车辆玻璃窗上接收AM无线电信号的天线系统 本发明涉及利用分布在车辆玻璃窗上的金属线作为无线电信号接收器件(这种天线结构在此通常称为“屏栅天线”)接收AM波段的无线电信号和利用轿车后玻璃窗上加热屏栅作同样用途的技术。
接收低、中频AM无线电传输(习惯上将从0．14MHz至1．6MHz的波段简记为LF和MF)供车内使用的天线传统上是拉杆天线。在功能上，这种天线起着一个具有可忽略的阻抗的电压源与一个电容器相串联的作用。它的电压沿着一根表现为信号和车体之间的容性耦合的同轴传输电缆馈送给一个无线电接收机。
因此，要在车内使用的无线电接收机最典型的是配置成在信号从拉杆天线通过4m长的同轴馈线送来时具有最佳性能，因为这是最常碰到的情况。接收机要求在它的天线输入端上“看到”一个纯电容。
这种配置地缺点是馈线的电容引起可以是与频率有关的信号衰减，这取决于无线电装置的输入阻抗。然而，由于拉杆天线输出的信号通常足够大，使得加到接收机的信号的强度满足要求，因此这个缺点并不突出。
如果用屏栅天线代替拉杆天线，馈线引起的损耗就会非常突出。屏栅天线的输出通常比拉杆天线的小，这样就使加到接收机的信号会太小而不能保证满足接收机的要求。如果利用轿车后窗的加热件作为天线，由于需要在屏栅天线和馈线之间加上一个采用某种形式的信号分离装置(通常呈线圈组件形式)的连接模块以将接收信号与对屏栅加热器供电加热的直流电源隔离，而使问题更加复杂。
解决由于电容而引起的馈线损耗问题的一种方法是在天线和馈线之间加一级增益为1的低输出阻抗放大器。然而，这样做也有一些问题。较低的放大器输出阻抗使得接收机所看到的输入端相当偏离了理想的纯电容情况。结果，接收机在源阻抗不同于设计时的情况下工作，从而可能引起噪声或不稳定。
众所周知，器件之间的阻抗匹配可以利用中介滤波网络来解决。已提出的一种克服上述缺点的方法是使天线通过一个配置成可提供有利于阻抗匹配的带通滤波器再与馈线连接。然而，这种滤波器的响应在LF和MF无线电信号的频率范围内不是平坦的，对接收机来说并不呈现为所要求的纯容性负载。
本发明的目的是提供一种天线装置，能使同轴线馈电中电容引起的损耗的影响最小，达到与接收机很好匹配，将信号传送给接收机，而不需要采用有源电路。此外，本发明还考虑了由于为了信号隔离而使用扼流型线圈结构所带来的问题。
在本发明的研究中，认识到这个目的也就是要将电压信号从一个具有可忽略的电阻性部分的电压源(屏栅天线)传送给一个具有高输入阻抗的负载(接收机)。
按照本发明的第一种情况，提供了一种匹配电路，这种匹配电路具有一个信号输入端和一个信号输出端，用来接收加在它的输入端上的屏栅天线输出的MF或LF信号和通过它的输出端将输出信号经容性馈线送至无线电接收机。这种匹配电路包括一些与接在它的输入端和输出端的器件中的电容一起工作、形成一个具有覆盖接收和所要接收的波段的通带的中介带通滤波网络的器件。
采用这种装置，馈线和天线本身的电容都并入滤波网络，而不会引起杂散电容和不希望有的影响，有助于使天线系统按所希望的可预见的方式工作。
这种网络在整个通带上可以具有chebychev、Butterworth或椭圆函数型特性。
这种网络可以等效为一个对在具有限定电阻的信号源和具有可忽略成为零的电阻的负载之间的信号传输最佳化的单端网络。这个网络可以是一个偶阶滤波器。
在按此所构成的实施例中，这种网络可以配置成给出最佳的从输入电压到流入一个短路电路的输出电流的转换。
在一些优选实施例中，这种网络具有一个在作为滤波器最后一个元件的电容两端得到的电压输出，而这个电容完全或部分由匹配电路的信号输出所要接到的馈线的电容构成。这样，馈线的电容就是网络的一个正当起作用部分。
在本发明的接在屏栅天线的输出放大器和接至无线电接收机的同轴馈线之间的匹配电路的实施例中，匹配电路可以包括一个对流入一个短路电路的电流转换最佳的偶阶内单端口滤波网络。
在按上一段所述的实施例中，网络中的最后一个元件可以是一个串入网络所接的短路电路内的电容器，网络的输出电压加在这个电容器两端，而这个电容器至少部分是由同轴馈线的电容构成的。
按照本发明的第二种情况，本发明提供了一种MF和／或LF无线电接收设备，这种设备包括：一个具有一个信号输出端、由涂在玻璃板上的导电件构成的图案形成的天线；一个具有一个与天线的信号输出端连接的信号输入端和具有一个信号输出端的放大器；一个按本发明构成的，其信号输入端与放大器的信号输出端连接的匹配电路；一个具有一个信号输入端的无线电接收机；以及一根连接在匹配电路的信号输出端和无线电接收机输入端之间的同轴馈线。
最典型的是，在按上一段配置的结构中，所述无线电接收机安装在车辆内，而所述玻璃板是车辆的一个玻璃窗。
按照本发明的第三种情况，本发明提供了一种使一个接在一个屏栅天线的输出端和一根接至接收LF和MF波段的规定频带内的信号的无线电接收机的同轴馈线之间的匹配电路最佳化的方法，这种方法包括下列步骤：
(a)设计一个在整个规定频带内具有从一个与阻抗串联的电压源到一个开始电路的最佳电压转换的基本电路；
(b)导出基本电路的使最佳电流流入一个短路电路的对应带通滤波电路，它的信号输出从作为带通滤波电路内最后一个元件的、电容基本上等于或大于馈线电容的输出电容器两端得出；
(c)构成一个略去输出电容器的电路，用要连接的馈线代替输出电容器，从而电路的输出从馈线电容两端得出。这样也提供了一个按这种方法产生的匹配电路。
利用这种方法可以得到一个匹配电路，它是对具体应用最佳化了的，而且考虑了周围器件对它的性能的影响。上述方法还具有另一个特性，所提供了的滤波器可以使加到与馈线连接的接收机上的阻抗的电抗分量在所规定的频带内具有不变的符号(即始终是容性的或始终是感性的)。
采用这些滤波网络就能使用较小和较经济的扼流器来提供有效的信号隔离。典型的情况是，可以使用由两个分绕的线圈构成的线圈组件，其中一个线圈套在另一个内，但两个线圈相互平行，具有相同的匝数(5-6匝)和只有400μH左右的电感，明显低于习惯上所使用的。铁氧体件可以是一个RM10罐形铁心(或类似类型)。图16示出了一个特别有用的线圈组件的例子，其独特之处在于在铁氧体件上开有两个所示凹槽的形状和尺寸。
下面将结合附图举例详细说明本发明的实施例。在这些附图中：
图1概要示出了无线电接收机在车辆内的第一种典型配置，其中屏栅天线的输出通过FET放大器得出；
图2为带有网络滤波器第一实施例的天线系统的原理图；
图3至8为用来说明图2所示电路的设计的例示电路；
图9为导出网络滤波器的第二实施例的单端口带通网络的原理图；
图10示出了与图9等效的互联电压源和无线电接收机的电路；
图11为具有与图9的等效的带通特性的互联屏栅天线和无线电接收机的电路的原理图；
图12例示了图11的电路实际用于车辆的情况；
图13示出了无线电接收机在车辆内的第一种典型配置，其中屏栅天线的输出通过馈线馈送给接收机；
图14示出了作为另一个实施例的天线系统的原理图；
图15示出了一种包括一个双线扼流圈的系统的全商品化实施例的原理图。利用铁氧体材料制成的RM罐形铁心带有两个分绕的同心线圈所构成的双线扼流器具有400μH左右的比较低的电感。这种实施例具有一个控制频带高端振幅响应的装置和另一个控制低端振幅响应以改善在低端频率的噪声系数的装置。
图16为铁氧体材料制成的扼流器形状图，其中示出了所指的独特细节。
通常，为了实现车内屏栅天线，需要配置一个包括实现一个常规的后窗屏栅加热器所需的所有附加元件的电路模块，接好对它的电源、信号输出端等的所有连接。总的来说，这种天线通常将保证在LF、MF和VHF波段的接收。本发明涉及的是LF和MF波段的接收，所提供的电路绝大多数情况下都保证可与用于VHF接收的其他电路合并。
图13示出了一种典型的已知配置，无线电接收机10通过一段同轴馈线14接至天线14的输出端。接收机10、天线12和锁线14有一个通常接到车体上的公共接地点16。
在电性能上，天线12相当于一个阻抗可忽略的电压源与一个电容串联。这个电容与馈线14的旁路电容一起作用，形成一个分压器。因此，馈线14就将信号传送给接收机，衰减在这个波段内是恒定的。
图14示出了体现本发明的天线配置情况，接收机10与同轴馈线14的连接完全与现有技术的相同，从而不需要对这两部分作任何修改。然而，在这个实施例中，有一个滤波电路接在天线12的输出端和馈线14之间。
这个滤波电路有一个第一并联电容器，它整个或部分包括屏栅、它的连线和车体本身的电容Ca和Cb。L2和R2跨接在这个电容器的两端，R2是滤波器的内部负载，用来控制滤波网络响应的起伏。信号从电容Ca、第一电感L2和电阻R2之间的公共点P2处取出。
在公共点P2，由一个第二电感L3接至馈线14，它的电容是这个滤波器的最后一个元件。
为了更好地理解本发明，下面说明可以得出图2所示电路的方式。
首先，必需理解这个电路的目的：本电路是要将一个信号在频率范围500kHz到1700kHz内以最小的损耗通过一段具有例如250pF的馈电电缆从天线的输出端送至无线电接收机的高阻抗输入端。此外，这个电路必需对接收机尽可能呈现为一个电容性负载。
滤波电路从一个奇阶(如三阶)的低通滤波器得出。图3示出了一个单端口Chebychev模型，将来自具有规定阻抗32的源30的信号馈送到在34处的开路负载。这个电路是要给出从一个与一个阻抗串联的电压源至接近开路的负载的最佳电压转换。
图3电路的对应网络示于图4。在这种情况下，电路提供在一个具有零或可忽略阻抗和具有规定阻抗的电压性负载38之间的最佳电流转换。
下一步如图5所示是将各元件的值换算成实际的值，并将电路变换成一个频率范围为所要求的500kHz至1700kHz的带通滤波器。
接着，将图5中标为C的电容器的电容设置为等于馈电电缆的电容(实际中典型值为250pF)，再将电路的其他元件作相应的换算，结果如图6所示。
现在，如果将串联的零阻抗电压源36短路而将一个高阻抗电流源42接在电容器C两端(图7)，网络的响应就会有6dB／倍频程的下降斜率。然而，如果电压是在图7中的电感L两端监测，所得到的电压将有起抵消作用的6dB／倍频程的上升斜率，从而恢复了总的网络响应。
现在，将通过网络的信号流反向(图8)。通过比较可以看到图8所示电路在功能上是图2所示的相同，天线12的输出放大器由高阻抗电流源42表示，而馈电电缆14由电容器C表示。
因此，可以看到图2所示电路满足所要求的向接收机提供一个受控的滤波器或频率响应的准则。这个滤波器对馈电电缆作了补偿，对于接收机10呈现为一个电容性源阻抗，这就是馈线电容C的作用。
在另一个实施例中，出发点是一个2阶单端口带通滤波网络，如图9所示。这个滤波网络对于在一个具有有限电阻的电压源60(电压源和电阻分别标为V和R10)和一个具有可忽略电阻的负载62之间传送信号是最佳的。
这个电路通过将负载短路和将电路中的点64作为输出端就可变换成一个内加载网络，如图10所示。然而，可以看到，现在输出是在电容器C10两端得到的，因此将有6dB／倍频程的跌落。要注意的是，输出是馈送给一个具有高输入阻抗的无线电接收机10的。因此，输出只是用来监视一个电压，并不会扰乱滤波网络的工作。
为了完成图9中的网络的变换，电压源V应该与电容器C11串联，以提供进行补偿的6dB／倍频程的上升斜率。在这个具体应用中，对电路还作了进一步的调整，将电容器C11分成电容器CA和CB，CA+CB=C11，如图10所示。然后将电压源V移到与电容器CA串联。这样移动电压源并不会影响网络的工作，因为电压源V没有内阻。电压源与CB并联与实际情况极为相似，屏栅天线具有一点有限的电容，表现为在它的输出端跨接在电压源两端。
图11的电路就是图10的电路的拓朴重构，更加接近实际中各元件的配置情况。电压源V和电容器CA、CB体现在屏栅天线70内。电感L10、L11和电阻R10包含在模块72内，而电容C10体现在馈线内。
对于更为复杂的情况，模块还必需提供DC功率使屏栅加热器工作。最典型的是，DC供电和无线电信号之间的隔离用一个双线线圈装置实现。与上述这些电路配合使用的优选方法用了一个双线型抓扼流器，这个双线型扼流器有一个铁氧体材料制成的RM10罐形铁心，两个同心线圈套在一起，相互严格平行，具有同样的匝数，最好绕线方向也相同。
图12示出了这种电路的实际实现情况。
后窗屏栅加热器74包括多根加热线，平行地接在两根汇流条之间。为了加热后窗屏栅，DC功率从车辆的供电系统(示意性地示于76)通过模块72内的双线扼流器78(或适当的代用器件)馈送给汇流条。电容器CA、CB和电压源V都是加热器74作为天线产生射频信号的模型化表示。所配置的电阻R10’和电感L11’与双线扼流圈78的电阻和电感合并后就得出如图11中所示的L11和R10的值，从而综合考虑了双线扼流圈78的影响。由图12可以看到其余元件的配置情况。
图12中还示出了两个附加的电容器C12和C13。然而，这两个电容器只是为了隔直流用的(对于RF信号是低阻抗通路)，并不对网络的性能有多少影响。
本发明的另一种情况是根据四阶设计产生图12的一个改进型。这种改进型的优点是在图11的L11处所需的电感在实际中小到只有400μH。这意味着双线扼流器(这个电感的物理实现)在这种天线模块中可以用常规的一半匝数左右来构成。这样，双线(或双线型)扼流圈就能用一个由适当铁氧体材料制成的稍有改动的RM10罐形铁心带两个用比目前所用的粗得多的导线(甚至可以用矩形或方形截面的导线)分绕的同心线圈构成，从而改善去雾电流处理能力。此外，可以根据在RM10规格中表明的无载Q选用至少在低频端并联电阻值非常接近为滤波器提供内加载所需的电阻值(图11中的R10)的铁氧体材料。以这种方式提供内加载电阻意味着在有缺陷的低频端不再需要图12中的R10’那样的并联的物理电阻。这改善了电路在主要受影响的低频端的噪声系数。在滤波器的高频端，双线扼流器不再成为滤波电路的重要部分，它的实际并联电阻的作用不显著，因此配置了一个控制频带高端振幅的响应的独立的内负载或阻尼电路，接在图15的商品化实际实施例中所示各点。
下面参见图1，考虑第二实施例。在典型的已知配置中，无线电接收机10通过一段同轴馈线14接至天线的放大器12的输出端。接收机10、放大器12和馈线14都在通常与车体连接的公共点16处接地。
在电性能上，放大器12相当于一个具有无限大阻抗的电流源与放大器12的一个FET漏极负载电感(未示出)并联。实际上，这个电感是与馈线14的电容是并联的。因此，馈线14将使信号传送给接收机，然而带通响应对于为接收机提供足够强的信号来说是太窄了。
参见图2，所示体现本发明的装置保证接收机10与同轴馈线14的连接与现有技术完全相同，因此对这两部分不需要作任何修改。然而，在这个实施例中，有一个滤波电路接在放大器12的输出端和馈线14之间。
这个滤波电路有一个第一电感L1，接至FETQ1作为一个漏极负载。FETQ1还通过它的源极经第一电阻R1与接地母线20连接，而它的栅极接收来自接收元件的输入信号。
信号馈送到与第二电阻R1串联的第一电容器C1，再馈送到第二公共点P2。在第二公共点P2，第二电容器C2与第二电感L2并联接至接地母线20。