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Frequenzwandler mit Negativdiode
Die Erfindung betrifft Frequenzwandler, die mit einer mit negativer Widerstandscharakteristik behafteten Halbleiterdiode (einer sogenannten Tunneldiode) versehen sind.
Dioden, die aus einem Halbleiter bestehen und eine negative Widerstandscharakteristik zeigen, sind bereits dazu verwendet worden, um eine Umwandlungsverstärkung über einen vergleichsweise grossen Bandbereich bei guter Störungsfreiheit zu sichern. Die Frequenzumwandlung geht in einer solchen Schal- tung auf Grund einer nichtlinearen Zusammenarbeit eines modulierten Signales und einer örtlich erzeugten Schwingung in der Diode vor sich. Um eine solche nichtlineare Zusammenarbeit zu erreichen, ist die negativen Widerstand besitzendeDiode in Durchlassrichtung vorgespannt, damit sie in der Nähe der Punkte des Strommaximums oder des Minimums des Stromes, welche den Bereich des negativen Widerstandes definieren, arbeitet.
- Gemäss früheren Vorschlägen hat man die Diodenvorspannung durch eine äussere Gleichspannungsquelle bewirkt. Da die Diode zumindest für einen Teil des Arbèitszyklus in ihrem negativen Widerstandsbereich betätigt werden muss, um eine Frequenzumwandlung unter Verstärkung zu erhalten, ist eine solche äussere Gleichspannungsquelle Störeinflüssen zugänglich, die die Arbeit des Frequenzwandlers abträglich beeinflussen.
Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzwandler mit Negativdiode, die eine Stromspannungscharakteristik besitzt, die in der Rückwärtsrichtung eine grössere Stromleitfähigkeit gewährt als in der Vorwärtsrichtung und die in dem Bereich der Vorwärtsstromleitung einen nichtlinearen Bereich aufweist (Tunneldiode), wobei eine Quelle für modulierte Signale vorgesehen ist. ferner eine Quelle für Oszillatorschwingung, die den Signalen überlagert wird und die Diode an die Quelle der signalmodulierten Energie sowie an die Quelle der Schwingwellen angekoppelt ist.
Bei dieser Bauart kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, dass ein Gleichstromweg für die Diode ausgebildet ist, der einen Widerstand'32, 66, 126, ein- schliesst, wobei die Vorwärtsvorspannung. die über diesem Widerstand als Ergebnis der Gleichrichtung der an die Diode angelegten Wellenenergie entwickelt wird, die einzige Vorspannung ist, die an die Diode gelegt wird.
Bei einem erfindungsgemäss beschaffenen Frequenzwandler erübrigt es sich, eine getrennte Vorspannungsquelle vorzusehen. Infolgedessen hat ein solcher Frequenzwandler nicht nur einen einfachen Schaltungsaufbau, sondern er ist auch der Aufnahme von Störschwingungen, die von den vorspannenden Leitungsverbindungen stammen, über den negativen Widerstandsbereich der Diode weniger zugänglich.
Die Zeichnungen, die der Erläuterung der Erfindung dienen, zeigen in Fig. 1 die bekannte StromSpannungscharakteristik einer Halbleiterdiode, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet wird, in Fig. 2 ein schematisches Schaltbild, teilweise in Blockform, eines erfindungsgemässen Frequenzwandlers, in Fig. 3 und 4 zwei Schaltschemata, teilweise in Blockform, eines andern die Erfindung verwertenden Frequenzwandlers, in Fig. 5 den Schnitt durch die Trageinrichtungen einer Negativdiode, wie sie in der aus Fig. 4 ersichtlichen Schaltung verwendet wird, mit der Diode in schematischer Ansicht und in Fig. 6 das teilweise Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemässen Frequenzwandlers in Blockdarstellung.
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de eine hohe positive Leitfähigkeit zeigt, oder einen niedrigen positiven Widerstand in der Rückwärtsrichtung.
Wenn die in der Vorwärtsrichtung auftretenden Spannungen einen kleinen Wert besitzen, nimmt der
Anfangswert des Vorwärtsstromes als eine Funktion der Spannung zu, wie dies durch den Bereich b dar- gestellt ist, dessen Neigung eine hohe positive Leitfähigkeit ausdrückt. Wenn sich die Vorwärtsspannung weiter vergrössert, so erreicht der Vorwärtsstrom zuerst ein Maximum oder den Scheitelwert im Bereich c, welcher einen Bereich der Leitfähigkeit Null einschliesst, und beginnt dann zu fallen. Der Abfall im Vorwärtsstrombereich setzt sich über den Bereich d fort, welcher der Bereich des negativen Widerstandes ist, bis einStromminimum im Bereich e eingetreten ist. Darauf wendet sich dieCharakteristik in den üblichen Bereich f der Vorwärtscharakteristik einer Halbleiterdode.
Bereich e ist ein weiterer Bereich der Nulleitfähigkeit der Diode in der Vorwärtsrichtung.
Für eine angelegte Wechselspannung wird die durchschnittliche Leitfähigkeit der Tunneldiode grösser für Spannungsänderungen in der Rückwärtsrichtung als für Spannungsänderungen in der Vorwärtsrichtung. Demnach wird eine Tunneldiode ihr angelegte Schwingungen gleichrichten und der durchschnittliche Gleichstrom, der durch die Diode fliesst, wird in der Rückwärtsrichtung verlaufen oder, für den üblichen Stromfluss, von der der n-Type angehörenden Schichte der Diode zu der der p-Type angehörenden Schicht.
DieNeigung derStrom-Spannungscharakteristik der Tunneldiode zeigt ein grösseres Ausmass an Nichtlinearität, wenn der Übergang'von einer positiven zu einer negativen Neigung auftritt und umgekehrt, als in den Bereichen c bzw. e der Fig. 1. Wenn man daher die Diode so vorspannt, dass sie in diesen Bereichen arbeitet, erhält man die wirkungsvollste Mischung oder Überlagerung des angelegten Signals und der Oszillatorwellen. Gemäss der Erfindung kann der Arbeitspunkt entweder auf der positiven oder auf der negativen Neigung der Diodencharakteristik anschliessend an die Bereiche c oder e eingestellt werden.
Man hat jedoch besonders gute Arbeitsbedingungen eines erfindungsgemässen Frequenzwandlers erhalten, wenn die Diode so vorgespannt ist, dass sie im Bereich c oder nahe desselben arbeitet.
Gemäss Fig. 2 enthält der Frequenzwandler eine Halbleiterdiode 10 negativer Widerstandscharakteristik, die eine Anode 12 und eine Kathode 14 bildet. Eine Signalquelle, die hier als ein Signalgenerator 16 dargestellt ist, aber auch durch einen geeigneten Antennenkreis vorgestellt sein könnte, und eine Quelle 18 einer örtlich erzeugtenoszillatorschwingung sind an die Diode mittels eines gerichteten Kopplungsgliedes 20 (Richtungskoppler) gekoppelt. Der Richtungskoppler besteht aus einer Hauptübertragungsleitung 22. die ein Paar von parallelen Leitern 24 und 26 umfasst, und einer koppelnden Übertragungsleitung 28, die aus einem Leiter 30 und aus dem gleichen Leiter 26 besteht.
Demnach arbeitet der Leiter 26, der mit einem Bezugspotential führenden Punkt oder mit Masse verbunden ist. als Aussenleiter sowohl für die Haupt- als auch für die Übertragungsleitung 22 bzw. 28. Der gerichtete Koppler 20 kann
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sind, umfassen.
Der Signalgenerator 16 ist an das Eingangsende der Hauptübertragungsleitung 22 gekoppelt, wogegen der örtliche Oszillator 18 an die koppelnde Übertragungsleitung 28 angekoppelt ist. Die Diode 10 ist an das Ausgangsende der Hauptübertragungsleitung 22 angelegt, indem ihre Anode 12 mit dem Leiter 24 verbunden ist und die Kathode 14 an dem Leiter 26 oder an Masse liegt. Die Diodenanode ist ausserdem über die Primärwicklung eines Transformators 36 und einen eine Vorspannung erzeugenden Kreis, der die Parallelschaltung eines Widerstandes 32 und eines Kondensators 34 enthält, an Masse gelegt. Die Sekundärwicklung des Transformators 36 ist über die Eingangsklemmen eines Nutzkreises 38, der beispielsweise einen Zwischenfrequenzverstärker oder einen Zwischenfrequenzempfänger umfassen könnte, gelegt.
Im Betriebe werden Hochfrequenzsignale und aus dem lokalen Oszillator stammende Wellen unterschiedlicher Frequenzen an die Diode 10 mittels des gerichteten Kopplers 20 angelegt. Der gerichtete Koppler 20 schafft einen Einführungsverlust in der nach rückwärts weisenden Richtung, d. h. in der Richtung der zum Signalgenerator 16 wandernden Wellen, der viel grösser ist als jener in der Vorwärtsrichtung, d. h. in Richtung zur Diode 10. Diese Richtungswirkung der Wellenbewegung entkoppelt den Oszi1-- lator 18 vom Signalgeneratbr 16, wodurch die örtliche Ausstrahlung des Oszillators vermindert und auch die Belastung des Signalgenerators 16 durch den Ortsoszillator 18 vermindert werden.
Die Amplitude des Oszillators 18 wird so eingestellt, dass sie sowohl erheblich grösser ist als jene des Signalgenerators 16 als auch hinreichend gross ist, um die Diode 10 zu veranlassen, in der Rückwärtsrichtung mehr als in der Vorwärtsrichtung zu leiten. Daher werden die Oszillatorwellen von der Diode gleichgerichtet, und es ergibt sich ein resultierender Stromfluss durch die Parallelkombination des Widerstandes 32 und des Kondensators 34 gegen Masse. Die Richtung des Gleichstromflusses verursacht einen
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Potentialabfall über dem Widerstand 32, der eine solche Polarität besitzt, dass die Diode 10 in der Vor- wärtsrichtung vorgespannt wird. Die Schaltung entwickelt eine Gleichspannung, um die Diode 10 in der
Vorwärtsrichtung vorzuspannen, damit sie in dem Bereich c der Fig. 1 arbeitet, etwa um den Punkt P herum.
Der Glättungskondensator 34 trägt dazu bei, die Vorwärtsspannung auf einem ziemlich gleich- bleibenden Wert zu halten. Demnach benötigt man keine äussere Vorspannungsschaltung, um die Diode in dem nichtlinearen Bereich vorzuspannen.
DieSchwankungen des lokalen Oszillators und der hochfrequenten Schwingungen treiben die Diode 10 durch den nichtlinearen Bereich c in den Bereich d des negativen Widerstandes, Fig. 1. Die über dem
Bereich c auftretenden Amplituden verursachen eine nichtlineare Zusammenarbeit des angelegten Signa- les und der lokalen Oszillatorschwingung, wodurch Seitenbandfrequenzen entstehen. Die Aussteuerung in den negativen Widerstandsbereich d erlaubt es der Schaltung, eine Umwandlungsverstärkung zu liefern, die grösser ist als die Einheit, wenn die Amplitude der Spannungsschwankung des Lokaloszillators gross ge- nug ist, um die Diode 10 zu jedem Punkt (beispielsweise Pl) zu treiben, in welchem der Momentanwert des durch die Diode fliessenden Stromes kleiner ist als der Gleichstrom im Arbeitspunkt P.
Es ist anzu- nehmen, dass eineUmwandlungsverstärkung, die grösser ist als die Einheit, verlangt, dass ein hinreichend grosser Teil der Abweichungen der Oszillatorspannungen in den negativen Widerstandsbereich fallen müs- sen, um die Verluste auszugleichen, die während jener Zeit auftreten, während welcher sich diese Ab- weichungen im Bereich des positiven Widerstandes befinden. Der Nutzkreis 38 ist so abgestimmt, dass er das untere Seitenband der Zwischenfrequenz ausfiltert, welche mittels des Transformators 36 angelegt wird. Die Primärwicklung des Transformators 36 wirkt auch als eine Hochfrequenzdrossel, um zu verhin- dern, dass Signal-und Oszillatorwellen über die Diode 10 durch den Kondensator 34 kurzgeschlossen wer- den.
Der Nutzkreis 38 kann, wie schon früher erwähnt, einen Zwischenfrequenzempfänger umfassen, der die Zwischenfrequenzsignale so verarbeitet, dass man zu einem demodulierten Ausgang kommt.
Im Sinne der Erfindung erzeugt sich also eine Frequenzwandlerschaltung, die mit einer Tunneldiode versehen ist, eine Vorspannung für die Diode von selbst, so dass keine äussere Gleichstromquelle für diesen Zweck vorgesehen werden muss. Dadurch ergibt sich ein Frequenzwandler, der nicht nur wenig störanfällig ist, sondern auch geringeren Raum beansprucht und auch einfacher ist als die bereits bekannten, mit einer Negativdiode arbeitenden Frequenzwandler.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der eine Kopplungseinrichtung mit Richtwirkung in Wendelausführung an Stelle der im Frequenzwandler nach Fig. 2 verwendeten Mikrostreifenausführung verwendet ist. Zusätzlich sind noch Mittel vorgesehen, um die zwischen den Klemmen der Negativdiode auftretenden Reaktanzen durch Abstimmeinrichtungen auszuschalten.
Der Negativdiode 40 werden über einen gewendelten Koppler 42 Signal- und Oszillatorwellen angelegt. Der Richtungskoppler 42 beinhaltet eine Hauptwendel 44 und eine damit gleichachsig gewickelte Kopplungswendel 46. Ein Signalgenerator 48, dessen eine Ausgangsklemme geerdet ist, ist mit dem Eingangsende der Hauptwendel 44 verbunden, während der lokale Oszillator 50, dessen eine Klemme ebenfalls geerdet ist, mit dem Eingangsende der Kopplungswendel 46 verbunden ist. Die Anode der Diode 40 ist an das Ausgangsende der Hauptwendel 44 gekoppelt, während ihre Kathode geerdet ist. um den Gleichstromweg zu vervollständigen.
Die Diode 40 ist in einer abgeschirmten Hülle, einem Metallbehälter 52, untergebracht, von der mehrere gleichachsige Verbindungsleiter 54, 56, 58 abstehen. Die Diode 40 ist derart angeordnet, dass ihre Anode mit dem Innenleiter der Eingangsleitung 54 in leitender Verbindung steht, die ihrerseits mit dem Ausgangsende der Hauptwendel 44 verbunden ist. Die Anode der Diode 40 steht ausserdem elektrisch mit dem Innenleiter der Ausgangsleitung 56 über eine Hochfrequenzdrossel 60 in leitender Verbindung. Die Hochfrequenzdrossel 60 verhindert, dass Wellenenergie hoher Oszillatorfrequenz über die Diode 40 herum weitergeleitet wird.
Die Kathode der Diode 40 ist elektrisch mit dem Innenleiter der Leitung 58 verbunden, mit der eineKoaxialabstimmeinrichtung 62 derart mechanisch verbunden ist, dass der innere und der äussere Leiter der Leitung 58 und die Abstimmeinrichtung 62 auch elektrisch miteinander verbunden sind. Es ist eine wegnehmbare Kappe 64 an der Abstimmleitung 62 vorgesehen, so dass der Innenleiter und der Aussenleiter der Abstimmeinrichtung 62 über sie elektrisch verbunden sind. Die abgeschirmte Hülle 52 ist geerdet, wodurch auch die Aussenleiter der Koaxialleitung 54 und 56 und die Aussenleiter der Abstimmeinrichtung 62 und der Leitung 58 geerdet werden. Der Signalausgang der Negativdiode 40 wird an einen Widerstand 66 angelegt, der an den Klemmen des Nutzkreises, z. B. einem Zwischenfrequenzempfänger, angeschlossen, ist.
Die Wirkungsweise des aus Fig. 3 ersichtlichen Frequenzwandlers ist ähnlich jener des in Fig. 2 dargestellten Wandlers, wobei die zwischen dem Innen- und dem Aussenleiter des Koaxialleiters 56 beste-
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hende Kapazität die Aufgabe des Glättungskondensatdrs 34 der Fig. 2 übernimmt. Der Ausgang des in
Fig. 3 dargestellten Frequenzwandlers kann verbessert werden, indem man die zwischen den Klemmen der
Diode 40 auftretende Reaktanz durch Abstimmung unwirksam macht. Diese Reaktanz besteht primär aus der zwischen den Elektroden der p-n-Stossstelle der Diode bestehenden Kapazität sowie aus der Induktanz I der dort angeschlossenen Leitungen.
Diese Reaktanz stellt für Hochfrequenzsignale, die der Diode 40 an- gelegt werden, einenkurzschluss dar und vermindert die hochfrequente Abstrahlung des Frequenzwandlers.
Durch eine mechanische Einstellung der Länge des Abstimmgliedes 62 mit dem Ziele der Herstellung einer
Parallelresonanz mit der Diodenreaktanz bei Signalfrequenzen wird der Kurzschlusseffekt vermindert und der Ausgang des Frequenzwandlers vergrössert.
Gemäss Fig. 4 ist ein T-Form besitzendes Verbindungsstück 70 vorgesehen, um eine passende Tragan- ordnung füreineTunneldiode 72 zu erhalten. Das T-Verbindungsstück 70 enthält zusätzlich zu einem Ein-
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undtung 62', die ähnlich der Abstimmleitung 62 der Fig. 3 beschaffen sein kann, mechanisch oder elektrisch verbunden sein möge.
Wie man aus der Fig. 5 erkennt, enthält das T-Verbindungsstück 70 eine mittlere abgeschirmte Kammer 82, in der sich die Innenleiter der Eingangs- und der Ausgangsleitung 74 und 76 mit dem Innenleiter der Verbindungsleitung 78 in einem mittleren Verbindungspunkt 90 treffen. Elektrisch isolierende Tragglieder 92, welche die Innenleiter der Verbindungsstücke 74, 76 und 78 tragen und von ihren Aussen-
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nehmen. Die Diode ist der besseren Übersichtlichkeit halber schematisch dargestellt. Die Diode 72 ist in den Abstandhalter 94 so eingesetzt, dass ihre Kathode mit dem Verbindungspunkt 90 in elektrischem Kontakt steht. Das T-förmige Verbindungsstück 70 ist ausserdem mit einer Stellschraube 96 versehen, die nach ihrem Anziehen die Diode 72 starr in der Kammer 82 sichert. Demnach ist in dieser Ausführungsform der Erfindung die.
Anode der Diode 70 starr mit den Aussenleitern der Koaxialleitungen 74,76 und 78 elektrisch verbunden, die ihrerseits geerdet sind. Daher ist, damit das Auftreten eines direkten Kurzschlusses über der Diode 72 verhindert ist, das Ende der Abstimmleitung 62'für den Gleichstromdurchgang offen gelassen, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist.
Gemäss Fig. 6 ist ein störungs armer Betrieb eines Frequenzwandlers auf eine der Erfindung entsprechende Weise erreicht. Wellen, die von einem Signalgenerator 100 und einem lokalen Oszillator 102 stammen, werden einem Richtungskoppler 104 üblicher Ausführung zugeführt, dessen Ausgang an die Tunneldiode 106 über einen Impedanztransformator 108 zugeführt wird. Die Primärseite des Transformators 108 enthält die Serienschaltung einer festen Induktivität 110 und eines veränderbaren Kondensators 112, wogegen die Sekundärseite die Serienkombination einer festen Induktivität 114 und eines ver- änderlichen Kondensators 116 enthält.
Die Tunneldiode 106, die über die Sekundärwicklung des Trans- formators 108 angekoppelt ist, ist auch mit einem Nutzkreis, etwa einem Zwischenfrequenzempfänger 118, über eine Induktivität 120 verbunden.
Ferner ist ein vorspannungserzeugender Schaltungsteil vorgesehen, der eine Hochfrequenzdrossel 122 und die damit in Serie geschaltete Parallelkombination eines Festkondensators 124 und eines variablen Widerstandes 126 enthält und insgesamt über der Diode 106 liegen.
Der störungsarme Betrieb eines Frequenzwandlers kann unter den folgenden Bedingungen erreicht werden :
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1G : G = 0, 01 : 0, 02 = 0, 05, was zu hoch ist.
0 g
Um dieses Verhältnis zu vermindern, benötigt man eine solche Impedanztransformation, dass ein G von 1 mho über die Diode von 106 reflektiert wird. Der doppelt abgestimmte Schaltkreis des Transformators 108 der Fig. 6 war so eingestellt, dass sich diese Impedanztransformation ergab. Ausserdem sollte
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wobei 1 der Gleichstrom der Tunneldiode ist, sollte I gleich oder kleiner sein als 0,5 mA. Diese Be- dingung wird erfüllt, indem man eine Schwachstromtunneldiode verwendet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Frequenzwandler mit Negativdiode, die eine Stromspannungscharakteristik besitzt, die in der Rückwärtsrichtung eine grössere Stromleitfähigkeit gewährt als in der Vorwärtsrichtung und die in dem Bereich der Vorwärtsstromleitung einen nichtlinearen Bereich aufweist (Tunneldiode), wobei eine Quelle für modulierte Signale vorgesehen ist, ferner eine Quelle für eine Oszillatorschwingung, die den Signalen überlagert wird und die Diode an die Quelle der signalmodulierten Energie sowie an die Quelle der
Schwingwellen angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstromweg für die Diode ausge- bildet ist, der einen Widerstand (32, 66, 126) einschliesst, wobei die Vorwärtsvorspannung,
die über die- sem Widerstand als Ergebnis der Gleichrichtung der an die Diode angelegten Wellenenergie entwickelt wird, die einzige Vorspannung ist, die an die Diode gelegt wird.