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Elektronisch abgestimmte Antenne
Die Impedanz einer Antenne
hängt ab von der Frequenz und von Gegenständen, die sich im Nahfeld der Antenne
befinden. Wenn man die Impedanz einer Antenne an eine Zuleitung oder an einen Transistor
oder an die Eingangsimpedanz eines Sende- oder Empfangsgeräts anpaßt, so ändert
sich diese Anpassung, wenn sich die Betriebsfrequenz ändert oder wenn sich die im
Nahfeld der Antenne befindlichen Gegenstände verändern. Letzteres tritt besonders
bei Antennen für tragbare oder fahrbare Nachrichtenanlagen auf, bei denen je nach
Aufstellungsort die nähere Umgebung sehr verschieden und auch zeitlich veränderlich
sein kann. In vielen Betriebsfällen ist es unerwünscht oder unmöglich, bei jeder
Änderung der Betriebsfrequenz oder des Nahfeldes die Anpassung jeweils durch das
Betriebspersonal entsprechend den auftretenden Impedanzänderungen mechanisch nachregeln
zu lassen, z.B. durch Drehen an variablen Kondensatoren oder variablen Induktivitäten
oder durch Betätigung von Schaltern. In solchen Fällen-soll entsprechend der vorliegenden
Erfindung eine elektronische Regelung stattfinden. Die elektronische Regelung hat
im Vergleich zu mechanischen Regelungen den Vorteil der geringeren Zeitkonstante,
des geringeren Aufwandes und kann im Bedarfsfall auch automatisiert werden.
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Zur Änderung der Impedanz der Antenne im Rahmen der vorliegenden Erfindung
dienen ein oder mehrere elektronische Bauelemente oder Schaltungen mit elektronischen
Bauelementen, die wie regelbare Blindwiderstände wirken, wobei jeder dieser Blindwiderstände
durch Ändern einer angelegten Gleichspannung verändert werden kann. Ein gutes Beispiel
solcher einstellbarer, elektronischer Blindwiderstände in der heutigen Technik sind
die Varaktordioden, die eine sehr verlustarme Kapazität dargtellen und bei denen
diese Kapazität durch Verändern der angelegten Gleichspannung verändert werden kann.
Es sind aber seit langem auch rückgekoppelte Schaltungen mit Vakuumröhren oder Transistoren
bekannt, die wie regelbare Blindwiderstände wirken
und für die
vorli.eqen,de Aufglibe ebc2n.C(ilis geei.Un!@t sein können. Im folgenden wird der
variable Blindwiderstand als Varaktordiode bezeichnet und gezeichnet, weil diese
beim derzeitigen technischen Stand elektronischer Bauelemente die für die Praxis
brauchbarste Form darstellt. Man kann jedoch sinngemäß diese Varaktordiode durch
jede gleichwertige, regelbare elektronische Blindwiderstandsschaltung ersetzen.
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Es ist bekannt, daß eine in eine Einzelantenne eingebaute Varaktördiode
die Impedanz der Antenne beeinflußt und daß beim Ändern der Vorspannung der Varaktordiode
die Impedanz der Antenne verändert wird. Vgl. z.B. H.Meinke, Aktive Antennen, Nachrichtentechnische
Zeitschrift, Bd.19 (1966), Bild B. Soweit experimentelle Erfahrungen vorliegen,
ist die Impedanzvariation, die durch Varaktordioden in den bisher bekannten Anordnungen
erreicht wird, nur gering. Das liegt daran, daß die für hohe Frequenzen geeigneten,
elektronischen Bauelemente heute bekannter Art generell dazu nei.(7N%1, relativ
kleine Ströme zu haben, d.h. relativ hochohmig zu sein. Man erreicht daher mit Varaktordioden
nur dann ausreichende Impedanzbeeinflussung bei Antennen, wenn die Antenne dort,
wo die Varaktordiode angeschlossen wird, Impedanzen geeigneter Größenordnung hat.
Dies erkennt man am einfachsten an der bekannten Regel, daß z.B. eine variable,
große Kapazität in Serie zu einer kleinen Festkapazität oder eine variable kleine
Kapazität parallel zu einer großen Festkapazität keine nennenswerte impedanzändernde
Wirkung hat. Die Impedanz, die durch eine .Varaktordiode geändert werden soll, muß
also eine zu dieser Varaktordiode passende Größe haben, wenn ein ausreichend großer
Variationsbereich der Impedanz erreicht werden soll.
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Diese Grundidee wird im Folgeaiden angewendet auf Antennen, die aus
Stäben, Rohren oder Drähten in an sich bekannter ';eise aufgebaut sind. Beispiele
zeigen Fig.1 und 2. Der wesentliche Gedanke der Erfindung ist, den Antennenstab
an einer geeigneten Stelle so aufzuschneiden, daß zwischen den entstehenden Punkten
1 und 2 eine für die Steuerung durch Varaktordioden geeignete Impedanz entsteht.
Daß die Antennenimpedanz wesentlich von der richtigen Lage dieses Schnitts abhängt,
wurde bereits in der Anmeldung P 15 91287.5 erläutert.
Bei der praktischen
Anwendung kombiniert man mit der Antenne eine elektronische Schaltung, die bei einer
Sendeantenne ein Sender und bei E@rpfangsantennen ein Empfänger ist. Die in Fig.1
mit E bezeichnete elektronische Schaltung kann ein Sender oder ein Empfänger oder
Teile eines Senders oder Empfängers sein. Die elektronische Schaltung hat 2 Anschlußklemmen,
die in Fig.1 mit den Ziffern 3 und 4 bezeichnet sind. Die Varaktordiode soll entweder
parallel zum Schlitz wie in Fig.1b und d zwischen den Anschlüssen 1 und 2 und parallel-
zu den Klemmen 3 und 4 der elektronischen Schaltung E liegen oder in 'Serie zum
Eingang der elektronischen Schaltung E wie in Fig.1a und c so, daß die Serienschaltung
der Diode und der Schaltung E zwischen den Anschlüssen 1 und 2 liegt. Die elektronische
Schaltung E kann wie in rig.1c und d unmittelbar im Antennenschlitz liegen. Die
von der elektronischen Schaltung benötigten Zuleitungen können dann wie in der Anmeldung
P 1591287.5 (dort Fig.3) durch das Innere des einen Antennenstabes geführt werden.
Diese Zuleitungen können aber auch wie in der Anmeldung P 1541482.1 (dort Fig.13)
über einen gesonderten Stab, der parallel zur Antenne liegt, zugeführt werden. Die
elektronische Schaltung kann sich aber auch wie in eig.1a und b außerhalb der Antenne
befinden und mit der Varaktordiode über eine im Innern des Antennenstabes laufende
Koaxialleitung verbunden sein. Im letzteren Fall wird die Zwischen den Klemmen '3
und 4 liegende Impedanz der elektronischen Schaltung im allgemeinen an den Wellenwiderstand
dieser Koaxialleitung angepaßt sein. Die Antenne kann eine Stabantenne über einer
leitenden Ebene sein wie in Fig.1 aber auch ein entsprechender Stab mit Dachkapazität,bei
dem der obere Stabteil teilweise oder ganz wie in Fig.2a durch eine Dachkapazität
ersetzt ist. Die Antenne kann auch
ein gefalteter Monopol mit oder ohne Dachkapazität über einer leitenden Ebene wie
in Fig.2b oder eine entsprechende symmetrische Antenne wie in Fig.2d sein: Man kann
die Antennenstäbe ganz oder teilweise durch schraubenförmig (Fig.2c) oder spulenförmig
gewundene Leiter ersetzen, um induktive Blindkomponenten der Antennenimpedanz zu
erzeugen. Die in Fig.2 dargestellten und natürlich auch alle ähnlich geformten Antennen
können jede sinngemäß nach den 4 in Fig.1 dargestellten Methoden mit der Varaktordiode
und der elektronischen Schaltung kombiniert werden.
In Fig.3 sind
die Ersatzschaltungen für die 4 in Fig.1 dargestellten Antennen für den Fall der
Sendeantenne gegeben. Die Antenne stellt zwischen den Anschlüssen 1 und 2 eine komplexe
Impedanz Z dar, der die Väraktordiode in Serie oder parallel geschaltet ist. Die
elektronische Senderschaltung E der Fig.1a und b wird als ein Generator mit dem
reellen Innenwiderstand ZL angenommen, wobei ZL gleich dem Wellenwiderstand der
koaxialen Leitung im Tnnern des Antennenstabes ist( sh.Fig.3a und b).. Die elektronische
Schaltung E der Fig.1c und d ist im Ersatzbild der Fig.3c und d durch einen Sendetransistor
dargestellt, der von einem Generator gesteuert wird.
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Fig.4 zeigt Ersatzschaltungen für die 4 in Fig.1 dargestellten Antennen
für den Fall der Empfangsantenne. Die aus dem Außenraum empfangene Welle ist im
Ersatzbild durch eine Spannungsquelle in Serie zur Antennenimpedanz ZA dargestellt.
In Fig.4a und b ist entsprechend Fig.1a und b die elektronische Schaltung E ein
Empfänger mit dem Eingangswiderstand Z L. In Fig.4c und d ist ent,prechend Fig.1c
und d der Eingang der elektronischen Schaltung durch einen Transistor dargestellt,
der einen Empfänger speist.
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In allen Schaltungen der Pig.3 und 4 geht es zunächst um die Aufgabe,
die gezeichnete Schaltung im mittleren Betriebszustand (mittlere Betriebsfrequenz
und mittlere Umgebung der Antenne) in Resonanz zu bringen. Da die Varaktordiode
und auch der Transistor je eine Kapazität darstellt, ist zur Erzeugung der Resonanz
eine entsprechende induktive Komponente des ZA erforderlich. Bei Schleifenantennen
wie in Fig.2b und d kann man die Antennenschleife so dimensionieren, daß das ZA
der Antenne bereits die für die Resonanz erforderliche induktive Komponente aufweist.
Ebenso kann man die Schraube bei der Antenne der Fig.2c mit entsprechend induktiver
Komponente dimensionieren. Wenn dagegen die Antenne ein kurzer Stab wie in Fig.1
oder Fig.2a ist und die Antenne selbst daher ebenfalls eine kapazitive Komponente
besitzt, muß man durch eine zusätzliche Induktivität L zwischen den Punkten 1 und
2 (Beispiel in Fig.2a) die erforderliche induktive Komponente in die Schaltung hineinbringen.
Dieses Zusatz-L soll dann in Fig.3 und 4 als Bestandteil des ZA gelten.
Die
Schaltung muß ferner so aufgebaut sein, daß im mittleren Betriebszustand zwischen
der elektronischen Schaltung und der Antenne optimale Anpassung besteht (Leistungsanpassung
oder Rauschanpassung). D.h. auch die ohmsche Komponente des ZA muß entsprechend
den Forderungen der elektronischen Schaltung für den mittleren Betriebszustand optimiert
sein. Dies geschieht durch zweckmäßige :Mahl der Antennenform und durch zweckmäßige
lahl der Lage der Anschlüsse 1 und 2 im Zuge des Antennenstabes.
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Für eine gegebene Varaktordiode wählt man diejenige Schaltung der
Fig.3 oder 4, für die die Varaktordiode maximale Beeinflussung der Resonanz der
Gesamtschaltung bei möglichst kleinen Verlusten ergibt.
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Um die Varaktordiode nachregeln zu können, muß die Antenne ein Anzeigeorgan
erhalten, daß die Resonanz anzeigt. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
im ^a11 der Sendeantenne in Fig.3 eine Gleichrichterdiode zwischen die Anschlüsse
1 und 2 oder die Anschlüsse 3 und 4 geschaltet. Der Gleichstrcrf, der Gleichrichterdiode
wird@durch das Innere des einen Antennenstabes rech außen geführt und dort zur Anzeige
gebracht. Im. Fall der Empfangsantenne sind die in der Antenne verfügbaren Spannungsamplituden
zu klein, um direkt gemessen zu werden. Man bringt dann die Gleichrichterdiode an
eine mit hinreichender Amplitude ausgestattete Stelle des Zwischenfrequenzverstärkers.des
Empfängers.
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Eine solche Anordnung mit Varaktordiode und Gleichrichterdiode läßt
sich mit einfachen und bekannten Mitteln zu einer automatischen Regelung der Resonanz
ausbauen. Im Folgenden wird ein Beispiel einer automatischen Regelung einer Sendeantenne
in der Schaltung von Fig.3d gegeben. Sinngemäß läßt sich dies auch auf Empfangsantennen
anwenden. Die Wechselspannung UD durchläuft eine Resonanzkurve in Abhängigkeit von
Uv, wie dies in Fig.6 gezeichnet ist. Im hier beschriebenen Beispiel wird der Gleichspannung
Uv der Varaktordiode eine sinusförmige oder mäanderförmige (oder allgemein in beiden
Spannungsrichtungen symmetrische und ;periodische) Hilfsspannung-überlagert, die
aus dem in Bild 5 gezeichneten Hilfsgenerator H stammt. In i3ild 6 ist unten
als Beispiel eine mäanderförmige Spannung angenommen. Diese Hilfsspannung
verändert periodisch die Impedanz der Varaktordiodc und
dadurch.
periodisch Ströme, Spannungen und Impedanzen in der Antennenschaltung. Fig.6 zeigt
rechts oben den zeitlichen Verlauf von U D, wenn sich die Antenne bei der mittleren
Vorspannung Uvo der-Varaktordiode rechts von der lZesonanz befindet. 3efindet si@a:
die .Antenne links von der Resonanz, so hat die Kurve des UD ihre Phasenlage geändert
(zeitliche Lage der Maxima und P:i@@ima vertauscht). Nähert sich die Antenne der
Resonanz, so werden die Schwankungen des UD kleiner, weil die SteilI:oit der Resonanzk.:rve
kleiner wird. Befindet sich die Antenne in nesonanz, so wird UD nahezu zeitlich
konstant. s ist da;-, man ai).s einem solchen Zeitverlauf des 11D mit IIilfe
einer durch den Hilfsgenerator H gesteuerten Torschaltung T (Fig.5) eine 2egelspannung
UR ableiten kann, die in Abhängigkeit von Uvo den in 3ild 7
gezeichneten Verlauf
hat. Der Nullpunkt dieser Kegelspannung entspricht dem gewünschten Resonanzzustand
der Antenne, und es ist bekannt, daß man mit einer solchen UB-Kurve eine automatische
Resonanzregelung vornehmen kann, wodurch die Antennenschaltung jeweils in die Nähe
ihrer Resonanz geregelt wird. wenn die Antenne anfangs große Abweichungen vom vorgeschriebenen
Betriebszustand zeigt, liegt dieser Zustand oftmals außerhalb des Regelbereichs
der Schaltung und die Regelung kann nicht erfolgen. Dann muß die Regelschaltung
in an sich bekannter weise durch eine Suchschaltung ergänzt werden. Diese Suchschaltung
schiebt die Vorspannung Uvo der Varaktordiode durch einen großen Spannungsbereich,
bis die Varaktordiode in den Jeweiligen kegelbereich kommt und dann die selbsttätige
Regelung einsetzt.
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Eine solche Regelung mit nur einer Varaktordiode ist immer dann ausreichend,
wenn die Resonanzkurven schmalbandig sind und die auftretenden Impedanzstörungen
bei FrequenzUnderung oder Bewe -gungen im Nahfeld hauptsächlich Blindstörungen sind,
die die Resonanzfrequenz verschieben. Es werden sich aber im allgemeinen Fall auch
die Wirkkomponenten der Antennenimpedanzen ändern, wenn die genannten Impedanzänderungen
auftreten. Dies beeinträchtigt die Anpassung in Fig.3 und 4. Jedoch kann jede Beeinflussung
einer Impedanz durch einen einzigen regelbaren Blindwiderstand diese Impedanz in
der komplexen Widerstandsebene nur auf einer Linie verschieben, d.h. nur eindimensional
und nicht in beliebige Impedanzwerte. Wenn man also nur einen einzigen regelbaren
Blindwiderstand
in der Antenne hat, wird die Impedanzregelung nur in seltenen Fällen exakt, reist
jedoch nur angenUhert gelingen. 3s gibt Fälle, in denen die Regelung-mit einem einzigcn,
veränderlichen Blindwiderstand nicht ausreicht und neben der Regelung auf 1;esonanz
auch die Regelung auf optimale Anpassung der Wirkkomponenten verlangt wird. über
die Grundregeln de."' mit vgl. H.Meinke, Einführung in die Elektrotechnik höherer
Frequenzen, 1 .Band, 2.Auf1., Abschn. 3.1. Um eine vorhandene Impedanz genau in
einen vorgeschriebenen anderen ImpManzwert zu regeln, benötigt man zwei, an geeigneten
Stellen angebrachte Varaktordioden. Die Anordnung der beiden Dioden muß so geschehen,
daß die durch die eine Varaktordiode verursachte Impedanzverschiebung in der komplexen
Impedanzebene längs einer anderen Linie verläuft, als die Verschiebung der Impedanz
durch die zweite Varaktordiode. P:it zwei solchen Dioden kann man die Impedanz in
der Komplexen S.-J-1.derstandsebene zweidimensional verschieben und dadurch Wirkkomponenten
und Blindkomponenten gleichzeitig regeln. Hierbei erhält man den größten Regelbereich,
venn in der komplexer. Ir@@pecarizebene die Verschiebung der Impedanz durch die
eine Varaktordiode annähernd senkrecht steht zu der Verschiebung der Impedanz durch
die zweite Varaktordiode.
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Die beiden Varaktordioden können in einer geeigneten Schaltung an
einer einzigen Stelle der Antenne zwischen den Anschlüssen 1 und 2 liegen. Sie können
aber auch an zwei verschiedenen Stellen im Zuge des Antennenstabes liegen. Fig.8
zeigt zwei bekannte Beispiele von Transformationsschaltungen mit 2 variablen Kapazitäten.
Die Punkte 1 und 2 stellen den Anschluß der Transformationsschaltung an die Antenne
und die Punkte 3 und 2" den Anschluß an die elektronische Schaltung 2 dar. 'denn
die Antennenimpedanz ZA zwischen den Punkten 1 und 2 bereits eine geeignete induktive
Komponente besitzt, kann die Zusatzinduktivität L in Fig.8 fortfallen.
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Um die beiden Varaktoren getrennt regeln zu können, wird man zwei
verschiedene Anzeigeorgane benötigen, wobei.jedes der beiden Anzeigeorgane die richtige
Einstellung je einer der beiden Varaktordioden kontrolliert. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird eine der beiden Varaktordioden zur @@instellung
der
Resonanz nach dem gleichen Verfahren verwendet, wie vorher beschrieben. Es ist möglich,
daß man nur eine einzige Gleichrichterdiode zur Anzeige verwendet, wobei der Gleichrichteratrom
in zweierlei Weise zur Anzeige ausgenutzt wird, so daß die zwei Anzeigeorgane in
einer Diode vereinigt sind. Die Lage der Gleichrichterdiode im System der Fig. 3
oder 4 ist dann die gleiche wie vorher beschrieben, z.B. im Senderfall der Fig.
5 zwischen den'Punkten 1 und 2.
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Wenn man diese eine Gleichrichterdiode auch für eine zweite Anzeige
verwenden und mit ihrer Hilfe auch die zweite Varaktordiode eingestellt werden soll,
so soll in jedem Anwendungsfall zunächst die Resonanz der Schaltung nach dem bisher
beschriebenen Verfahren eingestellt sein, bevor die Gleichrichterdiode für die zweite
Anzeige verwendet wird.
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Bei einer Sendeschaltung kann die Meßdiode in einem Beispiel zu
einer
zweiten Anzeige so verwendet werden, daß die von ihr angezeigte mittlere
Spannungsamplitude UD auf einem vorgeschriebenen, konstanten Wert festgehalten wird.
D.h. bei Einstellung durch das Betriebspersonal wird durch Variieren der Vorapannung
der zweiten Varaktordiode die vorgeschriebene Spannungsamplitude zwischen den Punkten
1 und 2 eingestellt, bzw. bei automatischer Regelung diese Amplitude nach an sich
bekannten Verfahren durch Analyse des Gleichrichterstroms der Gleichrichterdiode
auf den vorgeschriebenen Wert eingeregelt. Unter der Voraussetzung der bereits vorher
eingestellten Resonanz bedeutet dies im Sendefall unter der Annahme gleichbleibender
Aussteuerung des
Transistorstroms eine konstante Ausgangsleistung der Antenne.
Bei automatischer Regelung wird die richtige Reihenfolge der beiden Regelvorgänge
dadurch sichergestellt, daß die Regelung der Resonanz mit hoher Mäanderfrequenz
und kurzer Zeitkonstante erfolgt, während die Regelung der Amplitude auf den vorgeschriebenen
Wert mit vergleichweise wesentlich größerer Zeitkonstante erfolgt. Daher ist die
Regelung der Resonanz jeweils bereits nahezu vollendet, bevor die
Regelung
der Amplitude nennenswert in Gang kommt.
In einem zweiten
Anwendungsbeispiel regelt man zunächst wieder auf maximale Ausgangsspannung (Resonanz)
durch Variieren der Vorspannung der einen Varaktordiode und anschließend nochmals
auf maximale Ausgangsspannung durch Variieren der Vorspannung der zweiten Varaktordiode.
Man stellt so unter den möglichen Resonanzen der Schaltung diejenige ein, die die
höchste Resonanzspannung ergibt, die also bei vorgegebener Stromaussteuerung des
Transistors maximale Ausgangsleistung erzeugt. Im Fall der automatischen Regelung
würden beide Varaktordioden nach dem in Fig. 6 beschriebenen Verfahren geregelt,
wobei jedoch die erste Varaktordiode mit hoher Mäanderfrequenz und kleiner Zeitkonstante
geregelt wird, dagegen die zweite Varaktordiode mit einer gleichzeitig vorhandenen,
vergleichsweise niedrigen Mäanderfrequenz und vergleichsweise großer Zeitkonstanten
geregelt wird.
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Dieses letztbeschriebene Verfahren läßt sich auch auf Empfangsantennen
anwenden, wobei dann die Meßdiode ( wie bereits beschrieben im Empfänger angebracht
ist.
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Im folgenden werden als Beispiel Meßergebnisse an einer Stab-Sendeantenne
mit automatischer Impedanzregelung nach Fig. 5 beschrieben. Der Aufbau der Stabantenne
und ihr elektrisches Ersatzbild entsprechen weitgehend Fig. 1d und Fig. 3d mit dem
Unterschied, daß zwischen die Klemmen 1, 2, 3 und 4 in Fig. 1d und Fig. 3d die Varaktordioden-Anordnung
nach Fig. 8b geschaltet ist. Die zwischen den Klemmen 1 und 3 liegende Varaktordiode
übernimmt die Regelung der Resonanz nach dem in Fig. 5 gezeigten Schema. Die zwischen
den Klemmen 3 und ¢ liegende Varaktordiode regelte mit Hilfe einer Regelschleife
an sich bekannter Art, den Betrag der Eingangsimpedanz. Die Höhe h der Stabantenne
ist bezogen auf die mittlere Betriebswellenlänge
# 0908. Fig. 9 zeigt in einem Smith-Diagramm, dessen Mittelpunkt dem reellen Widerstand
Z0 a 120
entspricht, den Eingangswiderstand der beschriebenen Antenne an den Klemmen
3 und 4. Kurve I zeigt die Ortskurve des Antenneneingangswiderstandes für den Fall,
daß die an den beiden Varaktordioden nach Fig. 8b liegenden Gleichvorspannungen
konstant gehalten Werden. Die Zahlenwerte an der Kurve geben die
Frequenz
in MHz an. Bei voll wirksamer Regelung bleibt die Antennenimpedanz zwischen 33,5
MHz und 39 MHz (Regelbereich) innerhalb des durch Kurve II umschlossenen Bereiches.
Fig. 10 zeigt die Abhängigkeit der von der Antenne abgestrahlten Wirkleistung
P, normiert auf den maximalen Wert Pmax' von der Frequenz f. Die Antenne
wird hierbei von einem Generator mit konstanter Leerlaufapannung und konstantem
Innenwiderstand Ri - 120
gespeist. Kurve I gilt wieder für den Fall, daß die Vorspannung der Varaktordioden
konstant gehalten wird, Kurve II für den Fall automatischer Regelung. Definiert
man als Betriebsbandbreite denjenigen Frequenzbereich für den P/Pmax g> 095 gilt,
so ergibt sich im vorliegenden Beispiel durch den Einsatz der Regelung eine Vergrößerung
der Betriebsbandbreite um etwa den Faktor 13 gegenüber dem ungeregelten Fall.