DE3124331C2

DE3124331C2 - "aktive antenne"

Info

Publication number: DE3124331C2
Application number: DE3124331A
Authority: DE
Inventors: Ernst H Nordholt; Durk Van Willigen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-06-20
Filing date: 1981-06-20
Publication date: 1989-03-23
Also published as: JPS5730403A; NL182109C; HK52688A; AU7193581A; FR2485276A1; AU544852B2; JPH03802B2; GB2079064B; CA1173559A; US4414690A; DE3124331A1; FR2485276B1; GB2079064A; NL8003566A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Antenne ist u. a. bekannt aus dem Artikel "die transistorierte Empfangsantenne mit kapazitiv hochohmigem Verstärker als optimale Lösung für den Empfang niedriger Frequenzen", von H. Lindenmeier, veröffentlicht in NTZ 27 (1974), Nr. 11, Seiten 411-418 und wird wegen der kleinen Abmessungen, der großen Breitbandigkeit und der Möglichkeit, die Ausgangsimpedanz auf einfache Weise an die charakteristische Impedanz des Kabels zu einem Empfänger anzupassen, in ortsbeweglichen Funkempfängern, u. a. Autoradios und in sogenannten Antennen-Arrays verwendet.

Wegen des Vorhandenseins eines Verstärkers sind Rauschen und Verzerrung unvermeidlich, so daß bei dem Entwurf derartiger Antennen ein optimales Signal/Rauschverhältnis und eine minimale Intermodulation angestrebt werden müssen. Weiterhin ist es insbesondere bei Verwendung in den sogenannten Antennen-Arrays von Bedeutung, daß die Antennenübertragungs funktion genau definiert ist und vorzugsweise frequenzunabhängig ist, während der Einfluß atmosphärischer Störungen möglichst unterdrückt werden muß.

Aus dem oben genannten Artikel geht hervor, daß die Eingangs impedanz des Verstärkers der aktiven Antenne hochohmig sein muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine aktive Empfangsantenne der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß nichtlineare Verzerrungen vermieden werden, daß Schutz maßnahmen gegen atmosphärische Störungen keinen Einfluß auf die Antennenübertragungsfunktion haben und daß der Einfluß von parasitären Verschmutzungen der Antenne wesentlich verringert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer aktiven Empfangsantenne der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Verstärker mit virtuell geerdetem Eingang sind an sich bekannt (vgl. z. B. Tietze/Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 1976 Seite 56). Es handelt sich dabei um Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor und starker Gegenkopplung, so daß die Spannung am gegengekoppelten Eingang praktisch Null ist, wenn der nicht geerdete Eingang geerdet ist.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß die Eingangsspannung nahezu gleich Null Volt ist, wodurch nichtlineare Verzerrungen vermieden werden, daß Schutzmaßnahmen gegen atmosphärische Störungen wie statische Entladungen keinen Einfluß auf die Antennenübertragungsfunktion haben und daß der Einfluß von parasitärer Verschmutzung der Antenne, beispielsweise von Staub und Regen, wesentlich verringert wird.

Bei der in Anspruch 2 angegebenen Weiterbildung der Erfindung ist die Eingangsstufe des Verstärkers als symmetrischer Differenzverstärker ausgebildet.

Dies bietet den Vorteil, daß auf sehr einfache Weise ein Verstärker mit einem sehr niederohmigen Eingang erhalten ist.

Nach einer weiteren Ausbildung enthält der Rückkopplungskreis einen zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem invertierenden Eingang des Verstärkers vorgesehenen ersten Kondensator.

Der Vorteil einer derartigen Antenne ist, daß die Übertragungsfunktion dieser Antenne frequenzunabhängig ist.

Die Wirkungsweise der aktiven Antenne und die Vorteile werden nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne,

Fig. 3 einen Ausbau der aktiven Antenne aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1,

Fig. 4 eine erweiterte Ausführungsform der aktiven Antenne aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte aktive Antenne enthält ein Antennenelement 1, dessen Länge kleiner ist als die Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz und eine daran angeschlossene Verstärkerschaltung 2 mit einem Eingang 3 und einem Ausgang 4, an den eine Belastung 5 angeschlossen werden kann.

Eine derartige Antenne ist, wenn die Länge 1 dieser Antenne viel kleiner ist als die Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz, insbesondere geeignet in ortsbeweglichen Empfängern und sogenannten Antennen-Arrays verwendet zu werden. Weil diese Antennen einen Verstärker enthalten, sind Rausch- und Verzerrungsprodukte, die von dem Verstärker herrühren, unvermeidlich, die zu dem empfangenen Signal addiert werden. Deswegen muß die Konfiguration derart entworfen werden, daß diese unerwünschten Signale möglichst gut unterdrückt werden. Die aktive Antenne ist zum Schutz des Verstärkereingangs vor hohen Spannungen, wie sie von statischen Entladungen herrühren, mit Dioden 5 und 6 versehen. Diese Dioden, die die Eingangsspannungsänderung zwischen Erdpotential und dem Speisespannungspotential begrenzen, weisen parasitäre Kapazitäten auf, die das von der Antenne herrührende Signal abschwächen. Außerdem trägt das nichtlineare Verhalten der Diode zu der Verzerrung der aktiven Antenne bei. Auch eine Verschmutzung der Antenne durch Staub und Feuchtigkeit bildet parasitäre Impedanzen, die die Qualität der Übertragungscharakteristik der Antenne beeinträchtigen.

Um den Einfluß der genannten Effekte wesentlich zu verringern, enthält die Verstärkerschaltung 2 in diesem Ausführungs beispiel einen Verstärker 8 mit großem Verstärkungsfaktor und ist der Signaleingang 9 des Verstärkers mit einem Punkt gemeinsamen Potentials verbunden, im Ausführungsbeispiel mit Erde. Weiterhin ist der Verstärker mit einem Rückkopplungskreis versehen, der durch eine zwischen dem Ausgang 11 und dem invertierenden Eingang 10 des Verstärkers 8 vorgesehene Impedanz 12 gebildet wird. Die Eingangsstufe des Verstärkers 8 ist als symmetrischer Differenz verstärker ausgebildet.

Weil der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8 sehr groß ist und die Ausgangsspannung über die Rückkopplungsimpedanz 12 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt wird, wird die Spannung des invertierenden Eingangs 10 der Spannung des Signaleingangs 9 nahezu entsprechen und folglich der Spannung des Punktes gemeinsamen Potentials nahezu entsprechen.

Dies bedeutet, daß der invertierende Eingang virtuell geerdet ist. Dabei sei bemerkt, daß der invertierenden Eingang 10 den Steuereingang des ersten aktiven Elementes der Verstärkerschaltung 2 bildet. Durch den sehr geringen Spannungsunterschied zwischen dem Signaleingang 9 und dem signalinvertierenden Eingang 10 hat die Verstärkerschaltung 2 eine sehr niedrige Eingangsimpedanz.

Weil der invertierende Eingang virtuell geerdet ist, steht normalerweise an den Schutzdioden 6 und 7 keine Signal spannung und ist der Einfluß dieser Dioden auf die Antennen übertragungscharakteristik ausgeschaltet. Dasselbe gilt für den Einfluß der Antennenverschmutzung infolge von Feuchtigkeit und Staub. Auch die nichtlinearen Verzerrungen des Verstärkers sind infolge der sehr geringen Eingangs spannungsänderungen wesentlich verringert.

Eine Antenne mit einer Länge, die viel kleiner ist als die Wellenlänge kann durch eine Spannungsquelle U _a dargestellt werden, mit der eine Kapazität C _a in Reihe liegt. Dies zeigt, daß die von dem Antennenelement erzeugte Leerlaufspannung frequenzunabhängig ist.

Zum Erhalten einer frequenzabhängigen aktiven Antennen übertragungscharakteristik muß als Rückkopplungsimpedanz 12 eine Kapazität 16 gewählt werden.

Es läßt sich auf einfache Weise darlegen, daß in diesem Fall die Übertragungsfunktion der folgenden Gleichung entspricht:

U _b/U _a = - C _a/C₁₆ (1)

wobei U _b die Spannung an der Last 5 darstellt. Wird als Rückkopplungsimpedanz 12 ein regelbarer Kondensator C₁₆ verwendet, so folgt aus der Formel (1), daß sich die Verstärkung mit dieser Rückkopplungskapazität C₁₆ linear ändert, wodurch auf einfache Weise die Ausgangsspannung zum Aussteuern des mit der aktiven Antenne gekoppelten Empfängers, wie eines Autoradios, einstellbar ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt als aktiven Teil der Verstärkerschaltung 2 einen Operations verstärker 8, dessen nichtinvertierender Eingang 9 wieder mit Erde verbunden ist. Der Rückkopplungskreis wird jedoch durch einen ersten Transformator 13 gebildet, dessen Primärwicklung 14 zwischen dem Ausgang 4 des Verstärkers 8 und Erde liegt und dessen Sekundärwicklung 15 zwischen dem Antennenelement und dem invertierenden Eingang 10 des Verstärkers 8 liegt. Bei einem Verhältnis von n : 1 für die Anzahl Windungen der Primärwicklung 14 zu der der Sekundärwicklung 15, gilt für die Übertragungsfunktion der Antenne bei sehr hohem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8:

U _b/U _a = n (2)

so daß auch diese Antennenkonfiguration eine gut definierte Übertragungsfunktion hat, die frequenzabhängig ist.

Dadurch, daß der invertierende Eingang virtuell geerdet ist, sind die Einflüsse von Streukapazitäten 22, wie von an den signalinvertierenden Eingang 10 angeschlossen Schutzdioden, die Miller-Kapazitäten des ersten aktiven Elementes des Verstärkers 8 und der Verdrahtungskapazität an der Stelle des genannten Eingangs 10 ausgeschaltet. Es bleibt nur die Verdrahtungsstreukapazität 23.

Zum Erhalten einer optimalen Anpassung der aktiven Antenne an die Last 5, die beispielsweise durch die charakteristische Impedanz des Kabels und die Eingangsimpedanz eines Empfängers gebildet wird, kann die Rückkopplung 12 des Verstärkers 8 modifiziert werden.

So zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, wobei außer der bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen, dem Ausgang parallel entnommenen Gegenkopplung mit Hilfe eines Kondensators 16 eine in Reihe mit dem Ausgang abgenommene Gegenkopplung mit Hilfe eines zweiten Transformators 18 und eines zweiten Kondensators 17 vorgesehen ist. Dabei ist die Primärwicklung 19 des zweiten Transformators 18 zwischen dem Ausgang 11 des Verstärkers 8 der Last 5 angeordnet. Die Primärwicklung ist durch einen Widerstand 20 mit einem Wert, der gegenüber der Belastungsimpedanz 5 klein ist, überbrückt. Die Sekundärwicklung 21 des Transformators 18 ist in Reihe mit dem zweiten Kondensator 17 zwischen dem Punkt gemeinsamen Potentials (Erde) und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 8 vorgesehen. Ausgehend von einem Verhältnis von m : 1 der Anzahl Windungen der Primärwicklung 19 zu der Anzahl Windungen der Sekundär wicklung 21, ist bei einem sehr großen Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8 der Übertragungsfaktor:

und die Ausgangsimpedanz Z₀ des Verstärkers 2 der folgenden Gleichung entspricht:
Z₀ = R₂₀ (1 + m C₁₉/C₁₆) (4)

Unter der Bedingung, daß die Belastungsimpedanz Z₅ = Z₀, und daß,

wird die Formel (3) wie folgt verwenfacht:

U _b/U _a = -C _a/2C₁₆. (5)

Wie die Formel (5) zeigt, hat die in Fig. 3 dargestellte aktive Antenne eine definierte, frequenzunabhängige Übertragungs charakteristik. Weiterhin zeigt die Formel (4), daß durch die Wahl der Größe des Widerstandes 20 sehr einfach eine optimale Leistungsübertragung erhalten werden kann, ohne daß dabei ein wesentlicher Verlust der Signalleistung auftritt.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Rückkopplung, wobei außer der dem Ausgang parallel abgenommenen Rückkopplung, wie in Fig. 2 dargestellt, in Reihe mit dem Ausgang eine zusätzlich abgenommene Rückkopplung vorgesehen ist, und zwar aus entsprechende Weise wie in Fig. 3 dargestellt.

Der Unterschied dieser zusätzlichen Rückkopplung zu der in Fig. 3 dargestellten ist, daß die Sekundärwicklung 21 des zweiten Transformators 18 in Reihe mit der Sekundärwicklung 15 des ersten Transformators 13 zwischen dem Antennenelement 1 und dem invertierenden Eingang 10 des Verstärkers 8 liegt.

Für diese aktive Antennenkonfiguration gilt, daß:

U _b/U _a = Z₅/(mZ₂₀ + Z₅/n) (6)

und daß die Ausgangeimpedanz Z₀ des Verstärkers 2 der folgenden Gleichung entspricht:

Z₀ = mnR₂₀ (7)

Durch Z₅ = Z₀ vereinfacht die Formel (6) sich zu:

U _b/U _a = n/2 (8)

Diese Formel (8) zeigt, daß die in Fig. 4 dargestellte aktive Antenne eine definierte und frequenzunabhängige Übertragungscharakteristik hat und daß die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 2 durch die Wahl der Größe des Widerstandes 20 und/oder des Wickelverhältnisses des zweiten Transformators 18 auf einfache Weise auf eine optimale Leistungsübertragung eingestellt werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt sich völlig in integrierter Form verwirklichen und eignet sich dadurch insbesondere zum Gebrauch bei Autoradios und Antennen-Arrays.

Die beschriebenen aktiven Antennen haben bei einer Länge des Antennenelementes von 0,5 m über ein Frequenzband von 5 kHz bis 30 MHz eine innerhalb 0,5 dB flache Übertragungscharakteristik mit einer äußerst niedrigen Verzerrung, was anhand der Fig. 5 näher erläutert wird.

In der in dieser Figur dargestellten Graphik ist die von der aktiven Antenne abgegebene Leistung an einer Belastung von 50 Ohm in dBm gegenüber der Wurzel des mittleren quadratischen Wertes der empfangenen Feldstärke E _RMS ausgedrückt in V/m aufgetragen. Dabei zeigt die gerade Linie 22 den Zusammenhang des gewünschten Signals, die geraden Linien 23 a und 23 b die dabei auftretende Verzerrung zweiter Ordnung (in der Figur bezeichnet durch 2^e) und die geraden Linien 24 a und 24 b die dabei auftretende Verzerrung dritter Ordnung (in der Figur durch 3^e bezeichnet). Die Indizes A bzw. B bedeuten, daß diese Linien der aktiven Antenne zugehören, wie diese in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist. Die Aussteuerungsgrenze der aktiven Antenne ist in Fig. 5 durch die Linie 25 bezeichnet.

Aus dieser Graphik geht als Qualitätskriterium hervor, daß der Interceptionspunkt zweiter Ordnung über +70 dBm liegt und der Interceptionspunkt dritter Ordnung über +50 dBm.

Claims

1. Aktive Empfangsantenne mit einem Stabantennenelement mit einer Länge, die gegenüber der Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz klein ist, und mit einem Verstärker, von dem ein Steuereingang des ersten aktiven Elementes mit dem Antennenelement gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (8) auf einem Bezugspotential liegt, einen großen Verstärkungsfaktor hat und mittels eines Rückkopplungskreises gegengekoppelt ist und daß der Steuereingang (10) des ersten aktiven Elements des Verstärkers (8) virtuell geerdet ist.

2. Aktive Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (8) einen nichtinvertierenden Eingang und einen invertierenden Eingang (10) aufweist, wobei der nichtinvertierende Eingang (9) mit dem Bezugspotential verbunden ist und das Antennen element (1) mit dem invertierenden Eingang (10) gekoppelt ist.

3. Aktive Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis einen zwischen dem Ausgang (11) des Verstärkers (8) und dem invertierenden Eingang (10) des Verstärkers (8) vorgesehenen ersten Kondensator (16) enthält.

4. Aktive Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis einen Transformator (13) enthält, dessen Primärwicklung (14) zwischen dem Ausgang (11) des Verstärkers (8) und dem Bezugspotential liegt und dessen eine Sekundärwicklung (15) zwischen dem Antennenelement (1) und dem invertierenden Eingang (10) des Verstärkers (8) liegt (Fig. 2).

5. Aktive Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis einen Transformator (18) enthält, dessen Primärwicklung (19) zwischen dem Ausgang (11) des Verstärkers (8) und der Last (5) liegt und dessen Sekundärwicklung (21) über einen zweiten Kondensator (17) zwischen dem invertierenden Eingang (10) und dem Bezugspotential liegt, und daß parallel zu der Primärwicklung (19) ein erster Widerstand (20) angeschlossen ist (Fig. 3).

6. Aktive Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis einen zweiten Transformator (18) enthält, dessen Primärwicklung (19) zwischen dem Ausgang (11) des Verstärkers (8) und der Last (5) liegt und dessen Sekundärwicklung (21) in Reihe mit der Sekundärwicklung (19) des ersten Transformators (13) liegt, und daß parallel zu der Primärwicklung (19) des zweiten Transformators (18) ein Widerstand (5) vorgesehen ist (Fig. 4).