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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung gemäß dem ersten Nebenanspruch und ein Verfahren gemäß dem zweiten Nebenanspruch.
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Das Empfangen eines Mikrowellensignals und das gleichzeitige Wiederaussenden eines phasengleichen, aber amplitudenmäßig deutlich verstärkten Signals, insbesondere über die gleiche Antenne, sind auf herkömmliche Weise lediglich ungenügend ausführbar.
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Auf herkömmliche Weise wird ein derartiges Empfangen und Wiederaussenden eines elektromagnetischen Wellensignals mittels einer Vorrichtung ausgeführt, die eine Antenne, einen Zirkulator und eine Verstärkungsregelung aufweist. Die Antenne empfängt das Signal, dieses wird über den Zirkulator der Verstärkungsregelungseinrichtung zugeführt, die ein Signal dem Zirkulator zurück führt, der nachfolgend der Antenne das zu sendende Signal zuführt. Gemäß dieser herkömmlichen Vorrichtung kann nachteiliger Weise das Verhältnis vom wieder ausgesendeten Signal zum empfangenen Signal nicht größer sein, als das Verhältnis des von der Einwegleitung in Vorwärtsrichtung übertragenen Signals zum aufgrund von Nichtidealitäten von Zirkulator und Antenne in Rückwärtsrichtung übertragenen Signal. Das heißt, es ist bei einer derartigen herkömmlichen Vorrichtung nachteilig, dass die erzeugte Dynamik einer derartigen Vorrichtung klein ist. Die Dynamik ist hier das Verhältnis von Aussendesignalamplitude zur Empfangssignalamplitude. Eine derartige herkömmliche Vorrichtung ist gemäß 1 dargestellt. Vorwärtsrichtung bedeutet bei dem Zirkulator gemäß 1 die Übertragung von einem Tor zu dem von diesem Tor aus im Gegenuhrzeigersinn nächsten Tor. Diese Übertragung ist bei einem idealen Zirkulator gleich eins. Rückwärtsrichtung bedeutet entsprechend die Übertragung von einem Tor zum im Uhrzeigersinn nächsten Tor. Die Übertragung ist dann beim idealen Zirkulator gleich null.
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Auf herkömmliche Weise kann ein Signal empfangen und über einen Zirkulator verstärkt und nachfolgend wieder ausgesendet werden. Bei praktischen Ausführungsformen werden lediglich sehr geringe Verstärkungswerte des empfangenen Signals erzeugt.
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Alternativ wird eine herkömmliche Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Antenne, einen Pulsoszillator sowie einen Taktgeber zur Erzeugung eines Taktsignals mit einer Frequenz aufweist. Die Antenne empfängt das Signal, dieses wird dem Pulsoszillator zugeführt, der von dem Taktgeber mit dem Taktsignal mit der Frequenz angesteuert wird. Der Pulsoszillator führt nachfolgend der Antenne das zu sendende Signal zu. Es ist hier nachteilig, dass bei einer zu der vorstehend beschriebenen Vorrichtung relativ hohen Dynamik das vom Pulsoszillator erzeugte Oszillatorsignal nur kurzzeitig zum Eingangssignal kohärent ist. Kohärent heißt hier Empfangssignal und Aussendesignal weisen die gleiche Phase oder beide Signale weisen eine zeitlich unveränderliche Phasendifferenz auf. Eine derartige Vorrichtung ist gemäß 2 dargestellt. Gemäß dieser herkömmlichen Vorrichtung wird ein Oszillator mit einer Antenne verbunden und wird zu einem bestimmten Zeitpunkt weich, das heißt mit langsamem Anstieg der Betriebsspannung eingeschaltet. Der Oszillator beginnt zu schwingen, wobei durch die Verbindung mit der Antenne das Oszillatorsignal abgestrahlt wird. Wird zum Zeitpunkt des Einschaltens sowie ebenso danach kein Signal über die Antenne empfangen, so wird der Oszillator aus seinem eigenen Rauschen heraus anschwingen. Die Phase der sich aufbauenden Schwingung wird folglich eine rein statistische Größe sein. Wird dagegen zum Einschaltzeitpunkt und kurze Zeit danach ein über die Antenne empfangenes Signal dem Oszillator zugeführt, so wird die sich aufbauende Oszillatorschwingung am Anfang der Oszillation die Phase des empfangenen Signals aufnehmen und diese Phase verstärkt wieder abstrahlen. Das Leistungsverhältnis von empfangenem Signal zu wieder ausgesendetem Signal kann dabei 60 dB oder größer sein. Es ist bei dieser herkömmlichen Anordnung nachteilig, dass der Oszillator die Phase des Empfangssignals lediglich beim Anschwingen aufnehmen kann. Das heißt, dessen Eigenschwingungsamplitude muss kleiner sein, als die Amplitude des über die Antenne zugeführten Signals. Das heißt, ist der Oszillator im eingeschwungenen Zustand, so kann der Oszillator lediglich die Phase von sehr starken Empfangssignalen aufnehmen. Bei schwachen Antennensignalen wird der Oszillator die empfangene Phase im Einschwingvorgang aufnahmen, aber nach sehr kurzer Zeit weicht die Phase des Oszillators von der empfangenen Phase wieder ab. Das Oszillatorsignal ist damit nur kurzzeitig kohärent. Auf diese Weise ist die Verwendbarkeit einer derartigen herkömmlichen Vorrichtung begrenzt.
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Die
US 3 271 770 A offenbart das Fokussieren von Radiofrequenzenergie, die durch ein Antennenarray ausgesendet worden ist und insbesondere ein Verfahren zum Beibehalten der Radiofrequenzenergie, die durch einzelne Antennen in einem Antennenarray ausgesendet worden ist, in einer vorbestimmten Phasenbeziehung mit einem durch das Array empfangenen Signal. Es soll ein verbessertes elektronisches System bereitgestellt werden zum Fokussieren von durch ein Antennenarray ausgesendeter Energie.
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Die
US 3 611 139 A offenbart einen ortogonalen Mischer bzw. Repeater. Die Vorrichtung ist ein Repeater und wird zum Erlangen, Verstärken und erneuten Aussenden von Amplituden oder von frequenzmodulierten Radiosignalen verwendet unter Verwendung von sich überlappenden Sende-Empfangsbandbreiten. Ein empfangenes Signal wird erfasst, leicht versetzt und erneut ausgesendet. Das erneut ausgesendete Signal wird durch den Empfänger reflektiert, da das erneut ausgesendete Trägersignal um eine Phase von 90° verschoben wurde.
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Die
DE 34 29 454 C1 offenbart eine Relaisstelle für drahtlosen Nachrichtenverkehr. Bei der Funkübertragung zwischen Teilnehmerstationen eines Funknetzes muss mitunter wegen zu großer Entfernung oder aus Gründen topographisch ungünstigen Geländes von einer Relaisstelle Gebrauch gemacht werden, über die dann die beiden miteinander zu verbindenden Teilnehmerstationen ihren Verkehr abwickeln müssen. Wird für einen solchen Funkverkehr zum Schutz gegen absichtliche Störung von einem Frequenzsprungbetrieb Gebrauch gemacht, dann kann normalerweise für das Frequenzspringen nicht der an sich verfügbare Frequenzsprungbereich ausgenutzt werden, weil zwischen der Empfangsfrequenz und der Sendefrequenz der Relaisstelle ein unverzichtbarer Mindeststörabstand eingehalten werden muss. Um diesen Nachteil zu beheben, wird vorgeschlagen, über eine geeignete Schnittstellenverbindung hinweg die Synchronisation des Empfängers der Relaisstelle mit der sendenden Teilnehmerstation auf ihren Sender zu übertragen und mit Hilfe dieser Synchronisation das gewünschte Frequenzspringen im gesamten verfügbaren Frequenzsprungbereich für den Sender und den Empfänger der Relaisstelle unter Einhaltung des Mindestabstandes zu steuern.
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Die
US 5 530 451 A offenbart einen Repeater mit kleinen Störzeitausgängen. Es wird eine Vorrichtung offenbart, die die Rate der Verringerung von Störausgangssignalen verringert, und einen Pfad aufweist, der zur Übertragung eines Signals von einem Eingang zu einem Ausgang geeignet ist. Eine Vielzahl von Speicherelementen und eine Vielzahl von dazwischen geschalteten Schaltern sind seriell in dem Pfad positioniert. Isolationselemente sind in dem Pfad zwischen jedem Speicherelement und jedem Schalter positioniert. Mehrfache Reflektionen von dem Primärsignal sind zur Reduzierung der Stärke geeignet, wenn diese zwischen dem Isolationselementen und den Schaltern zurückspringen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Empfangen eines elektromagnetischen Wellensignals, insbesondere eines Mikrowellensignals, und das gleichzeitige Wiederaussenden eines zum Empfangssignal phasengekoppelt und hinsichtlich der Amplitude wirksam verstärkten Aussendesignals über mindestens eine Antenne derart bereitzustellen, dass eine zum Stand der Technik höhere Dynamik geschaffen ist. Phasengekoppelt heißt hier, dass zwischen den Phasen des Empfangssignals und des Aussendesignals ein linearer zeitlicher Zusammenhang erzeugt ist oder dass die Differenz der Phasen des Aussendesignals und des Empfangssignals auf einen konstanten Term eingestellt ist. Im letzteren Fall bezeichnet man Empfangssignal und Ausgangssignal ebenso als phasenstarr oder kohärent. Die Dynamik ist hier das Verhältnis von maximaler Empfangssignalamplitude zur minimalen Empfangssignalamplitude, bei der das System phasengekoppelt betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch, und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Es werden eine Optimierung der Phasenbeziehung von Empfangs- und Aussendesignal sowie eine zum Stand der Technik höhere Dynamik bewirkt und die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden.
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Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Ähnlichkeit mit einer Phasenregelschleife (PLL) auf. Gemäß dieser Anordnung wird eine Regelung eines spannungsgesteuerten Oszillators derart bewirkt, dass sich eine konstante Differenzfrequenz zwischen Aussendesignal und Empfangssignal einstellt. Diese Differenzfrequenz ist durch eine Referenzfrequenz einer Referenzfrequenztakterzeugungseinrichtung einstellbar. Ist diese Differenzfrequenz ungleich null, so ergibt sich zwischen Empfangs- und Aussendephase ein linearer zeitlicher Zusammenhang, der für eine weitere technische Verwertung vorteilhaft ist. Der Phasenregelkreis (PLL) weist einen Phasenvergleicher, einen Tiefpassfilter und den spannungsgesteuerten Oszillator auf, dessen Ausgangssignal mittels eines Mischers mit dem von einer Empfangsantenne empfangenen Empfangssignal gemischt und danach als ein erstes Eingangssignal dem Phasenvergleicher zurückgeführt ist, wobei diesem zusätzlich ein von einer Referenzfrequenztakterzeugungseinrichtung erzeugtes zweites Eingangssignal zugeführt ist, dessen Frequenz der Frequenz des ersten Eingangssignals des Phasenvergleichers derart angeglichen ist, dass das Aussendesignal eine konstante Differenzfrequenz zum Empfangssignal aufweist und dass zwischen den Phasen des Empfangssignals und des Aussendesignals ein linearer zeitlicher Zusammenhang erzeugt ist. Einer zur Empfangsantenne zusätzlichen Aussendeantenne kann das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators direkt zugeführt sein. Besondere Vorteile sind die Einfachheit und die sehr hohe Dynamik der Vorrichtung. Es wird eine robuste Regelung und somit eine gute Phasengenauigkeit der Vorrichtung erzielt. Entsprechendes gilt für ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem Mischer und dem Phasenvergleicher eine Amplituden normalisierende Verstärkungsregelungseinrichtung derart zusammen mit dem Mischer bereitgestellt, dass parasitäre Gleichanteile des ersten Eingangssignals herauskompensiert sind, so dass die Differenzfrequenz zwischen Aussendesignal und Empfangssignal auf null und die Differenz der Phasen des Aussendesignals und des Empfangssignals auf einen konstanten Term eingestellt sind und auf diese Weise Phasenkohärenz erzeugt ist. Ein parasitärer Gleichanteil kann entstehen durch Nichtidealitäten des Mischers. Durch geeignete Kompensationsmaßnahmen, die im einfachsten Fall in einem besonders idealen Mischer bestehen, aber auch durch eine Korrekturschaltung zur adaptiven Unterdrückung des parasitären Gleichanteils, lässt sich dieser Gleichanteil stark reduzieren. Ist die Differenzfrequenz zwischen Empfangssignal und Aussendesignal gleich null, so ergibt sich eine konstante Phasendifferenz zwischen Empfangs- und Aussendephase. Diese Phasendifferenz kann ebenso null sein. Damit ist besonders vorteilhaft Kohärenz, das heißt Phasenstarrheit, erzeugt. Die ebenso erzeugte sehr hohe Dynamik wird im Wesentlichen durch den Verstärkungsbereich der Verstärkungsregelungseinrichtung geschaffen, der allerdings sehr groß sein kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann bei der Vorrichtung beziehungsweise bei einem entsprechenden Verfahren zum Empfangen und Senden dieselbe Antenne verwenden werden, wenn ein transmittierender Mischer verwendet wird. Der Mischer ist dabei derart bereitgestellt, dass dieser das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators ungedämpft als Aussendesignal der einzigen Antenne zuführt, die gleichzeitig das Empfangssignal empfängt. Das heißt, der Mischer weist eine spezielle Realisierungsform auf, so dass das Signal des spannungsgesteuerten Oszillators, das ebenso als Lokaloszillatorsignal bezeichnet werden kann, nahezu ungedämpft zum antennenseitigen Anschluss übertragen wird. Danach wird das Signal über die einzige Antenne ausgesendet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators mittels eines Frequenzvervielfachers dem Mischer zugeführt. Auf diese Weise wird die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators einfach und wirksam an die Frequenz des Empfangssignals gekoppelt. Damit ist der Phasenregelkreis sehr stabil geschaffen. Eine separate Aussendeantenne kann an den Ausgang des Frequenzvervielfachers elektrisch angeschlossen sein. Bei Verwendung eines transmittierenden Mischers wird das Ausgangssignal des Frequenzvervielfachers mittels des Mischers ungedämpft als Aussendesignal der einzigen Antenne zuführt, die gleichzeitig das Empfangssignal empfängt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Mischer ein I/Q-Mischer (in Phase/Quadratur) ermöglicht im Unterschied zu einem einfachen Mischer die genauere Detektion der Phasenlage zwischen Empfangssignal und Aussendesignal.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Verbesserung der Regelgüte auf. Das heißt innerhalb der Frequenzregelschleife werden weitere Funktionsgruppen zur Verbesserung der Regelgüte verwendet. Eine Verbesserung der Regelgüte kann erzielt werden durch eine genauere Analyse des Mischersignals auf der Basis geeigneter Schätzverfahren und Prädiktoren, die auch zu Zeitpunkten, in denen das Empfangssignal schlecht empfangen werden kann oder durch Fremdeinflüsse gestört ist, einen möglichst phasenstarren Betrieb gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung findet die Regelung des Phasenregelkreises in einem sehr niedrigen Frequenzbereich statt, so dass die Regelung zumindest teilweise digital erfolgen kann. Es können auf diese Weise digitale Verfahren verwendet werden. Beispiele für digitale Ausführungen solcher Regeleinrichtungen sind DSP-basierte Regler (digital signal processor), sowie FPGA-basierte Regler (field programmable gate array).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist eine Vorrichtung eine zusätzliche Filter- und/oder Verstärkereinrichtung im Hochfrequenzteil zwischen Antenne und Mischer auf. Das heißt innerhalb des Hochfrequenzteils der Vorrichtung können Filter und Verstärker bereitgestellt sein.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik;
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3 ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Ein Empfangen und Aussenden eines elektromagnetischen Wellensignals wird mittels einer Vorrichtung ausgeführt, wobei diese eine Antenne 1, einen Zirkulator 2 und eine Verstärkungsregelungseinrichtung 3 (automatic gain control AGC) aufweist. Die Antenne 1 empfängt das Signal, dieses wird über den Zirkulator 2 der Verstärkungsregelungseinrichtung 3 zugeführt, die ein Signal dem Zirkulator 2 zurückführt, der nachfolgend der Antenne 1 das zu sendende Signal zuführt. Es ist hier nachteilig, dass die erzeugte Dynamik einer derartigen Vorrichtung klein ist.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik. Es ist eine Vorrichtung dargestellt, die eine Antenne 1, einen Pulsoszillator 4 sowie einen Taktgeber 5 zur Erzeugung eines Taktsignals mit einer Frequenz fPRF aufweist. Die Antenne 1 empfängt das Signal, dieses wird dem Pulsoszillator 4 zugeführt, der mit dem Taktsignal mit der Frequenz fPRF von dem Taktgeber 5 angesteuert wird. Der Pulsoszillator 4 führt nachfolgend der Antenne 1 das zu sendende Signal zu. Es ist hier nachteilig, dass bei einer zu der in Verbindung mit 1 beschriebenen Vorrichtung relativ hohen Dynamik das vom Pulsoszillator 4 erzeugte Oszillatorsignal nur kurzzeitig zum Eingangssignal kohärent ist. Kohärent heilt hier Empfangssignal und Aussendesignal weisen die gleiche Phase oder beide Signale weisen eine zeitlich unveränderliche Phasendifferenz auf.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es wird dieselbe Antenne 1 zum Empfangen des Empfangssignals wie zum Aussenden des Aussendesignals verwendet. Es wird ein Phasenregelkreis 6 (PLL) verwendet, der einen Phasenvergleicher 7 (PD), ein Tiefpassfilter 8 (LF) und einen spannungsgesteuerten Oszillator 9 (VCO) aufweist, dessen Ausgangssignal mittels eines Frequenzvervielfachers 10 (f × n) einem Mischer 11 zugeführt und mittels des Mischers 11 mit dem von der Antenne 1 (Ant) empfangenen Empfangssignal gemischt und danach mittels einer Verstärkungsregelungseinrichtung 3 (automatic gain control (AGC) – diese Einrichtung normiert die Amplituden der eingehenden Signale) als ein erstes Eingangssignal dem Phasenvergleicher 7 (PD) zurückgeführt ist. Auf diese Weise ist ein Rückwärtspfad mittels des Frequenzvervielfachers 10 (f × n), des Mischers 11 und einer Verstärkungsregelungseinrichtung 3 (AGC) erzeugt. Dem Phasenvergleicher 7 (PD) ist zusätzlich ein von einer Referenzfrequenztakterzeugungseinrichtung 12 (RefClk) erzeugtes zweites Eingangssignal zugeführt, dessen Frequenz frei der Frequenz fIF des ersten Eingangssignals des Phasenvergleichers 7 (PD) derart angeglichen ist, dass das Aussendesignal eine konstante Differenzfrequenz zum Empfangssignal aufweist und dass zwischen den Phasen des Empfangssignals und des Aussendesignals ein linearer zeitlicher Zusammenhang erzeugt ist. Der Phasenvergleicher 7 (PD) ist derart ansteuert, dass dieser die Phasen des Verstärkungsregelungseinrichtungssignals und des Signals der Referenzfrequenztakterzeugungseinrichtung 12 vergleicht. Das Tiefpassfilter 8 (LF) erzeugt eine Feineinstellspannung Utune zur Ansteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators 9 (VCO), der ebenso als Lokaloszillator bezeichnet werden kann.
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Die Vorrichtung kann derart verwendet werden, dass die Differenzfrequenz durch die Referenzfrequenz des Signals der Referenzfrequenztakterzeugungseinrichtung bestimmt wird. Ist die Differenzfrequenz ungleich null, so liegt zwischen Empfangs- und Sendephase ein linearer zeitlicher Zusammenhang vor, der technisch vorteilhaft nutzbar ist. Diese Verwendung kann ebenso ohne einen Frequenzvervielfacher und ohne eine Verstärkungsregelungseinrichtung erfolgen.
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Die Vorrichtung kann ebenso derart verwendet werden, dass zwischen dem Mischer 11 und dem Phasenvergleicher 7 (PD) die Amplituden normalisierende Verstärkungsregelungseinrichtung 3 (AGC) derart zusammen mit dem Mischer 11 bereitgestellt ist, dass parasitäre Gleichanteile des ersten Eingangssignals herauskompensiert sind, so dass die Differenzfrequenz zwischen Aussendesignal und Empfangssignal auf null und die Differenz der Phasen des Aussendesignals und des Empfangssignals auf einen konstanten Term eingestellt sind und auf diese Weise Phasenkohärenz erzeugt ist. Dieser konstante Term kann ebenso null sein. Gemäß dieser weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Differenzfrequenz durch die Referenzfrequenz der Referenzfrequenztakterzeugungseinrichtung auf Null eingestellt. Die Phase des Aussendesignals entspricht dann bis auf einen konstanten Term – dieser kann ebenso null sein – zu jedem Zeitpunkt der Phase des Empfangssignals.
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Der Mischer 11 empfängt das Empfangssignal von der Antenne 1 (Ant), und mischt dieses mit dem Ausgangssignal des Frequenzvervielfachers 10 (f × n). Das Ausgangssignal des Mischers 11 wird der Verstärkungsregelungseinrichtung 3 (AGC) zugeführt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 ist der Mischer 11 ein transmittierender Mischer 11, der das Ausgangssignal des Frequenzvervielfachers 10 (f × n) ebenso ungedämpft als Aussendesignal der einzigen Antenne 1 (Ant) zuführt, die gleichzeitig das Empfangssignal empfängt. An Stelle einer gemeinsamen Antenne können für das Empfangen und Wiederaussenden zwei verschiedene Antennen verwendet werden. Die Empfangsantenne ist dabei die gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendete einzige Antenne 1 (Ant). Die Aussendeantenne (hier nicht dargestellt) ist an den Ausgang des Frequenzvervielfachers 10 (f × n) elektrisch angeschlossen. Fehlt ein Frequenzvervielfacher, ist die (hier nicht dargestellte) Aussendeantenne an den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 9 (VCO) elektrisch angeschlossen.
