DE2446631C2 - Aktive Empfangsantenne aus einer leitenden Grundfläche und aus einem mit dieser verbundenen leitenden Stab - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine aktive Empfangsantenne, bestehend aus einer leitenden Grundfläche, aus einem senkrecht auf dieser stehenden und an seinem unteren Ende mit dieser leitend verbundenen, leitenden geraden Stab der Gesamtlänge h, der wesentlich kürzer als eine Viertelwellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz ist, wobei der Stab in einem Abstand h_H von der Grundfläche eine Unterbrechungsstelle aufweist (passiver Antennenteil, und aus einem Transistorverstärker, der als Eingangstransistor einen Transistor mit dem Charakter eines Feldeffekttransistors aufweist und eingangsseitig an der Unterbrechungsstelle mit den beiden Stabteilen und ausgangsseitig über eine durch das Innere des unteren Teils der beiden Stabteile geführte koaxiale Leitung mit einem Empfängeranschluß verbunden ist.

Ein Transistor mit dem Charakter eines Feldeffekttransistors ist ein Feldeffekttransistor oder ein Transistor mit gleichartigen Eigenschaften.

Aktive Antennen dieser Art sind bereits aus der DE-OS 15 91287 bekannt Die dort beschriebene Antenne besitzt Resonanzcharakter. Dort wird die Resonanz entweder durch eine hinreichend große Gesamthöhe erreicht derart, daß sich eine Viertelwellenlängenresonanz einstellt oder dadurch, daß die Resonanz durch Verwendung eines geeigneten Anpassungsvierpols zwischen dem Verstärker und dem Antennenstab herbeigeführt wird. Im letztgenannten Fall können die Antennenabmessungen klein gegenüber der Viertelwellenlänge sein. Diese Antenne muß somit auf die aktuelle Empfangsfrequenz abgestimmt werden; ein breitbandiger Empfang ist deshalb nicht möglich.

Eine breitbandig empfangende aktive Antenne ist bekannt aus der DE-OS 25 54 828. Diese Antenne enthält ebenfalls einen als Antennenstab ausgebildeten Unipol und einen Verstärker mit Feldeffekttransistor, der jedoch ohne Anpassungsvierpol direkt an den Fußpunkt des Antennenstabes angeschlossen ist. Aufgrund der kapazitiven Eingangsimpedanz des Transistorverstärkers in Verbindung mit der kapazitiven Quell'mpedanz, die der passive Antennenteil für diesen Verstärker darstellt, ist das Empfangsverhalten einer derartigen Antenne breitbandig. Dieser Sachverhalt ist begründe*, durch die frequenzunabhängige Spannungsteilung, die sich zwischen der bei elektrisch kurzen Antennen frequenzunabhängigen internen Empfangsspannung E ■ hen und dem Verstärkereingang einstellt. Hierbei ist es im Interesse eines möglichst großen Signal-Störverhältnisses wichtig, die Eingangskapazität des Transistorverstärkers so klein wie möglich zu gestalten. Aus diesem Grund wird der Verstärker bei derartigen Antennen direkt, das heißt, ohne kapazitätsbehaftete Zuleitungen an den Antennenstab angeschlossen. Die Eingangsimpedanz des Verstärkers besteht aus der Serienschaltung der Steuerstrecke eines Eingangstransistors und des Eingangs einer Gegenkopplungsschaltung, welcher aus der Serienschaltung einer Koppelkapazität, dem Eingang eines bipolaren Transistors und eines Widerstandes besteht.

In »Internationale elektronische Rundschau«, 1969, Nr. 6, S. 141-144, ist ebenfalls gezeigt, daß kurze Stabantennen in Kombination mit einem direkt zwischen der leitenden Grundfläche und dem unteren Ende eines Antennenstabes angeschlossenen, hochohmigen Verstärker, im Beispiel eine gitterstromfreie Triode, bei niedrigen Frequenzen einen rauscharmen Empfang mit größerer Bandbreite ergeben können.

Die beiden zuletzt genannten aktiven Empfangsantennen, bei denen der Verstärker zwischen der leitenden Grundfläche und dem unteren Ende des Antennenstabes angeschlossen ist, zeigen bei der praktischen Anwendung den bedeutsamen Nachteil, daß die Empfangsspannung, die sich am kapazitiven Verstärkereingang ausbildet, nicht maximal ist, so daß sich am Ausgang kein optimales Signal-Rauschverhältnis ausbilden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Antenne der eingangs genannten Art den Empfang in einem großen Frequenzbereich mit möglichst großem Signal-Rauschverhältnis breitbandig, d. h. ohne Abstimmaßnahmen, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Transistorverstärker eingangsseitig direkt mit den beiden Stabteilen verbunden ist, daß der Abstand h_s so gewählt ist, daß die Eingangsspannung des

Transistorverstärkers, bezogen auf die elektrische Feldstärke der ankommenden Welle, wenigstens angenähert maximal wird und daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers aus der Serienschaltung der Steuerstrecke seines Eingangstransistors und der Eingangsimpedanz eines den Eingang der koaxialen Leitung enthaltenden Netzwerks besteht und im Betriebsfrequen«.bereich wie eine Kapazität <20 ρ F wirkt

Die Wirkungsweise der Erfindung sowie die erzielbaren Vorteile werden anhand von Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Antenne,

Fig.2 Blockschaltbild einer aktiven Antenne nach der Erfindung.

F i g. 3 Feldstärkeverteilung

a) bei einer am unteren Stabende gespeisten,

b) bei einer an einer Unterbrechungsstelle gespeisten aktiven Empfangsantenne,

Fig.4 Diagramm zur Erläuterung der optimalen Wahl der Unterbrechungsstelle innerhalb des Antennenstabes.

In F i g. 1 ist G eine leitende Grundebene, Sein mit ihr leitend verbundener unterer Antennenstib, V ein Verstärker, D eine stabförmige »Dachkapazität«. 1 und

2 sind die Anschlußpunkte des Verstärkereingangs, wobei 1 mit dem oberen Stabteil und 2 mit dem unteren Stabteil an seinem oberen Ende verbunden ist. 2 und 3 sind die Anschlußpunkte des Verstärkerausgangs, wobei

3 mit dem Innenleiter eines durch das Innere des Antennenstabes 5 verlaufenden koaxialen Kabels K verbunden ist. Der Außenleiter dieses Kabels ist der rohrförmig ausgebildete Stabteil S. Am Ausgang liegt ein Empfänger R.

Eine Antenne der genannten Art findet man in der DE-OS 15 91 287. Dort ist in Fig. 2 die Dachkapazität ein senkrechter Stab. In dieser OS wird diejenige Länge des Stabes S gewählt, bei der sich die zwischen dem oberen Ende 2 des Stabteils 5 und dem Anschluß 1 der Dachkapazität erscheinende Impedanz des passiven Antennenteils der vom Transistor geforderten, optima-Bandbreite bei Frequenzwechsel erforderlichen Abstimmaßnahmen in der aktiven Antenne sind für db Praxis zu aufwendig und unbequem Die Antenne nach F i g. 1 ist also für größere Frequenzbereiche unterhalb 30 MHz ungünstig.

Fig.2 zeigt schematisch den Aufbau einer aktiven Empfangsantenne nach der Erfindung. A ist der passive Antennenteil, Tder Feldeffekttransistor, dessen Steuer- ^ elektrude (gate) mit der Dachkapazität verbunden ist 4 ist der Quellanschluß (source) und 5 der Ausgangsanschluß (drain) des Transistors T. Das nachfolgende hJetzwerk N enthält gegebenenfalls weitere Verstärkerbestandteile. Das koaxiale Ausgangskabel K kann mit seinem Innenleiter 3 in bekannter Weise entweder an den Ausgangsanschluß 5 oder an den Quellanschluß 4 des Transistors T oder an andere Ausgänge des Netzwerks N angeschlossen werden. Der Quellanschluß

4 ist über die Eingangsimpedanz Zdes Netzwerks Nan die Anschlußstelle 2 des Verstärkereingangs geführt.

Feldeffekttransistoren besitzen bei relativ niedrigen Frequenzen eine vorzugsweise aus Kapazitäten bestehende Eingangsimpedanz und dementsprechend auch nur eine relativ geringe Frequenzabhängigkeit der Eingangsimpedanz. Sie können daher in relativ großen Frequenzbereichen in Kombination mit einem passiven Antennenteil einen Empfang in größeren Frequenzbereichen möglich machen, wenn die Eingangsimpedanz des passiven Antennenteils im Betriebsfrequenzbereich nur eine geringe Frequenzabhängigkeit besitzt, insbesondere keine resonanzerzeugenden induktiven Komponenten. Dies trifft für die Antenne nach der Erfindung zu, wenn die Summe Λ der Länge As des Antennenstabes

5 und der Länge Ad des Stabes D der Dachkapazität wesentlich kleiner als eine Viertelwellenlänge ist.

Die zwischen den Anschlüssen 2 und 4 liegende Impedanz Zist die Eingangsimpedanz des Netzwerks N. Diese Impedanz kann durch das am Punkt 3 angeschlossene Ausgangskabel verursacht sein oder Bestandteil einer Gegenkopplungsschaltung sein oder

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len Impedanz am meisten nähert. Diese optimale ⁴⁰ eines Frequenzfilters zum Ausblenden von Frequenzen,

die außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches liegen. Diese Impedanz Z muß im Rahmen der Erfindung so beschaffen sein, daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers, welche aus der Serienschaltung der Eingangsimpedanz des Eingangstransistors und der Impedanz Zbesteht, < 20 pF ist.

Im folgenden soll dies sowie die Wahl des Abstandes h_s der Unterbrechungsstelle von der leitenden Grundfläche erläutert werden:

Liegt eine Stabantenne im Feld einer ebenen Welle und liegt dabei nach Fig.3a die Anschlußstelle des hochohmigen Verstärkers zwischen Stab und leitender Grundfläche, so entstehen zwei Gruppen von elektrischen Feldlinien. Die Feldlinien £, der Raumwelle landen in der Umgebung des oberen Stabendes auf dem Stab. Ferner erzeugt die an der Anschlußstelle des Verstärkers entstehende Spannung des Nutzsignals Feldlinien £? zwischen dem Stab und der leitenden Grundfläche. Die Feldlinien E\ bilden die Raumkapazität und die Feldlinien Ei die Totkapazität. Zeichnet man in F i g. 3b die entsprechenden elektrischen Feldlinien E₁ und E-i für einen Stab mit Unterbrechungsstelle, so zeigt sich, daß bei gleicher Spannung an der Anschlußstelle des Verstärkers in F i g. 3b die Feldlinien E₂ langer sind als in Fig. 3a. Daraus folgt, daß die Totkapazität in F i g. 3b kleiner ist als in der Anordnung der F i g. 3a. Da sich bc^; kurzen Stäben die Feldlinien £Ί nur in der Nähe des oberen Endes der Dachkapazität bilden, ist die

Impedanz ist diejenige, bei der dem Transistor T optimale Leistung zugeführt wird oder sich ein optimaler Rauschabstand des Ausgangssignals des Transistors T ergibt. Zur völligen Anpassung liegt zwischen den Anschlüssen der passiven Antenne und dem Eingangstransistor ein Anpassungsvierpol, mit dessen Hilfe Leistungsanpassung oder Rauschanpassung erzeugt wird.

Die Impedanztransformation in diesem Anpassungsvierpol hat eine begrenzte Bandbreite, die um so kleiner ist, je kleiner die Wirkkomponenten der Impedanzen des passiven Antennenteils und des Transistoreingangs im Vergleich zu den Blindkomponenten dieser Anordnung sind. Wenn insbesondere der Antennenstab kürzer als eine Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz ist, sind die Wirkkomponenten der Antennenimp^danz so klein, daß die durch den Vierpol A erzeugte Impedanzanpassung für optimale Leistung oder optimalen Rauschabstand Resonanzcharakter mit kleiner Bandbreite besitzt. Die in der genannten OS beschriebene Ausbildung der aktiven Empfangsantenne ist daher grundsätzlich ungeeignet für den resonanzfreien Empfang größerer Bereiche der Langwellen und/oder Mittelwellen und/oder Kurzwellen. Denn hierbei sind die Längen der verwendeten Stäbe oder Antennendrähte durchweg wesentlich kurzer als eine Viertelwellenlänge, und die relativen Breiten der Betriebsfrequenzbereiche sind sehr groß. Die bei Anlagen mit kleiner

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Raumkapazität fast unabhängig von der Länge des Stabteils D, sofern D nicht extrem kurz ist. Es ist auch experimentell bewiesen, daß ein Verstärker mit hinreichend hochohmigem Eingang an der Unterbrechungsstelle der Fig.3b bei gleicher Gesamthöhe der Antenne eine höhere Eingangsspannung erhält als beim Anschluß unmittelbar an der leitenden Grundfläche in F ig. 3a.

Fig.4a zeigt die Eingangsspannung U\ des Verstärkers in der Anordnung von Fig. 1, bezogen auf die elektrische Feldstärke feiner ankommenden Welle. Im Beispiel ist A= 3 m die Gesamthöhe des Stabes, C ist die Eingangskapazität des Verstärkers V. In Fig.4 findet man bei A=O, also am linken Kurvenende, die Werte der Signalspannung U\ in der Anordnung der Fig.3a. Der !5 Vergleich des Kurvenwertes bei A₅=0 mit dem Maximalwert der Kurve für das gegebene C zeigt die mögliche Zunahme der Signalspannung durch die Anordnung nach Fig. 3b. C=O ist die Kurve des Ui/£ wenn die Fußpunktkapazität nur aus der Totkapazität 2» des Stabes besteht, d. h., der Verstärkereingang nur eine vergleichsweise geringe Kapazität hat. Man sieht aus F i g. 4, daß bei hinreichend kleiner Eingangskapazität Cy des Verstärkers die Eingangsspannung Ü\ mit wachsendem A₅ anwächst bis zu einer von CV abhängigen Größe des As, für die maximales Ci erreicht wird. Für noch größeres hs wird dann die Höhe Ap der Dachkapazität so klein, daß die Raumkapazität Χ_Λ abnimmt und in der weiter unten angegebenen Formel (1) dadurch U\ kleiner wird. Bei einer größeren Eingangskapazität, im Beispiel für C, = 20pF, bleibt U\ mit wachsendem hs bis hs= 2 m annähernd konstant. Noch größere C, d. h. Verstärker mit kleinerer Eingangsimpedanz, ergeben ein Absinken des U\ für alle As, so daß dann der Fall As=O der optimale Fall ist. Der aus F i g. 4 ersichtliche Effekt, daß U\ mit wachsendem As bis zu einer gewissen Grenze wächst und dadurch bei gleichbleibender Gesamtgröße der Antenne das Signal-Rausch verhältnis des Systems mit wachsendem As bis zu einer gewissen Grenze wächst, tritt also nur für hohe Eingangsimpedanzen des Verstärkers ein. Eine Eingangskapazität des Verstärkers von 20 pF ergibt bei einer Frequenz von 1 MHz einen Eingangsscheinwiderstand von etwa ΙΟ⁴ Ω.

im folgenden wird dieser Effekt noch näher erläutert, wobei ein Verstärker verwendet wird, dessen Eingangsimpedanz eine kleine Kapazität C» ist. Die den Transistor steuernde Spannung U\ des Nutzsignals zwischen den Anschlüssen 1 und 2 hängt ab von der Leerlaufspannung und den Kapazitäten des passiven Antennenteiis und der Eingangskapa^iiäi des Verstärkers. Die Formel für die Steuerspannung i/i lautet:

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JO

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E-h

s£L·

C/C_a

(D

E = elektrische Feldstärke
hen = effektive Höhe der Stabantenne
C₃ = die oben erläuterte Raumkapazitäi der Antenne ^h0

Die Kapazität C_ft die im folgenden als Fußpunktkapazität bezeichnet wird, besteht teilweise aus der Eingangskapazität des Verstärkers. Betrachtet man den passiven Antennenteil als einen Stab der Länge A, der in ·■> der Höhe A_s unterbrochen ist, so ist die Leerlaufspannung E ■ h_en dieses Stabes an der Unterbrechungsstelle nahezu unabhängig von der Länge A₅ des Stabteils Sund fast nur abhängig von der Gesamtlänge A des Stabes, wenn die Gesamtlänge des Stabes kleiner als eine Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz ist und in der Formel (1) die Kapazität C₁₁ die Raumkapazität, des unterbrochenen Stabes ist und die Totkapazität Bestandteil der Fußpunktkapazität C_c ist. Mit wachsender Länge A₅des unteren Stabteils Sund gleichbleibender Gesamthöhe des Stabes bleiben nach der Theorie für kurze Stäbe die Leerlaufspannung und die Raumkapazität nahezu konstant, während die Totkapazität kleiner wird und demzufolge die Eingangsspannung des Verstärkers nach Formel (1) anwächst. Lediglich bei sehr kleinen Längen Ander Dachkapazität nimmtauch Cab.

Die Antenne n.ach der Erfindung hat zusätzlich noch folgenden Vorteil:

Verwendet man die genannte Antenne bei niedrigeren Frequenzen, so wird der Empfang bei manchen Wetterlagen erheblich gestört durch atmosphärische Entladungserscheinungen, beispielsweise durch das Auftreffen geladener Regentropfen auf den stabförmigen Antennenleiter. Jeder Regentropfen erzeugt eine impulsförmige Störung an der Steuerelektrode des Eingangstransistors, so daß durch die Vielzahl der Tropfen eine rauschähnliche Störung entsteht. Ähnliche Störungen entstehen auch durch Entladungserscheinungen nach Art des St-Elmsfeuers. Bei starken Entladungserscheinungen kann eine vollständige Unterdrückung des Empfangs eintreten. Bei hochohmigen, direkt angeschlossenen Eingangstransistoren sind derartige Entladungsstörungen besonders wirksam, weil die Spannung, die durch eine auf die Antenne auftreffende Ladung erzeugt wird, um so größer wird, je kleiner die aufzuladende Kapazität ist.

Alle diejenigen Störladungen sind wirkungslos, die den mit der leitenden Grundfläche verbindenden Stab S treffen, und es verbleiben nur die Ladungsstörungen, die an der Dachkapazität Dangreifen.

Bei der Antenne nach der Erfindung tritt daher nicht nur ein Anwachsen der Spannung des Nutzsignals, sondern auch gleichzeitig eine Abnahme der durch atmosphärische Ladungen verursachten, rauschähnlichen Störung ein.

Die Antenne nach der Erfindung hat bei Verwendung in einem Peilantennensystem einen weiteren Verteil. Wenn eine Stabantenne Bestandteil eines Peilsystems ist und dieses System mehrere Antennen enthält, werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit von Amplitude und Phase der Ausgangsspannungen der Einzelantennen gestellt. Hierbei spielt die Definiertheit, die Verlustarmut und die !angzeitliche Konstanz der Fußpunktkapazität eine entscheidende Rolle, wenn ein Verstärker mit hochohmiger Eingangsimpedanz verwendet wird und daher die Fußpunktkapazität entscheidend beim Entstehen der Eingangsspannung des Verstärkers mitwirkt An der Bildung der Fußpunktkapazität ist die leitende Grundebene mit denjenigen Feldlinien E₂ beteiligt, die von der Dachkapazität D direkt zur leitenden Grundfläche G laufen. Die leitende Grundfläche ist an der Bildung der Fußpunktkapazität um so mehr beteiligt, je kürzer der Stabteil S ist, d. ru, je mehr sich die Anschlußstelle 1-2 des Verstärkers der leitenden Grundfläche nähert Die leitende Grundfläche ist an der Bildung der Fußpunktkapazität entscheidend beteiligt, wenn die Anschlußstelle 1-2 wie in Fig. 3a an der Grundfläche liegt, weil dann alle Feldlinien ET. an ihrem einen Ende auf der Grundfläche landen.

Bei praktischen Anwendungen im Frequenzbereich

unter 30MHz ist die leitende Grundfläche durchweg unvollkommen. Meist ist dann die Erdoberfläche mit ihren inkonstanten dielektrischen Eigenschaften am Zustandekommen dieser leitenden Grundfläche beteiligt. Es können auch Erdungsnetze verwendet sein, und die zum Empfänger führenden koaxialen Ausgangskabel können durch ihre in Erdnähe liegenden Außenleiter die leitende Grundfläche beeinflussen. Bei mobilen Peilanlagen, die an verschiedenen Orten aufgebaut werden, ist nicht sichergestellt, daß die leitende Grundfläche nach jeder Aufstellung gleiche Eigenschaften hat. Daher ist in der Anordnung nach Fig.3a, bei der die leitende Grundebene unmittelbar an der Entstehung der Fußpunktkapazität beteiligt ist, die Undefiniertheit und Inkonstanz der Fußpunktkapazität weitaus größer als bei Anordnungen nach F i g. 3b, bei denen die Fußpunktkapazität weitgehend durch die wohl definierten und verlustarmen Stabteile S und D beiderseits der Unlerbrechungsslelle hergestellt wird und nur wenige Feldlinien der Gruppe E2 auf der leitenden Grundfläche landen.

Wenn die Gesamthöhe der Antenne vorgeschrieben ist, gibt es nach dem Beispiel von F i g. 4 eine bestimmte Höhe h der Anschlußstelle 1-2, für die man bei gegebener Fußpunktkapazität maximale Eingangsspannung des Verstärkers erhält. Im Bereich der Frequenzen unterhalb 30 MHz ist für direkt angeschlossene Feldeffekttransistoren der Zustand maximaler Signalspannung am Transistoreingang auch gleichzeitig nahezu der Zustand größten Signal-Rauschverhältnisses.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Aktive Empfangsantenne, bestehend aus einer leitenden Grundfläche, aus einem senkrecht auf dieser stehenden und an seinem unteren Ende mit dieser leitend verbundenen leitenden geraden Stab der Gesamtlänge Λ, der wesentlich kürzer als eine Viertelwellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz ist, wobei der Stab in einem Abstand h₅ von der Grundfläche eine Unterbrechungsstelle aufweist (passiver Antennen teil), und aus einem Transistorverstärker, der als Eingangstransistor einen Transistor mit dero Charakter eines Feldeffekttransistors aufweist und eingangsseitig an der Unterbrechungsstelle mit den beiden Stabteilen und ajsgar.gsseitig über eine durch das Innere des unteren Teils der beiden Stabteile geführte koaxiale Leitung mit einem Empfängeranschluß verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker (V) eingangsseitig direkt mit den beiden Stabteilen (S, /^verbunden ist, daß der Abstand h_sso gewählt ist, daß die Eingangsspannung (U\) des Transistorverstärkers, bezogen auf die elektrische Feldstärke (E) der ankommenden Welle, wenigstens angenähert maximal wird, und daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers aus der Serienschaltung der Steuerstrecke seines Eingangstransistors (T) und der Eingangsimpedanz (Z) eines den Eingang der koaxialen Leitung enthaltenden Netzwerks (N) besteht und im Betriebsfrequenzbereich wie eine Kapazität (C,) <20 pF wirkt.

2. Aktive Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz (Z) des Netzwerks (N) Bestandteil einer Gegenkopplungsschaltung ist.

3. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Netzwerks (N) durch den Eingang der Koaxialleitung gebildet ist.

4. Aktive Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz des Netzwerks (N) Bestandteil eines Filters zum Ausblenden unerwünschter Frequenzen ist.

5. Aktive Antenne anch einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne in einer Antennengruppe eines Peilsystems verwendet wird.