NL8003566A

NL8003566A - Actieve antenne.

Info

Publication number: NL8003566A
Application number: NL8003566A
Authority: NL
Inventors: Ernst H Nordholt; Durk Van Willigen
Original assignee: Ir Ernst Hugo Nordholt
Priority date: 1980-06-20
Filing date: 1980-06-20
Publication date: 1982-01-18
Also published as: US4414690A; JPH03802B2; AU544852B2; HK52688A; DE3124331C2; CA1173559A; FR2485276A1; AU7193581A; GB2079064A; FR2485276B1; JPS5730403A; DE3124331A1; NL182109C; GB2079064B

Description

PHQ 80 005 1 .

Actieve antenne

De uitvinding heeft betrekking op een actieve antenne bevattende een antenne-element met een lengte welke klein is ten opzichte van de golflengte behorende bij de werkfrequentie ai een op het antenne element aangesloten versterker.

5 Een dergelijke antenne is onder andere bekend uit het t artikel "Die transistorierte Empfangsantenne mit kapazitiv hochohmigem Verstarker als optimale Lösung für den Enpfang niedrïger Frequenzen" van H. Lindenmeier gepubliceerd in NTZ 27 (1974) nr. 11 pagina's 411-418 en wordt vanwege zijn kleine afmetingen, zijn grote breedbandigheid 10 en de mogelijkheid de uitgangsimpedantie op eenvoudige wijze aan de karakteristieke impedantie van de kabel naar een ontvanger aan te passen, toegepast in mobiele radio-ontvangers waaronder auto-radio's en in zogeheten antenne "arrays".

Vanwege de aanwezigheid van een versterker zijn ruis en 15 distorsie onvermijdelijk, zodat bij het ontwerp van dergelijke antenne's een optimale 'signaal/ruisverhouding en een minimale intermodulatie moet worden nagestreefd. Verder is het vooral bij toepassing in de zogeheten antenne "arrays" van belang dat de antenne overdrachtsfunctie nauwkeurig is gedefinieerd en bij voorkeur frequentie onafhankelijk is, terwijl de 20 invloed van atmosferische storingen zo goed mogelijk moet worden onderdrukt.

Uit genoemd artikel blijkt dat de ingangsimpedantie van de versterker van de actieve antenne hoogohmig moet zijn.

De uitvinding beoogt een actieve antenne te realiseren 25 welke door een nieuw concept in hoge mate aan de gestelde eisen tegemoet kcmt.

De in de aanhef vermelde actieve antenne is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de stuur ingang van het eerste actieve element van de versterker virtueel geaard is.

30 Dit heeft het voordeel dat de ingangsspanning nagenoeg gelijk aan nul volt is waardoor niet-lineaire vervorming wordt voorkomen, dat protectie maatregelen tegen atmosferische storingen zoals statische ontladingen geen invloed op de antenne overdrachtsfunctie 80 0 3 5 66 w / PHQ 80 005 2 hebben en dat de invloed van parasitaire vervuiling van de antenne, bijvoorbeeld ten gevolge van stof en regen, aanmerkelijk gereduceerd wordt.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm bevat de actieve 5 antenne een versterker met een hoge versterkingsfactor, met een signaal-ingang, een signaal inverterende ingang en een uitgang, waarvan de signaalingang met een punt van gemeenschappelijke potentiaal is verbonden en de signaal inverterende ingang met het aantenne element is gekoppeld en waarbij de versterker door middel van een terug-koppelketen is tegen-10 ‘gekoppeld. Daarbij kan de ingangstrap van de versterker als een symmetrische verschilversterker zijn uitgevoerd.

Dit heeft het voordeel dat op zeer eenvoudige wijze een versterker met een zeer laagohmige ingang is verkregen.

Volgens een verder kenmerk bevat de terug-koppelketen 15 een tussen de uitgang van de versterker en de signaal-inverterende ingang van de versterker aangebrachte eerste condensator.

Het voordeel van een dergelijke actieve antenne is dat de overdrachtsfunctie van deze antenne frequentie onafhankelijk is.

De werking van de actieve antenne en haar voordelen zullen 2o aan de hand van de in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht, waarbij overeenkomstige delen roet dezelfde ver-wijzingscijfers worden aangeduid.

Daarbij toont:

Figuur 1 een uitvoeringsvoorbeeld van een actieve antenne 25 volgens de uitvinding,

Figuur 2 een ander uitvoer ingsvoorbeeld van een actieve antenne volgens de uitvinding,

Figuur 3 een uitbreiding van de actieve antenne weergegeven in het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 1, 30 Figuur 4 een uitbreiding van de actieve antenne weergegeven in het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 2,

De in figuur 1 weergegeven actieve antenne bevat een antenne element 1, waarvan de lengte kleiner is dan de golflengte bij de werkfrequentie en een daarop aangesloten versterkerschakeling 2, 35 voorzien van een ingang 3 en een uitgang 4, waarop een belasting 5 kan worden aangesloten.

Een dergelijke antenne is, wanneer de lengte 1 van deze antenne veel kleiner is dan de golflengte bij de werkfrequentie, bij- 800 3 5 66 * ♦ EHQ 80 005 3 zonder geschikt om te worden toegepast in mobiele ontvangers en zogeheten antenne "arrays". Omdat deze antenne's een versterker bevatten zijn ruis en distorsie producten afkomstig van de versterker onvermijdelijk, welke bij het ontvangen signaal worden opgeteld. Daarom moet 5 de configuratie zodanig ontworpen warden, dat deze ongewenste signalen zo goed mogelijk worden onderdrukt. Een dergelijke actieve antenne is voor het beschermen van de versterker ingang tegen hoge spanningen zoals afkomstig van statische ontladingen, voorzien van dioden 5 en 6. Deze dioden die de ingangsspanningsvariatie begrenzen tussen aard-potentiaal 10 en de voedingsspanningspotentiaal bezitten parasitaire capaciteiten, welke het van de antenne afkomstige signaal verzwakken. Bovendien draagt het niet-lineaire gedrag van de dioden bij tot de distorsie van de actieve antenne. Ook vervuiling van de antenne door stof en vocht vormen parasitaire.impedanties die de kwaliteit van de overdrachtskarakteristiek 15 van de antenne aantasten.

Cm de invloed van genoemde effecten aanmerkelijk te reduceren, bevat de versterkerschakeling 2 in dit uitvoeringsvoorbeeld een versterker 8 met grote versterkingsfactor en is de signaalingang 9 van de versterker met een punt van gemeenschappelijke potentiaal ver-20 bonden, welke punt in dit uitvoeringsvoorbeeld aarde is. Verder is de versterker van een terugkoppelketen voorzien, welke in dit uitvoeringsvoorbeeld door een tussen de uitgang 11 en de s ignaal-inverterende ingang 10 van de versterker 8 aangebrachte impedantie 12 wordt gevormd. · Opgemerkt wordt dat de ingangstrap van de versterker 8 als een symme-25 trische verschilversterker kan zijn uitgevoerd.

Vanwege het feit dat de versterkingsfactor van de versterker 8 zeer groot is en de uitgangsspanning via de terugkoppel-impedantie 12 op de signaal inverterende ingang wordt tegengekoppeld, zal de spanning van de signaal-inverterende ingang 10 nagenoeg gelijk 30 zijn aan de spanning van de signaalingang 9, en dus nagenoeg gelijk zijn aan de spanning van het punt van gemeenschappelijke potentiaal.

Dit betekent dat de signaal-inverterende ingang virtueel geaard is. Hierbij wordt opgemerkt dat de signaal-inverterende ingang 10 de stuuringang van het eerste actieve element van de versterkerscha-35 keling 2 vormt. Door het zeer kleine spanningsverschil tussen de signaal ingang 9 en de signaalinverterende ingang 10 heeft de versterkerschakeling 2 een zeer lage ingangs impedantie.

Ten gevolge van het feit dat de signaal-inverterende 800 3 5 66 * * PHQ 80 005 4 ingang virtueel geaard is, staat normaliter over de bevéiligings-dioden 6 en 7 geen signaalspanning en is de invloed van deze dioden op de antenne overdrachts-karakteristiek geëlimineerd. Hetzelfde geldt voor de invloed van antenne vervuiling ten gevolge van vocht en stof.

5 Ook de niet-linearie vervorming van de versterker is tengevolge van de zeer kleine ingangsspanningsvariaties aanmerkelijk gereduceerd.

Een antenne met een lengte veel kleiner dan de golflengte kan worden gerepresenteerd door een spanningsbron U waarmede een

CL

capaciteit C in serie is geschakeld. Dit toont dat de door het antenne-

CL

10 element geproduceerde epen spanning frequentie onafhankelijk is.

Ter verkrijging van een frequentie onafhankelijke actieve antenne overdrachtskarakteristiek moet als terugkoppel impedantie 12 een capaciteit (16) gekozen worden.

Het is op een eenvoudige wijze aan te tonen dat in dat 15 geval de overdrachtfunctie gelijk is aan VDa - ^/c16 <'> waarbij de spanning over de belasting 5 voorstelt.

Wordt als terugkoppelimpedantie 12 een regelbare condensator toe-20 gepast dan volgt uit formule 1 dat de versterking lineair verandert met de verandering van de waarde van deze terugkoppelcapaciteit C^6 waardoor op eenvoudige wijze de gewenste uitgangsspanning voor het uitsturen van de met de actieve antenne gekoppelde ontvanger, zoals een autoradio, is in te stellen.

25 Het in figuur 2 weergegeven uitvoeringsvoorbeeld toont als actief gedeelte van de versterkerschakeling 2 een operationele versterker 8, waarvan de signaalingang 9 weer met aarde is verbonden.

De terugkoppelketen wordt echter gevormd door een eerste transformator 13 waarvan een eerste wikkeling 14 tussen de uitgang 4 van de ver-30 sterker en aarde is aangesloten en waarvan een tweede wikkeling 15 tussen het antenne-element en de signaal-inverterende ingang 10 van de versterker 8 is aangesloten^ Voor een verhouding van n op 1 voor het aantal windingen van de eerste wikkeling 14 tot die van de tweede wikkeling 15 geldt voor de overdrachtsfunctie van de antenne bij zeer 35 hoge versterkingsfactor van de versterker 8 dat deze gelijk is aan V°a “ n (2) Söö 3 5 66 PHQ 80 005 5

Zodat ook deze antenneconfiguratie een goed gedefinieerde overdrachtsfunctie heeft welke frequentie onafhankelijk is.

Doordat de signaalinverterende ingang virtueel geaard is zijn de invloeden van parasitaire capaciteiten 22, zoals van op de 5 signaal-inverterende ingang 10 aangesloten beschermingsdioden, de Miller-capaciteit van het eerste actieve element van de versterker 8 en de bedradingscapaciteit ter plaatse van genoemde ingang 10, geëlimineerd.

Er resteert slechts de parasitaire bedradingscapaciteit 23.

Voor het verkrijgen van een optimale aanpassing van de 10 actieve antenne aan de belasting 5, welke bijvoorbeeld door de kar akte- . · ristieke impedantie van de kabel en de ingangsiirpedantie van een ontvanger gevormd kunnen worden, kan de terugkoppeling van de versterker 12 worden gemodificeerd.

Zo toont figuur 3 een uitvoeringsvoorbeeld waarbij behalve 15 de reeds aan de hand van figuur 1 beschreven, van de uitgang parallel af genomen, tegenkoppeling met behulp van een capaciteit 16, een in serie met de uitgang afgenanen tegenkoppeling met behulp van een tweede transformator 18 en een tweede condensator 17 is aangebracht. Daarbij is een eerste wikkeling 19 van de tweede transformator 18 tussen de uitgang 11 20 van de versterker 8 en de belasting 5 aangesloten, welke wikkeling door een weerstand 20 is overbrugd met een waarde die klein is ten opzichte van de belastingsiirpedantie 5. En is een tweede wikkeling 21 van deze transformator 18 in serie met de tweede condensator 17 aangesloten tussen het punt van gemeenschappelijke potentiaal (aarde) en de signaal-25 inverterende ingang 10 van de versterker 8. Uitgaande van een verhouding van m tot 1 van het aantal windingen van de eerste wikkeling 19 tot het aantal windingen van de tweede wikkeling 21, kan bij een zeer grote versterkingsfactor van de versterker 8 worden aange+-oond dat de spanning over de belasting 5 gelijk is aan 30 V°a = -Ca C17> + <1+if>c16] O) en de uitgangsiirpedantie ZQ van de versterker 2 gelijk is aan

Zo = R20 + ^19^16) 35 aannemende dat de belastingsiirpedantie Z^ = ZQ en dat |m^R2oj^5wC— en Vo|((M— | formule (3) vereenvoudigd tot 800 3 5 66 PHQ 80 005 6 VUa “ “ Ca/2*C16 (5)

Zoals formule (5) aantoont heeft de in figuur 3 weergegeven actieve antenne een gedefinieerde, frequentie onafhankelijke overdrachts-5 karakteristiek. Verder toont formule (4) dat door de keuze van de grootte van weerstand 20 qp zeer eenvoudige manier een optimale venrogens-overdracht kan worden verkregen, zonder dat daarbij een aanzienlijk verlies van signaal-vermogen optreedt.

Het in figuur 4 weergegeven uitvoer ingsvoorbeeld toont 10 een terugkoppeling waarbij behalve de van de uitgang parallel af genoten -. * tegenkoppeling zoals weergegeven in f iguur 2 een extra in serie met de uitgang afgenomen tegenkoppeling is aangebracht, op overeenkomstige wijze zoals in figuur 3 is weergegeven.

Het verschil van deze extra tegenkoppeling met die weer-13 gegeven in figuur 3 is dat de tweede wikkeling 21 van de tweede transformator 18 in serie met de tweede wikkeling 15 van de eerste transformator 13 tussen het antenne element 1 en de signaal inverterende ingang 10 van de versterker 8 is aangesloten.

Voor deze actieve antenne configuratie geldt dat

2D

V°a ” Z5 (mZ20 + Vn> <6> en dat de uitgangsimpedantie ZQ van de versterker 2 gelijk is aan

ZQ - itun.R^ <7J

25 Met Z5=Zq vereenvoudigt formule (6) zich tot VUa = n/2 (8>

Deze formule (8) toont aan dat de in figuur 4 weergegeven actieve antenne een gedefinieerde en^Enl^Ëanèeïijke overdrachts-30 karakteristiek heeft, en dat dfeuitgangsimpedantie van de versterker 2 door de keuze van de grootte van de weerstand 20 en/of de wikkelver-houding van de tweede transformator 18 op eenvoudige wijze kan worden ingesteld ter verkrijging van een optimale vermogensoverdracht.

Het in figuur 1 weergegeven uitvoer ingsvoorbeeld is geheel 35 in geïntegreerde vorm te realiseren, en is daardoor bijzonder geschikt cm bij autoradio's en antenne "arrays” te worden toegepast.

De beschreven actieve antenne's bleken bij een lengte van het antenne element van 0,5 meter over een frequentie band van 5 kHz 800 3 5 66 EHQ 80 005 7 tot 30 MHz een binnen 0,5 dB vlakke overdrachtskarakteristiek te hebben met extreem lage distorsie, hetgeen aan de hand van figuur 5 wordt toegelicht.

In de in deze figuur weergegeven grafiek is het door de 5 actieve antenne af gegeven vermogen aan een belasting van 50 -r. in dBm uitgezet tegen de wortel van de gemiddeld kwadratische waarde van de ontvangen veldsterkte uitgedrukt in V/m. Daarbij geeft de rechte lijn 22 het verband weer van het gewenste signaal, de rechte lijnen 23A en 23B de daarbij optredende tweede orde distorsie (in de figuur aan-10 geduid met 2e) en de rechte lijnen 24A en 24B de daarbij optredende derde orde distorsie (in de figuur aangeduid met 3e). De indices A resp. B geven aan dat deze lijnen behoren bij de actieve antenne zoals weergegeven in figuur 1 respectievelijk figuur 2. De uitsturingsgrens van de actieve antenne is in figuur 5 met lijn 25 aangeduid.

15 Uit deze grafiek blijkt als qualiteitscriterium dat het tweede orde interceptie punt boven de + 70 dB m is gelegen en het derde orde interceptie punt boven + 50 dB m.

20 25 30 35 80 0 3 5 66

Claims

1. Een actieve antenne bevattende een antenne element net een lengte welke klein is ten opzichte van de golflengte bij de werk-frequentie en een op het antenne element aangesloten versterker, daardoor gekenmerkt dat de stuuringang van het eerste actieve element van 5 de versterker virtueel geaard is.

2. Een actieve antenne volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt, dat de versterker een grote versterkingsfactor heeft en een signaal ingang, een signaalinverterende ingang en een uitgang bevat, waarvan de signaal ingang met een punt van gemeenschappelijke potentiaal 10 is verbonden, het antenne element met de signaalinverterende ingang is gekoppeld en dat de versterker door middel van een terugkoppelketen is tegengekoppeld.

3. Een actieve antenne volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt, dat de terugkoppelketen een tussen de uitgang van de versterker 15 en de signaalinverterende ingang van de versterker aangebrachte eerste condensator bevat.

4. Een actieve antenne volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de terugkoppelketen een eerste transformator bevat waarvan een eerste wikkeling tussen de uitgang van de versterker en het punt 20 van gemeenschappelijke potentiaal is aangesloten en waarvan eentweede wikkeling tussen het antenne element en de signaalinverterende ingang van de versterker is aangesloten.

5. Een actieve antenne volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt, dat de terugkoppelketen een tweede transformator bevat waarvan 25 een eerste wikkeling tussen de uitgang van de versterker en de belasting is aangesloten en waarvan een tweede wikkeling via een tweede condensator tussen de signaal-inverterende ingang en het punt van de gemeenschappelijke potentiaal is aangesloten en dat parallel aan de eerste wikkeling een eerste weerstand is aangesloten. 30

6. Een actieve antenne volgens conclusie 4, daardoor geken merkt, dat de terugkoppelketen een derde transformator bevat waarvan een eerste wikkeling tussen de uitgang van de versterker en de belasting is geschakeld en waarvan een tweede wikkeling in serie met de tweede wikkeling van de eerste transformator is geschakeld en dat parallel 35 aan de eerste wikkeling een weerstand is aangebracht. 8 0 0 3 5 66