EP1246294A2 - Active broadband receiving antenna - Google Patents

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EP1246294A2
EP1246294A2 EP02004597A EP02004597A EP1246294A2 EP 1246294 A2 EP1246294 A2 EP 1246294A2 EP 02004597 A EP02004597 A EP 02004597A EP 02004597 A EP02004597 A EP 02004597A EP 1246294 A2 EP1246294 A2 EP 1246294A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
antenna
input
active
filter circuit
Prior art date
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Granted
Application number
EP02004597A
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German (de)
French (fr)
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EP1246294A3 (en
EP1246294B1 (en
Inventor
Heinz Lindenmeier
Jochen Hopf
Leopold Reiter
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Delphi Delco Electronics Europe GmbH
Original Assignee
Fuba Automotive GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1246294A2 publication Critical patent/EP1246294A2/en
Publication of EP1246294A3 publication Critical patent/EP1246294A3/en
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/1271Supports; Mounting means for mounting on windscreens
    • H01Q1/1278Supports; Mounting means for mounting on windscreens in association with heating wires or layers

Definitions

  • the invention relates to an active broadband reception antenna, consisting of a passive antenna part 1 with a frequency-dependent effective length l e , the output connections of which are connected to the input connections of an amplifier circuit 21.
  • Electrically long antennas or antennas that are in direct coupling with large electrical bodies have a frequency-dependent open circuit voltage when excited with an electrical field strength that is kept constant over frequency, which is expressed by the effective length l e (f).
  • the antenna noise temperature T A in terrestrial surroundings - coming from low frequencies - has dropped to such an extent that a source impedance near the optimum impedance Z opt for the transistor must be required for the passive antenna part for bipolar transistors, in order not to suffer a significant loss of sensitivity due to the transistor noise.
  • Fig. 2a The basic form of an active antenna of this type is shown in Fig. 2a and is known for example from the DT-AS 23 10 616, the DT-AS xx xx 300.
  • active broadband antennas which are not channel-selective, but on a frequency band, such as VHF radio frequency range are broadband tuned, it is necessary to transform the antenna impedance Z s (f) of a short radiator in Z A (f) in the vicinity of Z opt .
  • FIG. 2a The basic form of an active antenna of this type is shown in FIG. 2a and is known, for example, from DT-AS 23 10 616, DT-AS xx xx 300.
  • Active antennas according to this prior art are used, for example, to a large extent above the high-frequency range
  • Antenna arrangements are installed in a motor vehicle window pane together with a heating field for the pane heating, as described, for example, in EP 0 396 033, EP 0 346 591 and in EP 0 269 723.
  • the structures of the heating fields used as passive antenna part 1 are vehicle parts which were not originally intended for use as an antenna and which can only be changed slightly due to their function for heating. If an active antenna according to the state of the art is implemented on such an antenna element as in FIG.
  • the impedance present at the heating field is to be transformed into the vicinity of the impedance Z opt for noise adaptation with the aid of a primary matching circuit and the frequency response of the active antenna is to be transformed Smooth with the help of an output-side adaptation network.
  • This procedure necessitates the relatively cumbersome dimensioning of two filter circuits, which for an advantageous overall behavior of the active antenna cannot take place separately for each filter due to the mutual dependence on one another.
  • the amplifier circuit for achieving sufficient linearity properties cannot be designed as a simple amplifying element as in FIG. 2a, as a result of which the creative freedom of the two matching networks is significantly restricted.
  • the design of two filters involves increased effort.
  • an active antenna of this type is the load on the matching circuit connected to the heating field with a downstream amplifier if several active antennas are designed from the same heating field to form an antenna diversity system or a group antenna with special directional properties or other purposes.
  • This disadvantageous situation exists in all antenna arrangements, the passive antenna parts of which are in appreciable electromagnetic radiation coupling to one another.
  • switching diodes are attached to the connection points for the antenna amplifiers formed on the heating field, which in each case only switch on the matching circuit with amplifier whose signal is switched through to the receiver and which the other connection points unlock. In such systems, this leads to a considerable outlay and to the additional requirement of switching the diodes precisely in synchronism with the antenna selection.
  • the object of the invention is therefore to provide an active broadband receiving antenna To design the preamble of claim 1 so that under a given passive antenna part Ensuring high noise sensitivity is largely independent of the Frequency dependence of the effective length and the impedance of the passive antenna part freely selectable frequency dependence of the received power is achieved and that for Multi-antenna arrangements the multiple decoupling of received signals from a passive Antenna arrangement with several connection points, which in electromagnetic Radiation coupling are not noticeable due to the formation of the active antennas mutual influence of the received signals is given.
  • Fig. 1 an antenna according to the basic form of the invention is shown.
  • the passive antenna part 1 cannot be designed in such a way that it has particular desired properties with regard to its use as an antenna in the meter and decimeter wave range and thus has a shape corresponding to its geometric structure and the metallic border of the window has a random frequency dependence of both the effective length l e and its impedance.
  • the essence of the present invention now consists in realizing an active antenna which allows this randomness of the frequency dependency of the given passive antenna part 1 to be compensated for with the aid of an active antenna which is not complex, easy to determine and easy to implement, and with regard to self-noise, linearity and Freely design frequency response and to achieve a predetermined frequency response between the incident wave with the electric field strength E and the high-frequency received signal 8.
  • the reception voltage present at a connection point 18 is fed to the amplifier circuit 21, which is made up of a field effect transistor 2, which is coupled in its source line to the input admittance 7 of a low-loss filter circuit 3, which is terminated at its output with an effective resistance 5.
  • the input admittance 7 is to be designed according to the invention, for example, in such a way that the strong frequency dependence, which the received open circuit voltage, expressed by the effective length l e of the passive antenna part 1 designed in this way, is largely balanced in the high-frequency received signal 8.
  • 3a shows the noise contribution of an amplifier unit 11 at the end of the high-frequency line 10 connected to the low-loss filter circuit 3 on the output side. With sufficient amplification in the amplifier circuit 21, this contribution is kept correspondingly small. To protect the downstream amplifier unit 11 from non-linear effects, it is often necessary to make this amplification largely independent of frequency within the transmission frequency range. This is achieved by appropriate, preferably lossless, transformation of the effective resistance 5 at the output of the low-loss filter circuit 3 into a suitable frequency-dependent input admittance 7. If the frequency dependency required for the input admittance 7 due to the frequency dependency of the effective length l e (f) is known, then a circuit of reactive resistors for the low-loss filter circuit 3 can be found which largely corresponds to this requirement.
  • the criterion according to the invention for the exemplary design of a necessary and frequency-independent reception power within the transmission frequency range is explained for terrestrial broadcast reception of an active vehicle antenna with regard to the reception power in the downstream reception arrangement with reference to FIG. 3a.
  • the largely frequency-independent reception behavior must be demanded in order not to significantly reduce the sensitivity of the overall system due to the noise contribution of the reception system downstream of the active antenna and on the other hand to avoid non-linear effects due to amplification increases as a result of the frequency-dependent reception behavior within a transmission frequency range.
  • G (f) denotes the frequency-dependent real part of the input admittance 7 of the low-loss filter circuit 3. This noise contribution is insignificant then applies against the inevitable received sound of the rushing with T A R A when: G ( f ) ⁇ ( F V - 1) ⁇ T 0 4 ⁇ T A ⁇ 1 R A ( f )
  • the frequency dependence of the real part G (f) of the input admittance 7 of the low-loss filter circuit 3 is to be selected reciprocally to the frequency response of the real part R A (f) of the complex antenna impedance.
  • G (f) ⁇ 1 / (3 * R A (f)) would therefore have to be selected.
  • the invention is associated with the great advantage that the frequency response for G (f) specified from R A (f) can be easily fulfilled because neither the source impedance of the low-loss filter circuit 3 which drives the input side, which is given with 1 / g m of the field effect transistor 2 is, the effective resistance 5 at the output of the low-loss filter circuit 3 still have unavoidable essential reactive components.
  • the frequency-dependent radiator impedance Z s (f) is inevitable and inseparable as the source impedance of the primary-side transformation network. Their frequency behavior limits the achievable bandwidth of the impedance transformed into the vicinity of Z opt and thus the bandwidth of the signal-to-noise ratio at the output of the active circuit.
  • the receiving system downstream of the active antenna which is represented in FIG. 3a by the amplifier unit 11, is generally related to the line impedance Z L of the high-frequency line system.
  • a passive antenna part 1 suitable for an antenna according to the invention as the structure located on the vehicle in connection with the condition for R A (f) specified in equation (1) and discussed in more detail below can therefore be unerringly thereby take place that the ratio T A / D on (f) for the transmission frequency range is found to be sufficiently large.
  • connection points 18a and 18b exemplify antenna configurations of possible passive antenna parts 1 of active antennas according to the invention.
  • the impedance profiles Z A (f) shown in the complex impedance plane in FIG. 18c are present as a function of the frequency.
  • the diagram shows convincingly the advantage of an active antenna according to the invention over an active antenna according to FIG.
  • FIG. 18c the real parts of the passive antenna parts 1 shown in FIGS. 18a and b are plotted against the frequency of 76 to 108 MHz.
  • the frequency curve of the real part of the input admittance 7 to be designed according to the invention at the input of the low-loss filter circuit 3 is therefore inverted in each case to the curve curves shown in FIG. 18d according to aspects discussed in connection with equations (3) and (8).
  • equation (6) can be assigned a maximum tolerable azimuthal mean value l em with a known azimuthal guide factor D am (f), a maximum tolerable active component R Amax .
  • the range of values with R A > R Amax which is not permissible for dimensioning is also hatched in FIGS. 18c and 18d.
  • the radiation resistances R A of the impedance values of particularly favorable structures for use as a passive antenna part 1 are therefore outside the hatched value range with R amin ⁇ R A ⁇ R Amax .
  • a predetermined antenna structure is supplemented by using a low-loss transformer with the transmission ratio ü, as indicated in FIG. 11, which together with the antenna structure - for example a heating field on the window pane - forms the passive antenna part 1.
  • the broadband transmission ratio is advantageously chosen such that the impedance that can be measured at the output of the transmitter is placed with its real part in the range of values with R Amin ⁇ R A ⁇ R Amax . It is advantageous to make the primary inductance sufficiently high-resistance.
  • the linearity requirement is determined by a sufficiently large negative feedback, through which in the Source line located admittance 7 met.
  • This requires one in the transmission area comparatively low negative feedback, which according to the gain requirement e.g. is dimensioned according to equation (8), but so outside the transmission range is as large as possible.
  • such low-loss filter circuits 3 preferably T-half filter or T-filter or
  • the amplifier unit 11 as the active output stage of the amplifier circuit 21.
  • This can be provided with an output resistance equal to the characteristic impedance Z L of conventional coaxial lines.
  • the effective resistance 5 is formed by the input impedance of the amplifier unit 11.
  • G (f) is to be designed in accordance with the above statements with the aid of a low-loss filter circuit 3 terminated with this impedance.
  • an extended field effect transistor 2 using an input field effect transistor 13 and a bipolar transistor 14 driven by its source Emitter follower circuit can be designed.
  • the amplifier circuit 21 in the very to accommodate the narrow edge area of the vehicle window invisibly. That's why it is desirable to miniaturize the part to be attached to the connection point 18 and to attach only the parts of the amplifier circuit 21 that are functionally necessary there.
  • the others Parts of the low-loss filter circuit 3 are placed separately and via the high-frequency line 10 turned on.
  • the active antenna is designed as a multi-range antenna for several frequency ranges.
  • the basic frequency profiles of reactive resistors X 1 , X 3 and of the reactive conductance B 2 of a T-filter arrangement of the low-loss filter circuit 3 shown in FIG. 6 b are given as examples for the frequency ranges VHF radio broadcasting and VHF and UHF television broadcasting .
  • the T-filter configuration ensures the high-impedance of the low-loss filter circuit 3 on the input side in order to achieve a sufficiently large negative feedback of the field effect transistor 2 in the blocking regions.
  • the creation of a plurality of frequency ranges Invention based on separate transmission paths for the concerned Transmission frequency bands take place.
  • multiple bipolar transistors 14 to expand the Field-effect transistor 2 is used, the base electrodes of which are connected to the source electrode of the input field-effect transistor 13 are connected and which each have an emitter follower circuit the input of a separate low-loss filter circuit 3 to form separate Transmission paths for the relevant frequency bands are connected.
  • FIG. 8 To compensate for the effects of the non-linearity of even order and the resulting ones resulting interband frequency conversions in the amplifier circuit 21 is in one Another advantageous embodiment of the invention according to FIG. 8 in addition to the field effect transistor 2 a further field effect transistor 17 with the same electrical properties is used. in this connection are the input terminals of the amplifier circuit 21 by the two control terminals of the Field effect transistors 15 and 16 formed and the input of the low-loss filter circuit 3 with connected to the source terminals 19a and 19b.
  • a balun 20 in the low loss Filter circuit 3 is used to resymmetrize the high-frequency received signals 8.
  • Such Circuit can, as in Fig. 17, advantageously also to a connection point 18 with two against Ground voltage-carrying connections can be connected.
  • the design of separate frequency-selective transmission paths can advantageous, as indicated in FIG. 12, also on the basis of signal branches in the low-loss Filter circuit 3 for frequency-selective decoupling of high-frequency received signals 8 can be designed for different transmission frequency bands at several outputs.
  • the present active antenna is used several times in an antenna system, the passive antenna parts 1 of which have frequency-dependent and with respect to incident waves according to the amount and or only in phase, different directional diagrams of the effective lengths l e , which, however, are electromagnetic Radiation coupling to each other and together form a passive antenna arrangement 27 with a plurality of connection points 18.
  • each is connected to an amplifier circuit 21 according to the invention, so that the coupling-out of the high-frequency received signals 8 to the passive antenna parts 1 does not have any noticeable mutual influence on the received voltages.
  • Such an antenna arrangement is shown in general in FIG. 13.
  • the received signals 8 present at the output of the amplifier circuit 21 are superimposed, for example in order to design a group antenna arrangement with predetermined reception properties with regard to directivity and antenna gain, without retroactive effect on the high-frequency received signals 8 applied to the passive antenna parts 1 in an antenna combiner 22 provided for this purpose.
  • the efficiency of antenna diversity systems is shaped by the number of available, mutually independent antenna signals. This independence is expressed in the correlation factor between the received voltages occurring in a Rayleigh wave field while driving.
  • a plurality of active reception antennas according to the invention are used in an antenna diversity system for vehicles, the passive antenna parts 1 being selected such that their reception signals E * l e present at the connection points 18 in an idle state in a Rayleigh reception field are diverse are as independent as possible.
  • Systems of this type, in which the connection points 18 are selected from this point of view and taking into account vehicle-technical aspects, are shown by way of example in FIGS. 15a and 15b.
  • connection points 18 Because of the electromagnetic radiation coupling existing between the connection points 18, this independence then only applies to the connection points 18 operated in idle mode.
  • connection points 18 By connecting the connection points 18 to the amplifier circuits 21 according to the invention, due to their negligibly small capacitive input conductance, the high-frequency received signals 8 are tapped without feedback at the antenna outputs.
  • the diversity-independent independence of the received signals at the connection points 18 is thus advantageously not influenced by this measure, and this independence consequently exists in the same way for the received signals 8 at the antenna outputs.
  • independent reception signals 8 are available at the antenna outputs for selection in a scanning diversity system or for further processing in one of the other known diversity methods.
  • connection point 18 with a Transformation circuit according to the prior art according to Fig. 2b on the at Junction 18 flowing currents a dependence of the antenna signals on Cause antenna output.
  • This connection is used below for a passive Antenna part 1 with two connection points 18 explained in more detail:

Abstract

A frequency-dependent effective length has output connectors linked to input connectors on an amplifier circuit (21) that has a field effect transistor (2) and a low-loss filter circuit (3) with an input admittance (7). At its input the filter circuit connects to a source connection for the field effect transistor. At its output (4) an HF receiving signal (8) is decoupled and the low-loss filter circuit is charged with an effective resistance acting at its output.

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Breitbandempfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil 1 mit einer frequenzabhängigen effektiven Länge le, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Eingangsanschlüssen einer Verstärkerschaltung 21 verbunden sind. Elektrisch lange Antennen oder Antennen, die sich in direkter Kopplung mit elektrisch großen Körpern befinden, besitzen bei Erregung mit einer über der Frequenz konstant gehaltenen elektrischen Feldstärke eine frequenzabhängige Leerlaufspannung, die sich durch die effektive Länge le(f) ausdrückt. Insbesondere im Frequenzbereich oberhalb 30 MHz ist die Antennenrauschtemperatur TA bei terrestrischer Umgebung - von tiefen Frequenzen kommend - soweit abgesunken, dass für Bipolartransistoren von Seiten des passiven Antennenteils eine Quellimpedanz in der Nähe der für den Transistor optimalen Impedanz Zopt für Rauschanpassung zu fordern ist, um keinen wesentlichen Empfindlichkeitsverlust durch das Transistorrauschen zu erleiden. Die Grundform einer aktiven Antenne dieser Art ist in Fig. 2a dargestellt und ist bekannt z.B. aus der DT-AS 23 10 616, der DT-AS xx xx 300. Bei aktiven Breitbandantennen, welche nicht kanalselektiv, sondern auf ein Frequenzband, wie z.B. dem UKW-Rundfunkfrequenzbereich breitbandig abgestimmt sind, ist es notwendig, die Antennenimpedanz Zs(f) eines kurzen Strahlers in ZA(f) in die Nähe von Zopt zu transformieren. Dies führt sowohl bei elektrisch großen als auch bei elektrisch kleinen Antennen zu einer frequenzabhängigen Leerlaufspannung am Transistoreingang, welche sich als stark frequenzabhängige effektive Länge le(f) des passiven Antennenteils ausdrückt, woraus sich in Verbindung mit der Frequenzabhängigkeit des Spannungsteilungsfaktors zwischen Zopt und dem davon abweichenden Eingangswiderstand des Transistors die Notwendigkeit ergibt, den daraus resultierenden Frequenzgang des Empfangssignals am Lastwiderstand ZL mit Hilfe einer Anpassungsschaltung am Ausgang der aktiven Schaltung zu glätten. Dies ist auch zum Schutz der nachfolgenden Empfangsanlage gegen nichtlineare Effekte durch Pegelüberlastung notwendig.The invention relates to an active broadband reception antenna, consisting of a passive antenna part 1 with a frequency-dependent effective length l e , the output connections of which are connected to the input connections of an amplifier circuit 21. Electrically long antennas or antennas that are in direct coupling with large electrical bodies have a frequency-dependent open circuit voltage when excited with an electrical field strength that is kept constant over frequency, which is expressed by the effective length l e (f). In the frequency range above 30 MHz in particular, the antenna noise temperature T A in terrestrial surroundings - coming from low frequencies - has dropped to such an extent that a source impedance near the optimum impedance Z opt for the transistor must be required for the passive antenna part for bipolar transistors, in order not to suffer a significant loss of sensitivity due to the transistor noise. The basic form of an active antenna of this type is shown in Fig. 2a and is known for example from the DT-AS 23 10 616, the DT-AS xx xx 300. With active broadband antennas, which are not channel-selective, but on a frequency band, such as VHF radio frequency range are broadband tuned, it is necessary to transform the antenna impedance Z s (f) of a short radiator in Z A (f) in the vicinity of Z opt . This leads to a frequency-dependent open circuit voltage at the transistor input, both in the case of electrically large and also electrically small antennas, which is expressed as a strongly frequency-dependent effective length l e (f) of the passive antenna part, from which, in conjunction with the frequency dependence of the voltage division factor, between Z opt and the Deviating input resistance of the transistor results in the need to smooth the resulting frequency response of the received signal at the load resistor Z L with the help of an adaptation circuit at the output of the active circuit. This is also necessary to protect the subsequent receiving system against non-linear effects due to level overload.

Die Grundform einer aktiven Antenne dieser Art ist in Fig. 2a dargestellt und ist bekannt z.B. aus der DT-AS 23 10 616, der DT-AS xx xx 300. Aktive Antennen nach diesem Stand der Technik werden z.B. in großem Umfang oberhalb des Hochfrequenzbereichs mit Antennenanordnungen in einer Kraftfahrzeugfensterscheibe zusammen mit einem Heizfeld für die Scheibenheizung angebracht, wie z.B. in EP 0 396 033, EP 0 346 591 und in EP 0 269 723 beschrieben. Bei den als passiver Antennenteil 1 verwendeten Strukturen der Heizfelder handelt es sich um ursprünglich nicht für die Nutzung als Antenne vorgesehene Fahrzeugteile, welche aufgrund ihrer Funktion zur Heizung nur wenig veränderbar sind. Wird an einem derartigen Antennenelement eine aktive Antenne nach dem Stande der Technik wie in Fig. 2a realisiert, so ist die am Heizfeld vorliegende Impedanz mit Hilfe einer primären Anpassschaltung in die Nähe der Impedanz Zopt für Rauschanpassung zu transformieren und der Frequenzgang der aktiven Antenne mit Hilfe eines ausgangsseitigen Anpassungsnetzwerks zu glätten. Dieses Vorgehen bedingt die relativ umständliche Dimensionierung zweier Filterschaltungen, welche für ein vorteilhaftes Gesamtverhalten der aktiven Antenne aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit voneinander nicht für jedes Filter getrennt erfolgen kann. Hinzu kommt, dass die Verstärkerschaltung zur Erzielung hinreichender Linearitätseigenschaften nicht als einfaches verstärkendes Element wie in Fig. 2a gestaltet werden kann, wodurch die gestalterische Freiheit der beiden Anpassnetzwerke nennenswert eingeengt ist. Zusätzlich ist mit der Gestaltung von zwei Filtern ein erhöhter Aufwand verbunden. Als weiterer nennenswerter Nachteil einer aktiven Antenne dieser Art zeigt sich die Belastung der an das Heizfeld angeschlossenen Anpassschaltung mit nachgeschaltetem Verstärker, wenn aus demselben Heizfeld mehrere aktive Antennen zur Bildung eines Antennendiversitysystems bzw. einer Gruppenantenne mit besonderen Richteigenschaften oder anderen Zwecken gestaltet sind. Dieser nachteilige Sachverhalt liegt bei allen Antennenanordnungen vor, deren passive Antennenteile in nennenswerter elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen. Beispielsweise werden nach dem Stand der Technik bei einem aus dem Heizfeld gebildeten Mehrantennen-Scanning-Diversitysystem an den am Heizfeld gebildeten Anschlussstellen für die Antennenverstärker Schaltdioden angebracht, welche jeweils nur diejenige Anpassungsschaltung mit Verstärker anschaltet, deren Signal zum Empfänger durchgeschaltet wird und welche die übrigen Anschlussstellen freischalten. Dies führt in solchen Systemen zu einem erheblichen Aufwand und zu der zusätzlichen Forderung der genau mit der Antennenauswahl synchronen Umschaltung der Dioden.The basic form of an active antenna of this type is shown in FIG. 2a and is known, for example, from DT-AS 23 10 616, DT-AS xx xx 300. Active antennas according to this prior art are used, for example, to a large extent above the high-frequency range Antenna arrangements are installed in a motor vehicle window pane together with a heating field for the pane heating, as described, for example, in EP 0 396 033, EP 0 346 591 and in EP 0 269 723. The structures of the heating fields used as passive antenna part 1 are vehicle parts which were not originally intended for use as an antenna and which can only be changed slightly due to their function for heating. If an active antenna according to the state of the art is implemented on such an antenna element as in FIG. 2a, the impedance present at the heating field is to be transformed into the vicinity of the impedance Z opt for noise adaptation with the aid of a primary matching circuit and the frequency response of the active antenna is to be transformed Smooth with the help of an output-side adaptation network. This procedure necessitates the relatively cumbersome dimensioning of two filter circuits, which for an advantageous overall behavior of the active antenna cannot take place separately for each filter due to the mutual dependence on one another. In addition, the amplifier circuit for achieving sufficient linearity properties cannot be designed as a simple amplifying element as in FIG. 2a, as a result of which the creative freedom of the two matching networks is significantly restricted. In addition, the design of two filters involves increased effort. Another notable disadvantage of an active antenna of this type is the load on the matching circuit connected to the heating field with a downstream amplifier if several active antennas are designed from the same heating field to form an antenna diversity system or a group antenna with special directional properties or other purposes. This disadvantageous situation exists in all antenna arrangements, the passive antenna parts of which are in appreciable electromagnetic radiation coupling to one another. For example, according to the prior art, in a multi-antenna scanning diversity system formed from the heating field, switching diodes are attached to the connection points for the antenna amplifiers formed on the heating field, which in each case only switch on the matching circuit with amplifier whose signal is switched through to the receiver and which the other connection points unlock. In such systems, this leads to a considerable outlay and to the additional requirement of switching the diodes precisely in synchronism with the antenna selection.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine aktive Breitband-Empfangsantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass bei vorgegebenem passiven Antennenteil unter Sicherstellung einer hohen Rauschempfindlichkeit eine weitgehend unabhängig von der Frequenzabhängigkeit der effektiven Länge und der Impedanz des passiven Antennenteils frei wählbare Frequenzabhängigkeit der Empfangsleistung erreicht wird und, dass für Mehrantennenanordnungen die mehrfache Auskopplung von Empfangssignalen aus einer passiven Antennenanordnung mit mehreren Anschlussstellen, welche in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen, durch die Bildung der aktiven Antennen keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangssignale gegeben ist.The object of the invention is therefore to provide an active broadband receiving antenna To design the preamble of claim 1 so that under a given passive antenna part Ensuring high noise sensitivity is largely independent of the Frequency dependence of the effective length and the impedance of the passive antenna part freely selectable frequency dependence of the received power is achieved and that for Multi-antenna arrangements the multiple decoupling of received signals from a passive Antenna arrangement with several connection points, which in electromagnetic Radiation coupling are not noticeable due to the formation of the active antennas mutual influence of the received signals is given.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen im Besonderen in der Reduzierung des Aufwands und in der Einfachheit zur Erzielung eines hinsichtlich des Signalrauschverhältnisses und hinsichtlich der Gefährdung durch nichtlineare Effekte optimalen Empfangssignals. Aufgrund des Wegfallens eines primären Anpassnetzwerkes in Verbindung mit der eingangsseitigen Hochohmigkeit der Verstärkerschaltung ergibt sich eine äußerst vorteilhafte Freiheit bei der Gestaltung komplizierter Mehrantennensysteme, deren passive Antennenteile in Strahlungskopplung zueinander stehen. Die im Zusammenhang mit der Diversityanordnung oben erwähnten Schaltdioden zur Freischaltung von Anschlussstellen, an denen jeweils kein Signal zur Durchschaltung zum Empfänger verwendet ist, sind demnach vorteilhaft nicht notwendig.The advantages that can be achieved with the invention consist in particular in the reduction of the Effort and simplicity to achieve a signal to noise ratio and optimal reception signal with regard to the risk of nonlinear effects. by virtue of the elimination of a primary matching network in connection with the input side High impedance of the amplifier circuit results in an extremely advantageous freedom in the Design of complex multi-antenna systems, the passive antenna parts in Radiation coupling to each other. Those related to the diversity arrangement above mentioned switching diodes for the activation of connection points, at each of which no signal for Switching to the receiver is therefore advantageously not necessary.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer aktiver Breitbandempfangsantennen und Antennensysteme sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Im einzelnen zeigt:

  • Fig. 1:
  • Aktive Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit einer direkt an den passiven Antennenteil 1 angeschlossenen Verstärkerschaltung 21 mit einem Feldeffekttransistor 2, mit in der Sourceleitung befindlicher Eingangsadmittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 und ausgangsseitig wirksamem Wirkwiderstand 5.
  • Fig. 2:
  • a) Elektrisches Ersatzschaltbild einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit Serienrauschspannungsquelle ur und in ihrer Wirkung vernachlässigbarer Parallelrauschstromquelle ir des Feldeffekttransistors 2 mit einer außerhalb des Übertragungsbereichs eingangsseitig hochohmigen verlustarmen Filterschaltung 3.
  • b) Elektrisches Ersatzschaltbild einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach dem Stand der Technik mit Rauschanpassungsnetzwerk und frequenzabhängiger effektiver Länge des passiven Antennenteils 1 am Anschlusspunkt des Transistors und ausgangsseitigem Anpassungsnetzwerk zur Glättung des Frequenzgangs.
  • Fig. 3
  • a) Elektrisches Ersatzschaltbild wie in Fig. 2a, jedoch mit ausgangsseitigem Abschluß der verlustarmen Filterschaltung 3 mit einer Hochfrequenzleitung 10 und einer daran angeschlossenen Verstärkereinheit 11 mit Beitrag des Eigenrauschens der Verstärkereinheit 11 zum Gesamtrauschen.
  • b) Elektrisches Ersatzschaltbild wie in Fig. 3a mit einer Verstärkereinheit 11 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 mit einer Hochfrequenzleitung 10 und einer weiterführenden Verstärkerschaltung.
  • Fig. 4
    Gestaltung eines erweiterten Feldeffekttransistors 2 mit Hilfe eines Eingangs-Feldeffekttransistors 13 und eines durch die Source angesteuerten Bipolartransistors 14 in Emitterfolgerschaltung
  • Fig: 5
    Beispiel einer aktiven Breitbandempfangsantenne nach der Erfindung mit einem miniaturisiert ausgeführten Frontend der aktiven Antenne, einer Hochfrequenzleitung 10 und einer ergänzenden Filterschaltung 3 zur Anbringung auf der Heckfensterscheibe eines Kraftfahrzeugs.
  • Fig. 6
  • a) Verlauf der seriellen Blindwiderstände X1 und X3 sowie des parallelen Blindleitwerts B2 der erfindungsgemäßen T-Filteranordnung in Fig. 6b über der Frequenz am Beispiel der breitbandigen Abdeckung der Rundfunkbereiche UKW-Hörrundfunk sowie VHF- und UHF-Fernsehrundfunk.
  • b) Elektrisches Ersatzschaltbild einer Antenne nach der Erfindung für die unter a) genannten Frequenzbereiche.
  • Fig. 7
    Aktive Antenne nach der Erfindung mit zwei Übertragungswegen für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbereiche und Aufspaltung der Signalwege am Ausgang des Eingangs-Feldeffekttransistors 13 mit jeweils einem Bipolartransistor 14 und nachgeschalteter verlustarmer Filterschaltung 3 für den betreffenden Übertragungsfrequenzbereich und Zusammenschaltung der Ausgangssignale am gemeinsam wirksamen Wirkwiderstand 5 .
  • Fig. 8
    Aktive Antenne nach der Erfindung mit einem weiteren Feldeffekttransistor 17 zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und einem ausgangsseitigen Umsymmetrierglied 20.
  • Fig. 9
    Aktive Antenne wie in Fig. 8, jedoch mit einer Signalverzweigung entsprechend der Antenne in Fig. 7 mit jeweils einem Umsymmetrierglied 20 am Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3.
  • Fig. 10
    Aktive Antenne nach der Erfindung mit einem Übertrager 24 zur Schaffung günstiger Übertragungsverhältnisse und einem Linearisierungswiderstand 30 zur weiteren Erhöhung der Linearität.
  • Fig. 11
    Aktive Antenne nach der Erfindung, jedoch mit einem Übertrager 24 mit hinreichend hochohmiger Primärinduktivität und hinreichend großem Übersetzungsverhältnis zur breitbandigen Erhöhung der effektiven Länge le.
  • Fig. 12
    Aktive Antenne nach der Erfindung mit einer in der verlustarmen Filterschaltung 3 gestalteten frequenzselektiven Signalverzweigung.
  • Fig. 13
    Gruppenantenne zur Gestaltung von Richtwirkungen mit einer passiven Antennenanordnung 27 mit elektrischer Strahlungskopplung zwischen den Anschlussstellen 18, welche jeweils mit einer Verstärkerschaltung 21 und einer Hochfrequenzleitung 10 beschaltet sind und deren Signale im Antennencombiner 22 zusammengefasst sind.
  • Fig. 14
    Scanningdiversity-Antennenanlage mit einer Anordnung wie in Fig. 13, jedoch mit elektronischen Umschalter 25 an Stelle des Antennencombiners 22 und jeweils einem Ersatzlastwiderstand 26 zur Belastung der nicht durchgeschalteten Antennenzweige.
  • Fig. 15
  • a) Scanningdiversity-Antennenanlage gebildet aus auf die Fensterscheibe gedruckten Heizfeldern mit diversitätsmäßig geeignet positionierten Anschlussstellen 18 zur Erreichung diversitätsmäßig unabhängiger Empfangssignale 8.
  • b) Scanningdiversity-Antennenanlage wie unter a), jedoch mit einer auf die Fensterscheibe angebrachten leitenden Fläche mit hinreichend kleinem Oberflächenwiderstand und Gestaltung von Anschlussstellen 18 mit Hilfe galvanisch oder kapazitiv angekoppelter Sammelelektroden.
  • Fig. 16
    Scanningdiversity-Antennenanlage gebildet aus auf die Fensterscheibe gedruckten Heizfeldern mit diversitätsmäßig geeigneten Anschlussstellen 18 und gesondert ermittelten Blindleitwerten 23 zur Erhöhung der diversitätsmäßigen Unabhängigkeit der Empfangssignale.
  • Fig. 17
    Passiver Antennenteil 1 mit einer Anschlussstelle 18, deren beide Anschlüsse gegenüber dem Masseanschluß hochliegen, mit einem Feldeffekttransistor 2 und einem weiteren Feldeffekttransistor 17 und einer massesymmetrisch ausgeführten verlustarmen Filterschaltung 3 und einem ausgangsseitigen Umsymmetrierglied 20 zur Erzeugung unsymmetrisch vorliegender Empfangssignale am wirksamen Wirkwiderstand 5.
  • Fig. 18
  • a) und b): Beispielhafte Antennenkonfigurationen möglicher passiver Antennenteile 1
  • c) Impedanzverläufe der Antennenstrukturen A1, A2 und A3 in der Imepanzebene im Frequenzbereich von 76 bis 108 MHz und schraffierte Bereiche für RA < RAmin und RA > RAmax
  • d) Realteile der Antennenimpedanzen nach c) mit zulässigem Wertebereich RAmin < RA < RAmax
  • Exemplary embodiments of active broadband reception antennas and antenna systems according to the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. In detail shows:
  • Fig. 1:
  • Active broadband receiving antenna according to the invention with an amplifier circuit 21 connected directly to the passive antenna part 1 with a field effect transistor 2, with input admittance 7 in the source line of the low-loss filter circuit 3 and effective resistor 5 on the output side.
  • Fig. 2:
  • a) Electrical equivalent circuit diagram of an active broadband receiving antenna according to the invention with series noise voltage source u r and the effect of negligible parallel noise current source i r of field effect transistor 2 with a low-loss filter circuit 3 on the input side outside the transmission range.
  • b) Electrical equivalent circuit diagram of an active broadband reception antenna according to the prior art with noise adaptation network and frequency-dependent effective length of the passive antenna part 1 at the connection point of the transistor and output-side adaptation network for smoothing the frequency response.
  • Fig. 3
  • a) Electrical equivalent circuit as in Fig. 2a, but with the output-side termination of the low-loss filter circuit 3 with a high-frequency line 10 and an amplifier unit 11 connected to it with the contribution of the inherent noise of the amplifier unit 11 to the total noise.
  • b) Electrical equivalent circuit diagram as in FIG. 3a with an amplifier unit 11 at the output of the low-loss filter circuit 3 with a high-frequency line 10 and a further amplifier circuit.
  • Fig. 4
    Design of an extended field effect transistor 2 with the aid of an input field effect transistor 13 and a bipolar transistor 14 driven by the source in an emitter follower circuit
  • Fig: 5
    Example of an active broadband reception antenna according to the invention with a miniaturized front end of the active antenna, a high-frequency line 10 and a supplementary filter circuit 3 for attachment to the rear window of a motor vehicle.
  • Fig. 6
  • a) Course of the serial reactances X 1 and X 3 and the parallel reactive conductance B 2 of the T-filter arrangement according to the invention in Fig. 6b over the frequency using the example of the broadband coverage of the radio areas FM radio broadcasting and VHF and UHF television broadcasting.
  • b) Electrical equivalent circuit diagram of an antenna according to the invention for the frequency ranges mentioned under a).
  • Fig. 7
    Active antenna according to the invention with two transmission paths for different transmission frequency ranges and splitting of the signal paths at the output of the input field-effect transistor 13, each with a bipolar transistor 14 and downstream low-loss filter circuit 3 for the relevant transmission frequency range and interconnection of the output signals at the common effective resistor 5.
  • Fig. 8
    Active antenna according to the invention with a further field effect transistor 17 for compensating effects of the non-linearity of even order and an output-side balancing element 20.
  • Fig. 9
    Active antenna as in FIG. 8, but with a signal branching corresponding to the antenna in FIG. 7, each with a balancing element 20 at the input of the low-loss filter circuit 3.
  • Fig. 10
    Active antenna according to the invention with a transmitter 24 to create favorable transmission conditions and a linearization resistor 30 to further increase the linearity.
  • Fig. 11
    Active antenna according to the invention, but with a transformer 24 with a sufficiently high-impedance primary inductance and a sufficiently large transmission ratio for broadband increase in the effective length l e .
  • Fig. 12
    Active antenna according to the invention with a frequency-selective signal branching designed in the low-loss filter circuit 3.
  • Fig. 13
    Group antenna for designing directional effects with a passive antenna arrangement 27 with electrical radiation coupling between the connection points 18, which are each connected to an amplifier circuit 21 and a high-frequency line 10 and whose signals are combined in the antenna combiner 22.
  • Fig. 14
    Scanning diversity antenna system with an arrangement as in FIG. 13, but with an electronic switch 25 instead of the antenna combiner 22 and in each case an equivalent load resistor 26 for loading the antenna branches which are not switched through.
  • Fig. 15
  • a) Scanning diversity antenna system formed from heating fields printed on the window pane with connection points 18 suitably positioned in terms of diversity in order to achieve reception signals 8 that are independent of diversity.
  • b) Scanning diversity antenna system as under a), but with a conductive surface attached to the window pane with a sufficiently small surface resistance and design of connection points 18 with the aid of galvanically or capacitively coupled collecting electrodes.
  • Fig. 16
    Scanning diversity antenna system formed from heating fields printed on the window pane with connection points 18 suitable for diversity and separately determined blind conductance values 23 for increasing the diversity-independent of the received signals.
  • Fig. 17
    Passive antenna part 1 with a connection point 18, the two connections of which are high in relation to the ground connection, with a field effect transistor 2 and a further field effect transistor 17 and a low-loss filter circuit 3 of symmetrical design and an output-side resymmetry element 20 for generating asymmetrical reception signals at the effective resistance 5.
  • Fig. 18
  • a) and b): Exemplary antenna configurations of possible passive antenna parts 1
  • c) Impedance profiles of the antenna structures A1, A2 and A3 in the image plane in the frequency range from 76 to 108 MHz and hatched areas for R A <R Amin and R A > R Amax
  • d) Real parts of the antenna impedances according to c) with permissible value range R Amin <R A <R Amax
  • In Fig. 1 ist eine Antenne nach der Grundform der Erfindung dargestellt. Am Beispiel des auf eine Fensterscheibe gedruckten Heizfeldes eines Kraftfahrzeugs ist ersichtlich, dass der passive Antennenteil 1 nicht in einer Form gestaltet werden kann, dass sie hinsichtlich der Verwendung als Antenne im Meter- und Dezimeterwellenbereich besondere gewünschte Eigenschaften besitzt und somit eine entsprechend ihrer geometrischen Struktur und der metallischen Umrandung des Fensters eine zufällige Frequenzabhängigkeit sowohl der effektiven Länge le als auch ihrer Impedanz besitzt. Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine aktive Antenne zu realisieren, welche es erlaubt, diese Zufälligkeit der Frequenzabhängigkeit des vorgegebenen passiven Antennenteils 1 mit Hilfe einer wenig aufwändigen und einfach zu ermittelnden und einfach zu realisierenden aktiven Antenne aufzufangen und bezüglich Eigenrauschen, Linearität und Frequenzgang frei zu gestalten und zwischen der einfallenden Welle mit der elektrischen Feldstärke E und dem hochfrequenten Empfangssignal 8 einen vorgegebenen Frequenzgang zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die an einer Anschlussstelle 18 vorliegende Empfangsspannung der Verstärkerschaltung 21 zugeführt, wobei diese aus einem Feldeffekttransistor 2, welcher in seiner Sourceleitung mit der Eingangsadmittanz 7 einer verlustarmen Filterschaltung 3 gegengekoppelt ist, welche an ihrem Ausgang mit einem wirksamen Wirkwiderstand 5 abgeschlossen ist. Bei einer Antenne dieser Art ist die Eingangsadmittanz 7 erfindungsgemäß z.B. derart zu gestalten, dass die starke Frequenzabhängigkeit, welche die Empfangsleerlaufspannung, ausgedrückt durch die wirksame Länge le des so gestalteten passiven Antennenteils 1 im hochfrequenten Empfangssignal 8 weitgehend ausgeglichen ist.In Fig. 1 an antenna according to the basic form of the invention is shown. Using the example of the heating field of a motor vehicle printed on a window pane, it can be seen that the passive antenna part 1 cannot be designed in such a way that it has particular desired properties with regard to its use as an antenna in the meter and decimeter wave range and thus has a shape corresponding to its geometric structure and the metallic border of the window has a random frequency dependence of both the effective length l e and its impedance. The essence of the present invention now consists in realizing an active antenna which allows this randomness of the frequency dependency of the given passive antenna part 1 to be compensated for with the aid of an active antenna which is not complex, easy to determine and easy to implement, and with regard to self-noise, linearity and Freely design frequency response and to achieve a predetermined frequency response between the incident wave with the electric field strength E and the high-frequency received signal 8. According to the invention, the reception voltage present at a connection point 18 is fed to the amplifier circuit 21, which is made up of a field effect transistor 2, which is coupled in its source line to the input admittance 7 of a low-loss filter circuit 3, which is terminated at its output with an effective resistance 5. In the case of an antenna of this type, the input admittance 7 is to be designed according to the invention, for example, in such a way that the strong frequency dependence, which the received open circuit voltage, expressed by the effective length l e of the passive antenna part 1 designed in this way, is largely balanced in the high-frequency received signal 8.

    Die Funktionsweise und der Gestaltungsgrundsatz einer Antenne nach der Erfindung werden an Hand der elektrischen Ersatzschaltbilder der Figuren 2a und 3a erläutert:

  • Die Eignung eines vorgegebenen passiven Antennenteils 1 für die Gestaltung einer hinreichend rauschempfindlichen aktiven Antenne kann anhand der im Übertragungsfrequenzbereich herrschenden Antennentemperatur abgeschätzt werden. Feldeffekttransistoren besitzen in der Regel eine extrem kleine Parallelrauschstromquelle ir, so dass deren Beitrag ir*ZA bei vernachlassigbar kleinen Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten C2 und C1 und den in der Praxis auftretenden Antennenimpedanzen ZA im Vergleich zur Serienrauschspannungsquelle ur des Feldeffekttransistors, ausgedrückt durch seinen äquivalenten Rauschwiderstand RäF , stets vernachlässigbar klein ist. Die Empfindlichkeitsforderung reduziert sich somit darauf, dass die Rauschspannungsquelle ur 2 = 4kToBRäF im Verhältnis zur empfangenen Rauschspannungsquelle urA 2 = 4kTAB RA, welche durch die Antennentemperatur TA und dem Realteil RA der Antennenimpedanz ZA gegeben ist, kleiner oder höchstens gleich groß ist. Bei gleich großen Rauschbeiträgen ist somit als hinreichendes Empfindlichkeitskriterium bei vernachlassigbar kleinen Kapazitäten C1, C2 lediglich die einfach zu prüfende Forderung RA > RäF *T0/TA zu erfüllen. Moderne Gallium-Arsenid-Transistoren besitzen im Vergleich zur übrigen Beschaltung vernachlässigbare Kapazitäten C1 und C2 und eine im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung vernachlässigbare Wirkung von ir als Ursache für die bei Rauschanpassung solcher Transistoren extrem kleinen Rauschtemperatur TN0. Der äquivalente Rauschwiderstand ist vom Ruhestrom abhängig und kann oberhalb 30 MHz breitbandig mit 30 Ohm und weniger angesetzt werden. Für das Beispiel einer Antenne für den UKW-Frequenzbereich und einer dort vorherrschende Antennentemperatur von ca. 1000 K ist somit im Hinblick auf die Rauschempfindlichkeit für den Realteil der komplexen Antennenimpedanz, welcher bei verlustarmem Feldeffekttransistor 2 den Strahlungswiderstand darstellt, innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs ausschließlich RA(f) > ca. 10 Ohm als hinreichende Bedingung zu fordern.
  • The mode of operation and the design principle of an antenna according to the invention are explained using the electrical equivalent circuit diagrams of FIGS. 2a and 3a:
  • The suitability of a given passive antenna part 1 for the design of a sufficiently noise-sensitive active antenna can be estimated on the basis of the antenna temperature prevailing in the transmission frequency range. Field effect transistors have i r usually an extremely small parallel noise current source so that their contribution i r * Z A at negligibly small gate-source and gate-drain capacitances C 2 and C 1 and the antenna impedances occurring in practice Z A in comparison to the series noise voltage source u r of the field effect transistor, expressed by its equivalent noise resistance R äF , is always negligibly small. The sensitivity requirement is thus reduced to the fact that the noise voltage source u r 2 = 4kT o BR af in relation to the received noise voltage source u rA 2 = 4kT A BR A , which is given by the antenna temperature T A and the real part R A of the antenna impedance Z A , is smaller or at most the same size. With noise contributions of the same size, the sufficient sensitivity criterion with negligibly small capacitances C 1 , C 2 is therefore simply the requirement that is easy to test R A > R AEF * T 0 / T A to fulfill. Modern gallium arsenide transistors have negligible capacitances C 1 and C 2 compared to the rest of the circuitry, and an effect of i r that is negligible with regard to the intended application as the cause of the extremely low noise temperature T N0 when such transistors are adapted to noise. The equivalent noise resistance depends on the quiescent current and can be applied over 30 MHz broadband with 30 ohms and less. For the example of an antenna for the FM frequency range and an prevailing antenna temperature of approx. 1000 K, with regard to the noise sensitivity for the real part of the complex antenna impedance, which represents the radiation resistance in the case of low-loss field-effect transistor 2, only R A ( f)> about 10 ohms as a sufficient condition.
  • In Fig. 3a wird der Rauschbeitrag einer Verstärkereinheit 11 am Ende der an die verlustarme Filterschaltung 3 ausgangsseitig angeschlossenen Hochfrequenzleitung 10 betrachtet. Bei hinreichender Verstärkung in der Verstärkerschaltung 21 wird dieser Beitrag entsprechend klein gehalten. Zum Schutz der nachgeschalteten Verstärkereinheit 11 vor nichtlinearen Effekten ist es häufig notwendig, diese Verstärkung innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs weitgehend frequenzunabhängig zu gestalten. Dies wird durch entsprechende vorzugsweise verlustfreie Transformation des wirksamen Wirkwiderstands 5 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 in eine geeignet frequenzabhängige Eingangsadmittanz 7 erreicht. Ist die aufgrund der Frequenzabhängigkeit der effektiven Länge le(f) für die Eingangsadmittanz 7 geforderte Frequenzabhängigkeit bekannt, so kann eine Schaltung aus Blindwiderständen für die verlustarme Filterschaltung 3 gefunden werden, welche dieser Forderung weitgehend entspricht.3a shows the noise contribution of an amplifier unit 11 at the end of the high-frequency line 10 connected to the low-loss filter circuit 3 on the output side. With sufficient amplification in the amplifier circuit 21, this contribution is kept correspondingly small. To protect the downstream amplifier unit 11 from non-linear effects, it is often necessary to make this amplification largely independent of frequency within the transmission frequency range. This is achieved by appropriate, preferably lossless, transformation of the effective resistance 5 at the output of the low-loss filter circuit 3 into a suitable frequency-dependent input admittance 7. If the frequency dependency required for the input admittance 7 due to the frequency dependency of the effective length l e (f) is known, then a circuit of reactive resistors for the low-loss filter circuit 3 can be found which largely corresponds to this requirement.

    Das erfindungsgemäße Kriterium für die beispielhafte Gestaltung einer notwendigen und frequenzunabhängigen Empfangsleistung innerhalb des Übertragungsfrequenzbereichs wird für den terrestrischen Rundfunkempfang einer aktiven Fahrzeugantenne im Hinblick auf die Empfangsleistung in der nachgeschalteten Empfangsanordnung an Hand von Fig.3a erläutert. Das weitgehend frequenzunabhängige Empfangsverhalten ist zu fordern, um einerseits die Empfindlichkeit des Gesamtsystems durch den Rauschbeitrag des der aktiven Antenne nachgeschalteten Empfangssystems nicht nennenswert zu reduzieren und andererseits, um nichtlineare Effekte durch Verstärkungsüberhöhungen als Folge des frequenzabhängigen Empfangsverhalten innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs zu vermeiden. Das der aktiven Antenne nachgeschaltete Empfangssystem wird Fig.3a durch die Verstärkereinheit 11 mit der Rauschzahl Fv repräsentiert. Sein Rauschbeitrag zum Gesamtrauschen ist in Fig.3b als äquivalenter Rauschwiderstand Räv am Eingang der Verstärkerschaltung 21 dargestellt, wobei gilt: RäV = (FV - 1)G(f) The criterion according to the invention for the exemplary design of a necessary and frequency-independent reception power within the transmission frequency range is explained for terrestrial broadcast reception of an active vehicle antenna with regard to the reception power in the downstream reception arrangement with reference to FIG. 3a. The largely frequency-independent reception behavior must be demanded in order not to significantly reduce the sensitivity of the overall system due to the noise contribution of the reception system downstream of the active antenna and on the other hand to avoid non-linear effects due to amplification increases as a result of the frequency-dependent reception behavior within a transmission frequency range. The reception system connected downstream of the active antenna is represented by the amplifier unit 11 with the noise figure F v . Its noise contribution to the total noise is shown in FIG. 3b as an equivalent noise resistance Räv at the input of the amplifier circuit 21, where: R AEV = ( F V - 1) 4 · G ( f )

    Hierin ist mit G(f) der frequenzabhängige Realteil der Eingangsadmittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 bezeichnet. Dieser Rauschbeitrag ist dann unwesentlich gegenüber dem unvermeidlichen empfangenen Rauschen des mit TA rauschenden RA, wenn gilt: G(f) ≻ (FV - 1)·T 0 TA · 1 RA (f) Herein, G (f) denotes the frequency-dependent real part of the input admittance 7 of the low-loss filter circuit 3. This noise contribution is insignificant then applies against the inevitable received sound of the rushing with T A R A when: G ( f ) ≻ ( F V - 1)· T 0 4 · T A · 1 R A ( f )

    Um die Empfindlichkeitsbedingung zu erfüllen, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform einer aktiven Antenne nach der Erfindung die Frequenzabhängigkeit des Realteils G(f) der Eingangsadmittanz 7 der verlustarmen Filterschaltung 3 reziprok zum Frequenzgang des Realteils RA(f) der komplexen Antennenimpedanz zu wählen. Für das Beispiel eines UKW-Rundfunkempfängers mit Fv ∼ 4 wäre demnach angenähert G(f) < 1/(3*RA(f)) zu wählen. Zum Schutz des Empfängers vor zu großen Empfangspegeln ist es andererseits zweckmäßig, die Leistungsverstärkung der aktiven Antenne nicht wesentlich größer als für optimale Empfindlichkeit des Gesamtsystems und somit G(f) etwa so groß zu wählen wie im rechten Teil der Gleichung (3) angegeben.In order to meet the sensitivity condition, in an advantageous embodiment of an active antenna according to the invention, the frequency dependence of the real part G (f) of the input admittance 7 of the low-loss filter circuit 3 is to be selected reciprocally to the frequency response of the real part R A (f) of the complex antenna impedance. For the example of an FM radio receiver with F v ∼ 4, approximately G (f) <1 / (3 * R A (f)) would therefore have to be selected. To protect the receiver from reception levels that are too high, on the other hand, it is expedient not to select the power gain of the active antenna to be substantially greater than for optimum sensitivity of the overall system and thus to make G (f) approximately as large as indicated in the right part of equation (3).

    Mit der Erfindung ist der große Vorteil verbunden, dass der aus RA(f) vorgegebene Frequenzgang für G(f) deshalb leicht erfüllbar ist, weil weder die eingangsseitig ansteuernde Quellimpedanz der verlustarmen Filterschaltung 3, welche mit 1/gm des Feldeffekttransistors 2 gegeben ist, noch der wirksame Wirkwiderstand 5 am Ausgang der verlustarmen Filterschaltung 3 nicht vermeidbare wesentliche Blindkomponenten besitzen. Hieraus resultiert die vorteilhaft freie Gestaltbarkeit des Frequenzverhaltens der aktiven Antenne nach der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz hierzu ist bei einer aktiven Antenne nach dem Stand der Technik in Fig. 2b die frequenzabhängige Strahlerimpedanz Zs(f) zwangsweise und untrennbar als Quellimpedanz des primärseitigen Transformationsnetzwerks vorhanden. Ihr Frequenzverhalten begrenzt die erreichbare Bandbreite der in die Nähe von Zopt transformierten Impedanz und damit die Bandbreite des Signal-Rauschverhältnisses am Ausgang der aktiven Schaltung.The invention is associated with the great advantage that the frequency response for G (f) specified from R A (f) can be easily fulfilled because neither the source impedance of the low-loss filter circuit 3 which drives the input side, which is given with 1 / g m of the field effect transistor 2 is, the effective resistance 5 at the output of the low-loss filter circuit 3 still have unavoidable essential reactive components. This results in the advantageously free design of the frequency response of the active antenna according to the present invention. In contrast to this, in the case of an active antenna according to the prior art in FIG. 2b, the frequency-dependent radiator impedance Z s (f) is inevitable and inseparable as the source impedance of the primary-side transformation network. Their frequency behavior limits the achievable bandwidth of the impedance transformed into the vicinity of Z opt and thus the bandwidth of the signal-to-noise ratio at the output of the active circuit.

    Im folgenden wird die beispielhafte Gestaltung des Frequenzverlaufs von G(f) einer aktiven Fahrzeugantenne nach der Erfindung beschrieben, wenn die Forderung besteht, dass die Empfangsleistung Pa am Eingang des der aktiven Antenne nachgeschalteten Empfangssystems um einen Faktor V größer ist als mit einer passiven Referenzantenne, z.B. einer passiven Stabantenne am Fahrzeug bei deren Resonanzlänge. Aufgrund der zwangsweise unterschiedlichen Richtdiagramme wird dieser Faktor bezogen auf die azimutalen Mittelwerte unter einem definierten konstanten Elevationswinkel  des Welleneinfalls. Durch vergleichende azimutale Richtfaktormessungen mit Hilfe einer Antennenmessstrecke mit Fahrzeugdrehstand am passiven Antennenteil 1 und an der Vergleichsantenne ergeben sich bei N Winkelschritten für eine volle Umdrehung und mit dem Richtfaktor Da(n, ) des vorgegebenen passiven Antennenteils 1 und entsprechend dem Richtfaktor Dp(n, ) der passiven Referenzantenne jeweils für den n-ten Winkelschritt die folgende azimutalen Mittelwerte für die Richtfaktoren:

    Figure 00100001
    bzw. für die Referenzantenne bei der Bezugsfrequenz:
    Figure 00100002
    The exemplary design of the frequency response of G (f) of an active vehicle antenna according to the invention is described below if there is a requirement that the received power P a at the input of the receiving system connected downstream of the active antenna is greater by a factor V than with a passive reference antenna , for example a passive rod antenna on the vehicle with its resonance length. Due to the necessarily different directional diagrams, this factor is based on the azimuthal mean values at a defined constant elevation angle  of the wave incidence. Comparative azimuthal directional factor measurements with the aid of an antenna measuring section with vehicle rotation at the passive antenna part 1 and on the comparison antenna result in N angular steps for a full revolution and with the directional factor D a ( n , ) of the predetermined passive antenna part 1 and corresponding to the directional factor D p ( n , ) of the passive reference antenna for the nth angular step the following azimuthal mean values for the guide factors:
    Figure 00100001
    or for the reference antenna at the reference frequency:
    Figure 00100002

    Das der aktiven Antenne nachgeschaltete Empfangssystem, welches in Fig.3a durch die Verstärkereinheit 11 repräsentiert wird, ist in der Regel auf den Leitungswellenwiderstand ZL des Hochfrequenz-Leitungssystem bezogen. Die mittlere azimutale Empfangsleistung im Lastwiderstand 9 ergibt sich bei hinreichend großer Steilheit gm der Eingangskennlinie des Feldeffekttransistors 2 zu: Pam = 12 · E 2 ·lem 2(fG(f) wobei lem 2(f) den bei jeder Frequenz auftretenden azimutalen Mittelwert der quadratischen effektiven Länge des passiven Antennenteils 1 unter Berücksichtigung der sich mit Dam(f) gem. Gleichung (2) ergebenden effektiven Fläche des passiven Antennenteils 1 wie folgt darstellt:

    Figure 00110001
    The receiving system downstream of the active antenna, which is represented in FIG. 3a by the amplifier unit 11, is generally related to the line impedance Z L of the high-frequency line system. The mean azimuthal received power in the load resistor 9 is obtained with a sufficiently high slope g m of the input characteristic of the field effect transistor 2: P at the = 1 2 · e 2 · l em 2 ( f ) · G ( f ) where l em 2 (f) is the azimuthal mean value of the square effective length of the passive antenna part 1 that occurs at each frequency, taking into account the difference with D am (f). Equation (2) resulting effective area of the passive antenna part 1 as follows:
    Figure 00110001

    Die mittlere azimutale Empfangsleistung der passiven Referenzantenne beträgt mit Dpm aus Gleichung 5: Ppm = λ2 8·π · E 2 Z 0 ·Dpm With D pm from equation 5, the mean azimuthal reception power of the passive reference antenna is: P pm = λ 2 8 × π · e 2 Z 0 · D pm

    Unter Berücksichtigung der Verstärkungsforderung Pam/Ppm = V ergibt sich der erfindungsgemäß zu fordernde Frequenzverlauf für G(f) zu: G(f) = 1 RA (f) · Dpm Dam (f) ·V Taking into account the gain requirement P am / P pm = V, the frequency curve for G (f) to be required according to the invention results in: G ( f ) = 1 R A ( f ) · D pm D at the ( f ) · V

    Für den Fall eines verlustbehafteten passiven Antennenteils 1 mit dem Wirkungsgrad η ist in Gleichung (8) der Richtfaktor Dam(f) durch Dam(f)* η zu ersetzen. Die übrigen Dimensionierungsregeln sind dadurch nicht geändert.In the case of a lossy passive antenna part 1 with the efficiency η, the directional factor D am (f) is to be replaced by D am (f) * η in equation (8). This does not change the other dimensioning rules.

    Für den Fall etwa gleicher azimutaler Mittelwerte Dpm und Dam(f) ist die Frequenzabhängigkeit von G(f) proportional zu 1/Ra(f) zu gestalten. Ist V so groß gewählt, dass Dpm Dam (f) ·V(FV - 1)·T 0 TA gilt, dann ist der Rauschbeitrag des der aktiven Antenne nachgeschalteten Empfangssystems zum Gesamtrauschen vernachlässigbar klein. Ist zusätzlich die in Gleichung (1) angegebene Bedingung erfüllt, dann ist die Empfindlichkeit ausschließlich durch die Richtwirkung des passiven Antennenteils 1 und von der herrschenden Störeinstrahlung abhängig. Die minimal notwendige mittlere azimutale Strahlungsdichte Sam für ein Signal-Störverhältnis = 1 lautet dann: Sam (f) = k·TA ·B Dam (f) und steigt mit 1/η an, wenn Dam(f) durch Dam(f)* η zu ersetzen ist.In the case of approximately equal azimuthal mean values D pm and D am (f), the frequency dependence of G (f) should be proportional to 1 / R a (f). V is chosen so large that D pm D at the ( f ) · V ( F V - 1)· T 0 4 · T A applies, then the noise contribution of the receiving system downstream of the active antenna to the total noise is negligibly small. If the condition specified in equation (1) is also met, then the sensitivity is dependent solely on the directivity of the passive antenna part 1 and on the prevailing interference. The minimum necessary mean azimuthal radiation density S am for a signal-interference ratio = 1 is then: S at the ( f ) = k · T A · B D at the ( f ) and increases with 1 / η if D am (f) is to be replaced by D am (f) * η.

    Unter Berücksichtigung der vom Fahrzeug selbst ausgehenden Störstrahlung kann die Auswahl einer für eine erfindungsgemäße Antenne geeigneten passiven Antennenteils 1 als am Fahrzeug befindliche Struktur in Verbindung mit der in Gleichung (1) angegebenen und im folgenden näher diskutierten Bedingung für RA(f) deshalb treffsicher dadurch erfolgen, dass das Verhältnis TA/Dam(f) für den Übertragungsfrequenzbereich als hinreichend groß festgestellt wird.Taking into account the interference radiation emanating from the vehicle itself, the selection of a passive antenna part 1 suitable for an antenna according to the invention as the structure located on the vehicle in connection with the condition for R A (f) specified in equation (1) and discussed in more detail below can therefore be unerringly thereby take place that the ratio T A / D on (f) for the transmission frequency range is found to be sufficiently large.

    In Fig. 18a und 18b sind beispielhaft Antennenkonfigurationen möglicher passiver Antennenteile 1 aktiver Antennen nach der Erfindung angegeben. An den Anschlussstellen 18 liegen die in der komplexen Impedanzebene in Fig.18c dargestellten Impedanzverläufe ZA(f) in Abhängigkeit von der Frequenz vor. Der im linken Randbereich des Diagramms durch Schraffur gekennzeichnete Bereich ist einseitig durch den Wert RAmin=const. berandet. Impedanzverläufe, die außerhalb des so gekennzeichneten Bereich verlaufen, erfüllen somit die gemäß Gleichung (1) vorgegebene Bedingung des vernachlässigbaren Rauschens des Feldeffekttransistors 2 bei Vorliegen einer bestimmten Störeinstrahlung gemäß TA. Das Diagramm zeigt überzeugend den Vorteil einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne gegenüber einer aktiven Antenne gemäß Fig. 2b nach dem Stand der Technik, der darin liegt, dass ohne eingangsseitige Anpassungsmittel sämtliche Antennenstrukturen diese Bedingung ohne eingangsseitige Transformationsmittel erfüllen. In der Fig.18c sind die Realteile der in Figuren 18a und b dargestellten passiven Antennenteile 1 über der Frequenz von 76 bis 108 MHz aufgetragen. Der Frequenzverlauf des Realteils der erfindungsgemäß zu gestaltenden Eingangsadmittanz 7 am Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3 ist deshalb jeweils invertiert zu den in Fig. 18d dargestellten Kurvenverläufen nach Gesichtspunkten wie sie im Zusammenhang mit den Gleichungen (3) und (8) erörtert wurden, zu gestalten.18a and 18b exemplify antenna configurations of possible passive antenna parts 1 of active antennas according to the invention. At the connection points 18, the impedance profiles Z A (f) shown in the complex impedance plane in FIG. 18c are present as a function of the frequency. The area marked by hatching in the left margin area of the diagram is one-sided by the value R Amin = const. bounded. Impedance profiles that run outside the area identified in this way thus meet the condition of negligible noise of the field effect transistor 2 specified in accordance with equation (1) in the presence of a specific interference radiation according to T A. The diagram shows convincingly the advantage of an active antenna according to the invention over an active antenna according to FIG. 2b according to the prior art, which lies in the fact that, without an input-side adaptation means, all antenna structures meet this condition without an input-side transformation means. In FIG. 18c, the real parts of the passive antenna parts 1 shown in FIGS. 18a and b are plotted against the frequency of 76 to 108 MHz. The frequency curve of the real part of the input admittance 7 to be designed according to the invention at the input of the low-loss filter circuit 3 is therefore inverted in each case to the curve curves shown in FIG. 18d according to aspects discussed in connection with equations (3) and (8).

    Bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 21 besteht naturgemäß aufgrund möglicher nichtlinearer Effekte, wie Intermodulation, auch eine obere Grenze für die Größe der am Eingang wirksamen tolerierbaren Spannung, welche sich im Empfangsfeld über die wirksame Länge le ergibt. Die maximal tolerierbare Spannung kann durch Auswahl eines geeigneten Feldeffekttransistors 2 und durch Wahl eines geeigneten Arbeitspunkts sowie durch andere an sich bekannte Schaltungsmaßnahmen gesteigert werden. Gleichung (6) kann erfindungsgemäß einem maximal tolerierbaren azimutalen Mittelwert lem bei bekanntem azimutalen Richtfaktor Dam(f) ein maximal tolerierbarer Wirkanteil RAmax zugeordnet werden. Der für die Dimensionierung unzulässige Wertebereich mit RA>RAmax ist in den Figuren 18c und 18d ebenfalls schraffiert gekennzeichnet. Die Strahlungswiderstände RA der Impedanzwerte besonders günstiger Strukturen für die Verwendung als passiver Antennenteil 1 befinden sich demnach außerhalb des schraffierten Wertebereichs mit RAmin<RA<RAmax.In the amplifier circuit 21 according to the invention there is naturally an upper limit for the size of the tolerable voltage effective at the input, which results in the reception field over the effective length l e due to possible nonlinear effects such as intermodulation. The maximum tolerable voltage can be increased by selecting a suitable field effect transistor 2 and by selecting a suitable operating point and by other circuit measures known per se. According to the invention, equation (6) can be assigned a maximum tolerable azimuthal mean value l em with a known azimuthal guide factor D am (f), a maximum tolerable active component R Amax . The range of values with R A > R Amax which is not permissible for dimensioning is also hatched in FIGS. 18c and 18d. The radiation resistances R A of the impedance values of particularly favorable structures for use as a passive antenna part 1 are therefore outside the hatched value range with R amin <R A <R Amax .

    In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine vorgegebene Antennenstruktur durch Verwendung eines verlustarmen Übertragers mit dem Übersetzungsverhältnis ü, wie in Fig. 11 angegeben, ergänzt, welcher zusammen mit der Antennenstruktur - z.B. einem Heizfeld auf der Fensterscheibe - den passiven Antennenteil 1 bildet. Das breitbandige Übersetzungsverhältnis wird vorteilhaft derart gewählt, dass die am Ausgang des Übertragers messbare Impedanz mit ihrem Realteil im Wertebereich mit RAmin<RA<RAmax platziert ist. Hierbei ist es günstig, die Primärinduktivität hinreichend hochohmig zu gestalten.In a further advantageous embodiment of the invention, a predetermined antenna structure is supplemented by using a low-loss transformer with the transmission ratio ü, as indicated in FIG. 11, which together with the antenna structure - for example a heating field on the window pane - forms the passive antenna part 1. The broadband transmission ratio is advantageously chosen such that the impedance that can be measured at the output of the transmitter is placed with its real part in the range of values with R Amin <R A <R Amax . It is advantageous to make the primary inductance sufficiently high-resistance.

    Die Linearitätsforderung wird durch eine hinreichend große Gegenkopplung, durch die in der Sourceleitung befindliche Eingangsadmittanz 7 erfüllt. Dies erfordert eine im Übertragungsbereich vergleichsweise niedrige Gegenkopplung, welche gemäß der Verstärkungsforderung z.B. entsprechend Gleichung (8) dimensioniert ist, die jedoch außerhalb des Übertragungsbereichs so groß wie möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Realisierung solcher verlustarmer Filterschaltungen 3 bevorzugt T-Halbfilter oder T-Filter bzw. The linearity requirement is determined by a sufficiently large negative feedback, through which in the Source line located admittance 7 met. This requires one in the transmission area comparatively low negative feedback, which according to the gain requirement e.g. is dimensioned according to equation (8), but so outside the transmission range is as large as possible. In an advantageous embodiment of the invention are used for implementation such low-loss filter circuits 3 preferably T-half filter or T-filter or

    Kettenschaltungen solcher Filter eingesetzt. Solche Filter sind in ihrer Grundstruktur in den Figuren dargestellt. Zur Entsprechung eines komplizierteren Frequenzverlaufs des G(f) können die Einzelelemente durch weitere Blindelemente ergänzt werden. Im Interesse der eingangsseitigen Hochohmigkeit und der Sperrwirkung im Sperrbereich ist es zweckmäßig, Serien- bzw. Parallelzweig jeweils aus einer Kombination von Blindwiderständen derart zu bilden, dass sowohl der Absolutwert eines Blindwiderstands im Serienzweig 28 als auch der Absolutwert eines Blindleitwerts im Parallelzweig 29 jeweils innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs hinreichend klein und außerhalb eines solchen hinreichend groß ist (Fig. 6b).Chain circuits of such filters are used. Such filters are in their basic structure in the Figures shown. To correspond to a more complicated frequency response of G (f) can the individual elements are supplemented by further blind elements. In the interest of high impedance on the input side and the blocking effect in the blocking area, it is advisable To form a series or parallel branch from a combination of reactances in such a way that both the absolute value of a reactance in the series branch 28 and the absolute value of a reactive conductance in the parallel branch 29 in each case within a transmission frequency range is sufficiently small and is sufficiently large outside such (Fig. 6b).

    In einer weiteren vorteilhaften Anwendung der Erfindung wird vorgeschlagen, für verschiedene charakteristische Verläufe von G(f) entsprechende Grundstrukturen für verlustarme Filterschaltungen 3 mit zunächst unbekannten Werten für die Blindelemente in einem modernen Digitalrechner abzulegen und sowohl die Impedanz ZA des passiven Antennenteils 1 messtechnisch als auch den azimutalen Mittelwert Dam des Richtfaktors messtechnisch oder rechnerisch zu ermitteln und ebenfalls im Digitalrechner abzulegen. Der somit anhand von Gleichung (8) ermittelte Frequenzverlauf von G(f) ermöglicht die anschließende konkrete Ermittlung der Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung 3 für eine geeignet ausgewählte Filtergrundstruktur mit Hilfe bekannter Strategien der Variationsrechnung für die vorgegebene Verstärkung V der aktiven Antenne.In a further advantageous application of the invention, it is proposed to store corresponding basic structures for low-loss filter circuits 3 with initially unknown values for the dummy elements in a modern digital computer for different characteristic courses of G (f) and to measure both the impedance Z A of the passive antenna part 1 and the measurement technology to determine the azimuthal mean value D am of the guide factor by measurement or calculation and likewise to store it in the digital computer. The frequency curve of G (f) thus determined on the basis of equation (8) enables the subsequent concrete determination of the blind elements of the low-loss filter circuit 3 for a suitably selected basic filter structure with the aid of known strategies of variation calculation for the given gain V of the active antenna.

    Insbesondere bei solchen Antennensystemen, bei denen mehrere Antennen gebildet sind, wie z.B. bei Antennendiversitysystemen, Gruppenantennenanlagen oder Mehrbereichsantennenanlagen, ist es in einer vorteihaften Weiterbildung der Erfindung hilfreich, wie in Fig. 3b angegeben, die Verstärkereinheit 11 als aktive Ausgangsstufe der Verstärkerschaltung 21 zu gestalten. Diese kann mit einem Ausgangswiderstand gleich dem Wellenwiderstand ZL üblicher Koaxialleitungen versehen werden. Der wirksame Wirkwiderstand 5 wird dabei durch die Eingangsimpedanz der Verstärkereinheit 11 gebildet. G(f) ist sinngemäß nach den o.g. Ausführungen mit Hilfe einer mit dieser Impedanz abgeschlossenen verlustarmen Filterschaltung 3 zu gestalten.In particular in the case of antenna systems in which a plurality of antennas are formed, such as antenna diversity systems, group antenna systems or multi-range antenna systems, it is helpful in an advantageous development of the invention, as indicated in FIG. 3b, to design the amplifier unit 11 as the active output stage of the amplifier circuit 21. This can be provided with an output resistance equal to the characteristic impedance Z L of conventional coaxial lines. The effective resistance 5 is formed by the input impedance of the amplifier unit 11. G (f) is to be designed in accordance with the above statements with the aid of a low-loss filter circuit 3 terminated with this impedance.

    Um eine Vergrösserung der inneren Steilheit und damit besondere Linearitätseigenschaften des Feldeffekttransistors 2 zu erreichen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wie in Fig. 4 gezeigt, ein erweiterter Feldeffekttransistor 2 mit Hilfe eines Eingangs-Feldeffekttransistors 13 und eines von dessen Source angesteuerten Bipolartransistor 14 in Emitterfolgerschaltung gestaltet werden.To increase the internal steepness and thus special linearity properties of the To achieve field effect transistor 2 can, in a further advantageous embodiment Invention, as shown in Fig. 4, an extended field effect transistor 2 using an input field effect transistor 13 and a bipolar transistor 14 driven by its source Emitter follower circuit can be designed.

    Bei der Verwendung einer Antenne nach der Erfindung als eine aktive Fensterscheibenantenne ist es auf vorteilhafte Weise möglich, wie in Fig. 5 gezeigt, die Verstärkerschaltung 21 im sehr schmalen Randbereich des Fahrzeugfensters unsichtbar unterzubringen. Deshalb ist es wünschenswert, den an der Anschlussstelle 18 anzubringenden Teil miniaturisiert auszuführen und nur die dort funktionell notwendigen Teile der Verstärkerschaltung 21 anzubringen. Die weiteren Teile der verlustarmen Filterschaltung 3 sind abgesetzt platziert und über die Hochfrequenzleitung 10 angeschaltet.When using an antenna according to the invention as an active window antenna it is advantageously possible, as shown in Fig. 5, the amplifier circuit 21 in the very to accommodate the narrow edge area of the vehicle window invisibly. That's why it is desirable to miniaturize the part to be attached to the connection point 18 and to attach only the parts of the amplifier circuit 21 that are functionally necessary there. The others Parts of the low-loss filter circuit 3 are placed separately and via the high-frequency line 10 turned on.

    In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die aktive Antenne als Mehrbereichsantenne für mehrere Frequenzbereiche ausgerührt. Hierfür sind in Fig. 6a für die Frequenzbereiche UKW-Hörrundfunk sowie VHF- und UHF-Fernsehrundfunk die prinzipiellen Frequenzverläufe von Blindwiderständen X1, X3 bzw. des Blindleitwerts B2 einer T-Filteranordnung der in Fig. 6b angegebenen verlustarmen Filterschaltung 3 beispielhaft angegeben. Die T-Filterkonfiguration stellt hierbei die eingangsseitige Hochohmigkeit der verlustarmen Filterschaltung 3 zur Erreichung einer hinreichend großen Gegenkopplung des Feldeffekttransistors 2 in den Sperrbereichen sicher.In a further advantageous embodiment of the invention, the active antenna is designed as a multi-range antenna for several frequency ranges. For this purpose, the basic frequency profiles of reactive resistors X 1 , X 3 and of the reactive conductance B 2 of a T-filter arrangement of the low-loss filter circuit 3 shown in FIG. 6 b are given as examples for the frequency ranges VHF radio broadcasting and VHF and UHF television broadcasting , The T-filter configuration ensures the high-impedance of the low-loss filter circuit 3 on the input side in order to achieve a sufficiently large negative feedback of the field effect transistor 2 in the blocking regions.

    Die Schaffung mehrerer Frequenzbereiche kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung anhand getrennter Übertragungswege für die betreffenden Übertragungsfrequenzbändern erfolgen. Hierbei werden, wie in Fig. 7 gezeigt, zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändern mehrere Bipolartransistoren 14 zur Erweiterung des Feldeffekttransistors 2 eingesetzt, deren Basiselektroden an die Source-Elektrode des Eingangs-Feldeffekttransistors 13 angeschlossen sind und welche jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit dem Eingang einer getrennten verlustarmen Filterschaltung 3 zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betreffenden Frequenzbänder verbunden sind.In a further advantageous embodiment, the creation of a plurality of frequency ranges Invention based on separate transmission paths for the concerned Transmission frequency bands take place. Here, as shown in Fig. 7, for designing multiple transmission frequency bands multiple bipolar transistors 14 to expand the Field-effect transistor 2 is used, the base electrodes of which are connected to the source electrode of the input field-effect transistor 13 are connected and which each have an emitter follower circuit the input of a separate low-loss filter circuit 3 to form separate Transmission paths for the relevant frequency bands are connected.

    Zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und der daraus resultierenden Interband-Frequenzkonversionen in der Verstärkerschaltung 21 wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 8 neben dem Feldeffekttransistor 2 ein weiterer Feldeffekttransistor 17 mit gleichen elektrischen Eigenschaften eingesetzt. Hierbei werden die Eingangsanschlüsse der Verstärkerschaltung 21 durch die beiden Steueranschlüsse der Feldeffekttransistoren 15 und 16 gebildet und der Eingang der verlustarmen Filterschaltung 3 mit den Source-Anschlüssen 19a und 19b verbunden. Ein Umsymmetrierglied 20 in der verlustarmen Filterschaltung 3 dient zur Umsymmetrierung der hochfrequenten Empfangssignale 8. Eine solche Schaltung kann, wie in Fig. 17, vorteilhaft ebenso an eine Anschlussstelle 18 mit zwei gegen Masse Spannung führenden Anschlüssen angeschlossen werden.To compensate for the effects of the non-linearity of even order and the resulting ones resulting interband frequency conversions in the amplifier circuit 21 is in one Another advantageous embodiment of the invention according to FIG. 8 in addition to the field effect transistor 2 a further field effect transistor 17 with the same electrical properties is used. in this connection are the input terminals of the amplifier circuit 21 by the two control terminals of the Field effect transistors 15 and 16 formed and the input of the low-loss filter circuit 3 with connected to the source terminals 19a and 19b. A balun 20 in the low loss Filter circuit 3 is used to resymmetrize the high-frequency received signals 8. Such Circuit can, as in Fig. 17, advantageously also to a connection point 18 with two against Ground voltage-carrying connections can be connected.

    In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Maßnahmen zur Unterdrückung der nichtlinearen Effekte gemäß der für Fig. 8 gegebenen Erläuterungen und der Schaffung getrennter Übertragungswege gemäß der für Fig. 7 gegebenen Erläuterungen wie in Fig. 9 kombiniert. Die Gestaltung getrennter frequenzselektiver Übertragungswege kann vorteilhaft, wie in Fig.12 angedeutet, auch anhand von Signalverzweigungen in der verlustarmen Filterschaltung 3 zur frequenzselektiven Auskopplung von hochfrequenten Empfangssignalen 8 für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbänder an mehreren Ausgängen gestaltet werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the measures for Suppression of the non-linear effects according to the explanations given for FIG. 8 and the Creation of separate transmission paths according to the explanations given for FIG. 7 as in Fig. 9 combined. The design of separate frequency-selective transmission paths can advantageous, as indicated in FIG. 12, also on the basis of signal branches in the low-loss Filter circuit 3 for frequency-selective decoupling of high-frequency received signals 8 can be designed for different transmission frequency bands at several outputs.

    In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die vorliegende aktive Antenne in einer Antennenanlage mehrfach verwendet, deren passive Antennenteile 1 mit frequenzabhängigen und in Bezug auf einfallende Wellen nach Betrag und oder nur in Phase unterschiedlichen Richtdiagrammen der effektiven Längen le besitzen, welche jedoch in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen und zusammen eine passive Antennenanordnung 27 mit mehreren Anschlussstellen 18 bilden. Erfindungsgemäß ist dabei jede jeweils mit einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung 21 beschaltet, so dass durch die Auskopplung der hochfrequenten Empfangssignale 8 an den passiven Antennenteilen 1 keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangsspannungen gegeben ist. Eine solche Antennenanordnung ist ganz allgemein in Fig. 13 dargestellt. Die am Ausgang der Verstärkerschaltung 21 vorliegenden Empfangssignale 8 werden z.B. zur Gestaltung einer Gruppenantennenanordnung mit vorgegebenen Empfangseigenschaften hinsichtlich Richtwirkung und Antennengewinn ohne Rückwirkung auf die an den passiven Antennenteilen 1 anliegenden hochfrequenten Empfangssignale 8 in einem hierfür vorhandenen Antennencombiner 22 nach Betrag und Phase überlagert.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the present active antenna is used several times in an antenna system, the passive antenna parts 1 of which have frequency-dependent and with respect to incident waves according to the amount and or only in phase, different directional diagrams of the effective lengths l e , which, however, are electromagnetic Radiation coupling to each other and together form a passive antenna arrangement 27 with a plurality of connection points 18. According to the invention, each is connected to an amplifier circuit 21 according to the invention, so that the coupling-out of the high-frequency received signals 8 to the passive antenna parts 1 does not have any noticeable mutual influence on the received voltages. Such an antenna arrangement is shown in general in FIG. 13. The received signals 8 present at the output of the amplifier circuit 21 are superimposed, for example in order to design a group antenna arrangement with predetermined reception properties with regard to directivity and antenna gain, without retroactive effect on the high-frequency received signals 8 applied to the passive antenna parts 1 in an antenna combiner 22 provided for this purpose.

    Die Effizienz von Antennendiversitysystemen wird von der Anzahl der verfügbaren, voneinander diversitätsmäßig unabhängiger Antennensignale geprägt. Diese Unabhängigkeit drückt sich im Korrelationsfaktor zwischen den in einem Rayleigh-Wellenfeld während der Fahrt auftretenden Empfangsspannungen auf. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere aktive Empfangsantennen nach der Erfindung in einer Antennendiversityanlage für Fahrzeuge verwendet, wobei die passiven Antennenteile 1 derart gewählt sind, dass ihre in einem Rayleigh-Empfangsfeld im Leerlauf an den Anschlussstellen 18 vorliegenden Empfangssignale E*le diversitätsmäßig möglichst unabhängig voneinander sind. Solche Systeme, bei denen die Anschlussstellen 18 unter diesem Gesichtspunkt und unter Berücksichtigung von fahrzeugtechnischen Aspekten gewählt sind, sind beispielhaft in den Figuren 15a und 15b dargestellt. Aufgrund der zwischen den Anschlussstellen 18 bestehenden elektromagnetischen Strahlungskopplungen trifft diese Unabhängikeit dann nur für die im Leerlauf betriebenen Anschlussstellen 18 zu. Durch Beschaltung der Anschlussstellen 18 mit den erfindungsgemäßen Verstärkerschaltungen 21 werden aufgrund von deren vernachlässigbar kleinen kapazitivem Eingangsleitwert die hochfrequenten Empfangssignale 8 rückwirkungsfrei an den Antennenausgängen abgegriffen. Die diversitätsmäßige Unabhängigkeit der Empfangssignale an den Anschlussstellen 18 wird somit durch diese Maßnahme in vorteilhafter Weise nicht beeinflusst und diese Unabhängigkeit besteht folglich in gleicher Weise für die Empfangssignale 8 an den Antennenausgängen. Somit stehen an den Antennenausgängen voneinander unabhängige Empfangssignale 8 zur Auswahl in einem Scanningdiversity-System bzw. zur Weiterverarbeitung in einem der weiteren bekannten Diversityverfahren zur Verfügung.The efficiency of antenna diversity systems is shaped by the number of available, mutually independent antenna signals. This independence is expressed in the correlation factor between the received voltages occurring in a Rayleigh wave field while driving. In a particularly advantageous development of the invention, a plurality of active reception antennas according to the invention are used in an antenna diversity system for vehicles, the passive antenna parts 1 being selected such that their reception signals E * l e present at the connection points 18 in an idle state in a Rayleigh reception field are diverse are as independent as possible. Systems of this type, in which the connection points 18 are selected from this point of view and taking into account vehicle-technical aspects, are shown by way of example in FIGS. 15a and 15b. Because of the electromagnetic radiation coupling existing between the connection points 18, this independence then only applies to the connection points 18 operated in idle mode. By connecting the connection points 18 to the amplifier circuits 21 according to the invention, due to their negligibly small capacitive input conductance, the high-frequency received signals 8 are tapped without feedback at the antenna outputs. The diversity-independent independence of the received signals at the connection points 18 is thus advantageously not influenced by this measure, and this independence consequently exists in the same way for the received signals 8 at the antenna outputs. Thus, independent reception signals 8 are available at the antenna outputs for selection in a scanning diversity system or for further processing in one of the other known diversity methods.

    Im Gegensatz hierzu würde die Beschaltung der Anschlussstelle 18 mit einer Transformationsschaltung nach dem Stand der Technik gemaß Fig. 2b über die an der Anschlussstelle 18 fließenden Ströme eine Abhängigkeit der Antennensignale am Antennenausgang verursachen. Dieser Zusammenhang wird im folgenden für einen passiven Antennenteil 1 mit zwei Anschlussstellen 18 näher erläutert:In contrast to this, the connection of the connection point 18 with a Transformation circuit according to the prior art according to Fig. 2b on the at Junction 18 flowing currents a dependence of the antenna signals on Cause antenna output. This connection is used below for a passive Antenna part 1 with two connection points 18 explained in more detail:

    Sind U01 und U02 die Leerlaufspannungsamplituden an den Anschlussstellen 18 einer passiven Antennenanordnung 27 im Empfangsfeld und Z11, Z22 die dort gemessenen Antennenimpedanzen und ist ferner Z12 die Wechselwirkungsimpedanz aufgrund der Verkopplung der Anschlussstelle 18 und sind Y1 und Y2 die Eingangsadmittanzen der Verstärker, mit denen die Anschlussstelle 18 belastet sind, so ergibt sich für die unter dieser Belastung auftretenden Spannungsamplituden an den Anschlussstellen 18 folgende Beziehung:

    Figure 00180001
    mit N = 1-Z11·Y1 - Z22·Y2 + Z11·Z22·YY2 - Z122·YY2 Are U01 and U02 the open circuit voltage amplitudes at the connection points 18 of a passive antenna arrangement 27 in the reception field and Z11, Z22 the antenna impedances measured there and Z12 is also the interaction impedance due to the coupling of the connection point 18 and Y1 and Y2 are the input admittances of the amplifiers with which the connection point 18 are loaded, the following relationship results for the voltage amplitudes occurring under this load at the connection points 18:
    Figure 00180001
    With N = 1- Z 11 · Y 1 - Z 22 · Y 2 + Z 11 · Z 22 · Y Y 2 - Z 12 2 · Y Y 2

    Der Korrelationsfaktor zwischen den Spannungsamplituden U1 und U2 und somit auch zwischen den Antennenausgangsspannungen ergibt sich mit Hilfe der zeitlichen Mittelwerte der Spannungen U1 und U2 zu: ρ = UU2 U12 · U22 The correlation factor between the voltage amplitudes U1 and U2 and thus also between the antenna output voltages results from the mean values of the voltages U1 and U2 over time: ρ = U U 2 U 1 2 · U 2 2

    Für den hier vorausgesetzten Fall ergeben sich bei einer Fahrt im Rayleigh-Empfangsfeld voneinander unabhängige Leerlauf-Empfangsspannungsamplituden U10 und U20. Dies drückt sich durch einen verschwindenden Korrelationsfaktor aus, d.h.: ρ = U10·U20 U102 · U202 = 0 For the case assumed here, no-load received voltage amplitudes U10 and U20 result from one another when traveling in the Rayleigh reception field. This is expressed by a vanishing correlation factor, ie: ρ = U 10 · U 20 U 10 2 · U 20 2 = 0

    Sind die Eingangsadmittanzen der Verstärker, mit denen die Anschlussstellen 18 belastet sind erfindungsgemäß vernachlässigbar klein, d.h. Y1=0 und Y2=0, dann ergeben sich die Spannungen U1 und U2 aus Gleichung (11) wie folgt:

    Figure 00180002
    If the input admittances of the amplifiers with which the connection points 18 are loaded are negligibly small according to the invention, ie Y1 = 0 and Y2 = 0, then the voltages U1 and U2 result from equation (11) as follows:
    Figure 00180002

    Die mit der Zahl 0 besetzten Wechselwirkungen in der Einheitsmatrix in Gleichung (13) zeigen, dass die in Gleichung (13) beschriebene verschwindende Dekorrelation in den Spannungen U1 und U2 bei einer Verstärkerschaltung 21 nach der Erfindung erhalten bleibt. Die Auswertung von Gleichung (11) dagegen ergibt eine Verknüpfung der beiden Leerlaufspannungen über die Wechselwirkungsparameter Z12*Y2 bzw. Z12*Y1 mit den jeweiligen Spannungen bei Belastung, denn es gilt dann: U1 = (1 - Z22·Y2)·U10 + Z12·YU20 bzw. U2 = (1 - Z11·Y1)·U20 + Z12·YU10 The interactions with the number 0 in the unit matrix in equation (13) show that the vanishing decorrelation in voltages U1 and U2 described in equation (13) is retained in an amplifier circuit 21 according to the invention. The evaluation of equation (11), on the other hand, shows a link between the two open circuit voltages via the interaction parameters Z12 * Y2 and Z12 * Y1 with the respective voltages under load, because the following then applies: U 1 = (1 - Z 22 · Y 2) · U 10 + Z 12 · Y 2 · U 20 respectively. U 2 = (1 - Z 11 · Y 1)· U 20 + Z 12 · Y U 10

    Es ist offensichtlich, dass bei nicht verschwindender Verkopplung der Anschlussstellen 18, d.h. nicht verschwindendem Z12, der Korrelationsfaktor nur dann verschwindet, wenn Y1 = Y2 = 0 beträgt.It is obvious that if the connection points 18, i.e. not disappearing Z12, the correlation factor only disappears if Y1 = Y2 = 0 is.

    Andererseits zeigen die vorangegangenen Betrachtungen, dass bei bestehender gegenseitiger Abhängigkeit der Leerlaufspannungen U10 und U20, dass spezielle Werte für Y1 und Y2 gefunden werden können, welche über die in Gleichung (15) beschriebene Transformation die gegenseitige Abhängigkeit in den Verstärkereingangsspannungen U1 und U2 reduzieren oder verschwinden lassen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es deshalb; wie in Fig. 15 angedeutet, vorgesehen, die passive Antennenanordnung 27 an ihren Anschlussstellen 18 durch hierfür geeignete Leitwerte - vorzugsweise aus Gründen der Empfindlichkeit - Blindleitwerte 23 derart zu beschalten, dass die Korrelation zwischen den Spannungen an den Anschlussstellen 18 im Interesse einer größeren Diversityeffizienz kleiner wird. Aktive Antennen nach der Erfindung besitzen dabei den entscheidenden Vorteil, dass die Festlegung solcher geeigneter Blindelemente weitgehend unabhängig von Empfindlichkeitsbetrachtungen getroffen werden kann. Denn für die sich dabei an den verschiedenen Anschlussstellen 18 ergebenden Strahlungswiderstände RA(f) ist jeweils kein genauer Abgleich erforderlich, sondern es ist lediglich zu fordern, dass sie dem in Fig. 18 beschriebenen zulässigen Wertebereich angehören. On the other hand, the previous considerations show that if the open-circuit voltages U10 and U20 are mutually dependent, special values for Y1 and Y2 can be found which, via the transformation described in equation (15), reduce or disappear the mutual dependency in the amplifier input voltages U1 and U2 to let. In an advantageous development of the invention it is therefore; As indicated in FIG. 15, it is provided to connect the passive antenna arrangement 27 at its connection points 18 by means of suitable conductance values - preferably for reasons of sensitivity - so that the correlation between the voltages at the connection points 18 is smaller in the interest of greater diversity efficiency becomes. Active antennas according to the invention have the decisive advantage that the definition of such suitable dummy elements can be made largely independently of sensitivity considerations. Because the radiation resistances R A (f) that arise at the various connection points 18 do not require any precise adjustment, but only require that they belong to the permissible value range described in FIG. 18.

    Liste der BezeichnungenList of names

  • Masse 0Mass 0
  • Passiver Antennenteil 1Passive antenna part 1
  • Feldeffekttransistor 2Field effect transistor 2
  • Verlustarme Filterschaltung 3Low loss filter circuit 3
  • Ausgang 4Exit 4
  • wirksame Wirkwiderstand 5effective resistance 5
  • Eingang 6Entrance 6
  • Eingangsadmittanz 7Entry admittance 7
  • Hochfrequentes Empfangssignal 8High-frequency received signal 8
  • Lastwiderstand 9Load resistance 9
  • Hochfrequenzleitung 10Radio frequency line 10
  • Verstärkereinheit 11Amplifier unit 11
  • Emitteranschluß 12Emitter connection 12
  • Eingangs-Feldeffekttransistor 13Input field effect transistor 13
  • Bipolartransistor 14Bipolar transistor 14
  • Steueranschluß 15,16Control connection 15, 16
  • Weiterer Feldeffekttransistor 17Another field effect transistor 17
  • Anschlussstelle 18Junction 18
  • Source-Anschluß 19Source connection 19
  • Umsymmetrierglied 20Balancing element 20
  • Verstärkerschaltung 21Amplifier circuit 21
  • Antennencombiner 22Antenna combiner 22
  • Blindleitwert 23Reactive conductance 23
  • Übertrager 24Transmitter 24
  • Elektronischer Umschalter 25Electronic switch 25
  • Ersatzlastwiderstand 26Equivalent load resistance 26
  • passive Antennenanordnung 27passive antenna arrangement 27
  • Serienzweig 28Series branch 28
  • Parallelzweig 29Parallel branch 29
  • Linearisierungswiderstand 30Linearization resistor 30
  • Rauschzahl Fv Noise figure F v
  • Wirkleitwert GActive conductance G
  • effektive Länge leeffective length le
  • Wellenlänge λWavelength λ
  • Boltzmannkonstante kBoltzmann constant k
  • Wellenwiderstand des freien Raums Z0 Wave resistance of free space Z 0
  • Messbandbreite BMeasuring bandwidth B
  • Claims (23)

    Aktive Breitbandempfangsantenne, bestehend aus einem passiven Antennenteil (1) mit einer frequenzabhängigen effektive Länge le, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Eingangsanschlüssen einer Verstärkerschaltung (21) verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verstärkerschaltung (21) aus einem Feldeffekttransistor (2) und einer verlustarmen Filterschaltung (3) mit einer Eingangsadmittanz (7) besteht und die verlustarme Filterschaltung (3) an ihrem Eingang (6) an den Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (2) angeschlossen ist und an ihrem Ausgang (4) das hochfrequente Empfangssignal (8) ausgekoppelt ist, und die verlustarme Filterschaltung (3) mit einem an ihrem Ausgang (4) wirksamen Wirkwiderstand (5) belastet ist und die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) derart gewählt sind, dass die Frequenzabhängigkeit des Realteils G der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) derart eingestellt ist, dass bei geforderter Empfangsleistung der durch die frequenzabhängige effektive Länge le des passiven Antennenteils (1) bedingte Frequenzgang im hochfrequenten Empfangssignal (8) innerhalb eines breiten Frequenzbandes nach frei gewählten Gesichtspunkten gestaltet ist und der Betrag der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) außerhalb dieses Frequenzbandes zur Vermeidung von nichtlinearen Effekten im Sperrfrequenzbereich hinreichend klein ist (Fig. 1).
    Active broadband receiving antenna, consisting of a passive antenna part (1) with a frequency-dependent effective length l e , the output connections of which are connected to the input connections of an amplifier circuit (21),
    characterized in that
    the amplifier circuit (21) consists of a field effect transistor (2) and a low-loss filter circuit (3) with an input admittance (7) and the low-loss filter circuit (3) is connected at its input (6) to the source terminal of the field effect transistor (2) and the high-frequency received signal (8) is coupled out at its output (4), and the low-loss filter circuit (3) is loaded with an active resistor (5) effective at its output (4) and the blind elements of the low-loss filter circuit (3) are selected in this way that the frequency dependency of the real part G of the input admittance (7) effective at the input (6) of the low-loss filter circuit (3) is set such that the frequency response in high frequency caused by the frequency-dependent effective length l e of the passive antenna part (1) is required when the received power is required Received signal (8) is designed within a broad frequency band according to freely chosen criteria and the amount the input admittance (7) effective at the input (6) of the low-loss filter circuit (3) outside this frequency band is sufficiently small to avoid nonlinear effects in the blocking frequency range (Fig. 1).
    Aktive Breitbandempfangsantenne für die Verwendung oberhalb 30 MHz nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Feldeffekttransistor (2) eine in ihrer Wirkung vernachlässigbare Parallelrauschstromquelle ir, eine sehr kleine Gate-Drain-Kapazität C1 und eine sehr kleine Gate-Source-Kapazität C2 und ein vernachlässigbares 1/f-Rauschen aufweist und seine minimale Rauschtemperatur TN0 bei Rauschanpassung wesentlich kleiner ist als die Umgebungstemperatur T0 (Fig. 2).
    Active broadband receiving antenna for use above 30 MHz according to claim 1
    characterized in that
    the field effect transistor (2) has a negligible parallel noise current source i r , a very small gate-drain capacitance C 1 and a very small gate-source capacitance C 2 and negligible 1 / f noise and its minimum noise temperature T N0 in the case of noise adaptation, it is significantly lower than the ambient temperature T 0 (FIG. 2).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 2
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der am Ausgang (4) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksame Wirkleitwert (5) durch den Eingangswiderstand einer an ihrem Ende mit dem Lastwiderstand (9) belasteten Hochfrequenzleitung (10) gestaltet ist und der Lastwiderstand (9) durch die Eingangsimpedanz einer weiterführenden Verstärkereinheit (11) mit der Rauschzahl Fv gebildet ist und der Realteil G der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Admittanz (7) hinreichend groß gewählt ist, dass der Rauschbeitrag der Verstärkereinheit (11) kleiner ist als der Rauschbeitrag des Feldeffekttransistors (2) (Fig. 3a).
    Active broadband receiving antenna according to claim 2
    characterized in that
    the active conductance (5) effective at the output (4) of the low-loss filter circuit (3) is designed by the input resistance of a high-frequency line (10) loaded at its end with the load resistor (9) and the load resistor (9) by the input impedance of a further amplifier unit ( 11) is formed with the noise figure F v and the real part G of the admittance (7) effective at the input (6) of the low-loss filter circuit (3) is chosen to be sufficiently large that the noise contribution of the amplifier unit (11) is smaller than the noise contribution of the field effect transistor (2) (Fig. 3a).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Feldeffekttransistor (2) als erweiterter Feldeffekttransistor gestaltet ist, bestehend aus einem Eingangs-Feldeffekttransistor (13), von dessen Source der Bipolartransistor (14) in Emitterfolgerschaltung angesteuert ist und durch dessen Emitteranschluß (12) die Sourceelektrode des erweiterten Feldeffekttransistors (2) gebildet ist (Fig. 4).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 3
    characterized in that
    the field effect transistor (2) is designed as an extended field effect transistor, consisting of an input field effect transistor (13), from the source of which the bipolar transistor (14) is driven in an emitter follower circuit and through whose emitter connection (12) the source electrode of the extended field effect transistor (2) is formed (Fig. 4).
    Aktive Breitbandempfangsantenne für den UKW-Rundfunkempfang im Auto nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der passive Antennenteil (1) durch eine auf einen dielektrischen Träger, wie z.B. eine Fensterscheibe oder einen Kunststoffträger, gedruckte Leiterstruktur gestaltet und die verlustarme Filterschaltung (3) als Bandpaß mit Durchlaß im UKW-Frequenzbereich und hochohmiger Eingangsimpedanz außerhalb des UKW-Frequenzbereichs ausgeführt ist (Fig. 1).
    Active broadband reception antenna for FM radio reception in the car according to one of claims 1 to 4
    characterized in that
    the passive antenna part (1) is designed with a conductor structure printed on a dielectric carrier, such as a window pane or a plastic carrier, and the low-loss filter circuit (3) is designed as a bandpass filter with a pass in the VHF frequency range and high-impedance input impedance outside the VHF frequency range ( Fig. 1).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Zwecke der räumlichen Abtrennung eines miniaturisiert ausgeführten Frontends der aktiven Antenne in der verlustarmen Filterschaltung (3) eine Hochfrequenzleitung (10) als ein die wirksame Admittanz (7) frequenzabhängig transformierendes Element enthalten ist (Fig. 5).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 5
    characterized in that
    for the purpose of spatial separation of a miniaturized front end of the active antenna, the low-loss filter circuit (3) contains a high-frequency line (10) as an element that transforms the effective admittance (7) in a frequency-dependent manner (FIG. 5).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändern die Frequenzabhängigkeit des Wirkleitwerts G der wirksamen Eingangsadmittanz (7) der verlustarmen Filterschaltung (3) derart gestaltet ist, dass der Frequenzgang im hochfrequenten Empfangssignal (8) innerhalb jedes der Frequenzbänder breitbandig weitgehend kompensiert ist und der Betrag der am Eingang (6) der verlustarmen Filterschaltung (3) wirksamen Eingangsadmittanz (7) außerhalb dieser Frequenzbänder hinreichend klein ist (Fig. 6a).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 6
    characterized in that
    For the design of several transmission frequency bands, the frequency dependence of the active conductance G of the effective input admittance (7) of the low-loss filter circuit (3) is designed in such a way that the frequency response in the high-frequency received signal (8) is largely broadband compensated within each of the frequency bands and the amount of the input ( 6) the low-loss filter circuit (3) effective input admittance (7) outside these frequency bands is sufficiently small (Fig. 6a).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändern mehrere Bipolartransistoren (14) zur Erweiterung des Feldeffekttransistors (2) vorhanden sind, deren Basiselektroden an die Source-Elektrode des Eingangs-Feldeffekttransistors (13) angeschlossen sind und welche jeweils in Emitterfolger-Schaltung mit dem Eingang einer verlustarmen Filterschaltung (3) zur Bildung getrennter Übertragungswege für die betreffenden Frequenzbänder verbunden sind (Fig. 7).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 6
    characterized in that
    for the design of several transmission frequency bands, there are several bipolar transistors (14) for expanding the field effect transistor (2), the base electrodes of which are connected to the source electrode of the input field effect transistor (13) and which are each in emitter follower circuit with the input of a low-loss filter circuit ( 3) are connected to form separate transmission paths for the relevant frequency bands (Fig. 7).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Kompensation von Effekten der Nichtlinearität geradzahliger Ordnung und der daraus resultierenden Interband-Frequenzkonversionen in der Verstärkerschaltung (21) neben dem Feldeffekttransistor (2) ein weiterer Feldeffekttransistor (17) mit gleichen elektrischen Eigenschaften vorhanden ist und die Eingangsanschlüsse der Verstärkerschaltung (21) durch die beiden Steueranschlüsse der Feldeffekttransistoren (15, 16) gebildet sind und der Eingang der verlustarmen Filterschaltung (3) mit den Source-Anschlüssen (19a und 19b) verbunden ist und in der verlustarmen Filterschaltung (3) ein Umsymmetrierglied (20) zur Umsymmetrierung der hochfrequenten Empfangssignale (8) vorhanden ist (Fig. (8).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 8
    characterized in that
    to compensate for effects of the non-linearity of even order and the resulting interband frequency conversions in the amplifier circuit (21) in addition to the field effect transistor (2) there is another field effect transistor (17) with the same electrical properties and the input connections of the amplifier circuit (21) by the two Control connections of the field effect transistors (15, 16) are formed and the input of the low-loss filter circuit (3) is connected to the source connections (19a and 19b) and in the low-loss filter circuit (3) a resymmetrizing element (20) for resymmetrizing the high-frequency received signals ( 8) is present (Fig. (8).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 8 in Kombination mit Anspruch 9
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für die Verstärkerschaltung (21) in Anspruch 9 zur Gestaltung von mehreren Übertragungsfrequenzbändem für die betreffenden Frequenzbänder getrennte Übertragungswege gemäß Anspruch 8 gestaltet sind (Fig. 9).
    Active broadband receiving antenna according to claim 8 in combination with claim 9
    characterized in that
    for the amplifier circuit (21) in claim 9 for the design of a plurality of transmission frequency bands for the relevant frequency bands, separate transmission paths are designed according to claim 8 (FIG. 9).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 10
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die verlustarme Filterschaltung (3) als T-Halbfilter oder T-Filter bzw. als Kettenschaltung solcher Filter gestaltet ist, dessen bzw. deren Serien- bzw. Parallelzweig jeweils aus einer Kombination von Blindwiderständen derart gebildet ist, dass sowohl der Absolutwert eines Blindwiderstands im Serienzweig (28) als auch der Absolutwert eines Blindleitwerts im Parallelzweig (29) jeweils innerhalb eines Übertragungsfrequenzbereichs hinreichend klein und außerhalb eines solchen hinreichend groß ist (Fig. 6b).
    Active broadband receiving antenna according to one of Claims 7 to 10
    characterized in that
    the low-loss filter circuit (3) is designed as a T-half filter or T-filter or as a chain circuit of such filters, the series or parallel branch of which is formed in each case from a combination of reactances in such a way that both the absolute value of a reactance in the series branch (28) and the absolute value of a reactive conductance in the parallel branch (29) is in each case sufficiently small within a transmission frequency range and sufficiently large outside such (FIG. 6b).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors (2) und dem Eingangsanschluß der Filterschaltung (3) ein ohmscher Linearisierungswiderstand (30), dessen Widerstandswert kleiner als der äquivalente Rauschwiderstand Rä des Feldeffekttransistors (2) ist, zur weiteren Erhöhung der Linearität geschaltet ist (Fig. 10).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 11
    characterized in that
    Between the source connection of the field effect transistor (2) and the input connection of the filter circuit (3) an ohmic linearization resistor (30), the resistance value of which is smaller than the equivalent noise resistance R a of the field effect transistor (2), is connected to further increase the linearity (Fig 10).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur breitbandigen Schaffung günstiger Übertragungsverhältnisse in der Filterschaltung (3) ein Übertrager (24) mit geeignetem Übersetzungsverhältnis ü vorhanden ist (Fig. 10).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 12
    characterized in that
    for the broadband creation of favorable transmission conditions in the filter circuit (3) there is a transformer (24) with a suitable transmission ratio ü (FIG. 10).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur breitbandigen Erhöhung der effektiven Länge le des passiven Antennenteils (1) zwischen dessen Anschlussstelle (18) und dem Eingang der Verstärkerschaltung (21) ein Übertrager (24) mit hinreichend hochohmiger Primärinduktivität und geeignet gewähltem Übersetzungsverhältnis vorhanden ist (Fig. 11).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 3
    characterized in that
    To increase the effective length l e of the passive antenna part (1) between its connection point (18) and the input of the amplifier circuit (21), a transformer (24) with a sufficiently high-impedance primary inductance and a suitably chosen transmission ratio is present (Fig. 11).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der verlustarmen Filterschaltung (3) anhand von Signalverzweigungen frequenzselektive Übertragungswege zur frequenzselektiven Auskopplung von hochfrequenten Empfangssignalen (8) für unterschiedliche Übertragungsfrequenzbänder an mehreren Ausgängen gestaltet sind (Fig. 12).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 14
    characterized in that
    frequency-selective transmission paths for frequency-selective decoupling of high-frequency received signals (8) for different transmission frequency bands at several outputs are designed in the low-loss filter circuit (3) on the basis of signal branches (FIG. 12).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere passive Antennenteile (1) mit frequenzabhängigen und in Bezug auf einfallende Wellen nach Betrag und Phase unterschiedlichen Richtdiagrammen der effektiven Längen le vorhanden sind, welche in elektromagnetischer Strahlungskopplung zueinander stehen und zusammen eine passive Antennenanordnung (27) mit mehreren Anschlussstellen (18) bilden, von denen jede jeweils mit einer Verstärkerschaltung (21) gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 beschaltet ist, so dass durch die Auskopplung der hochfrequenten Empfangssignale (8) an den passiven Antennenteilen (1) keine merkliche gegenseitige Beeinflussung der Empfangsspannungen gegeben ist (Fig. 13).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 15
    characterized in that
    there are a number of passive antenna parts (1) with frequency-dependent directional diagrams of the effective lengths l e which differ in terms of magnitude and phase with respect to incident waves, which are in electromagnetic radiation coupling to one another and together form a passive antenna arrangement (27) with a plurality of connection points (18), Each of which is connected to an amplifier circuit (21) according to claims 1 to 12, so that the coupling of the high-frequency received signals (8) to the passive antenna parts (1) means that there is no noticeable mutual influence on the received voltages (Fig. 13) ,
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 16
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die am Ausgang der Verstärkerschaltung (21) vorliegenden Empfangssignale (8) zur Gestaltung einer Gruppenantennenanordnung mit vorgegebenen Empfangseigenschaften hinsichtlich Richtwirkung und Antennengewinn ohne Rückwirkung auf die an den passiven Antennenteilen (1) anliegenden hochfrequenten Empfangssignale (8) in einem hierfür vorhandenen Antennencombiner (22) nach Betrag und Phase überlagert sind (Fig. 13).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 16
    characterized in that
    The reception signals (8) present at the output of the amplifier circuit (21) for designing a group antenna arrangement with predetermined reception properties with regard to directivity and antenna gain without having an effect on the high-frequency reception signals (8) applied to the passive antenna parts (1) in an antenna combiner (22) provided for this purpose Amount and phase are superimposed (Fig. 13).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 16
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die aktiven Empfangsantennen in einer Antennendiversityanlage für Fahrzeuge verwendet sind und die passiven Antennenteile (1) derart gewählt sind, dass ihre in einem Rayleigh-Empfangsfeld vorliegenden Empfangssignale diversitätsmäßig möglichst unabhängig voneinander sind und die hochfrequenten Empfangssignale (8) rückwirkungsfrei, d.h. ohne die diversitätsmäßige Unabhängigkeit der Empfangssignale zu beeinflussen, zur Auswahl in einem Scanningdiversity-System bzw. zur Weiterverarbeitung in einem der weiteren bekannten Diversityverfahren zur Verfügung gestellt sind (Fig. 14).
    Active broadband receiving antenna according to claim 16
    characterized in that
    the active receiving antennas are used in an antenna diversity system for vehicles and the passive antenna parts (1) are selected in such a way that their received signals in a Rayleigh reception field are as independent of one another in terms of diversity as possible and the high-frequency received signals (8) are non-reactive, i.e. without the diversity of independence Influencing received signals are provided for selection in a scanning diversity system or for further processing in one of the other known diversity methods (FIG. 14).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach Anspruch 18
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Verbesserung der diversitätsmäßigen Unabhängigkeit der Empfangssignale der passiven Antennenteile (1) deren Anschlußstellen (18) mit hierfür gesondert ermittelten Blindleitwerten (23) parallel zum Eingang der Verstärkerschaltung (21) belastet sind (Fig. 16).
    Active broadband receiving antenna according to claim 18
    characterized in that
    To improve the diversity-independent of the received signals of the passive antenna parts (1) whose connection points (18) are loaded with separately determined reactive conductance values (23) parallel to the input of the amplifier circuit (21) (Fig. 16).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 17 und 18
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die passive Antennenanordnung (27) als Leiterstrukturen auf einem in die Aussparung einer leitenden Fahrzeugkarosserie eingebrachten Kunststoffträgers oder auf der Fensterscheibe eines Fahrzeugs z.B. in Form von einem oder mehreren Heizfeldern oder/und von der Heizung getrennte Leiterstrukturen vorhanden sind und an diesen Leiterstrukturen mehrere Anschlussstellen (18) zur Ausbildung passiver Antennenteile (1) zum Anschluss von Verstärkerschaltungen (21) vorhanden sind (Fig. 15a, b).
    Active broadband receiving antenna according to one of Claims 17 and 18
    characterized in that
    the passive antenna arrangement (27) is present as conductor structures on a plastic carrier inserted into the recess of a conductive vehicle body or on the window pane of a vehicle, for example in the form of one or more heating fields and / or conductor structures separate from the heater, and a plurality of connection points (18 ) for the formation of passive antenna parts (1) for connecting amplifier circuits (21) are present (Fig. 15a, b).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 17 bis 20
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die passive Antennenanordnung (27) als eine im wesentlichen zusammenhängende, zur Unterdrückung der Strahlungstransmission im Infrarotbereich aufgebrachte leitende Fläche mit hinreichend kleinem Oberflächenwiderstand auf der Fensterscheibe eines Autos gestaltet ist und zur Auskopplung von Empfangssignalen am nicht mit der leitenden Karosserie verbundenen Rand der leitenden Fläche geeignet positionierte Anschlussstellen (18) mit Verstärkerschaltungen (21) gebildet sind, deren hochfrequente Empfangssignale (8) über Hochfrequenzleitungen (10) zur Gestaltung einer Richtantenne einem Antennencombiner (22) bzw. zur Gestaltung einer Scanning-Diversity-Anlage einem elektronischen Umschalter (25), oder zur Gestaltung einer nach einem beliebigen anderen Verfahren arbeitenden Diversityanordnung zugeführt ist.
    Active broadband receiving antenna according to one of Claims 17 to 20
    characterized in that
    the passive antenna arrangement (27) is designed as an essentially coherent, conductive surface for suppressing the radiation transmission in the infrared range with a sufficiently small surface resistance on the window pane of a car and suitably positioned for decoupling reception signals at the edge of the conductive surface that is not connected to the conductive body Connection points (18) with amplifier circuits (21) are formed, the high-frequency received signals (8) via high-frequency lines (10) for designing a directional antenna, an antenna combiner (22) or for designing a scanning diversity system, an electronic switch (25), or to design a diversity arrangement operating according to any other method.
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 21
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der passive Antennenteil aus einem ursprünglich nicht für die Nutzung als Antenne vorgesehenem Fahrzeugteil abgeleitet ist und in seiner Gestaltung nur wenig veränderbar ist und an diesem Element eine Anschlußstelle (18) zur Bildung eines passiven Antennenteils (1) gebildet ist und für die im Nutzfrequenzbereich zutreffende Polarisation und Elevation einer einfallenden Welle ein bestimmter azimutaler Mittelwert Dm des Richtfaktors festgestellt ist und der Realteil RA der Impedanz ZA des passiven Antennenteils (1) im Übertragungsfrequenzbereich im Bereich zwischen RAmin und einem Maximalwert RAmax gegeben ist (Fig. 18).
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 21
    characterized in that
    the passive antenna part is derived from a vehicle part that was not originally intended for use as an antenna and its design can be changed only slightly, and a connection point (18) for forming a passive antenna part (1) is formed on this element and for the polarization applicable in the useful frequency range and the elevation of an incident wave, a specific azimuthal mean value D m of the directional factor is determined and the real part R A of the impedance Z A of the passive antenna part (1) is given in the transmission frequency range in the range between R amine and a maximum value R Amax (FIG. 18).
    Aktive Breitbandempfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 22
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein moderner Digitalrechner vorhanden ist und sowohl die Impedanz ZA des passiven Antennenteils (1) messtechnisch oder rechnerisch erfasst als auch der messtechnisch oder rechnerisch bestimmte azimutale Mittelwert Dm des Richtfaktors im Digitalrechner abgelegt sind und in welchem für verschiedene charakteristische mögliche Frequenzverläufe von Antennenimpedanzen hierfür geeignete Grundstrukturen für verlustarme Filterschaltungen (3) im Digitalrechner abgelegt sind und mit Hilfe bekannter Strategien der Variationsrechnung die Blindelemente der verlustarmen Filterschaltung (3) für einen vorgegebenen mittleren Gewinn der aktiven Antenne ermittelt sind.
    Active broadband receiving antenna according to one of claims 1 to 22
    characterized in that
    A modern digital computer is available and both the impedance Z A of the passive antenna part (1) is measured or calculated and the azimuthal average value D m of the directional factor, determined by measurement or calculation, is stored in the digital computer and in which suitable for various characteristic possible frequency profiles of antenna impedances are stored Basic structures for low-loss filter circuits (3) are stored in the digital computer and with the aid of known strategies of variation calculation, the blind elements of the low-loss filter circuit (3) are determined for a predetermined average gain of the active antenna.
    EP02004597.7A 2001-03-26 2002-02-28 Active broadband vehicle receiving antenna Expired - Lifetime EP1246294B1 (en)

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    DE10114769 2001-03-26
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