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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Antenne für einen Miniaturempfänger, insbesondere für einen
Empfänger in einem Uhrengehäuse.
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Die vorliegende Erfindung besteht in einer Antenne,
die für einen Funkempfänger bestimmt ist, der beispielsweise
in ein Uhrengehäuse integriert ist.
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Die Erfindung kann auch bei einem leistungsschwachen
Sender angewendet werden, der die gleiche Form hat.
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Eine derartige Antenne ist in dem Patent JP-A-56 169
401 beschrieben.
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Die Erfindung ist dazu bestimmt, in einem festen
Frequenzband im vHF- oder UHF-Frequenzbereich betrieben zu werden
(zum Beispiel von 80 bis 500 MHz).
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Bei diesen Frequenzen ergeben sich vielfache
Schwierigkeiten bei der Herstellung einer wirksamen Antenne in einem
Uhrengehäuse, beispielsweise vom Typ Armbanduhr:
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- Der verfügbare Platz ist eng begrenzt bezogen auf die
Wellenlänge, was zu einem in der Größenordnung von Zehntel oder
Hundertstel Ohm liegenden Strahlungswiderstand führt.
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- Die Kompensation der Antennenimpedanz erfordert Komponenten
mit sehr großem Gütefaktor, um auf akzeptable Verlustwerte zu
kommen.
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- Das Handgelenk des Trägers und die Nähe des Rests seines
Körpers absorbieren die Wellen oder verhalten sich wie
störende strahlende Elemente für die Nutzantenne, die so das
Strahlungsdiagramm verformen.
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Außerdem soll ein am Handgelenk getragener Empfänger
für möglichst viele Stellungen des Trägers wirksam bleiben,
wobei die wahrscheinlichsten Stellungen wenn möglich bevorzugt
werden sollen. Es ist auch festzustellen, daß die Leistungen
der Antenne weder durch die eingebaute Elektronik, noch durch
die Batterie noch durch die Bewegung der Uhr verändert werden
sollen (wenn die Uhr ihre ursprüngliche Funktion beibehält),
noch durch die Art der Materialien des Gehäuses.
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Ziel der Erfindung ist es also, diese Probleme zu
lösen und eine Antenne vorzuschlagen, deren Strahlungsdiagramm
sich möglichst weit dem einer isotopen Antenne annähert.
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Die Erfindung hat also zum Gegenstand eine Antenne für
einen Empfänger, der zu einem Gehäuse in Form eines
Uhrengehäuses gehört, wobei das Gehäuse außerdem Steuer- und
Stromversorgungsmittel und einen Anpassungs- und Abstimmkreis für
die Antenne enthält und wobei die Antenne ein erstes leitendes
Element in Form einer geschlitzten ringförmigen Schleife
aufweist, das sich vom Rest des Gehäuses isoliert im oberen Teil
dieses Gehäuses befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die
Antenne ein zweites leitendes Element aufweist, das an die
Masse des Empfängers angeschlossen und im unteren Teil des
Gehäuses angeordnet ist sowie mit dem ersten Element einen
Kondensator bildet, so daß beide eine kapazitive Antenne
darstellen, und daß der Anpassungs- und Abstimmkreis die
leitenden Elemente an die Eingänge des Empfängers anschließt.
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Die Integration der Antenne in das Gehäuse einer Uhr
ermöglicht es, alle Anschluß- und Wartungsprobleme zu
vermeiden, die beispielsweise im Fall einer in ein Uhrarmband
integrierten Antenne bestehen würden, denn das Armband ist ein
Teil, das sich regelmäßig abnutzt und ohne Probleme
austauschbar sein soll.
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Insbesondere schlägt die Erfindung eine Antenne vor,
in der das erste leitende Element in dem oberen Kranz eines
Uhrengehäuses enthalten ist.
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Dieses erste Element bildet mit dem zweiten leitenden
Element ein für die elektrischen Felder empfindliches
kapazitives Plattenpaar. Der Anpassungskreis besteht aus einem
kapazitiven Teiler, der zum Teil aus dem durch die beiden
leitenden Elemente gebildeten Kondensator besteht. Dieser
Anpassungskreis paßt die so hergestellte Antenne an den Empfänger
(oder ggf. den Sender) an, wobei die verschiedenen Elemente in
das Gehäuse einer Armbanduhr integriert sind.
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Vorzugsweise ermöglicht die vorliegende Erfindung die
Herstellung eine integrierten Antenne mit optimalem
Wirkungsgrad, indem die Struktur des Uhrengehäuses verwendet wird,
wobei zwei Empfangsmodi durch Magnetschleife und durch
kapazitives Plattenpaar kombiniert werden. Daraus ergibt sich:
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- ein größtmöglicher Strahlungswiderstand für das gegebene
Volumen,
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- ein Multipolarisationsempfang,
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- der Wegfall aller induktiver Anpassungselemente.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figur 1 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen
Antenne.
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Figur 2 zeigt schematisch von der Seite eine
erfindungsgemäße Ausführungsform.
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Figur 3 zeigt in Perspektive eine Einzelheit aus der
Ausführungsform gemäß Figur 2.
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Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen elektrische
Ersatzschaltbilder verschiedener Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Antenne.
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Wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen, enthält die
erfindungsgemäße Antenne:
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- ein erstes leitendes Element 10, das von einer geschlitzten
ringförmigen Schleife gebildet wird,
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- ein zweites leitendes Element 11,
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- eine Anpassungs- und Abstimmschaltung 12.
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Das erste leitende Element 10, das im einzelnen aus
Figur 3 zu ersehen ist, bildet eine Induktanz, hier mit einer
einzigen Windung. Es liegt im oberen Teil eines Uhrengehäuses
13, das ein Armband 14 enthält. Dieses Element 10 kann der
obere Kranz einer metallischen Uhr sein, aber es muß dann
gegen das übrige Gehäuse 13 isoliert sein. Es kann sich auch
um einen Draht oder ein leitendes Band handeln, die in ein aus
Kunststoff gegossenes Gehäuse eingelassen sind. Dieses erste
Element 10 bildet eine auf die magnetische Komponente des
elektromagnetischen Felds ansprechende Schleife.
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Das zweite leitende Element 11 besteht aus dem übrigen
Gehäuse, falls dieses völlig aus Metall besteht, oder, im Fall
eines Kunststoffgehäuses, aus einem getrennten Element, wie
dies in Figur 2 angedeutet ist. Dieses leitende Element 11
kann die kompakte Zusammenfassung der leitenden Hauptmassen
der Empfänger-Uhr bewirken, und zwar insbesondere die Masse
des eigentlichen Empfängers, die Masse der Batterie oder
Batterien und die der Elektronik sowie die des Motors, wenn die
Uhr ein Zeitanzeigesystem mit Zeigern besitzt. All diese
verschiedenen Teile zur Steuerung des Betriebs der Empfänger- Uhr
sind in den Figuren 1 und 2 in einer Einheit 18
zusammengefaßt.
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Diese hauptsächliche leitenden Massen, insbesondere
die der Batterie, sind so weit wie möglich von dem oberen
Kranz 10 entfernt und am Boden des Gehäuses angeordnet, so daß
sie Bezugspotential in Höhe der Haut des Trägers annehmen und
so das radiale elektrische Feld aufzunehmen im Stand sind, das
sich durch den Arm oder den Körper des Trägers der Uhr ergibt.
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Der Anpassungs- und Abstimmkreis 12 verbindet die
beiden leitenden Elemente 10 und 11 mit den Eingängen des
Empfängers 17, der in der Uhr enthalten ist. In der
schematischen Darstellung der Figur 4 ist das erste Element 10 durch
eine Induktivität dargestellt. In dieser Figur 4 besteht der
Anpassungs- und Abstimmkreis 12 aus einem kapazitiven Teiler
15, 16, wobei das Element 15 teilweise die durch den
kapazitiven Dipol zwischen dem oberen und unteren Teil des Gehäuses
gebildete Kapazität einschließt. Die beiden Kondensatoren 15
und 16 ergeben sich also zwischen den beiden leitenden
Elementen 10 und 11, wie in Figur 2 gezeigt ist. Dieses kapazitive
Paar 15, 16 ist für Felder empfindlich, die senkrecht zur
leitenden Schleife 10 verlaufen. Die durch das erste leitende
Element 10 gebildete Induktivität ist für jegliches axiale
Magnetfeld bezüglich der von diesem Element gebildeten
Schleife empfindlich.
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Die Mischung aus elektrischen und magnetischen Feldern
verringert die Empfindlichkeit gegenüber dem Körper des
Trägers der Uhr und bezüglich der magnetischen Massen.
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Wegen der erdfreien Schaltung kann man auch ein
elektrisches Ersatzschaltbild gemäß Figur 5 annehmen.
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Die beiden Kondensatoren 15 und 16, die beispielsweise
die Schaltung 12 bilden,
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- erlauben die Abstimmung des Resonanzkreises und die
Einstellung der Betriebsfrequenz. Beim Betrieb eines in eine Uhr
integrierten Empfängers wie oben beschrieben ist nämlich der
Gütefaktor sehr hoch und das Durchlaßband schmal;
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- ermöglichen eine Umwandlung des reinen Widerstands des
abgestimmten Kreises, der sehr hoch ist, in einen
niedriger-ohmigen Widerstand, der für den Empfänger optimiert ist
(Optimierung des Signal/Rausch-Verhältnisses der Eingangsstufe).
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Die Erfindung besteht also darin, eine kapazitive
Antenne anzugeben, die vom oberen Kranz des Gehäuses gebildet
wird und vom übrigen Gehäuse isoliert ist, sowie mit dem Boden
des Gehäuses und dem Rest der leitenden Bauteile und der
Batterie einen Kondensator bildet, wobei dieser Kranz eine
Abstimmungsinduktivität darstellt.
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Das zweite leitende Element 11 kann ebenfalls eine
induktive Struktur aufweisen, aber es ist massiver als das
erste Element 10. So ergibt sich beispielsweise ein
Ersatzschaltbild gemäß Figur 6.
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Die aufgrund der kapazitiven und der induktiven
Aspekte empfangenen Strahlungen sind zeitlich um π/2
phasenverschoben und die Polarisation ist elliptisch.
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Je nach der Frequenz, bei der die Antenne verwendet
wird, und der Dicke, die das Gehäuse annehmen darf, überwiegt
der magnetische Aspekt über den elektrischen Aspekt oder
nicht.
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- So braucht man bei 450 MHz die Windung 10 nur wenig
abzustimmen. Das Gleichgewicht zwischen magnetischem und
elektrischem
Aspekt ist praktisch gegeben. Man hat dann
beispielsweise zwei Kapazitäten von einigen pF und einigen 10 pF, einen
Gütefaktor Q von etwa 300 bei -3 dB und ein Durchlaßband von
1,5 MHz bei -3 dB.
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- Bei 150 MHz wirkt die Antenne wie eine Magnetspule.
Der geringe elektrische Beitrag ist aber willkommen, um aus
den Richtungen Signale zu empfangen, wo die Schleife ein
Empfangsloch besitzt.
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- Bei 900 MHz (wenn Funknetze diese Frequenz erreichen
würden) dürften die Beiträge zwischen diesen Komponenten ohne
Schwierigkeiten beherrscht werden können.
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Eine erfindungsgemäße Antenne kann beispielsweise im
Frequenzbereich von 450 bis 470 MHz ein Durchlaßband von 1,5
MHz mit einem Antennengewinn in den optimalen Richtungen von
13 dB unter dem eines Bezugs-Halbwellendipols erreichen, wenn
die Empfänger-Uhr sich im freien Raum befindet. Der Gewinn
dieser Ausführungsform liegt bei 18 dB unter dem des
Bezugsdipols, wenn die Uhr am Handgelenk getragen wird.
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Selbstverständlich wurde die Erfindung nur anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Man könnte
ihre wesentlichen Elemente durch äquivalente Elemente
ersetzen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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So könnte das erste leitende Element 10 mehr als eine
Windung für niedrigere Frequenzen als im UHF-Bereich
aufweisen.