Hirschmann Car Communication GmbH, Neckartenzlingen
B E S C H R E I B U N G
Antennenverstärker eines Fahrzeuges mit Mitteln zum ESD-Schutz im Eingang
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Antennenverstärker eines Fahrzeuges zum Empfan¬ gen hochfrequenter Signale gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Systeme zum Empfangen hochfrequenter Signale bei Fahrzeugen sind bekannt. Diese weisen eine Antenne auf, die einem Eingang eines Antennenverstärkers zugeführt wird, wobei die empfangenen hochfrequenten Signale dem Antennen¬ verstärker zu ihrer Verstärkung zugeführt werden, um mit ausreichendem Pegel für die nachfolgende Wiedergabe geeignet zu sein. Bei rauscharmen Empfangs¬ verstärkern, die hochfrequente Signale im oberen Megahertzbereich (ca. 800 bis 900 Megahertz) bzw. im unteren Gigahertzbereich (insbesondere 1 bis 2 Gigahertz) empfangen, ist die Antenne direkt an den Eingang (Eingangsstufe) des Antennenverstärkers angeschlossen. Solche Empfangsverstärker sind sehr empfindlich gegenüber Störsignalen, insbesondere elektrostatischen Entladungen (ESD), wie sie zum Beispiel beim zufälligen Berühren der Antenne mit der Hand auftreten können. Dies kann sowohl bei der Montage des Empfangssystems im Fahrzeug als auch beim späteren Betrieb passieren. Außerdem kann es bei diesen rauscharmen Empfangsverstärkern schon vorkommen, dass nach der Herstellung des Verstärkers an sich, ohne dass die Antenne angeschlossen ist,
die Störsignale an den Eingang des Verstärkers gelangen und somit die irreparab¬ len Schäden verursachen.
Im Stand der Technik sind zwar schon Bauteile bekannt, die die gefährdete Eingangsstufe des Antennenverstärkers vor solchen Entladungen schützen sollen und die zwischen dem Signalpfad zwischen der Antenne und dem Antennenver¬ stärker sowie Masse geschaltet sind. Hierbei handelt es sich um Varistoren und ESD-Subpressorelemente (nicht lineare Widerstände, die ab einer bestimmten Spannung niederohmig werden), Dioden (die bei Überschreiten der Diodenknick- spannung leitend werden (sowie Trennfunkenstrecken, die die auftretende Überspannung des ESD-Impulses nach Masse ableiten)). Diese Kantenbauteile führen zu den gewünschten Ergebnissen, wenn die hochfrequenten Signale deutlich im unteren Megahertzbereich liegen. In dem hier in Rede stehenden Frequenzbereich besitzen solche Varistoren, ESD-Suppressoren und Dioden eine Kapazität. Wird ein solches Schutzelement zwischen Signalpfad und Masse geschaltet, hat deren Kapazität einen negativen oder sogar schädlichen Einfluss auf die Rauschzahl und Verstärkung sowie Bandbreite der eigentlich zu schützen¬ den Verstärkerstufe, so dass deren Funktion stark beeinträchtigt wird. Diese störenden Effekte nehmen mit zunehmender Frequenz immer stärker zu, da gerade im Gigahertz-Bereich solche Kapazitäten bereits ab ungefähr einem Pikofarat Pf stören. Darüber hinaus ist es von Nachteil, dass die Bauelemente der eigentlich zu schützenden Verstärkerstufe für die heutigen Empfangseigenschaf¬ ten schon so empfindlich sind, dass selbst die bekannten Schutzelemente keinen ausreichenden Schutz bieten können. Die Gründe hierfür liegen in einer zu langen Ansprechzeit, einem zu hohen Innenwiderstand bzw. einer zu hohen Restspan¬ nung der Schutzelemente während der Entladung.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antennenverstärker eines Fahrzeuges zum Empfangen hochfrequenter Signale bereitzustellen, der zusätzlich Schutzmaßnahmen aufweist, mit denen gewährleistet ist, dass Störsignale am Eingang des Antennenverstärkers, insbesondere elektrostatische
Entladungen, nicht zu einer Beeinträchtigung des Betriebes des Antennenverstär¬ kers oder sogar zu einer Beschädigung führen.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist für hochfrequente Signale im oberen Megahertz- bzw. unteren Gigahertzbereich vorgesehen, dass dem Eingang des Antennenverstär¬ kers Mittel vorgeschaltet sind, die einen Spektralbereich schädigender Anteile der hochfrequenten Signale herausfiltern und die für die Nutzsignale der von der Antenne empfangenen hochfrequenten Signale zu dem Antennenverstärker durchlässig sind. Die Erfindung löst das Problem nicht mehr wie bisher im Zeitbereich, sondern in überraschender Weise im Frequenzbereich. Denn die schädigenden Anteile der hochfrequenten Signale, insbesondere die Schädigen¬ den ESD-Impulse, besitzen gemäß ihres zeitlichen Verlaufes ein Spektrum im Frequenzbereich. Dieses Spektrum ist für die Bauteile im Eingang des Antennen¬ verstärkers schädlich und wird gemäß der Erfindung herausgefiltert. Um die schädigende Wirkung dieses Spektrums herauszufiltern (zu eliminieren) ist es erforderlich, diesen Spektralbereich durch geeignete Mittel vor dem zu schützen¬ den Antennenverstärker herauszufiltern. Gleichzeitig sind in erfindungsgemäßer Weise diese Mittel so beschaffen, dass sie die gewünschten Signale (Nutzsignale bzw. Nutzanteile) der von der Antenne empfangenen hochfrequenten Signale ungehindert von der Antenne zum Eingang des Antennenverstärkers durchlassen. Bei den hier in Rede stehenden ESD-Impulsen entspricht der zeitliche Verlauf des Impulses im Wesentlichen einer abklingenden e-Funktion mit schnellem Anstieg. Im Frequenzbereich ergibt sich daraus ein bandbreitenbegrenztes Spektrum mit hohen Anteilen bei niedrigen Frequenzen und nach oben abnehmendem Energiegehalt bis ungefähr 1 Gigahertz. Daher sind die Mittel so gestaltet, dass sie einen ESD-Impuls mit dem gerade beschriebenen Frequenzspektrum herausfiltern, so dass dieser nicht mehr die schädigende Wirkung in dem Antennenverstärker hervorrufen kann.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel als Filter mit Hochpasscharakteristik ausgebildet. Die Grenzfrequenz eines solchen Filters wird so gewählt, dass die
höher frequenten Anteile der Störsignale (insbesondere des ESD-Impulses) unterdrückt werden. Gleichzeitig ist die Grenzfrequenz so zu wählen, dass die Dämpfung bei der Nutzfrequenz (Nutzanteil der hochfrequenten Signale) so klein wie möglich ist, damit eben keine Verschlechterung des Nutzsignales auftritt. Dies läßt sich durch geeignete Dimensionierung der Bauteile des Filters mit Hochpass¬ charakteristik erzielen. Um eine möglichst hohe Unterdrückung der schädigenden Energieanteile der Störsignale zu gewährleisten, weist der Filter eine hohe Ordnung auf. Gleichzeitig ist hierdurch eine geringe Einfügedämpfung für das Nutzsignale erzielbar. Da die Quellimpedanz der Störsignale niederohmig ist, sind in vorteilhafter Weise Serienelemente notwendig, um eine eingeprägte Störspan¬ nung zu realisieren.
In Weiterbildung der Erfindung sind die als Filter ausgebildeten Mittel als diskrete Bauelemente und/oder gedruckte Streifenleitungen ausgebildet. Dadurch lassen sich in der geforderten Dimensionierung die gewünschten Filtereigenschaften kostengünstig und effizient einstellen. Insbesondere Hochpassfilter lassen sich im hier in Rede stehenden Frequenzbereich (auch unterer Mikrowellenbereich genannt) besonders kostengünstig und effizient als eine Kombination von diskreten Bauteilen (zum Beispiel SMD-Bauteile) und als auf eine Leiterplatte gedruckte Streifenleitungen realisieren. Dabei werden beispielsweise die erforderlichen Induktivitäten als gedruckte Streifen leitung realisiert, da Induktivitä¬ ten als diskrete Bauteile in dem hier in Rede stehenden Frequenzbereich zu hohe Toleranzen aufweisen, störende parasitäre Kapazitäten besitzen und kosteninten¬ siv sind. Ein weiterer Vorteil der Ausgestaltung der Induktivitäten als gedruckte Streifenleitungen ist der, dass der erforderliche Induktivitätswert stufenlos einstellbar ist, in dem die flächige Erstreckung, insbesondere die Länge der Streifenleitung, variiert wird.
Zusammenfassend läßt sich mit der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mittel, die beispielsweise als Hochpass höherer Ordnung ausgebildet sind, ein hochwirksamer und kostengünstiger ESD-Schutz für Antennen und deren nachfolgende rauscharme eingangsseitige Verstärkerstufe realisieren, ohne deren Funktion zu beeinflussen oder nur unwesentlich zu
beeinflussen. Dabei werden die Filtermittel so dimensioniert, dass der Nutzfre¬ quenzbereich oberhalb des Spektrums der Störsignale, insbesondere der ESD- Impulse, liegt und der Hochpass so dimensioniert ist, dass er im besten Fall dass gesamte ESD-Spektrum, aber wesentliche Teile davon, herausfiltert und für die Nutzsignale möglichst keine oder nur eine geringe Einfügedämpfung aufweist. Besonders bevorzugt wird die Erfindung angewendet bei Antennen und Eingangs¬ verstärkern für Frequenzen von GPS-Systemen (Navigationssysteme) für SDARS- Anwendungen und im L-Band.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles im Folgenden beschrie¬ ben und anhand der Figuren erläutert, wobei die Erfindung auf dieses Ausfüh¬ rungsbeispiel nicht beschränkt ist, sondern je nach Anwendungsfail entsprechend abgewandelt werden kann.
Es zeigen:
Figur 1 ein Empfangssystem für ein Fahrzeug,
Figur 2 einen Filter mit Hochpasscharakteristik.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt beispielhaft ein Empfangssystem eines Fahrzeuges, das an geeigneter Stelle eine Antenne 1 aufweist. Je nach Ausgestaltung des Empfangs¬ systems besteht die Antenne 1 nicht nur aus einem einzigen Antennenelement, sondern kann auch aus zwei oder mehr Antennenelementen 2, 3, 4 bestehen. Insbesondere wenn das Empfangssystem ein Diversity-System ist, sind mehrere Antennenelemente vorhanden. Diese können unterschiedlich ausgestaltet sein, so zum Beispiel als Stabantennen, als Antennenleiterstrukturen in oder auf Fahr¬ zeugbauteilen, insbesondere Fahrzeugscheiben, und dergleichen. Einem Antennenelement 2, 3 oder 4 sind Mittel nachgeschaltet, die als Filter 5 ausgebil-
det sind. Dieser Filter 5 weist einen Eingang E auf, an dem ihm die von den Antenneneiementen 2, 3, 4 empfangenen hochfrequenten Signale zugeführt werden. An einem Ausgang A des Filters 5 ist ein Antennenverstärker 6 nachge¬ schaltet, der in besonders vorteilhafter Weise als rauscharmer Empfangsverstär¬ ker für hochfrequente Signale im Gigahertz-Bereich ausgebildet ist. Dieser Antennenverstärker 6 weist einen Ausgang 7 auf, an dem die empfangenen und verstärkten hochfrequenten Signale weiteren nachgeschalteten elektronischen Geräten, wie beispielsweise Rundfunkempfänger, GPS-Empfänger, TV-Tuner und dergleichen zugeführt werden. Der Filter 5, allgemein die Mittel, sind so gestaltet, dass sie einen Spektralbereich schädigender Anteile der empfangenen hochfre¬ quenten Signale herausfiitem und für die Nutzsignale (Nutzanteile) der hochfre¬ quenten Signale, die von der Antenne 1 empfangen werden, zu dem Antennen¬ verstärker 6 durchlässig sind.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel, das in Figur 1 gezeigt ist, sind bei der Realisierung eines solchen Empfangssystems selbstverständlich Alternativen denkbar. So kann beispielsweise jedem Antennenelement 2, 3, 4 oder einer Gruppe von Antennenelementen jeweils ein Filter 5 nachgeschaltet sein. Bei Vorhandensein von nur einem Filter 5 ist es denkbar, dass mittels einer Um¬ schalteinrichtung dem Eingang E jeweils die hochfrequenten Signale eines der Antennenelemente 2, 3, 4 zugeführt werden. Ebenso ist es denkbar, dass mehr als ein Antennenverstärker 6 vorhanden ist, wobei dann jeder Antennenverstärker 6 einen eigenen Filter 5 aufweist, wobei der Filter 5 entweder der Eingangsstufe des Antennenverstärkers 6 vorgeschaltet ist (und damit auch räumlich getrennt davon angeordnet ist) oder in dem Antennenverstärker 6 selber integriert ist. In diesem Fall sind dann beispielsweise die Bauteile, die die Funktion des Anten¬ nenverstärkers 6 realisieren, zusammen mit den Bauteilen, die die Funktion des Filters 5 realisieren, auf getrennten Leiterplatten, aber in einem gemeinsamen Gehäuse des Antennenverstärkers 6 oder auch auf einer gemeinsamen Leiter¬ platte des Antennenverstärkers 6 angeordnet. Die letztgenannte Variante hat den besonderen Vorteil, dass sich kurze Signalwege ergeben, da diese bei dem hier in Rede stehenden Frequenzbereich aufgrund geringerer Störkapazitäten besonders
von Vorteil sind. Außerdem lassen sich Steckverbindungen mit störenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften wirksam vermeiden.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel von Mitteln, die dem Eingang des Anten¬ nenverstärkers 6 vorgeschaltet sind und die einen Spektralbereich schädigender Anteile der empfangenen hochfrequenten Signale herausfiltern und die für die Nutzsignale der von der Antenne 1 empfangenen hochfrequenten Signale zu dem Antennenverstärker 6 durchlässig sind. Dieser Hochpass höherer Ordnung (hier fünfter Ordnung, wobei niedrigere Ordnungen denkbar sind, von besonderem Vorteil aber Hochpässe noch höherer Ordnung angewendet werden) besteht aus Kapazitäten 8 (Serienelemente) sowie Induktivitäten 9. Die Kapazitäten 8 sind in den Signalpfad zwischen der Antenne 1 und dem Antennenverstärker 6 geschal¬ tet, während die Induktivitäten 9 gegen Masse geführt sind. In bevorzugter Weise sind die Kapazitäten 8 und/oder die Induktivitäten 9 als diskrete Bauelemente und/oder als gedruckte Streifenleitungen ausgebildet, wobei gerade die Induktivi¬ täten 9 als gedruckte Streifenleitung realisiert sind, da konventionelle Induktivitä¬ ten in dem hier in Rede stehenden Frequenzbereich zu große Toleranzen haben, störende parasitäre Kapazitäten besitzen und vergleichsweise kostenintensiv sind. Außerdem läßt sich mit als gedruckte Streifenleitung realisierte Induktivität eine stufenlose Einstellbarkeit des Induktivitätswertes erreichen.
Bezugs∑eichenliste
1. Antenne
2.-4. Antennenelement
5. Filter
6. Antennenverstärker
7. Ausgang
8. Kapazitäten
9. Induktivitäten