DE2948033A1

DE2948033A1 - Ferritantenne

Info

Publication number: DE2948033A1
Application number: DE19792948033
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Prof. Dr. Hansrichard 7730 Villingen Schulz
Original assignee: JAUCH DR HEINZ
Current assignee: JAUCH DR HEINZ
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1981-06-04

Description

Ferritantenne
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit wenigstens einem Ferritstab, auf dem eine Spule angeordnet ist, die mit einem Kondensator einen auf die Trägerfrequenz eines Senders abgestimmten Schwingkreis bildet.
Solche Antennen sind unter dem Begriff Ferritantenne bekannt. Sie bestehen aus einem aus Ferrit gesinterten Rund- oder Flachstab, auf welchem vorzugsweise Zylinderspulen angeordnet sind. Vorzugsweise werden diese Antennen als Empfangsantennen verwendet. Grundsätzlich können sie jedoch auch als Sendeantennen eingesetzt werden.
Bei Empfang wird durch magnetische Flußänderung in der Wicklung eine Wechselspannung induziert, die der Mischstufe eines Rundfunkempfängers zugeführt wird.
Üblicherweise bildet die Induktivität mit einem Kondensator einen auf die Sendafrequenz abgestimmten oder abstimmbaren Schwingkreis. Wegen der geringen Abmessungen des Ferritstabes können solche Antennen kompakt im Empfängergehäuse untergebracht werden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Antennen ist jedoch, daß sie eine ausgeprägte Richtwirkung haben und folglich zum optimalen Empfang auf den Sender eingestellt werden müssen. Soweit sie mit dem Empfängergehäuse fest verbunden sind, muß folglich das Gehäuse selbst ausgerichtet werden, was bei vielen Anwendungsmöglichkeiten zumindest unzweckmäßig ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Ferritantenne der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche einen Rundumempfang oder auch eine Rundumabstrahlung ohne Richtwirkung ermöglicht.
Zum Empfang von Sendern im UKW-Bereich sind für den Rundumempfang geeignete Antennen bekannt, bei welchen als Richtantennen wirkende Dipole gekreuzt zueinander angeordnet und über phasendrehende Elemente derart miteinander verbunden sind, daß die in den beiden Dipolen aus den räumlich um etwa 900 gegeneinander versetzten Polari sationsrichtungen induzierten Empfangsspannungen am Empfängereingang eine relative Phase von etwa besitzen und sich daher vektoriell addieren.
Als Phasenschieber eignen sich hierbei infolge der niedrigen Schwingkreisgüte LC-Schaltungen und #/4 - Leitungen.
Um auch bei Kurz-, Mittel- und Langwellenempfängern einen Rundumempfang zu ermöglichen, müßten bei Übertragung der Antennenanordnung aus der UKW-Technik folglich gekreuzt zueinander angeordnete Ferritstabantennen verwendet werden. Eine derartige Übertragung ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da infolge der hohen Schwingkreisgüten unerwünschte magnetische Kopplungen zwischen beiden Ferritstäben entstehen. Hohe Schwingkreisgüten sind aber zur Erzielung einer Resonanzüberhöhung notwendig, um eine ausreichend große Signalamplitude bei der kleinen effektiver Antennenhöhe dieser Ferritantennen zu gewinnen. Ferner ist es schwierig, bei einer derartigen Anordnung eine definierte Phasenverschiebung um #/2 zu erreichen.
Wegen dieser Schwierigkeiten mögen Überlegungen, für den Rundumempfang gekreuzte Ferritstäbe zu verwenden, nicht angestellt worden sein.
Die vorstehend genannte Aufgabe, also die Schaffung einer Ferritantenne ohne ausgeprägte Richtwirkung, wird durch konstruktive und schaltungstechnische Maßnahmen dadurch gelöst, daß zwei Ferritstäbe mit Spülen untereinem Winkel von 60° bis 90° zuinander und im geringen Abstand voneinander angeordnet sind, daß beide Spulen mit jeweils einem Kondensator auf die Trägerfrequenz abgestimmte Schwingkreise und die beiden Schwingkreise miteinander ein gekoppeltes Bandfilter bilden.
Eine symmetrische Rundumcharakteristik der erfindungsgemäßen Antenne läßt sich erzielen, wenn,wir ferner vorgeschlagen wird, die normierte Kopplung zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise bei 1,liegt. Im letzteren Fall ist das Bandfilter kritisch gekoppelt.
Die konstruktive Maßnahme besteht hierbei darin, die Ferritstäbe so räumlich anzuordnen, daß sie magnetisch entkoppelt oder definiert miteinander gekoppelt sind, wobei die Schaltungselemente so dimensioniert sind, daß die Kopplung der beiden Schwingkreise kritisch ist, also die normierte Kopplung, die dem Produkt aus Kopplungsfaktor k und Schwingkreisgüte 0 entspricht, den Wert 1 hat.
Je nach Kopplungsart lassen sich diese Bedingungen mit unterschiedlichen Maßnahmen erfüllen.
Bei magnetischer Entkopplung, bei welcher die beiden Ferritstäbe etwa senkrecht zueinander angeordnet sein müssen, kann über einen Koppelkondensator eine Spannungs-oder Stromkopplung erfolgen.
Bei Spannungskopplung ist der Koppelkondensator optimal dimensioniert, wenn er folgende Bedingungen erfüllt : Bei Stromkopplung sollte der Koppelkondensator folgende Dimensionierungsregeln erfüllen.
Ebenso ist bei magnetischer Entkopplung eine induktive Kopplung über eine Koppelinduktivität möglich, welche in diesem Fall wie folgt dimensioniert sein muß Hierbei gilt für die Schwingkreisinduktivitäten und -kapazitäten L1,L2 und C1,C2 in ausreichender Näherung, d.h. wenn die Schwingkreisgüten folgende Werte haben Wobei in diesen Dimensionierungsregeln folgendes gilt f1,.f2 Bandbreite der Schwingkreise fo Resonanzfrequenz der Schwingkreise, Senderfrequenz Cl, C2 Kapazitäten der Schwingkreiskondensatoren Co Eingangskapazität der nachgeschalteten Mischstufe L1, L2 Induktivitäten der Schwingkreisspulen R1, R2 Ohmsche Widerstände der Schwingkreise Die Indizes 1 bzw. 2 weisen auf den ersten bzw. zweiten Schwingkreis hin.
Bei magnetischer Kopplung über die Gegeninduktivität der Schwingkreisspulen errechnet sich ein Gegeninduktivitätswert von Um einen symmetrischen Rundumempfang zu ermöglichen, müssen beide Schwingkreise gleiche Bandbreiten besitzen.
Um eine wirtschaftliche Fertigung zu ermöglichen, wird ferner vorgeschlagen, Spulen mit gleicher Induktivität zu verwenden. Bei Berücksichtigung dieser Bedingungen, nämlich # f1 = # f2 L1 = L2 ergibt sich für die ohmschen Widerstände R1 = R2 Weitere konstruktive Details, die Gegenstand der Ansprüche 10 bis 15 sind, sind nachstehend anhand des in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels noch im einzelnen erläutert.
So zeigen Fig. 1 perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung, Fig. 2 Schaltbild der erfindungsgemäßen Antennenschaltung bei kapazitiver Spannungskopplung, Fig. 3 Schaltbild der erfindungsgemäßen Antennenschaltung bei kapazitiver Stromkopplung, Fig. 4 Schaltbild der erfindungsgemäßen Antennenschaltung bei induktiver Kopplung über die Gegeninduktivität und Fig. 5 Schaltbild der erfindungsgemäßen Antennenschaltung bei induktiver Stromkopplung.
Die perspektivische Darstellung gemäß Fig. 1 veranschaulicht in erster Linie die konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung.
Hiernach ist jeweils auf einer Seite einer Platine 1 ein Ferritstab 2 und 3 in zueinander gekreuzter Position angeordnet. Die Ferritstäbe 2 und 3 werden von Stützen 4,5 und 6,7 in definiertem Abstand von Platine 1 getragen. Hierbei ist die Halterung derart, daß zum Zwecke der Justierung und Abstimmung die Ferritstäbe 2 und 3 in axialer Richtung verschoben werden können.
Zum Zwecke des Abgleiches kann es ferner erforderlich sein, die Ferritstäbe gegeneinander zu verschwenken, also den von diesen eingeschlossenen Winkel zu verändern.
Soweit dies während der Montage oder nach Schaltungsaufbau noch notwendig ist, kann jedweils eine Stütze 5 bzw. 7 beispielsweise mit einer lösbaren Schraube an der Platine 1 befestigt werden, wobei die Schraube in nicht dargestellter Weise in einem bogenförmigen Langloch geführt ist. Die gegenüberliegenden Stützen 4 bzw. 6 müssen in diesem Fall bezüglich der Platine 1 verdrehbar sein.
Auf den Ferritstäben 2 und 3 sind beispielsweise als Zylinderspulen gewickelte Induktivitäten L1 und L2 angeordnet. Auch diese Spulen sind zweckmäßigerweise zum nachträglichen Abgleich verschiebbar und festlegbar.
Die Platine 1 ist vorteilhafterweise als gedruckte Leiterplatte ausgebildet, so daß sie in angedeuteter Weise einerseits die Verbindungsleitungen und andererseits die weiteren Bauelemente, nämlich die Schwingkreiskondensatoren C1, C2, den zu Anpassungszwecken vorgesehenen Dämpfungswiderstand R1 sowie den Koppelkondensator Ck trägt. Die Ausgänge 8 und 9 werden bestimmungsgemäß mit dem Eingang des Empfänger, vorzugsweise mit dem Mischstufen-Eingang, verbunden.
Mit den Schaltbildern gem. Fig. 2 bis 5 sind vier verschiedene Schaltungsvarianten dargestellt.
Fig. 2 veranschaulicht eine Schaltung, bei welcher der erste Antennenkreis mit der Antennenspule L1, dem Schwingkreiskondensator C1 und dem Anpassungswiderstand R1 von dem zweiten Antennenkreis, der im wesentlichen aus der Antennenspule L2, dem Schwingkreiskondensator C2, dem ohmschen Eingangswiderstand R2 und der ohmschen Eingangskapazität Co der nachfolgenden Schaltung besteht, magnetisch entkoppelt ist. Der Spannungskopplung dient hierbei der die beiden Schwingkreise miteinander verbindende Kopplungskondensator Ck. Die Regel für optimale Dimensionierung ist in der Beschreibungseinleitung bzw. in den Ansprüchen angegeben.
Die senkrecht zueinander angeordneten Stabantennen sorgen bei dieser Anordnung dafür, daß gleichgültig, in welcher Position sich die Antennenanordnung bezüglich des vom Sender erzeugten elektromagnetischen Feldes befindet, eine von der Einfallsrichtung in etwa unabhängige Antennenspannung erzeugt wird.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 setzt den gleichen konstruktiven Antennenaufbau wie die Schaltungsanordnung gem. Fig. 2 voraus. Schaltungstechnisch unterscheidet sich diese Schaltung von der erstgenannten dadurch, daß anstelle von Parallelschwingkreisen Reiherschwingkreise, nämlich der erste Schwingkreis mit Induktivität L1 und Kapazität C1 und der zweite Schwingkreis mit Induktivität L2 und Kapazität C2, vorgesehen sind. Auch bei diesem Bandfilter ist der erste Schwingkreis mit einem Widerstand R1 bedämpft, der dem Eingangswiderstand R2 der nachgeschalteten Mischstufe entspricht. Mit der Kapazität Co, welche in die Schwingkreiskapazität eingeht, ist die Eingangskapazität der Schaltung symbolisiert. Die Reiherschwingkreise sind über den Koppelkonsator Ck" stromgekoppelt.
Dieser Schaltung entspricht die weitere Schaltungsanordnung gem. Fig. 5, die gleichfalls magnetisch entkoppelte Antennenkreise voraussetzt. Hier erfolgt die Stromkopplung allerdings anders als bei der Schaltungsanordnung gem. Fig. 3 über die Kopplungsinduktivität Lk.
Während bei den Schaltungen gem. Fig. 2, 3 und 5 die Antennenkreise magnetisch möglichst entkoppelt sein sollen, erfordert die Schaltungsanordnung gem. Fig. 4 eine definierte Kopplung. Aus diesem Grund sind die Ferritstäbe der beiden Antennenkreise nicht rechtwinklig, sondern unter einem Winkel zwischen 60 und 900 zueinander angeordnet, wie dies mit dem Doppelpfeil in Fig. 4 angedeutet ist. Die Kopplung erfolgt hierbei induktiv über die durch die beiden Spulen L1 und L2 gegebene Gegen-Induktivität M12. Beide Antennenkreise sind als Parallelschwingkreise aufgebaut.
Im übrigen entspricht die Funktionsweise auch in dieser Schaltung der Funktionsweise der zuvor erläuterten Schaltungsanordnungen.
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung eignet sich vor allem für den Empfang eines auf einer festen Frequenz arbeitenden Senders, wie z.B. eines Zeitzeichensenders im Langwellenbereich.
Gerade Zeitzeichenempfänger werden vielfach mit Uhren kombiniert, also in einem Uhrengehäuse untergebracht.
Die Anbringung der Uhr hängt in erster Linie von der Raumeinrichtung ab, so daß aus optischen Gründen eine im Hinblick auf den Empfang optimale Anordnung nicht berücksichtigt werden könnte. Ist dagegen der Zeitzeichenempfänger mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung ausgestattet, die einen Rundumempfang ermöglicht, hängt die Empfangsqualität nicht von der Aufstellung des Uhrengehäuses und damit des Empfängers ab. Auch erübrigt sich das für den Laien häufig schwierige Ausrichten des Empfängers auf optimalen Empfang.
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Claims

Patentansprüche Antennenanordnung mit wenigstens einem Ferritstab, auf dem eine Spule angeordnet ist, die mit einem Kondensator einen auf die Trägerfrequenz eines Scnders abgestimmten Schwingkreis bildet, dadurch yekennzeichnet, daß zwei Ferritstäbe mit Spulen (L1, L2) unter einem Winkel von 60 bis 900 zueinander und im geringen Abstand voneinander angeordnet sind, daß beide Spulen (L1,L2) mit jeweils einem Kondensator (C1,C2) auf die Trägerfrequenz abgestimmte Schwingkreise und die Schwingkreise miteinander ein kritisch gekoppeltes Bandfilter bilden.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normierte Kopplung zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise bei 1 (d.h. kritische Kopplung) gewählt wird.
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (L1,C1;L2,C2) magnetisch entkoppelt und über einen Koppelkondensator (Ck, Ck") spannungs- bzw. stromgekoppelt sind (Fig. 2, Fig. 3).
4. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise mittels der Spulen (L1,L2) über die Gegeninduktivität (M1) induktiv gekoppelt sind (Fig. 4).
5. Antennenanordnung nach Anspruch 1 od. 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise magnetisch entkoppelt und über eine Koppelinduktivität (Lk) stromgekoppelt sind.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten (L1,L2) und Kapazitäten (C1, C2) der Schwingkreise bei einer Schwingkreisgüte von in erster Näherung wie folgt dimensioniert sind
7. Antennenanordnung nach Anspruch 3 und 6,dadurch gekennzeichnet, daß bei Spannungskopplung der Koppelkondensator eine Kapazität von besitzt.
8. Antennenanordnung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnung, daß bei Stromkopplung der Kopplungskondensator eine Kapazität von
9. Antennenanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stromkopplung die Koppelinduktivität folgenden Wert besitzt
10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingkreise (L1, C1, R1; L2, C2, R2, C0) gleiche Bandbreite und gleiche Induktivitätswerte (L1,L2) aufweisen.

11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritstäbe(2,3)auf gegenüberliegenden Seiten einer vorzugsweise als gedruckte Leiterplatte ausgebildeten Platine( 1) angeordnet sind, auf welcher gleichzeitig die Schaltungselemente (C1, R1, C2, Ck) angebracht sind.

12.Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritstäbe (2, 3) zueinander in X- oder T-Stellung an an der Platine vorzugsweise gegeneinander verschwenkbar montiert sind.

12. Antennenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritstäbe(2,3) in Stützen (4, 4; 6, 7) gehaltert sind, welche an der Platine (1) vorzugsweise in Langlöchern quer verschiebbar befestigt sind.

13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (L1,L2) auf den Ferritstäben (2,3) axial verschiebbar und festlegbar sind.

15. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Verwendung als Empfangsantenne eines auf feste Frequenzen im Langwellenbereich abgestimmten Zeitzeichensenders.

16. Antennenanordnung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Montage innerhalb eines geschlossenen Uhrengehäuses.