DE102005011999A1 - Active receiving antenna system - Google Patents

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    • HELECTRICITY
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    • H01Q23/00Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aktives Empfangsantennensystem mit einer magnetischen Empfangsantenne (R) sowie einer nachgeschalteten Verstärkeranordnung. Gemäß der Erfindung ist die Verstärkeranordnung als Transimpedanzverstärker (T) ausgebildet.The invention relates to an active receiving antenna system with a magnetic receiving antenna (R) and a downstream amplifier arrangement. According to the invention, the amplifier arrangement is designed as a transimpedance amplifier (T).

Description

Die Erfindung betrifft eine aktives Empfangsantennensystem, insbesondere zur Peilung, mit einer magnetischen Antenne und nachgeschalteter Verstärkeranordnung.The The invention relates to an active receiving antenna system, in particular for bearing, with a magnetic antenna and downstream Amplifier arrangement.

Bei aktiven magnetischen Empfangsantennen insbesondere für den Lang- und Kurzwellenbereich, z.B. 150kHz...30MHz, welche in Peilsystemen eingesetzt werden, besteht die Anforderung, über einen sehr großen Frequenzbereich (mehr als 2 Dekaden) eine gute und auch gleichmäßige Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Intermodulationsfestigkeit zu erzielen. Da als Empfangsrahmen aus Platzgründen typischerweise ein quadratischer Rahmen mit einer Windung und 1 m Kantenlänge verwendet wird, ist bei herkömmlichen Verstärkeranordnungen mit einer schlechten Empfindlichkeit bei tiefen Frequenzen zu rechnen, wenn gleichzeitig bei hohen Frequenzen (15...30MHz) die Verstärkung nicht zu hoch sein soll.at active magnetic receiving antennas, in particular for the long-term and short wave range, e.g. 150kHz ... 30MHz, which in DF systems be used, there is a requirement over a very large frequency range (more than 2 decades) a good and even sensitivity at the same time achieve high intermodulation strength. As a receiving frame for reasons of space typically a square frame with one turn and 1 m edge length is used in conventional amplifier arrangements to expect poor sensitivity at low frequencies if at the same time at high frequencies (15 ... 30MHz) the gain is not should be too high.

Üblicherweise werden 50-Ohm-Verstärker, meist aus Einzeltransistoren und einer Anzahl zusätzlicher Bauteile aufgebaut, eingesetzt. Auch fertige Verstärker-ICs in 50-Ohm-Technik werden eingesetzt. Mittels 50-Ohm-Technik kann jedoch keine optimale frequenzunabhängige Ankopplung der Antenne erreicht werden. Bei fertigen Verstärker-ICs ist zur Erreichung eines ausreichenden Intermodulationsabstands ein hoher Stromverbrauch nötig. Bei diskret aufgebauten Verstärkern sind viele Wickelgüter (Ferrit Transformatoren) vorhanden, was zu hohen Herstellungskosten führt.Usually be 50 ohm amplifiers, mostly of single transistors and a number of additional components built up, used. Even finished amplifier ICs in 50 ohm technology will be used. However, with 50 ohm technology, no optimal frequency-independent coupling can be achieved the antenna can be reached. In finished amplifier ICs is to achieve a sufficient intermodulation distance a high power consumption necessary. For discrete amplifiers are many winding goods (Ferrite transformers) available, resulting in high production costs leads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives Empfangsantennensystem zu schaffen, das die oben genannten Probleme des Standes der Technik überwindet, also insbesondere eine verbesserte Empfindlichkeit und erhöhte Bandbreite bei gleichzeitig geringeren Herstellkosten ermöglicht.Of the Invention is based on the object, an active receiving antenna system to overcome the above-mentioned problems of the prior art, in particular an improved sensitivity and increased bandwidth allows at the same time lower production costs.

Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstände von Unteransprüchen.These Task becomes with the objects of the claims 1 and 2 solved. Advantageous versions are objects of dependent claims.

Gemäß der Erfindung weist das aktive Empfangsantennensystem eine Verstärkeranordnung auf, die als Transimpedanzverstärker ausgebildet ist.According to the invention For example, the active receive antenna system has an amplifier arrangement on that as a transimpedance amplifier is trained.

Ein Transimpedanzverstärker ist definiert als Operationsverstärker-Schaltung, die ein (in der Regel nur wenige μA großes Stromsignal in ein Spannungssignal transformiert. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers liegt auf Masse, am invertierenden Eingang liegt das Stromsignal an. Der Operationsverstärker ist mit einem Ohmschen Widerstand gegengekoppelt, der den Verstärkungsfaktor bestimmt.One Transimpedance amplifier is defined as an operational amplifier circuit that has a (in usually only a few μA great Current signal transformed into a voltage signal. The non-inverting Input of the operational amplifier is grounded, at the inverting input is the current signal at. The operational amplifier is back-coupled with an ohmic resistance, which is the gain factor certainly.

Mit modernen Operationsverstärkern, die Grenzfrequenzen im GHz-Bereich, sehr geringe Rauschzahlen und hohe Intermodulationsabstände aufweisen, können echte Strom/Spannungswandler realisiert werden, die auch im Hochfrequenz-Bereich effektiv arbeiten. Das Ausgangssignal der Verstärkeranordnung der erfindungsgemäßen aktiven Antenne ist bei konstanter Feldstärke unabhängig von der Frequenz. Gleichzeitig ist das Antennensystem einfacher aufzubauen und kostengünstiger als herkömmliche Systeme.With modern operational amplifiers, the cut-off frequencies in the GHz range, very low noise figures and high intermodulation distances may have real current / voltage transformers are realized, which are also in the high frequency range work effectively. The output signal of the amplifier arrangement of the active Antenna is independent of frequency at constant field strength. simultaneously the antenna system is easier to set up and less expensive as conventional Systems.

Beispielsweise kann ein Operationsverstärker AD8045 der Fa. Analog Device Corp. eingesetzt werden.For example can be an operational amplifier AD8045 of Fa. Analog Device Corp. be used.

Der Transimpedanzverstärker sollte vorteilhaft eine Grenzfrequenz aufweisen, die um mindestens einen Faktor 10 höher ist als die maximale Nutzfrequenz des Peilantennensystems.Of the Transimpedance amplifier should advantageously have a cutoff frequency that is at least a factor of 10 higher is the maximum useful frequency of the DF antenna system.

Frequency), HF – (High Frequency), VHF – (Very high frequency) oder UHF-Bereich (Ultra High Frequency) eingesetzt werden.Frequency) HF - (High Frequency), VHF - (Very high frequency) or UHF range (Ultra High Frequency) become.

Der Transimpedanzverstärker besitzt einen geringen Eingangswiderstand nahe Null Ohm, zum Beispiel im Bereich kleiner 1 Ohm.Of the Transimpedance amplifier has a low input resistance near zero ohms, for example in the range of less than 1 ohm.

Um eine erhöhte Störfestigkeit gegenüber elektrischen Feldern zu erreichen, kann in einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung eine symmetrische Verstärkerschaltung mit zwei Transimpedanzverstärkern eingesetzt werden, die jeweils mit einem Ende der magnetischen Empfangsantenne verbunden sind. Jeder der beiden Verstärker erhält somit gegenüber dem anderen ein gegenphasiges Signal. Um ein gleichphasiges Signal zu erhalten, werden die Verstärkerausgangssignale mit einem Gegentakt-Eintaktwandler, z.B. einem Gegentakttransformator, zusammengefasst.In order to achieve an increased immunity to electric fields, in a further inventive solution, a balanced amplifier circuit with two transimpedance amplifiers can be used, which are each connected to one end of the magnetic receiving antenna. Everyone who Thus, both amplifiers receive an antiphase signal over the other. In order to obtain an in-phase signal, the amplifier output signals are combined with a push-pull single-ended converter, eg a push-pull transformer.

Die magnetische Empfangsantenne des erfindungsgemäßen Empfangsantennensystem kann insbesondere eine Rahmenantenne sein, zum Beispiel eine Luftrahmenantenne oder eine Ferritrahmenantenne.The magnetic receiving antenna of the receiving antenna system according to the invention may in particular be a loop antenna, for example an aerial frame antenna or a ferrite frame antenna.

Die Empfangsantenne weist in einer weiteren Ausführung einen quadratischen Querschnitt auf.The Receiving antenna has a square cross section in another embodiment on.

Die Empfangsantenne kann vorteilhaft nur eine einzige Windung aufweisen.The Receiving antenna may advantageously have only a single turn.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention is based on embodiments explained in more detail with reference to drawings. Show it:

1 eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen aktiven Empfangsantennen system mit einem Transimpedanzverstärker; 1 a first embodiment of the active receiving antenna system according to the invention with a transimpedance amplifier;

2 eine zweite Ausführung des erfindungemäßen aktiven Empfangsantennensystem mit zwei Transimpedanzverstärkern in gleicher Schaltung wie in 1, jedoch mit symmetrischer Ansteuerung. 2 a second embodiment of erfindungemäßen active receiving antenna system with two transimpedance amplifiers in the same circuit as in 1 , but with symmetrical control.

1 zeigt eine erste Ausführung des aktiven Empfangsantennensystem, ausgebildet als Peilantennensystem mit einer Rahmenantenne R sowie einem als Transim- pedanzverstärker T ausgebildetem Verstärker. Die Rahmenantenne R besteht in dieser Ausführung aus einem quadratischen Rahmen mit einer Windung und 1 m Kantenlänge. 1 shows a first embodiment of the active receiving antenna system, designed as a DF antenna system with a loop antenna R and designed as a transimpedance amplifier T amplifier. The loop antenna R consists in this embodiment of a square frame with a turn and 1 m edge length.

Die Ausgangsspannung der Rahmenantenne R errechnet sich wie folgt:

Figure 00040001
dabei sind

ν
= Lichtgeschwindigkeit 299,792458·106 m/s
U
= Spannung in V
A
= Rahmenfläche in m2
N
= Anzahl der Windungen
E
= elektrische Feldstärke in V/m (Amplitude oder Effektivwert)
H
= magnetische Feldstärke A/m (Amplitude oder Effektivwert)
Zo
= Feldwellenwiderstand = 120 π·Ω
λ
= Wellenlänge in m
f
= Frequenz in Hz
The output voltage of the loop antenna R is calculated as follows:
Figure 00040001
are there
ν
= Speed of light 299.792458 · 10 6 m / s
U
= Voltage in V
A
= Frame area in m 2
N
= Number of turns
e
= electric field strength in V / m (amplitude or rms value)
H
= magnetic field strength A / m (amplitude or rms value)
Zo
= Field wave resistance = 120 π · Ω
λ
= Wavelength in m
f
= Frequency in Hz

Die Rahmenspannung verhält sich also umgekehrt proportional zur Wellenlänge bzw. sie steigt bei konstanter Feldstärke H proportional zur Frequenz. Hierbei wird von einem gegen die Wellenlänge kleinen Rahmen ausgegangen. Greift man die Rah ne R jedoch auf einen Kurzschluss arbeiten. Hier wird durch die Antenne ein Strom eingeprägt, der im wesentlichen vom Blindwiderstand der Rahmeninduktivität abhängt. Die ohmschen Verluste und der Strahlungwiderstand liegen im Milliohmbereich und können daher vernachlässigt werden.The Frame voltage behaves So inversely proportional to the wavelength or it increases at a constant field strength H proportional to the frequency. This is by a small frame against the wavelength went out. But if you grab the Rah ne R on a short circuit work. Here, a current is impressed by the antenna, the essentially depends on the reactance of the frame inductance. The ohms Losses and the radiation resistance are in the milliohm range and can therefore be neglected.

Der Rahmenstrom errechnet sich daher wie folgt:

Figure 00050001
wobei X Rahmen der Blindwiderstand der Rahmenantenne R ist, also XRah men = 2·π·f·L 4) The frame current is therefore calculated as follows:
Figure 00050001
where X frame is the reactance of the loop antenna R, ie X yard men = 2 · π · f · L 4)

Dabei sind

f
= Betriebsfrequenz in Hz
L
= Rahmeninduktivität in H.
There are
f
= Operating frequency in Hz
L
= Frame inductance in H.

Somit wirdConsequently becomes

Figure 00050002
Figure 00050002

Im Falle des Verstärkereingangswiderstandes von 0 Ohm verhält sich also der Rahmenantennenstrom umgekehrt proportional zur Frequenz, wenn die Rahmenspannung konstant wäre. Diese verhält sich aber wie in 1) und 2) beschrieben.in the Case of amplifier input resistance of 0 ohms behaves Thus, the loop antenna current is inversely proportional to the frequency, if the frame voltage was constant. This behaves but as described in 1) and 2).

Setzt man 2) in 5) ein, ergibt sich:

Figure 00050003
Substituting 2) in 5) results in:
Figure 00050003

Der Rahmenstrom ist somit bei konstanter Feldstärke H frequenzunabhängig.Of the Frame current is thus independent of frequency at a constant field strength H.

Der Transimpedanzverstärker T weist einen Eingangswiderstand von etwa 0 Ohm auf und wandelt einen Eingangsstrom in eine Ausgangsspannung nach der Gleichung Uout = Rf·IRahmen 7). The transimpedance amplifier T has an input resistance of about 0 ohms and converts an input current to an output voltage according to the equation U out = R f · I frame 7).

Rf ist der Feedbackwiderstand des Verstärkers. Die Ausgangsspannung der gesamten aktiven Antennenanordnung ist somit

Figure 00060001
R f is the feedback resistance of the amplifier. The output voltage of the entire active antenna arrangement is thus
Figure 00060001

Parallel zum oben erwähnten Feedbackwiderstand Rf liegt noch ein Serien-R-C-Glied Rb und Cb, welches oberhalb des Arbeitsfrequenzbereiches die Verstärkung abfallen lässt. Der Serienwiderstand Rs sorgt für eine Anpassung zur Speiseleitung, verhindert Schwingneigung bei kapazitiver Last und begrenzt gleichzeitig den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers.Parallel to the above Feedback resistor Rf is still a series R-C element Rb and Cb, which fall above the working frequency range, the gain leaves. The series resistor Rs provides for a Adaptation to the feed line, prevents tendency to oscillate when capacitive Load and simultaneously limits the output current of the operational amplifier.

Um einen sauberen Empfang der magnetischen Komponente eines HF-Feldes zu gewährleisten, sollte eine hohe Unterdrückung aller E-Feld-Komponenten (insbesondere solche, die im Nahbereich durch Störquellen erzeugt werden) gewährleistet werden. Die Ausführung gemäß 2 zeichnet sich durch eine erhöhte Störfestigkeit gegenüber elektrischen Feldern auf. Mit ihr wird eine Gleichtaktunterdrückung realisiert. Die Schaltung ist symmetrisch aufgebaut und umfasst zwei Transimpedanzverstärker T1, T2. Zusätzlich ist der Empfangsrahmen R an seinem Mittelpunkt geerdet.In order to ensure a clean reception of the magnetic component of an RF field, a high suppression of all E-field components (especially those that are generated in the vicinity of sources of interference) should be guaranteed. The execution according to 2 is characterized by an increased immunity to electrical fields. With her a common mode rejection is realized. The circuit is symmetrical and comprises two transimpedance amplifiers T1, T2. In addition, the receiving frame R is grounded at its center.

Die beiden Operationsverstärker OP1, OP2 werden in gleicher Schaltung wie in 1 verwendet, die Ansteuerung erfolgt jedoch symmetrisch, so dass jeder Verstärker T1, T2 gegenüber dem anderen ein gegenphasiges Signal erhält. Demzufolge müssen beide Verstärker T1, T2 am Ausgang mit einem Gegentakt-Eintaktwandler, hier ausgebildet als Gegentakttransformator W, zusammengefasst werden, um wieder ein gleichphasiges Signal zu erzeugen. Alternativ wäre z.B. auch die Zusammenfassung mit einem Operationsverstärker in Instrumentenverstärkerschaltung möglich, um den Transformator W einzusparen. Der Nachteil dieser Anordnung ist jedoch ein geringerer Intermodulationsabstand 3. Ordnung.The two operational amplifiers OP1, OP2 are in the same circuit as in 1 However, the drive is symmetrical, so that each amplifier T1, T2 is compared to the other receives an out-of-phase signal. Consequently, both amplifiers T1, T2 at the output with a push-pull On clock converter, here formed as a push-pull transformer W, are summarized to produce an in-phase signal again. Alternatively, for example, the summary with an operational amplifier in instrumentation amplifier circuit would be possible to save the transformer W. The disadvantage of this arrangement, however, is a lower third order intermodulation distance.

Für einen hohen Intermodulationsabstand 2. Ordnung muss die Schaltung, unabhängig davon, welche der Varianten verwendet wird, streng symmetrisch aufgebaut sein. Vorteilhaft können zusätzliche Symmetrieeinstellregler vorgesehen werden.For one second order high intermodulation distance, the circuit must, regardless of which of the variants is used, constructed strictly symmetrical be. Can be advantageous additional Symmetrieeinstellregler be provided.

Claims (10)

Aktives Empfangsantennensystem mit einer magnetischen Empfangsantenne (R) sowie einer nachgeschalteten Verstärkeranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung ausgebildet ist als Transimpedanzverstärker (T).Active receiving antenna system with a magnetic receiving antenna (R) and a downstream amplifier arrangement, characterized in that the amplifier arrangement is designed as a transimpedance amplifier (T). Aktives Empfangsantennensystem mit einer magnetischen Empfangsantenne (R) sowie einer nachgeschalteten Verstärkeranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung zwei Transimpedanzverstärker (T1, T2) umfasst, die jeweils mit einem Ende der magnetischen Empfangsantenne (R) verbunden sind.Active receiving antenna system with a magnetic Receiving antenna (R) and a downstream amplifier arrangement, characterized in that the amplifier arrangement comprises two transimpedance amplifiers (T1, T2), each with one end of the magnetic receiving antenna (R) are connected. Aktives Empfangsantennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Empfangsantenne (R) in ihrem Mittelpunkt geerdet ist.Active receiving antenna system according to claim 2, characterized characterized in that the magnetic receiving antenna (R) in its Center is grounded. Aktives Empfangsantennensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der beiden Transimpedanzverstärker (T1, T2) in einem Gegentakt-Eintaktwandler (W) zusammengefasst werden.Active receiving antenna system according to one of claims 2 or 3, characterized in that the output signals of the two transimpedance amplifiers (T1, T2) in a push-pull single-ended converter (W). Aktives Empfangsantennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Empfangsantenne (R) eine Rahmenantenne, insbesondere eine Luftrahmen- oder Ferritrahmenantenne ist.Active receiving antenna system according to one of the preceding Claims, characterized in that the magnetic receiving antenna (R) a loop antenna, in particular an airframe or ferrite frame antenna is. Aktives Empfangsantennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Empfangsantenne (R) genau eine Windung aufweist.Active receiving antenna system according to one of the preceding Claims, characterized in that the magnetic receiving antenna (R) has exactly one turn. Aktives Empfangsantennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Empfangsantenne (R) einen quadratischen Querschnitt aufweist.Active receiving antenna system according to one of the preceding Claims, characterized in that the magnetic receiving antenna (R) has a square cross-section. Aktives Empfangsantennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Transimpedanzverstärker (T, T1, T2) einen Eingangswiderstand kleiner 1 Ohm aufweisen.Active receiving antenna system according to one of the preceding Claims, characterized in that the transimpedance amplifier (s) (T, T1, T2) have an input resistance of less than 1 ohm. Aktives Empfangsantennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für den Einsatz im LF, HF, VHF oder UHF-Bereich eingerichtet ist.Active receiving antenna system according to one of the preceding Claims, characterized in that it is suitable for use in LF, HF, VHF or UHF range is set up. Aktives Empfangsantennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Transimpedanzverstärker (T, T1, T2) eine Grenzfrequenz aufweisen, die um mindestens einen Faktor 10 höher ist als die Nutzfrequenz des Peilantennensystems.Active receiving antenna system according to one of the preceding Claims, characterized in that the transimpedance amplifier (s) (T, T1, T2) have a cutoff frequency that is at least one factor 10 higher is the useful frequency of the DF antenna system.
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