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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Erhöhung der effektiven Keulenbreite eines Radarsystems,
welches eine überstreichende Empfangskeule und
Pulskompression beinhaltet. Das erfinderische Verfahren ist
hauptsächlich vorgesehen zur Erfassung von Zielen auf der
Erdoberfläche und wird verwendet in im Weltraum oder in der
Luft getragenen Systemen.
STAND DER TECHNIK
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Die Technik der Verwendung von Pulskompression beim Empfang
von Echos von Zielen ist bereits bekannt; siehe z.B. C.
Elachi "SPACEBORNE RADAR REMOTE SENSING: APPLTCATIONS AND
TECHNIQUES", Seiten 57-58. Das Radarsystem überträgt ein
Pulssignal gegebener Pulszeitlänge, z.B. einer Pulsdauer von
50 usek. Das eigentliche Signal wird frequenzdurchgefahren,
d.h. der Anfang des Signals hat eine erste gegebene Frequenz
f&sub1; und das Ende des Signals hat eine weitere Frequenz f&sub2;. Das
Frequenzband B = f&sub1;-f&sub2; kann z.B. 50 MHz sein. Das Radar kann
seitlich betrachten, wobei Echos von verschiedenen Orten am
Boden reflektiert werden und zu gegenseitig verschiedenen
Zeitpunkten zurückkommen.
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Die Radarempfangskeule soll das Bodenecho verfolgen zwischen
zwei Punkten an der Erdoberfläche. Das von einem Zielpunkt
auf der Erdoberfläche reflektierte Echo erzeugt ein
Empfangssignal in dem Radar, wenn die Empfangskeule über das
Ziel gefahren wird. Die empfangene Frequenz f&sub1; wird daher
geringfügig vor der Frequenz f&sub2; ankommen und in der
Reihenfolge wie die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; vom Radarsystem
übertragen wurden.
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In einem weiteren Radarsystem gemäß US Patent 3,266,038
werden Pulskompression und frequenzabhängige Abtastung bei
dreidimensionaler Abtastung verwendet, d.h. ein
gleichzeitiges Abtasten sowohl in der Höhen- wie auch der
Azimutrichtung. Die frequenzabhängige Abtastung wird
verwendet in der Höhenrichtung und der Höhenwinkel kann
bestimmt werden durch Bestimmung der Frequenz der Antwort von
dem Ziel. In der Azimutrichtung wird die Radarantenne
unabhängig von der Frequenz des Radarsignals gefahren, aber
dieses ist frequenzmoduliert und daher kann die
Pulskompressionstechnik angewendet werden. Durch diese
Kombination und durch die Verwendung eines Entzerrers in dem
Empfänger können die verschiedenen Echosignale aufgrund der
Seitenkeulen des Radarstrahls unterdrückt werden.
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Daher wird in diesem bekannten Radarsystem frequenzabhängige
und frequenzunabhängige Abtastung verwendet, aber dies wird
in zwei recht unterschiedliche, senkrecht zueinander stehende
Richtungen getan. In der vorliegenden Erfindung wird die
Verwendung von frequenzunabhängiger und frequenzabhängiger
Abtastung nur in der Höhenrichtung verwendet, wenn auch nicht
unbedingt in der gleichen Höhenebene.
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Pulskompression der empfangenen Frequenzkomponente des Pulses
wird in dem Empfänger ausgeführt in der Absicht, ein
stärkeres Echo zu erhalten und um eine verbesserte
Anstandsauflösung des Zieles zu erreichen. Figur 1
veranschaulicht das Prinzip der Pulskompression. Der
empfangene Signalpuls, Figur 1a, beinhaltet die Frequenzen
f&sub1;, f&sub2;, f&sub3; und wird angelegt an eine angepaßte
Verzögerungsleitung, welche die Frequenzen gegenseitig
unterschiedlich stark verzögert, so daß die Frequenzen f&sub2; und
f&sub1; die Frequenz f&sub3; "einholen" werden und so daß schließlich,
Figur 1d, alle Komponenten einen komprimierten Puls bilden
werden.
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Figur 2 veranschaulicht die Radarempfangskeule und die
Ausbreitung des übertragenen Pulses (gestrichelte Linie) zu
einem gegebenen Zeitpunkt auf der Erdoberfläche beim Empfang
in Übereinstimmung mit der bekannten Technik. Wenn die Keule
einen Zielpunkt berührt, wird die erste Frequenz f&sub1;
reflektiert und das Echo wird von der Empfangskeule im Punkt
1 gefangen. Die Zentralfrequenz (f&sub1;-f&sub2;)/2 wird von dem
gleichen Zielpunkt etwas später reflektiert. Da die
Empfangskeule durchgefahren wird und das Echo "verfolgt",
wird die Zentralfrequenz von der Empfangskeule in einem Punkt
3 gefangen. Das Gleiche gilt für die Frequenz f&sub2;, welche als
letzte reflektiert wird und welche von der Empfangskeule in
einem Punkt 2 gefangen wird. Die Breite der Keule ist grob
gleich der Ausbreitung des Pulses.
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Figur 3 veranschaulicht die Amplitude des empfangenen Signals
als Funktion der Frequenz. Die Amplitude ist gewichtet,
abhängig von der Konfiguration der Empfangskeule. Wenn die
"äußeren" Frequenzen f&sub1; und f&sub2; erfaßt werden innerhalb der
Empfangskeule (Punkte 1 und 2), werden diese Frequenzen
schwächer sein als die Zentralfrequenz (f&sub1;-f&sub2;)/2 (Punkt 3).
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Somit ist das Problem, das bei der Verwendung einer schmalen
Empfangskeule, deren Breite in der gleichen Größenordnung ist
wie die "momentane Winkelbreite" (momentary angular width)
des Echos, die Amplituden-Frequenz-Charakteristik des Echos
einer starken quadratischen Amplitudenwichtung unterliegt.
Wenn der Puls später komprimiert wird, führt die erhaltene
Ausbreitung zu schlechterer Auflösung in bezug auf
Zeit/Abstand. Ebenfalls wird eine große Verstärkungsableitung
erhalten zu Beginn und am Ende des Pulses, welches das System
höchst empfindlich auf kleine Antennenkeulen-Zeigefehler
macht.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Das vorgeschlagene Verfahren verbindet zwei verschiedene aber
bekannte Vorgehensweisen in einer Radarantenne, wo eine
Empfangskeule über ein Ziel gefahren wird innerhalb eines
gegebenen Gebietes und welche die Pulskompression des
empfangenen Signals auf die zuvor beschriebene Weise
beinhaltet. Die eine Vorgehensweise beinhaltet das Abfahren
der Empfangskeule über den größeren Winkelbereich unabhängig
von der Frequenz, und die andere Vorgehensweise beinhaltet
das frequenzabhängige Abfahren der Keule über den kleineren
Winkelbereich innerhalb des größeren Bereiches, welcher
eingenommen wird von der momentanen Breite des von der
radartragenden Vorrichtung aus betrachteten Echos, z.B. ein
Satellit oder ein Flugzeug. Das Fahren der Antenne in
Übereinstimmung mit diesen Vorgehensweisen wird dabei
ausgeführt in ein und der gleichen Richtung oder in ein und
der gleichen Ebene. Diese Kombination bekannter
Vorgehensweisen ermöglicht es, die vorgenannte
Amplitudenwichtung und die Empfindlichkeit auf Zeigefehler
beinahe vollständig auszuschließen, was die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist.
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Das erfinderische Verfahren wird in den Anspruch 1 dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
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Figuren 1-3 bereits beschrieben wurden unter der Überschrift
"Stand der Technik";
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Figur 4 die Geometrie veranschaulicht, welche erhalten wird
bei der Übertragung eines Radarpulses, welcher über einen
gegebenen Frequenzbereich gefahren wird;
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Figur 5 in größerem Detail Empfangskeulen veranschaulicht,
welche sich in der in Figur 4 veranschaulichten Geometrie
befinden, aber geführt werden in Übereinstimmung mit dem
vorgeschlagenen Verfahren;
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Figur 6 schematisch die Radargeometrie veranschaulicht,
welche erhalten wird bei der Erfassung von Zielen auf der
Erdoberfläche;
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Figur 7 ein vereinfachtes Blockschema einer Antenne beim
Empfang ist in Übereinstimmung mit dem Verfahren; und
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Figur 8 ein Diagramm ist, welches die Amplitude empfangener
Signale als Funktion der Frequenz zeigt.
BESTE ART DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
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Die Figur 4 veranschaulicht die Geometrie eines z.B. in einem
Satelliten installierten Radarsystems, welches einen Teil der
Erdoberfläche bestrahlt. Die Radarantenne RA überträgt einen
Puls, welcher Frequenzen enthält innerhalb eines gegebenen
Bandes in Übereinstimmung mit dem bereits gesagten. Die
Frequenzen f&sub1; und f&sub2; bilden jeweils die Anfangs- und
Endfrequenz eines Pulses. Die Pfeile P1 und P2 deuten zwei
sequentielle Pulse an, von welchen der als P1 bezeichnete
Puls die Erdoberfläche erreicht hat. Der vordere Teil des
Pulses P1 (Frequenz f&sub1;) hat als erster die Erdoberfläche im
Punkt a berührt und der hintere Teil (Frequenz f&sub2;) des Pulses
trifft den gleichen Punkt a kurz danach ( = 50 usek.). Der
Puls P1 fährt dann über die Erdoberfläche zum Punkt b, wo der
vordere Teil des Pulses aufhört und eine kurze Zeit später
(
= 50 psek.) hört auch der hintere Teil (f&sub2;) des Pulses
auf. Figur 4 veranschaulicht einen gegebenen (eingefrorenen)
Augenblick, in welchem der Puls ein Gebiet, welches
schematisch als A in der Figur bezeichnet wird, erleuchtet.
Das Ziel M kann entweder ein punktförmiges Ziel oder ein
ausgedehntes Ziel sein und es wird angenommen, daß es sich
innerhalb z.B. des Gebietes A befindet. Die Erhellung des
Bereiches zwischen a und b führt zu einem Echo, welches sich
ausbreitet gemäß des Pfeils P3. Somit, wenn ein Puls
empfangen wird, wird die Empfangskeule so die Ausbreitung des
Pulses vom Punkt a zum Punkt b verfolgen und unter anderem
dazu führen, daß das Zielecho von der Antenne RA detektiert
wird. Die Verfolgung des Echos findet somit auf eine
konventionelle Weise statt, d.h. mit einer Empfangskeule,
welche mit Hilfe z.B. eines Phasenschiebers gesteuert wird.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Zeigerichtung
der Antennenkeule beim Empfang ebenfalls abhängig gemacht von
der Frequenz des übertragenen Pulses. Auf diese Weise ist es
möglich, die Spitze oder den Scheitel der Antennenkeule auf
den Punkt am Boden zu richten, wo eine entsprechende Frequenz
reflektiert wurde, während gleichzeitig das Echo au eine
konventionelle Weise verfolgt wird. Figur 5 veranschaulicht
drei verschiedene Antennenkeulen M0, M1, M2 für drei
verschiedene Frequenzen des übertragenen Pulses. Die zwei
äußeren Keulen M1, M2, welche in gestrichelten Linien
dargestellt werden, entsprechen jeweils den Frequenzen f&sub1; und
f&sub2;, während die durchgezogene Keule M0 z.B. der
Zentralfrequenz f&sub0; = f&sub2;+(f&sub1;-f&sub2;)/2 entspricht. Die
reflektierten Frequenzkomponenten kommen näher an die Spitze
der jeweiligen Keulen als in dem bekannten, in Figur 2
veranschaulichten Fall, und somit führen sie zu einem
konstanten detektierten Signal über das Frequenzband f&sub1;-f&sub2;.
Bei der Detektion in dem Radarempfänger werden
Pulskompressionen in der zuvor beschriebenen Weise verwendet
und das komprimierte Signal wird auch stärker sein als in dem
bekannten Fall, der in Figur 2 veranschaulicht wurde. Dies
ermöglicht es, die gute Auflösung des Radars zu erhalten
trotz des Abfahrens. Die Frequenzabhängigkeit der
Empfangskeule ist somit an die momentane Ausbreitung des
Echos und die Bandbreite des empfangenen Pulses angepaßt.
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Um die Amplitudenwichtung in der gewünschten Weise
auszugleichen ist es notwendig, die Frequenzempfindlichkeit
der Antenne auf eine passende Weise zu wählen. Die
hauptsächlichen Parameter, welche diese Wahl beeinflussen,
sind:
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die Radargeometrie (siehe Figur 6);
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die Länge des Radarpulses;
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die Bandbreite des Radarpulses.
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Die folgenden Symbole werden eingeführt zum Zwecke des
Erhalts eines Ausdrucks für die Frequenzempfindlichkeit dθ/df
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h = die Höhe des Radars über dem Boden
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θ = der Winkel von der Vertikalen zum Objekt (vom Radar aus
betrachtet)
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tp = die Dauer des Radarpulses (Zeit)
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B = Bandbreite des Radarpulses
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Δθ = die Momentanbreite des Radarechos vom Radar aus
betrachtet (Winkelbreite)
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Δw = die Momentanbreite des Radarechos
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dθ/df = die erforderliche Empfindlichkeit der Antenne auf die
Frequenz
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c&sub0; = Lichtgeschwindigkeit
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Die erforderliche Empfindlichkeit der Antenne auf die
Frequenz ist somit
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dθ/df = Δθ/B
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In normalen Fällen, wo c&sub0; tp « 2 h und 10º < θ< 40º kann
man einfacher ausdrücken als:
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In normalen Anwendungen wird die Keule über einen relativ
großen Winkelbereich θb-θa geführt; siehe Figur 4. Somit,
wenn die Momentanbreite w des Radarechos sich mit θ
verändert, wird die Frequenzempfindlichkeit der Antenne nicht
optimal sein über die Gesamtheit des Winkelbereichs. In einem
typischen Fall kann Δw um ungefähr 1:3 variieren. Im
schlimmsten Fall wird die Amplitudenwichtung reduziert um
einen Faktor von 10 und die Verstärkungsableitung wird
reduziert um einen Faktor 3 (Keulenbreite = 2,9º, die
Momentanbreite des Echos ist 0,4º bis 1,3º).
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Es ist auch möglich, eine variable Frequenzempfindlichkeit,
in anderen Worten θ, zu erhalten durch geeignete Auswahl von
z.B. der Normalrichtung θ&sub0; der Antenne in bezug auf die
Keulenrichtung, d.h. 90º> θ&sub0;> 0º. Dann ist es möglich, die
optimale Kompensation über den größten Teil des
Winkelbereiches θb-θa zu erhalten.
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Figur 7 ist ein vereinfachtes Blockschema einer Antenne zur
Erhaltung der gewünschten Zuführkeulen, welche
veranschaulicht sind in Figur 6. Die Antenne besteht im
wesentlichen aus drei Teilen, nämlich einer Anzahl von
Strahlungselementen, einem frequenzunabhängigen
Versorgungsnetzwerk OM und einem frequenzabhängigen
Versorgungsnetzwerk BM. Die Richtung der Empfangskeule
relativ zu der Normalrichtung der Antenne ist θ. Die
Phasenpositionen der einzelnen Strahlungselemente werden als
β&sub1;, β&sub2;,... bezeichnet und die entsprechenden Phasenpositionen
des empfangenen Signals werden als α&sub1;, α&sub2;, ... bezeichnet.
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Das frequenzabhängige Netzwerk BM liefert an seinem Ausgang
das empfangene Signal, welches pulskomprimiert werden soll in
dem Radarempfänger auf die bekannte Weise. Die
Phasenpositionen α&sub1;-α&sub5; eines empfangenen Signales hängen ab
von der empfangenen Frequenz f, so daß
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(α&sub1;-α&sub2;) (α&sub2;-α&sub3;) (α&sub3;-α&sub4;) (α&sub4;-α&sub5;) k Δf
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Da die Frequenz f des übertragenen Pulses um eine
Zentralfrequenz f&sub0; schwankt, soll k so ausgewählt werden, um
eine korrekte Winkelabhängigkeit der empfangenen Keule in
bezug auf die Frequenz zu erhalten. Der Koeffizient k kann
geschrieben werden als:
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k = dθ/df x dα/dθ
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In dem Fall von Keulenwinkeln θ nahe an der Normalen der
Antennenoberfläche, kann k geschrieben werden als
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k = dθ/df x 2π d / λ&sub0;
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wo dθ/df gegeben wird gemäß dem oben beschriebenen und λ&sub0; = der
freien Wellenlänge des abgestrahlten Feldes.
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Das frequenzunabhängige Netzwerk OM ist so aufgebaut, daß
(β&sub1;-α&sub1;), (β&sub2;-α&sub2;), usw. unabhängig sind von der Frequenz f und
bestimmt werden durch Steuerdaten C, welche dem Netzwerk OM
zugeführt werden. Diese Kontrolldaten bestimmen somit die
Position oder Richtung der Keule zwischen den Winkeln θb und
θa gemäß Figur 5. Der Richtungssinn der Keule wird gesteuert
auf eine Weise, so daß das Echo verfolgt wird von Punkt a zu
Punkt b gemäß Figur 5.
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Das frequenzabhängige Netzwerk BM kann auf die gleiche Weise
verwirklicht werden wie eine frequenzgesteuerte Antenne, die
z.B. in "Introduction to Radar Systems", Kapitel 8.4, Seite
298, Figuren 8.14 von Merril I. Skolnik gezeigt wird. Solch
eine Antenne besteht aus einer Anzahl von Strahlungselementen
und einer Anzahl von mit den Strahlungselementen verbundenen
Leitungsteilen, wobei jedes Leitungsteil eine Länge = l hat
und wo die Teile einen gegenseitigen Abstand = d haben. In
dem frequenzabhängigen Netzwerk BM werden die Leitungsteile
verbunden mit dem frequenzunabhängigen Netzwerk OM anstatt
mit den Strahlungselementen verbunden zu werden.
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Eine frequenzgesteuerte Antenne, welche luftgefüllte
dispersionsfreie Leitung hat, hat die Keulenrichtung θ&sub1;.
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sinθ&sub1; = l/d(1 - f&sub0;/f)
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worin θ&sub1; = θ&sub0;+Δθ und worin wenn θ&sub0; 0, die folgende
Gleichung gelten wird:
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sin (Δθ)/2 = l/2d Δf/f&sub0;
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welche, wenn Δθ klein ist, geschrieben werden kann als:
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Δθ = l/d B/f&sub0; [Rad]
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Somit wird die Länge l auf dem Leiter zwischen den
Antennenelementen gewählt, so daß
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l dθ/df x d/λ&sub0; x c&sub0;
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Zum Zwecke des Abfahrens der Keule über dem Winkelbereich θb-
θa (Figur 5), können z.B. digitale Phasenschieber verwendet
werden als das frequenzunabhängige Versorgungsnetzwerk OM. Es
kann auch passend erscheinen, irgendeine Form von
Frequenzübersetzung durchzuführen zwischen den
frequenzunabhängigen und den frequenzabhängigen Netzwerken OM
und BM, was andeutet, daß das frequenzabhängige Netz dann
innerhalb des mittleren Frequenzbereiches arbeiten wird.
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Figur 8 veranschaulicht wie die Amplituden-Frequenz-
Charakteristik verbessert wird mittels des vorgeschlagenen
Verfahrens (Kurve a1) im Vergleich mit der bekannten Technik
(Kurve a2), entsprechend der in Figur 3 gezeigten Kurve.