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Aktive Empfangsantenne
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(Ausscheidung aus P 2446 631.7-35) Die Erfindung betrifft eine aktive
Antenne für den empfang elektromagnetischer Wellen eines größeren Frequenzbereichs
unterhalb 30 MHz, bestehend aus einer leitenden Grundfläche und einem zu ihr senkrecht
stehenden und an seinem einem Ende mit ihr leitend verbundenen, ersten Antennenstab
und einem senkrecht zum ersten Antennenstab stehenden, nicht mit diesem leitend
verbundenen, zweiten Antennenstab und einem Verstärker, dessen Eingangsanschluß
mit dem einen Ende des zweiten Antennenstabes und dessen .tasseanschluß mit dem
oberen Ende des ersten Antennenstabes und dessen Ausgangsanschluß mit dem Innenleiter
eines durch das Innere des ersten Antennenstabes geführten Koaxialkabels verbunden
ist.
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Fig.l zeigt den Aufbau dieser Antenne. G ist die leitende Grundfläche,
S der auf ihr senkrecht stehende, erste Antennenstab, D der auf dem ersten Antennenstab
senkrecht stehende, zweite Antennenstab. V ist der Verstärker mit dem Eingangsanschluß
1 und dem Ausgangsanschluß 3. Der Verstärker ist ferner an seinem Masseanschluß
2 mit dem oberen, nicht mit der leitenden Grundfläche verbundenen Ende des ersten
Antennenstabes verbunden.
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Eine aktive Antenne dieser Form findet man in der deutschen OS 1904
138, dort insbesondere in Fig.10. Diese Antenne ist geeignet, Wellen mit horizontaler
und vertikaler Polarisation zu empfangen, wie sie beim Fernempfang unterhalb 30
MHz wegen der Beeinflussung durch die Ionosphäre häufig gleichzeitig auftreten.
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Die genannte Antenne empfängt jedoch keine solchen horizontalen Komponenten
der elektrischen Feldstärke, die senkrecht zum zweiten Antennenstab stehen. Da im
Fernempfang, beispielsweise der Kurzwellen, die Polarisation der Welle häufig
wechselt
und nahezu in allen Raumrichtungen liegen kann, ergibt die Antenne der genannten
Vorveröffentlichung keinen optimalen Empfang insofern, als sie eine der horizontalen
Feldkomponenten der Welle nicht ausnutzt und daher zu manchen Zeiten überhaupt nichts
empfängt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst vollständigen Empfang
einer Kurzwelle wechselnder Polarisation zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antenne
weitere Antennenstäbe, die nicht mit der leitenden Grundfläche und nicht mit dem
ersten und dem zweiten Antennenstab leitend verbunden sind, enthält und jeder der
weiteren Antennenstäbe einen zugehörigen, weiteren Verstärker besitzt und der Ein«angsanschluß
jedes weiteren Verstärkers mit dem einen Ende des zugehörigen, weiteren Antennenstabes
verbunden ist und der elasseanschluß jedes weiteren Verstärkers mit den oberen Ende
des ersten Antennenstabes verbunden ist und die Ausgangsanschlüsse aller Verstärker
über Qbertragunc;ege , die Schalter enthalten können, mit dem gemeinsamen Empfänger
verbunden sind und mindestens einer der weiteren Antennenstäbe eine solche Richtung
hat, daß er auf dem ersten und dem zweiten Antennenstab senkrecht steht.
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In Fig.l ist D' der weitere Rntennenstab, der senkrecht auf dem ersten
und dem zweiten Antennenstab steht und den Empfang derjenigen horizontalen Feldkomponente
ermöglicht, die vom ersten und zweiten .Antennenstab nicht empfangen werden kann.V'
ist der zurn Antennenstab ' zugehörige Verstärker und 1' sein mit D' verbundener
Eingangsanschluß.
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2' ist der Masseanschluß des Verstärkers V', der mit dem oberen, nicht
mit der leitenden Grundfläche verbundenen Ende des ersten Antennenstabes S verbunden
ist. 3' ist der Ausgangsanschluß des V'. Zwischen 2' und 3' liegt die Ausgangsspannung
des Verstärkers V'.
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Einer der weiteren Antennenstäbe kann auch die gleiche Richtung haben
wie der erste Antennenstab, um den Empfang der vertikalen Feidstärkekomponente zu
verbessern. Fig.2 zeigt einen solchen, weiteren Antennenstab D" mit zugehörigem
Verstärker V". Fig.2 zeigt ferner heispielhaft, wie der Ausgang 3" des Verstärkers
über ein koaxiales Kabel K" durch das Innere des ersten Antennenstabes S mit dem
Empfänger R verbunden ist.
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Fig.3 zeigt das Prinzip der Ubertragungswege zwischen den Verstärkerausgängen
und dem Empfänger R für das Beispiel zweier Verstarker.Die übertragungswege können
teilweise für jeden Verstärker gesondert verlaufen, K und K', sich aber auch an
einem Punkt 6 treffen und von dort bis zum Empfänger für mehrere Verstärker gemeinsam
sein wie KR im gezeichneten Beispiel.
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Die einfachste Ausführungsform besteht darin, die Linzelübertragungswege
ohne Schalter zeitlich konstant zusammenzuschalten. Dies ergibt bereits kleinere
Zeitintervalle eines verschwindenden Empfangs als bei einer Antenne mit nur einem
zweiten Antennenstab D und nur einem Verstärker.
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Mehr Erfolg hat man mit zeitlich veränderbaren übertragungswegen,
die der einfallenden Welle entsprechend so eingestellt werden, daß zu jedem Zeitpunkt
ein gutes Signal-llauschverhältnis im Empfänger entsteht.
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Eine wegen der Einfachheit vorteilhafte Lösung besteht darin , daß
die übertragungsveve Schalter enthalten und mit Hilfe der Schalter ein oder mehrere
Ausgangssignale der Verstärker an den Empfängereingang angeschaltet werden. Im Beispiel
der Fig.4 liegen 2 Schalter, Sch 1 und Sch 2, am Ausgang der Verstärker V bzw. VE
und man benötigt nur ein Kabel KR im Innern des Antennenstabes S. Im Beispiel der
Fig.5 vernzendet man für jeden Verstärker ein gesondertes Kabel (R hz. K') im Innern
des Antennenstabes S und Schalter, Sch 3 und Sch 4, am Eingang des Empfängers. Der
letztgenannte Fall hat konstruktive Vorteile insofern, als die aktive Antenne frei
von Schaltern ist und durch den Antennenstab S keine Bedienungsleitungen für die
Schalter gezogen
werden müssen. Im einfachsten Fall verwendet man
in jedem Zeitintervall nur das Signal desjenigen Verstärkers, der das jeweils bessere
Signal^Ssauschverhältnis besitzt, und schaltet den anderen Verstarker ab.Eine noch
günstigere )kbglichkeit besteht darin, daß man den Verstärker mit dem schlechteren
Signal-Rauschverhältnis nur dann mit Hilfe des zugehörigen Schalters vom Empfängereingang
trennt, wenn am Ausgang des betreffenden Verstärkers das Signal-Rauschverhältnis
unter eine gewisse Grenze sinkt, wobei diese Grenze beispielsweise so bemessen ist,daß
beim Unterschreiten dieser Grenze das Signal-Rauschvernältnis bei zusammengeschalteten
Verstärkerausgängen schlechter ist als bei alleiniger Verwendung desjenigen Verstärkerausgangs,
der das bessere Signal-Rauschverhältnis besitzt.
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Um die Schalter einstellen zu kennen, benötigt man eine Einriclltung,
die das Signal-Rauschverhältnis jedes Verstärkerausgangs und gegebenenfalls auch
das Signal-Rauschverhältnis am Empfängereingang getrennt messen kann. Im einfachsten
Fall ist dies ein menschlicher Beobachter.
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Vorteilhaft verwendet man jedoch ein oder mehrere Meßgeräte, die die
genannten Signal-Rauschverhältnisse messen. Wenn ausreichend Zeit für die Messung
der Signal-Rauscverhältnisse verfügbar ist, genügt ein einziges Meßgerät, das an
den Empfängereingang oder einen anderen geeigneten Anschluß des Empfängers angeschlossen
ist und durch die bereits genannten Schalter der Fig.4 oder 5 an die verschiedenen
Meßstellen nacheinander angeschlossen wird. DAs Meßgerät r4 kann auch wie in Fig.6
durch gesonderte Schalter Sch 5 und Sch 6 angeschaltet werden.
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Die Einstellung der Schalter zur Erzielung eines optimalen Empfangs
kann automatisiert werden, indem man durch ein fileßprogramm die erforderlichen
./lessungen des Signal-Rauschverhältnisses laufend durchführt und mit Hilfe eines
Rechenprogramms die Schalter für optimalen Empfang einstellt. Der Eingang des meßgerätes
M wird dann in
kleinen Zeitabständen durch die Schalter entsprechend
dem .EUleßprogramm geschaltet und mißt die Signal-Rauschverhältnisse jedes Verstärkers
für sich und ihre Summen, wenn mehrere Schalter geschlossen sind. Aus diesen essungen
werden die Kriterien gewonnen, mit deren Hilfe Schalterstellungen für den optimalen
Empfang eingestellt werden.
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Die Schalter können jede bekannte Form haben und ihre Wirkung beispielsweise
auch dadurch erzielt werden, daß in jedem Einzelübertragungsweg eine Veratärkungsregelung
derart enthalten ist, daß durch Herunterregeln der Verstärkung das Signal und das
Rauschen des betreffenden Einzelübertragungsweges entsprechend vermindert wird.
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Ein solches Umschalten von Antennen oder Antennenkabeln ist für passive
Antennen im Diversity-Empfang in sehr allgemeiner Form bekannt. Bei Verwendung aktiver
Empfangsantennen, bei denen zwischen passivem Antennenteil und Empfänger ein nichtreziproker
Verstärker liegt, treten allgemein folgende Vorteile ein, die die Verwendbarkeit
dieses Verfahrens gegenüber passiven Antennenanlagen erheblich steigern. Beispielsweise
entfällt dann jede Rückwirkung der Schaltvorgänge auf das Verhalten des passiven
Antennenteils. Ferner kann man die Ausgangsimpedanz des Verstärkers, d.h. die innere
Impedanz der die Ausgangskabel und die Schalter speisenden Quelle unabhängig von
der Impedanz des passiven Antennenteils gestalten. Eine bevorzugte Aus führungs
form ist die Anpassung des Ausgangswiderstandes jedes Verstärkers an den Wellenwiderstand
des zugehörigen Ausgangskabels.
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Während die bisher beschriebenen Schaltvorgänge nur gewisse Schritte
zur Verbesaerung des Signal-Rauschverhältnisses bei zeitlich veränderlicher Polarisation
der einfallenden Welle sind, kann man durch stetige Regelvorgänge diejenige Kombination
der Ausgangssignale beider Verstärker einstellen, die das bestmögliche Signal-Rauschverhältnis
ergibt. Da der Empfang in der Anordnung von Fig.3 verschiedene Phasenlagen der Ausgangsspannungen
der beiden Verstärker ergeben kann, ist die optimale Addition der Ausgangsspannungen
der
beiden Einzelübertragungswege im Punkt 6 nur dann gegeben, wenn die beiden Ausgangssignale
dort gleichphasig zusammentreffen. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist daher in mindestens einem der Einzelübertragungswege eine Phasendrehschaltung
mit einstellbarer Phasendrehung enthalten.
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Diese Phasendrehung wird so eingestellt, daß am gemeinsamen Ausgang
6 die Ausgangsspannungen der Einzelübertragungswege gleichphasig sind und so die
größtmögliche Summe ergeben. Da die Addition der Rauschspannungen der beiden Übertragungswege
wegen des statistischen Verhaltens der elektronischen Rauschspannungen der Verstärker
unabhängig von diesen Phasendrehungen ist, ergibt die ph aseng leiche Addition der
Signalspannungen im Punkt 6 die maximal mögliche Signalamplitude, also maximal mögliches
Signal-Rauschverhältnis im gemeinsamen Ubertragungsweg. Die Phasendrehschaltung
kann zusätzlich zu den bereits genannten Schaltern vorhanden sein, um die für die
Einstellung der Schalter bereits angegebenen Kriterien zusätzlich anwenden zu können.
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Die hier dargestellten PIöglichkeiten für das Zusammenschalten von
Verstärkerausgängen einer aktiven Antenne nach der Bindung gelten grundsätzlich
auch für das Zusammenschalten der Ausgänge mehrerer aktiver Antennen dieser Art.
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Aus der deutschen OS 190413, insbesondere Fig.10/ ist= bekannt, daß
der eine Eingangsanschluß 1 des Verstärkers V der Steueranschluß eines Transistors,
auch eines Feldeffekttransistors sein kann. In der Arbeit von H.Meinke, Aktive Empfangsantennen,
Internationale Elektronische Rundschau, Band 23, 1969, S.141-144, ist in Bild 3
gezeigt, daß kurze Stabantennen in Kombination mit einem direkt zwischen der leitenden
Grundfläche und dem unteren Ende eines Antennenstabes angeschlossenen, hochohmigen
Element bei niedrigeren Frequenzen einen rauscharmen Empfang mit größerer Bandbreite
ergeben können. In Bild la dieser Arbeit ist als
Beispiel eine
gitterstromfreie Triode zwischen dem unteren Ende eines Stabes und einer leitenden
Grundebene angeschlossen. In der deutschen OS 2115657 ist in Fig.3 angegeben, daß
statt der Triode ein Feldeffekttransistor verwendet werden und eine Gegenkopplung
durch einen reellen Widerstand R1 erfolgen kann. In der gleichen OS sind weitere
Gegenkopplungsschaltungen beschrieben, die ein geringeres Rauschen als ein einfacher
Gegenkopplungswiderstand ergeben.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Verstarker besteht daher darin,
daß die Eingangsschaltung des Verstärkers aus der Serienschaltung der Steuerstrecke
eines Transistors mit dem Charakter eines Feldeffekttransistors und einer gegenkoppelnden
Impedanz besteht. Ein Transistor mit dem Charakter eines Feldeffekttransistors ist
ein Transistor, dessen Eingangsimpedanz näherungsweise eine verlustarme und frequenz
abhängige Kapazität ist.
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Fig.7 der Beschreibung zeigt schematisch den Anschluß und den Aufbau
eines solchen Verstärkers. A ist der passive Antennenteil mit den Anschlüssen 1
und 2, T der Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode (gate) mit dem Anschluß
1 verbunden ist. 4 ist der Quellanschluß (source) und 5 der Ausgangsanschluß (drain)
des Transistors T. Das koaxiale Ausgangskabel K kann mit seinem Innenleiter 3 über
eine an sich bekannte Schaltung entweder an den Ausgangsanschluß 5 oder an den Quellanschluß
4 des Transistors T angeschlossen sein. Der Quellanschluß 4 ist über eine Impedanz
Z an die Anschlußstelle 2 des Verstärkereingangs geführt. Diese Impedanz Z kann
Bestandteil einer Gegenkopplungsschaltung sein oder eines Frequenzfilters zum Ausblenden
von Frequdnsen , die außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs liegen.
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Zwischen dem Eingang eines Verstärkers und den zugehörigen Ausgangsanschlüssen
des passiven Antennenteils liegen keine Zweipole oder Vierpole, die in Betriebsfrequenzbereich
eine merkliche Wirkung auf die Eingangsschaltung ausüben. Es gibt dort insbesondere
keine längeren Zuleitungen, sondern nur Zuleitungen, deren Ligenkapazität und Eigeninduktivität
so klein sind, daß sie im Betriebsfrequenzbereich keine merkliche Wirkung auf den
Eingangskreis ausüben. Zwischen Verstärker und passivem Antennenteil können auch
als Aufladungsschutz Anordnungen mit einer Serienkapazität liegen, deren Blindwiderstand
im Betriebsfreguenzbereich hinreichend klein ist. Vgl. die deutsche OS 2310616.3,
dort die kapazität C5 in Fig. 12.