DE2701412C2 - Empfangsanlage mit aktiver Antenne - Google Patents

Description

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Regelungen, vorzugsweise in abgestimmten Empfängerin eingangsstufen angewandt werden.
f§ In einer dem Stande der Technik naheliegenden Form S? erfolgt eine Regelung der Verstärkung der aktiven An-Il tenne dadurch, daß aus dem Empfänger eine elektrische % Regelgröße entnommen wird, die von der Amplitude If. des dem Empfänger zugeführten Signalträgers abhän- "ß: gig ist, und über eine Regelleitung dem Antennenver-I? stärker so zugeführt ist, daß der Verstärkungsfaktor des f* Antennenverstärkers mit wachsender Amplitude des Si- to }}'. gnalträgers abnimmt, vorzugsweise so, daß die Aus-Pi gangsamplitude des Verstärkers mit wachsender Signalis': amplitude sich einem Grenzwert nähert
ti Fig. 1 zeigt das Schema der Empfangsanlage. Die κ- aktive Antenne A_A besteht aus einem passiven An tennenteil A₉ und einem Antennenverstärker Va- Das Kabel K führt zum Empfänger E, der eine abstimmbare Resonanzschaltung R und einen nachfolgenden Teil B enthält. Aus B wird in bekannter Weise die elektrische ΐϊ Regelgröße, z. B. eine Regelspannung, entnommen. Die H Regelgröße wird üijer die Rcgcüeitung L dem Anten- U nenverstäi'ker V/ zugeführt und regelt dessen Verstärp kungsfaktor.

Iv Breitbandige Antennenverstärker sind stets mit einer

Il Gegenkopplung Ausgerüstet, deren Wirkung bei allen

p Signalamplitudei¹ garantiert sein muß. Hier unterschei-

«8 den sich die Anfofderungen an die Linearität der Anten-

B nenverstärker aktiver Antennen i. a. grundsätzlich von

ff den Anforderungen an die Linearität der Ve^rstärker im

Ep Empfänger beim Empfang mit passiven Antennen, weil

ja die Empfänger <ΙΪ ihrer Eingangsschaltung meist fre-

f| quenzselektive Mittel enthalten und diese die Wirkung

öj von Störsignalen auf die im Empfänger enthaltenen

If nichtlinearen Bestandteile durch Frequenzselektion

•Vj mindern. Die breitbandigen aktiven Antennen enthalten

;.? keine Abstimmeinrichtungen und empfangen daher alle

!{, Störsignale des Betriebsfrequenzbereiches mit voller

If Amplitude.

·'■■ Im Prinzip kann man die Verstärkung des Antennenverstärker in einer für die Anwendung innerhalb eines ; Empfängers bekannten Weise dadurch regeln, daß man

:·■■ mit Hilfe einer über L zugeführten Regelspannung den

I'■'■ Arbeitspunkt des oder der Verstärkertransistoren ver-

?■ ändert. Dies ist jedoch für rauscharm gegengekoppelte

*■" Verstärker aktiver Antennen keine optimale Lösung in-

sofern, als der ungeregelte Transistor normalerweise ' : einen Arbeitspunk» mit besonders günstiger Linearität

der Kennlinie hat und die Verschiebung des Arbeitspunktes durch einen Regeivorgang dann zu wachsender ' Nichtlinearität führt, turner verändert eine Änderung

des Arbeitspunktes auch den Gegenkopplungsgrad des Verstärkers. Eine Verminderung der Wirkung einer Gegenkopplungsschaltung tritt beispielsweise ein, wenn man durch Arbeitspunktverschiebung die Transistorströme verkleinert und dadurch die gegenkoppelnde Spannung an der gegenkoppelnden Impedanz verkleinert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die breitbandige aktive Antenne mit Gegenkopplung so zu gestalten, daß die Übersteuerung des Empfängers ent- eo scheidend vermindert wird, ohne daß dadurch die Rauscharmut beim Empfang kleiner Signale und die durch Gegenkopplung erreichte Linearität der aktiven Antenne vermindert wird.

Diese Regeleinrichtung soll einerseits so gestaltet sein, daß beim Empfang kleiner Signale die voll«. Rauscharmut des Ver^'ärkers so verfügbar ist, als ob die Regeleinrichtung nicht vorhanden wäre. Zweitens soll ausreichende Linearität des breitbandigen Antennenverstärkers auch im geregelten Fall gegeben sein. Diese Linearität muß schon beim Empfang kleiner Signale vorhanden sein, um beispielsweise die Kreuzmodulation durch starke Störsignale klein zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Einstellung des Verstärkungsfaktors der aktiven Antenne eine Spannungsteilerschaltung ist, die den passiven Antennenteil der aktiven Antenne und die Steuerstrecke des Antennenverstärkers und mindestens eine zusätzliche Impedanz enthält, und daß der Impedanzwert der zusätzlichen Impedanz bzw. mindestens einer der zusätzlichen Impedanzen einstellbar ist

Auf diese Weise können Regeleinrichtungen gestaltet werden, die einerseits beim Empfang kleiner Signale das Verstärkerrauschen nicht merklich erhöhen und andererseits beim Empfang größerer Signaie die Gegenkopplung nicht vermindern, gegebenenfalls sogar erhöhen. Die bevorzugten Ausführun.r?-^formen der Regeleinrichtung lassen daher die Arbetiipunkte der Transistoren des Antennenverstärkers unbeeinflußt von der Regelung und regeln durch Maßnahmen, die mit wachsender Signalampliptude 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.

Bekanntlich sind Steuerungen und Regelungen glatt äquivalent, da die zur Regelung verwendete Spannung im Falle der Steuerung lediglich als Steuergröße zugeführt wird. In der vorliegenden Anmeldung ist der Anmeldungsgegenstand stets durch eine Regelung beschrieben, wobei der Anmeldungsgegenstand nicht auf Regelungen beschränkt sein soll, sondern in glatt äquivalenter Weise auch Steuerungen umfassen soll.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 2 ein Prinzipbild des Spannungsteilers,

F i g. 3 eine zusätzliche Impedanz parallel zur Steuerstrecke,

Fig.4 Hilfstransistor mit Widerstand R zur Bildung einer einstellbaren Impedanz Z\ durch Arbeitspunkteinstellung,

Fig. 5 Spannungsteiler mit Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand,

Fig.6 Linearisierung des steuerbaren Widerstandes mit R 1 und R 2.

F i g. 2 zeigt day hochfrequente Prinzipbild dieses Spannungsteilers, in dem alle nur der Gleichstromversorgung dienenden, an sich bekannten Bestandteile nicht gezeichnet sind. U₀ ist die Leerlaufspannung und Za die Impedarr des passiven AntennerMeils, a!so die Signalquelle, die zwischen den Punkten 1 und 2 wirksam wird. Z\ und Zt sind die zusätzlichen Impedanzen, von denen mindestens eine durch den Regelvorgang verändert wird. Zj ist tl'ie gegengekoppelte Impedanz des Eingangstransistors Tdes Antennenverstärkers.

Durch geeignete Wahl der Impedanzen 7.\ und Z2 wird erreicht, daß beim Empfang kleiner Amplituden die für die Rauscharmut des Empfangssystems erforderliche volle Verstärkung in der Antenne vorhanden ist, wobei für diesen Klcinsignal-Empfangszustand keine Übersteuerungsprobleme bestehen. Wenn größere Signalamplituden empfangen werden, benötigt man die Riiuscliuimui nicht mehr, weil das Signal-Rauschver-

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hältnis 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 Signalamplitudc einem Grenzwert nähert, der so gewählt ist, daß der Empfänger die zulassige Nichtlinearität nicht überschreitet.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens, ausgehend von F i g. 2 hat Zi den Wert Null, so daß die einfachere Schaltung von Fi g. 3 entsteht. Die zusätzli- 1-3 chen 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 fvieinke-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.

Schnellere und sehr definierte Regelungen erreicht man durch Transistorschaltungen. Die bereits genannten DE-OS 20 21 331 und 21 15 657 zeigen ungeregelte Schaltungen mit einem Hilfstransistor Tj in der gegenkoppelnden Impedanz Zj.

Soweit die zusätzl. hen Impedanzen Z\ und Z2 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 Hilfstransistors in jeder der zu regelnden, zusätzlichen Impedanz. Normalerweise wird es ausreichen, nur eine

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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 Antennenverstärkers keinen ausreichenden Regelbereich ergibt.

Die Verwendung von Hilfstransistoren innerhalb der zu regelnden Impedanz kann allgemein auf zwei Wegen erfolgen: Erstens in der in Fig.4 dargestellten Form, bei der die Steuerstrecke des Hilfstransistors, z. B. Basis-Emitterstrecke des T7, Bestandteil der Impedanz ist und in Serie zu einem weiteren Bestandteil der Impedanz, z. B. R, liegt und der Stromverstärkungsfaktor geregelt wird, so daß Zj geregelt wird.

Zweitens in der Form, daß die Ausgangsstrecke des Hüfstränsisiöis, z. B. Einhter-Kollektorstrecke, die zu regelnde Impedanz oder ein Teil der zu regelnden Impedanz ist und der Transistor von einer Regelspannung am Steueranschluß des Hilfstransistors, z. B. Basis, geregelt wird. F i g. 5 zeigt als Weiterbildung der Erfindung für das Schaltungsbeispiel der F i g. 3 den Hilfstrensistor Γ3, dessen Emitter-Kollektorstrecke die Impedanz Zi ist und dessen Strom h an seiner Basis 5 durch eine Regelspannung geregelt wird.

Falls der passive Antennenteil ein kurzer Stab ist und seine Impedanz im wesentlichen eine kleine, also hochohrnige Kapazität ist, so ist in einer Weiterbildung der Erfindung in einer Schaltung nach F i g. 5 ein Feldeffekttransistor Tj als regelbarer Widerstand vorteilhaft, weil ein hochohmiges Za beim Empfang kleiner Signalamplituden eine zusätzliche Impedanz Zj mit sehr hohem Impedanzwert erfordert, weil man dann keinen Vcrstärkungsverlust durch den Spannungsteiler zulavseri kann. Diese Forderung erfüllt ein Fcldeffekltransistor in besonderem Mabe. Nach dem Buch von Titze-Schenk, Halbleiter-Schaltungselektronik. Berlin 1969,

Abschn. 7.8, erzeugt der Feldeffekttransistor bei der Regelung seiner Gate-Spannung Urs gerade diejenigen hohen Impedanzen, die man bei der Spannungslcilung in Kombination mit einem hochohmigen Z,\ benötigt.

Auch die Hilfsininsistoren in den zusätzlichen Impedanzen sind Quellen nichilinearer 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. 4 wird auch T; durch den Ciegcnkopplungswiderstand R linearisiert. Nach Tiotze-Schenk. Abb. 17.24 und 17.25, kann man den Feldeffekttransistor auch auf einfachem Wege durch Wiüertiiänuc R\ und Ri linearisieren, so daß die Schaltung der IF i g. 6 entsteht. Bei rauscharmen aktiven Antennen ist jjedoch bei allen Gegenkopplungswiderständen zu besichten. daß sie Rauschquellen sind und ihr Einfluß auf daü Rauschen des Gesamtsystems klein ist. Bei Anordnungen nach F i g. 4 ist dies gegeben, wie in den bereits genannten OS ausgeführt ist.

Bei Anordnung nach F i g. 6 ist dies gegeben, wenn die Widerstand R\ 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 R\ und Äj lineairisiert werden kann.

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 Q£tcnt£kl ajnat ranalknran 7. rr\it *3 1-1 ilf C t rg nejct/M-.jin fin.

det man in der DE-OS 20 21 331.4 in Fig. 1, wobei die Regelung durch Regelung der Transistorarbeitspunkte erfolgt.

In besonderen Anwendungsfällen können die 2:usätzüchen Impedanzen auch Blindwiderstände enthalten, um eine bestimmte Frequenzabhängigkeit des Spannungsteilers zu erzielen. Beispiele hierfür findet man in der DE-OS 21 15 657 in den Fig. 7.9 und 11.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

27 Ol 412 Patentansprüche:

1. Empfangsanlage, bestehend aus einer breitbandigen aktiven Antenne mit Verstärker mit Gegenkopplung und einem Empfänger, gegebenenfalls auch mit einem Kabel zwischen Antenne und Empfänger, und einer Einrichtung zur Einstellung des Verstärkungsfaktors der aktiven Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstellung des Verstärkungsfaktors der aktiven Antenne (Aa) eine Spannungsteilerschaltung ist, die den passiven Antennenteil (Ap) der aktiven Antenne und die Steuerstrecke (2, 3) des Antennenverstärkers (Va) und mindestens eine zusätzliche Impedanz enthält, und daß der Impedanzwert der zusätzlichen Impedanz bzw. mindestens einer der zusätzlichen Impedanzen einstellbar ist.

2. Empfangsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Impedanz (ZI) zwischen dem einen Ausgangsanschluß (1) des passiven Antennenteils (Ap) und dem Steueranschluß (3) des Antennenverstärkers liegt.

3. Empfangsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Impedanz (Z 2) parallel zur Steuerstrecke des Antennenverstärkers zwischen dem 2. Ausgangsanschluß (2) des passiven Antennenteils und dem Steueranschluß (3) liegt.

4. Empfangsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, r!aß eine zweite zusätzliche Impedanz (Z 2) parallel zur Steuerstrecke des Antennenverstärkers zwischen dem 2. Ausgt./gsanschluß (2) des passiven Antennenteils und dem Steueranschluß (3) liegt.

5. Empfangsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der zusätzlichen Impedanzen ein Heißleiter ist bzw. Heißleiter sind, dessen bzw. deren Temperatur durch die Regelgröße eingestellt wird.

6. Empfangsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der zusätzlichen Impedanzen aus Transistorschaltungen mit einem oder mehreren Hilfstransistoren (T3) gebildet ist oder sind, und der Strom durch die Hilfstransistoren mit Hilfe der Regel- oder Steuergröße eingestellt wird.

7. Empfangsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstrecke des Hilfstransistors (T 3) die einstellbare, zusätzliche Impedanz oder ein Teil der einstellbaren, zusätzlichen Impedanz ist und diese zusätzliche Impedanz mit Hilfe der an den Steueranschluß (5) des Hilfstransistors gelegten Regelspannung oder Steuerspannung eingestellt wird.

?. Empfangsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor ein Feldeffekttransistor ist, dessen Widerstandswert mit Hilfe eines Widerstandes (R 1) zwischen dem Drain- und dem Gate-Anschluß und eines weiteren Widerstandes (R 2) zwischen Gate-Anschluß und Steueränschluß (5) durch Anlegen der Steuen.pannung an dem Steueranschluß (5) eingestellt wird.

9. Empfangsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Hilfstransistoren durch gegenkopplungsartige Maßnahmen linearisiert ist oder sind.

Die Erfindung betrifft eine Empfangsanlage, bestehend aus einer breitbandigen aktiven Antenne mit Verstärker mit Gegenkopplung und einem Empfänger, gegebenenfalls auch einem Kabel zwischen Antenne und Empfänger, und einer Einrichtung zur Einstellung d«s Verstärkungsfaktors der aktiven Antenne.

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 Betriebsfrequenzbereich nahezu optimale Eigenschaften hinsichtlich Rauschen und Linearität erreichen. Eine solche Empfangsanlage ist aus der DE-OS 21 15 657 bekannt. Dort sind geeignete Anten nenverstärker angegeben.

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 H. Meinke, Das Rauschen nicht reziproker verstärkender Empfangsantennen, Nachrichtentechnische Zeitschrift 21 (1968), S. 322-329; dort insbesondere Gl. (27). In einer Empfangsanlage mit einer aktiven Antenne bisher bekarjiter 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 angeschlossene Empfänger entsprechend ausgeprägtere Nichtlinearität zeigt Dies betrifft die Übersteuerung der Transistoren des Empfängers ebenso wie

die Übersteuerung der Kapazitätsdioden, die gegebenenfalls zur Abstimmung der Resonanzkreise des Empfängers verwendet werden und deren Abstimmverhalten amplitudenabhängig ist.

In radio mentor 35 (1969), S. 267, ist beispielsweise die aperiodische Vorstufe eines Empfängers durch einen Feldeffekttransistor geregelt, der in die Leitung der Quellelektrode des Vorstufentransistors eingeschaltet wird. Dieser Regelfeldeffekttransistor wirkt als gesteuerter Gegenkopplungswiderstand. Mit Hilfe dieses Gegenkopplungswiderstandes wird der Verstärkungsfaktor der Empfängervorstufe geregelt. Eine derartige Gegenkopplung ist nicht rauscharm. Diese Schaltung mit gegengekoppelter ertter Transistorstufe erlaubt deshalb keine Dimensionierung für minimales Rauschen bei gleichzeitig optimaler Linearität der Schaltung. Aus diesem Grunde sind die Eingangstransistoren aktiver Antennen (DE-OS 20 21 331, DE-OS 21 15 657) im Schaltungszweig der Quellelektrode nicht mit einem Gegenkopplungswiderstand im üblichen Sinne versehen, sondem werden jeweils mit dem Eingangswiderstand der nachfolgenden Schaltung rauscharm gegengekoppelt. Hinzu kommt, daß bei derartigen aktiven Antennen häufig der Eingangswiderstand der Antennenlcitung mit Empfänger als Gegenkopplungswiderstand am Ausgang des Antennenverstärkers wirkt, und eine Regelung durch veränderbare Gegenkopplung ohne Beeinträchtigung der Rauscharmut und der Linearität der Empfangsanlage im allgemeinen nicht möglich ist. Vielfach wird die Verstärkung von Empfängereingangsstufen nach dem Stande der Technik durch Herabsetzen des Ruhestroms in einem Transistor vermindert. Dadurch werden jedoch die Linearitätseigenschaften des so geregelten Transistors stark herabgesetzt, so daß derartige