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Empfangsanlage mit aktiver Antenne
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Die Erfindung betrifft eine Empfangsanlage, bestehend aus einer breitbardigen
aktiven Antenne mit Gegenkopplung und einem Empfänger, gegebenenfalls auch einem
Kabel zwischen Antenne und Empfänger.
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Die aktive Antenne besteht aus einem passiven, die Wellenenergie aus
dem Raum aufnehmenden Antennenteil und einem Antennenverstärker. Die aktive Antenne
ist breitbandig, d.h. sie soll ohne Verwendung von Abstimmitteln im ganzen Betriebs
frequenzbereich nahezu optimale Eigenschaften hinsichtlich Rauschen und Linearität
erreichen. Beispiele geeigneter Antennenverstärker findet man in der DT-OS 20 21
331 und der DT-OS 21 15 657.
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Wenn man den Vorteil der Rauscharmut des Empfangs mit aktiven Antennen
voll ausnutzen will, so muß der Antennenverstärker beim Empfang kleiner Signalamplituden
eine Verstärkung von solcher Größe besitzen, daß der Beitrag des Empfängerrauschens
zum Rauschen der gesamten Empfangsanlage gering ist; vgl. den Aufsatz von Ii.
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Meinke, Das Rauschen nichtreziproker verstärkender Empfangsantennen,
Nachrichtentechnische Zeitschrift 21 (1968), S 322-329; dort insbesondere Gl. (27).
In einer Empfangsanlage mit einer aktiven Antenne bisher bekannter Bauart werden
daher bei rauscharmem Empfang dem Eingang des Empfängers durch die Vorverstärkung
im Antennenverstärker notwendigerweise wesentlich höhere Signalspannungen zugeführt
als bei einer Empfangsanlage mit passiver Antenne. Dies führt dazu, daß der an eine
solche aktive Antenne an eschlossene Empfänger entsprechend ausgeprägtere Nichtlinearität
zeigt. Dies betrifft die Ubersteuerung der Transistoren des Empfängers ebenso wie
die Ubersteuerung der Kapazitätsdioden, die gegebenenfalls zur Abstimmung der Resonanzkreise
des Empfängers verwendet werden und deepAbstimmverhalten amplitudenabhängig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die aktive Antenne so zu gestalten,
daß die übers teuerung des Empfängers entscheidend vermindert wird, ohne daß dadurch
die Rauscharmut beim Empfang kleiner Signale und die durch Gegenkopplung erreichte
Linearität der aktiven Antenne vermindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem Empfänger
eine elektrische Regelgröße entnommen wird, die von der Amplitude des dem Empfänger
zugeführten Signalträgers abhängig ist, und über eine Regelleitung dem Antennenverstärker
so zugeführt ist, daß der Verstärkungsfaktor des Antennenverstärkers mit wachsender
Amplitude des Signalträgers abnimmt, vorzugsweise so, daß die Ausgangsamplitude
des Verstärkers mit wachsender Signalamplitude sich einem Grenzwert nähert.
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Fig. 1 zeigt das Schema der Empfangsanlage. Die aktive Antenne AA
besteht aus einem passiven Antennenteil Ap und einem Antennenverstärker VA Das Kabel
K führt zum Empfänger E, der eine abstimmbare Resonanz schaltung R und einen nachfolgenden
Teil B enthält. Aus B wird in bekannter Weise die elektrische Regelgröße, z.B. eine
Regelspannung, entnommen. Die Regelgröße wird über die Regelleitung L dem Antennenverstärker
VA zugeführt und regelt dessen Verstärkungsfaktor. Auf diese Weise wird erreicht,
daß beim Empfang kleiner Amplituden die für die Rauscharmut des Empfangssystems
erforderliche volle Verstärkung in der Antenne vorhanden ist, wobei für diesen Kleinsignal-Empfangszustand
keine Ubersteuerungsprobleme bestehen. Wenn größere Signalamplituden empfangen werden,
benötigt man die Rauscharmut nicht mehr, weil das Signal-Rauschverhältnis dann wegen
der großen Signalamplitude bereits ausreichend gut ist. Im letzteren Fall vermindert
sich erfindungsgemäß durch die Regelung der Verstärkungsfaktor des Antennenverstärkers,
so daß die Ausgangsamplitude des Verstärkers langsamer wächst als seine Eingangsamplitude
und die nichtlinearen Wirkungen im Empfänger geringer sind als ohne diese Regelung.
Im Idealfall ist die Verstärkungsregelung so gestaltet, daß die Ausgangsamplitude
der aktiven Antenne sich mit wachsender Signalamplitude einem Grenzwert nähert,
der so gewählt ist, daß der Empfänger die zulässige Nichtlinearität nicht überschreitet.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Einrichtung zur
Regelung des Verstärkungsfaktors des Antennenverstärkers VA.
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Diese Regeleinrichtung soll einerseits so gestaltet sein, daß beim
Empfang kleiner Signale die volle Rauscharmut des Verstärkers so verfügbar ist,
als ob die Regeleinrichtung nicht vorhanden wäre.
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Zweitens soll ausreichende Linearität des breitbandigen Antennenverstärkers
auch im geregelten Fall gegeben sein. Diese Linearitat muß schon beim Empfang kleiner
Signale vorhanden sein, um beispielsweise die Kreuzmodulation durch starke Störsignale
klein zu halten. Breitbandige Antennenverstärker sind stets mit einer Gegenkopplung
ausgerüstet, deren Wirkung bei allen Signalamplituden garantiert sein muß. Hier
unterscheiden sich die Anforderungen an die Linearität der Antennenverstärker aktiver
Antennen grundsätzlich von den Anforderungen an die Linearität der Verstärker im
Empfänger beim Empfang mit passiven Antennen, weil die Empfänger in ihrer Eingangschaltung
durchweg frequenzselektive Mittel enthalten und diese die Wirkung von Störsignalen
auf die im Empfänger enthaltenen nichtlinearen Bestandteile durch Frsquenzselektion
mindern. Die breitbandigen aktiven Antennen enthalten keine Abstimmeinrichtungen
und empfangen daher alle Storsignale des Betriebsfrequenzbereiches mit voller Amplitude.
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Im Prinzip kann man die Verstärkung des Antennenverstärkers in einer
fUr die Anwendung innerhalb eines Empfängers bekannten Weise dadurch regeln, daß
man mit Hilfe einer über L zugeführten Regelspannung den Arbeitspunkt des oder der
Verstärkertransistoren verändert. Dies ist jedoch für rauscharm gegengekoppelte
Verstärker aktiver Antennen keine optimale Lösung insofern, als der ungeregelte
Transistor normalerweise einen Arbeitspunkt mit besonders gtlnstiger Linearität
der Kennlinie hat und die Verschiebung des Arbeitspunktes durch einen Regelvorgang
dann zu wachsender Nichtlinearität führt. Ferner verändert eine änderung des Arbeitspunktes
auch den Gegenkopplungsgrad des Verstärkers.
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fline Verminderung der Wirkung einer Gegenkopplungsschaltung tritt
beispielsweise ein, wenn man durch Arbeitspunktverschiebung die Transistorströme
verkleinert und dadurch die gegenkoppende Spannung an der gegenkoppelnden Impedanz
verkleinert.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft daher Regeleinrichtungen,
die einerseits beim Empfang kleiner Signale das Verstärkerrauschen nicht merklich
erhöhen und andererseits beim Empfang größerer Signale die Gegenkopplung nicht vermindern,
gegebenenfalle sogar erhöhen. Die bevorzugten Ausführungsformen der Regeleinrichtung
lassen daher die Arbeitspunkte der Transistoren
des Antennenverstärkers
unbeeinflußt von der Regelung und regeln durch Maßnahmen, die mit wachsender Signalamplitude
das Eingangssignal des Antennenverstärkers gegenüber dem ungeregelten Signal vermindert.
Solche Maßnahmen haben den weiteren Vorteil, daß die verminderten Eingangssignale
die Anforderungen an die Linearität des Antennenverstärkers herabsetzen.
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Die Regelung erfolgt in dieser bevorzugten Ausführungsform durch eine
Spannungsteilerschaltung, die den passiven Antennenteil und die Steuerstrecke des
Eingangstransistors des Antennenverstärkers und zusätzliche Impedanzen enthält und
in der mindestens eine der zusätzlichen Impedanzen durch den Regelvorgang verändert
wird.
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Fig. 2 zeigt das hochfrequente Prinzipbild dieses Spannungsteilers,
in dem alle nur der Gleichstromversorgung dienenden, an sich bekannten Bestandteile
nicht gezeichnet sind um ist die Leerlauf spannung und ZA die Impedanz des passiven
Antennenteils, also die Signalquelle, die zwischen den Punkten 1 und 2 wirksam wird.
Z1, Z2 und Z3 sind die zusAtzlichen Impedanzen, von denen mindestens eine durch
den Regelvorgang verändert wird. Z3 ist die gegenkoppelnde Impedanz des Eingangs
transistors T des Antennenverstärkers. In einer Version der Fig. 2 hat Z1 den Wert
Null, so daß die einfachere Schaltung von Fig. 3 entsteht. In einer weiteren Vereinfachung
der Fig. 3 hat Z2 den Wert unendlich, ist also nicht vorhanden, so daß die Schaltung
der Fig. 4 entsteht, in der die gegenkoppelnde Impedanz Z3 geregelt wird. Die zusAtzlichen
Impedanzen müssen so gestaltet sein, daß ihr Impedanzwert mit Hilfe der über L zugeführten
Regelgröße eingestellt werden kann. Eine hierfür geeignete Impedanz ist ein Heißleiter
bekannter Art, siehe Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3. Auflage,
Berlin 1968, Abschn. K 17 bis 24. Heißleiter eignen sich jedoch nur für relativ
langsame Regelungen und haben schaltungsmäßige Nachteile bei höheren Frequenzen.
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Schnellere und sehr definierte Regelungen erreicht man durch Transistorschaltungen.
Die bereits genannten DT-OS 20 21 331 und 21 15 657 zeigen ungeregelte Schaltungen
mit einem Hilfstransistor T2 in der gegenkoppelnden Impedanz Z3. In beispielhafter
Anwendung
auf die Schaltung der Fig. 4 zeigt Fig. 5 ein Z3 aus dem Hilfstransistor T2 und
einem Gegenkopplungswiderstand R. In Fig 5 regelt man durch Verschieben des Arbeitspunktes
von T2 die Stromverstärkung des T2 und so die gegenkoppelnde Spannung U3 zwischen
den Punkten 2 und 4. Der Quotient dieser Spannung U3 und des aus dem Verstärkertransistor
T stammenden und dem Z3 in Punkt 4 zugeführten Stromes I3 ist die zwischen den Punkten
2 und 4 wirksame Impedanz Z3.
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Soweit die zusätzlichen Impedanzen Z1, Z2 und Z3 geregelt werden
und diese Regelung aus Gründen der einfachen Realisierbarkeit mit Hilfe einer Regelspannung
erfolgen soll, ergibt sich als vorteilhafte Ausführung der Erfindung der Einsatz
mindestens eines regelbaren llilfstransistors in jeder der zu regelnden, zuzusätzlichen
Impedanz. Normalerweise wird es ausreichen, nur eine der in dem Spannungsteiler
vorhandenen, zusätzlichen Impedanzen zu regeln, jedoch kann es erforderlich sein,
auch zwei zusätzliche Impedanzen zu regeln, wenn beispielsweise ein großer Regelbereich
erforderlich ist und die Regelung nur einer Impedanz bei vorhandenen Bedingungen
hinsichtlich Rauscharmut und Linearität des Antennenverstärkerskeinen ausreichenden
Regelbereich ergibt.
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Die Verwendung von Hilfstransistoren innerhalb der zu regelnden Impedanz
kann allgemein auf zwei Wegen erfolgen: Erstens in der bereits zu Fig. 5 erläuterten
Form, bei der die Steuerstrecke des Hilfstransistors , z.B. Basis-Emitterstrecke
des T2' Bestandteil der Impedanz ist und in Serie zu einem weiteren Bestandteil
der Impedanz, z.B. R, liegt und der Stromverstärkungsfaktor geregelt wird.
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Zweitens in der Form, daß die Ausgangsstrecke des llilfstransistors,
z.B. Emitter-Kollektrostrecke, die zu regelnde Impedanz oder ein Teil der zu regelnden
Impedanz ist und der Transistorstrom von einer Regelspannung am Steueranschluß des
Hilfstransistors, z.B.
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Basis, geregelt wird. Fig. 6 zeigt für das Schaltungsbeispiel der
Fig. 3 den Hilfstransistor T3, dessen Emitter-Kollektorstrecke die Impedanz Z2 ist
und dessen Strom I2 an seiner Basis 5 durch eine Regelspannung geregelt wird.
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Falls der passive Antennenteil ein kurzer Stab ist und seine Impedanz
im wesentlichen eine kleine, also hochohmige Kapazität ist, so ist in einer Schaltung
nach Fig. 6 ein Feldeffekttransistor T3 als regelbarer Widerstand vorteilhaft, weil
ein hochohmiges ZA beim Empfang kleiner Signalamplituden eine zusätzliche Impedanz
Z2 mit sehr hohem Impedanzwert erfordert, weil man dann keinen Verstärkungsverlust
durch den Spannungsteiler zulassen kann. Diese Forderung erfüllt ein Feldeffektransistor
in besonderem Maße. Nach dem Buch von Tietze-Schenk, Halbleiter-Schaltungselektronik,
Berlin 1969, Abschn. 7.8, erzeugt der Feldeffektransistor bei der Regelung seiner
Gate-Spannung UG5 gerade diejenigen hohen Impedanzen, die man bei der Spannungsteilung
in Kombination mit einem hochohmigen ZA benötigt.
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Auch die Hilfstransistoren in den zusätzlichen Impedanzen sind Quellen
nichtlinearer Effekte, die in einer breitbandigen, aktiven Antenne störend sein
können. Daher ist es vorteilhaft, auch die Hilfstransistoren durch gegenkopplungsartige
Vorgänge zu linearisieren. In der Schaltung von Fig. 5 wird auch T2 durch den Gegenkopplungswiderstand
R linearisiert. Nach Tietze-Schenk, Abb. 17.24 und 17.25, kann man den Feldeffekttransistor
auch auf einfachem Wege durch Widerstände R1 und R2 linearisieren, so daß die Schaltung
der Fig. 7 entsteht. Bei rauscharmen aktiven Antennen ist jedoch bei allen Gegenkopplungswiderständen
zu beachten, daß sie Rauschquellen sind und ihr Einfluß auf das Rauschen des Gesamtsystems
klein sind. Bei Anordnungen nach Fig. 5 ist dies gegeben, wie in den bereits genannten
OS ausgeführt ist.
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Bei Anordnungen nach Fig. 7 ist dies gegeben, wenn die Widerstände
R1 und R2 sehr groß sind. Auch dies ist ein Vorteil des Feldeffekttransistors als
regelbaren Widerstand in einer rauscharmen, aktiven Antenne, daß er mit ausreichend
hohen Widerständen R1 und R2 linearisiert werden kann.
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Die Regelung der zusätzlichen Impedanzen kann auch mit Hilfe von Kombinationen
von 2 und mehr Hilfstransistoren unter Berücksichtigung der Erfordernisse der Rauscharmut
und der Linearität erfolgen. Ein Beispiel eines Z3 mit 2 Hilfstransistoren findet
man in der DT-OS 2021331.4 in Fig. 1.
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In besonderen Anwendungsfällen können die zusätzlichen Impedanzen
auch Blindwiderstände enthalten, um eine bestimmte Frequenzabhängigkeit des Spannungsteilers
zu erzielen. Beispiele hierfür findet man in der DT-OS 21 15 657 in den Fig. 7,
9 und 11.