-Signale entsprechend den jeweiligen Sendekanälen aufweist, (1) mehrere Anpassnetzwerke zwischen einem Eingang, an den eine Antenne angeschlossen werden kann, und einer Ausgangsschaltung zur Bildung der Impedanzanpassung zwischen der Antenne und der Ausgangsschaltung, wo jede der mehreren Anpassnetzwerke ausschließlich die Ausgangsschaltung mit einer entsprechenden Gruppe von HF-Signalen bildet, die mehrere empfangbare Sendekanäle enthält, und (2) Steuermittel, die mit den mehreren Anpassnetzwerken verbunden sind und auf die Steuersignale ansprechen, die durch den Fernbediensender empfangen werden, zur Wahl einzelner VHF/UHF-Signale entsprechend den jeweiligen Kanälen zur Wahl eines der mehreren Anpassnetzwerke.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • In der Zeichnung:
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der Aspekte des dargestellten Planarantennensystems mit einer Planarantenne und einer Tunereinheit mit einer Abstimmanordnung mit einem Verstärker mit regelbarer Verstärkung,
  • 2 zeigt eine beispielhafte Anwendung für die Benutzung des Planarantennensystems,
  • 3 zeigt eine andere beispielhafte Anwendung für die Benutzung des Planarantennensystems,
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Planarantenne,
  • 5 zeigt eine Unteransicht der Ausführungsform der in 4 dargestellten Planarantenne,
  • 6 zeigt VSWR-Kennlinien (50–800 MHz) der Ausführungsform der Planarantenne,
  • 7 zeigt eine Richtcharacteristik einer Ausführungsform der Planarantenne bei einer der Fernsehkanalfrequenzen (67,25 MHz) für das untere VHF-Band, und
  • 8–10 sind Schaltbilder einer Ausführungsform der Aspekte der beschriebenen Tunereinheit mit mehreren wähibaren Anpassnetzwerken und einem Verstärker mit regelbarer Verstärkung, der durch eine eingebaute AGC-Anordnung geregelt wird.
  • In den verschiedenen Figuren sind dieselben oder ähnliche dargestellte Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • In dieser Anmeldung dient der Ausdruck "Fernsehgerät" zur Beschreibung jedes Fernsehgeräts, das wenigstens einen Fernsehtuner enthält (wie Fernsehempfänger, VCR's, usw.).
  • 1 zeigt ein VHF/UHF-Planarantennensystem mit Aspekten der vorliegenden Erfindung. Das Planarantennensystem enthält eine Planarantenne 10 und eine Abstimmeinheit 30. Die Planarantenne 10 und die Abstimmeinheit 30 sind über ein Ko axialkabel 20 miteinander verbunden. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform liegt der Wellenwiderstand des Koaxialkabels zwischen 20 und 75 Ω.
  • Die Tunereinheit 30 enthält eine Abstimmanordnung 31 und einen Verstärker 33 mit regelbarer Verstärkung. Der Verstärker 33 mit regelbarer Verstärkung ist optional und muß in der Tunereinheit 30 nicht enthalten sein, wenn die Fernsehsendesignale ausreichend stark sind. Die Abstimmanordnung 31 enthält mehrere Impedanzanpassnetzwerke 610 (z. B. Bandpassfilter) für die jeweiligen mehreren Bänder von Sendefrequenzen (für Details siehe 8). Eine gemeinsame Infrarot (IR)-Fernbedieneinheit 40 dient gleichzeitig zur Wahl der Anpassnetzwerke in der Abstimmeinheit 30 und der Kanäle für das Fernsehgerät 50. Natürlich kann eine getrennte IR-Fernbedieneinheit benutzt werden, um ein geeignetes Anpassnetzwerk individuell zu wählen. Die Verstärkung des Verstärkers 33 wird automatisch durch eine eingebaute Anordnung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) geregelt (für die Schaltbilder siehe 8–10).
  • 2 zeigt eine der Anwendungen für die Benutzung des Planarantennensystems für Innen. Hier liegt die Planarantenne 10 innerhalb eines Planarantennengehäuses 11, das aus dielektrischen Materialien besteht. Das Antennengehäuse 11 mit der Planarantenne 10 hängt an der Wand, während die Tunereinheit 30 auf einem Fernsehgerät 50 steht. Das Koaxialkabel 20 dient zur Verbindung zwischen der Planarantenne 10 und der Tunereinheit 30. Das Antennengehäuse 11 kann für Anwendungen im Außenbereich wasserdicht ausgebildet sein.
  • 3 zeigt eine andere Anwendung für die Benutzung des Planarantennensystems. Hier steht die Tunereinheit 30 unter dem Antennengehäuse 11, das auf dem Fernsehgerät 50 steht.
  • 4 und 5 zeigen eine Draufsicht und eine Unteransicht 100, bzw. 200 der Planarantenne 10. Die Antennenelemente der Planarantenne 10 unterscheiden sich von denen des traditionellen Dipols (rabbit ears) oder Schleifenantennen in mehreren Aspekten. Insbesondere sind die Elemente aufgrund von Mikrostreifenlösungen ausgebildet, und die einzigartigen Muster der Elemente ermöglichen, dass das Planarantennensystem einen omnidirektionalen oder ungerichteten Empfang der Fern sehsignale bewirkt, wie aus den Richtcharacteristiken der in 7 dargestellten Antenne ersichtlich ist, wie aus der Richtcharakteristik der in 7 dargestellten Antenne hervorgeht. Daher ist nach dem Aufstellen keine Einstellung der Richtung der Antenne erforderlich. Dieses ungerichtete Merkmal in der Horizontalebene resultiert vermutlich aus der Tatsache, dass der größte Teil des HF-Stroms entlang den Kanten jedes der Planarantennenelemente fließt.
  • Bei der in den 4 und 5 dargestellten beispielhaften Ausführungsform sind die Antennenelemente direkt auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB = printed circuit board) geätzt, wie zum Beispiel das Modell "MC3D" Medium Frequency Laminate, hergestellt von Glasteel Industrial Laminates (Dicke: 1,6 mm, doppelseitig gedruckte Leiterplatte mit einer Dielektrizitätskonstanten von 3,53 +/– 0,08). Die Abmessung der PCB beträgt ungefähr 30 × 30 cm. Die VHF- und UHF-Antennenelemente sind auf beiden Seiten der PCB ausgebildet, und die VHF- und UHF-Elemente auf einer Seite sind in der Form identisch zu den jeweiligen VHF- und UHF-Elementen auf der anderen Seite der PCB. Zusätzlich sind die erstgenannten gegenüber den letztgenannten um 90° gedreht.
  • Die VHF-Antennenelemente bilden eine einzige "H"-förmige Konfiguration. Das Antennenelement an jedem Ende der "H"-Form hat eine Breite von ungefähr 6,5 cm und eine Länge von ungefähr 30 cm. Beide Enden der "H"-Form sind über eine Mikrostreifenleitung mit einer Breite von ungefähr 2,5 cm und einer Länge von ungefähr 17,5 cm miteinander verbunden, um die "H"-Form zu vervollständigen. Wie oben beschrieben, sind die beiden "H"-förmigen VHF-Elemente an den jeweiligen Seiten der PCB in der Form im wesentlichen identisch, und das VHF-Element an der Oberseite ist gegenüber dem auf der Unterseite der PCB um 90° gedreht.
  • Jedes der "H"-förmigen Elemente für VHF-Signale ist als eine Kombination der folgenden drei getrennten Bereiche ausgebildet (die Bezugszeichen der jeweiligen entsprechenden Bereiche auf der Unterseite sind in Klammern dargestellt): ➀ "S"förmiger Hauptbereich 120 (220), ➁ erster Ergänzungsbereich 150 (250) und ➂ zweiter Ergänzungsbereich 160 (260). Der erste Ergänzungsbereich 150 (250) hat eine Breite von ungefähr 6,5 cm und eine Länge von ungefähr 13,7 cm und ist von dem Hauptbereich 120 (220) durch einen Spalt von ungefähr 2,5 mm getrennt. Der erste Ergänzungsbereich 150 (250) ist über eine Spule 151 (251) elektrisch mit dem Hauptbereich 120 (220) gekoppelt, zum Beispiel mit 100 μH in Form einer auf die Oberfläche aufgebrachten Chipspule hoher Güte Q. Es wurde herausgefunden, dass diese Anordnung die effektive elektrische Länge des Hauptbereichs 120 (220) ausdehnt.
  • Der zweite Ergänzungsbereich 160 (260) ist in den Abmessungen im wesentlichen identisch zu dem ersten Ergänzungsbereich 150 (250). Der zweite Ergänzungsbereich 160 (260) ist mit dem Hauptbereich 120 (220) über einen Kondensator 161 (261) gekoppelt, zum Beispiel einen auf der Oberfläche aufgebrachten Chipkondensator mit 15 pF. Es wurde herausgefunden, dass der über die Kondensatoren 161 (251) angekoppelte zweite Ergänzungsbereich 160 (260) die Eigenschaft des Spannungs-Welligkeitsfaktors (VSWR = voltage standing wave ratio) der Planarantenne für das untere VHF-Fernsehband mit Frequenzen von 50–88 MHz nennenswert verbessert.
  • Es gibt einen Reflektorbereich 140 nur auf der Oberseite der PCB. Der Reflektorbereich 140 wirkt als Reflektor für den ersten Ergänzungsbereich 150. Es wurde herausgefunden, dass der Reflektorbereich 140 die Gesamtleistung der Planarantenne im oberen VHF-Fernsehfrequenzband (174–216 MHz) verbessert.
  • Die UHF-Antennenelemente 170, 270 enthalten eine "H"-förmige Konfiguration und sind auf den jeweiligen Seiten der PCB ausgebildet. Wie oben beschrieben, sind diese beiden UHF-Elemente ebenfalls in der Form im wesentlichen identisch, und eines ist gegenüber dem anderen um 90° gedreht.
  • Jedes Ende des "H"-förmigen Elements ist in der Form quadratisch und hat ungefähr eine Breite von 6,5 cm und eine Länge von 6,5 cm. Die beiden Enden sind über eine Mikrostreifenleitung mit einer Breite von ungefähr 2,5 cm und einer Länge von 3,8 cm miteinander verbunden und bilden eine "H"-förmige Konfiguration. Das UNF-Element 170 (270) ist ungefähr mit dem Mittelpunkt der Mikrostreifenleitung des VHF-Elements 120 (220) über eine Spule 171 (271) verbunden, z. B. eine auf die Oberfläche aufgebrachte Chipspule von 100 μH mit hoher Güte Q.
  • Die Oberseite der PCB enthält außerdem einen Erdungsbereich 130. Der Erdungsbereich 130 ist quadratisch mit ungefähr 6,5 × 6,5 cm. Der Buchsenan-schluß "F" 131 liegt auf dem Erdungsbereich 130. Der Fuß (Basis) des Anschlusses 131 ist mit dem Erdungsbereich 130 und durch die PCB hindurch mit einem anderen Erdungsbereich 230 auf der Unterseite der PCB verbunden. Die Abmessung des Erdungsbereichs 230 hat ungefähr eine Breite von 6,5 cm und eine Länge von 16,5 cm. Die Signalleitung des Anschlusses 131 ist mit der auf der Oberseite der PCB ausgebildeten Signalübertragungsleitung 132 verbunden. Es wurde herausgefunden, dass die Erdungsbereiche 130, 230 zu der Stabilisierung der Gesamtleistung des Planarantennensystems beitragen, ungeachtet der Änderungen der räumlichen Bedingungen um die Planarantenne herum.
  • Wie 4 zeigt, liegt ein 4 : 1 Symmetrierübertrager 133 auf der Oberseite der PCB zur Impedanzanpassung zwischen den Planarantennenelementen und dem Koaxialkabel 20. Enden der ersten Wicklung des Transformators 133 sind mit dem Anschlußpunkt 136 bzw. dem Anschlußbereich 134 verbunden. Der Anschlußpunkt 136 liegt ungefähr bei der Mitte der Übertragungsleitung der VHF-Elemente 120. Der Anschlußbereich 134 ist über zwei Durchgangslöcher mit dem Anschlusspunkt 234 des VHF-Elements 220 auf der Unterseite verbunden. Enden der Sekundärwicklung sind mit der Übertragungsleitung 132 bzw. der Erdebene 130 verbunden. Ein Anpasskondensator 135 (4 pF) liegt für eine bessere Impedanzanpassung zwischen dem Mittelpunkt der zweiten Wicklung und der Erdebene 130. Alternativ kann ein veränderbarer Kondensator (2–6 pF) zwischen den beiden Enden der Sekundärwicklung liegen, wie 8 zeigt.
  • Eine andere Eigenschaft der Planarantenne besteht darin, dass es, anders als bei konventionellen Mikrostreifenantennen, keinen flachen Erdungsbereich auf der Unterseite der PCB gibt, der den Bereich unter dem auf der Oberseite der PCB ausgebildeten Antennenelemente vollständig bedeckt. Bei konventionellen Mikrostreifenantennen ist die Bandbreite derartiger Antennen proportional zu dem Abstand zwischen dem Antennenelementen auf der Oberfläche und dem flachen Erdungsbereich auf der anderen Seite des benutzten Substrats (d. h. die Dicke des Substrats). Es wurde herausgefunden, dass das Weglassen dieses Typs eines flachen Erdungsbereichs zu der Breitbandeigenschaft der Planarantenne beiträgt. Als Literaturstelle siehe Munson, Robert E., "Microstrip Antennas" in "Antenna Engineering Handbook" (3. Ausgabe) (McGraw Hill, 1993).
  • 8 zeigt das Schaltbild eines Teils einer Tunereinheit 30 mit mehreren Anpassnetzwerken. Bei dieser besonderen beispielhaften Ausführungsform werden fünf Bandpassfilter 610 (BPF's) als Anpassnetzwerke benutzt, und sie sind auf jeweilige fünf unterschiedliche Bänder von Sendefrequenzen vorabgestimmt. Das sind die folgenden:
    VHF 1 54–72 MHz (Kanäle 2 bis 4 in den USA)
    VHF 2 76–88 MHz (Kanäle 5 bis 6 in den USA)
    VHF 3 174–192 MHz (Kanäle 7 bis 9 in den USA)
    VHF 4 192–216 MHz (Kanäle 10 bis 13 in den USA)
    UHF 470–800 MHz (UHF-Kanäle in den USA)
  • Wie in den 8 bis 10 dargestellt, erfolgt die Bandauswahl entsprechend den Empfangskanälen. Ein Benutzer wählt ein geeignetes Band mit seiner IR-Fernbedieneinheit. Jedoch kann diese Wahl automatisch in Abhängigkeit von dem Wert des Signals für die automatische Verstärkungsregelung (AGC) für den Verstärker 33a mit regelbarer Verstärkung erfolgen. Das AGC-Signal verringert die Verstärkung des Verstärkers 33a, wenn ein geeignetes Anpassnetzwerk für einen Empfangskanal gewählt wird.
  • Aufgrund der AGC-Anordnung wird der Wert des Ausgangssignals der Abstimmeinheit 30 unabhängig von der Änderung der Feldstärke der empfangenen Fernsehsignale für ein gesamtes Frequenzband bei einem gewünschten, vorbestimmten Wert aufrechterhalten.
  • In der in den 8 und 9 dargestellten beispielhaften Ausführungsform enthält die AGC-Anordnung einen Verstärker 33a mit regelbarer Verstärkung, eine Signalverstärkerstufe 270, einen Signaltrenner 710, einen Gleichrichter 730 und eine Schaltung 750 zur Kompensation des Gleichspannungs-Offset. Es wurde herausgefunden, dass eine Kombination von mehreren wählbaren Eingangs-Bandpassfiltern 610 und der darauffolgenden AGC-Anordnung bewirkt, dass die AGC über die gesamten VHF/UHF-Fernsehfrequenzbänder (50–800 MHz) einwandfrei arbeitet.
  • Für eine schnellere Einstellung des Verstärkers 33a kann ein Mikroprocessor zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers 33a zusammen mit einem Speicher benutzt werden, der Informationen für die gewünschten AGC-Werte für jeweilige Sendekanäle speichert.
  • Außerdem kann die Abstimmeinheit 30 einen HF-Signal-Wahlschalter enthalten, der es einem Benutzer ermöglicht, zwischen HF-Signalen von der Planarantenne und denen von anderen Signalquellen (z. B. einer Satellitenschlüssel, Kabel, VCR, usw.) zu wählen.
  • In 10 enthält die Infrarot-Fernsensor-Anordnung 800 einen IR-Signalempfänger 830, einen Mikroprocessor 810, einen Multiplexer 850, fünf lichtemittierende Dioden (LED's) und zwei manuell betätigte Schalter R, L.
  • Die LED1, LED2, LED3, LED4 und LED5 zeigen die Wahl der jeweiligen fünf unterschiedlichen Rundfunkfrequenzbänder an, nämlich VHF-1, VHF-2, VHF-3, VHF-4 und UHF in 8. Das heißt, die fünf LED's zeigen die Wahl jeweils eines der fünf verschiedenen BPF's 610 an. Zum Beispiel schaltet die LED1 ein, wenn das BPF für VHF-1 gewählt wird. Manuelle Schalter R, L dienen als "Aufwärts-Abwärts"-Schalter für die Bandwahl, so dass ein Benutzer ohne eine Fernbedieneinheit ebenfalls die richtigen Frequenzbänder wählen kann.
  • Der mit dem Mikroprocessor 810 verbundene IR-Empfänger 830 empfängt IR-Signale von der Fernbedieneinheit. Dann erzeugt der Mikroprocessor 810 Steuersignale.
  • Abhängig von den Steuersignalen sendet der mit dem Mikroprocessor 810 verbundene Multiplexer 850 Bandwahlsignale A. B. C. D. E zu jeweiligen PIN-Dioden D1, D2, D3, D4 und D5. Hier arbeitet der Multiplexer 850 wie mehrere digitale gesteuerte analoge Schalter. Eine Betriebsspannungsanordnung 840 enthält zwei Spannungsregler 870, 890.
  • Wenngleich die Endung an einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, sollen die hier benutzten Wörter als Wörter der Beschreibung und nicht als Wörter einer Einschränkung verstanden werden. Zahlreiche Änderungen oder Modifikationen an dem Antennensystem der vorliegenden Erfindung können sich dem Fachmann auf diesem Gebiet ergeben, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung und deren Prinzipien und Merkmale abzuweichen. Zum Beispiel kann das Planarantennensystem nicht nur zum Empfang von digitalen und/oder analogen Fernsehsignalen, sondern auch für den Empfang von digitalen und/oder analogen Audio- oder Datensignalen dienen.

Claims (2)

  1. Abstimmvorrichtung für VHF/UHF-Signale mit: einer Quelle (10) von VHF/UHF-Eingangssignalen, einem Verstärker zur Verstärkung der Eingangssignale, einer den Verstärker enthaltenden Anordnung (33) zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers und mehreren Anpassnetzwerken (610), dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Anpassnetzwerke (610) zur Bildung einer Impedanzanpassung zwischen der Quelle der Eingangssignale und dem Verstärker zwischen der Quelle der VHF/UHF-Eingangssignale und einem Eingang des Verstärkers liegen, jedes der mehreren Anpassnetzwerke ausschließlich die AGC-Anordnung mit einer entsprechenden Gruppe von HF-Signalen versorgt, die mehrere empfangbare Sendekanäle enthält, die Verstärkung des Verstärkers durch den Wert der Gruppe von HF-Signalen gesteuert wird.
  2. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine Fernbedieneinheit zur Erzeugung von Steuersignalen zur Wahl einzelner der VHF/UHF-Signale enthält, die den jeweiligen Sendekanälen entsprechen.
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