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EMI1.1
SYST'L,i.Ml DE RECEPTION RADIO;?f-IOI;1.>,Ul.
La présente invention se rapporte à un système de réception radiophonique, et particulièrement à des méthodes et à des appareils pour perfectionner le rapport signal-bruit dans un récepteur radio- phonique.
Les causés du bruit de fond dans les circuits d'entrée des récepteurs sont bien connues, et consistent principalement en l'ef- fet Johnson ou effet dû à l'échauffement des éléments qui composent le circuit, en les effets dûs aux irrégularités de l'émission élec- tronique de la cathode de la lampe dans le circuit d'entrée et en- fin en l'ionisation dans la lampe. Dans un récepteur de bonne quali- té on prend plusieurs précautions pour réduire au minimum le bruit de fond, par exemple : unelampe, ayant une haute valeur dtamplifica- tion est employée dans le circuit d'entrée e/dans le circuit de la plaque de cette lampe est inséré un circuit de haute qualité lequel permet l'utilisation de toute l'amplification de la lampe.
Dans le circuit de la grille est inséré un autre circuit de haute qualité
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qui augmente l'intensité du signalà un haut niveau par rapport au bruit provenant de la lampe. Quand toutes ces précautions ont été prises, il est constaté qu'en général le circuit accordé de la grille provoque une augmentation du bruit de fond dû. apparemment à l'effet Johnson dans ce circuit.
Il est connu que le rapport signal-bruit diminue avec la décroissance de l'amplification dans le premier étage du récepteur et il est un usage courant dans les circuits employant des radio-- goniomètres (où le rapport à une importance particulière ) d'employ er la plus haute amplification possible dans 'a lampe du premier étage. Il a été constaté que, quand l'amplification de la lampe est diminuée le bruit diminue moins rapidement que le signal et que le récepteur dans son ensemble fonctionne moins bien que dans le cas d'une plus grande amplification.
Il est connu aussi que l'énergie sortante du bruit augmen- te proportionnellement avec la largeur de la bande du récepteur.
C'est pourquoi ,dans un récepteur de bonne qualité toute la sélec- tivité possible est employée pour un signal modulé donné.
.Le tableau suivant donne un exemple de rapportsignel- bruit, qui peut être obtenu sous de bonnes conditions pour une sé- lectivité donnée.
EMI2.1
<tb>
Tension <SEP> haute <SEP> fré- <SEP> Type <SEP> de <SEP> Rapport <SEP> signal-
<tb>
<tb> Sélectivité <SEP> quence <SEP> sur <SEP> la <SEP> pre- <SEP> signal <SEP> mo- <SEP> bruie <SEP> la <SEP> sortie
<tb>
EMI2.2
¯¯¯ miére,, ài±li e ¯¯¯¯ ¯¯ ¯¯¯¯ dulé ¯ basse fréouence.
2 Kc -6 db 0,7 a. 0,9 30;. avec , 10 db-étant -perte- microvolts 400 cycles/sec..5 milliwats
EMI2.3
<tb> pour <SEP> le <SEP> bruit
<tb>
EMI2.4
4 Kc -20 db et 50 ;;iî.l,ii..iats
EMI2.5
<tb> 'perte- <SEP> pour <SEP> le <SEP> signal
<tb>
Sous les mêmes conditi ons, avec une largeur de bande de un kilo cycle /le' rapport de puissance du signal-bruit augmente';20, étant en ef- . fet 16 db. Le rapport signal-bruit dans un récepteur dépend de toute évidence de l'amplitude de la tension haute fréquence appli- quée sur le circuit d'entrée du récepteur. Si le volume de la ten- sion à haute fréquence est accru, le rapport signal-bruit est aug-
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mente.
Sous plusieurs conditions, le signal d'entrée peut être aug- menté, en accroissant la hauteur effective du collecteur d'ondes ou système d'antenne. Cependant, pour l'aviation il est difficile d'augmenter substantiellement la hauteur effective du système d'an- tenne, puisque l'espace disponible est extrêmement limité. Dans le système de recherche-de.la direction, employant des cadres et des goniomètres sur avions une indication de la direction est obtenue en tournant le goniomètre ou, dans certains cas, le cadre jusqu'à ce que le signal minimum soit obtenu. La précision de l'indication dépend du rapport signal bruit. Pour des signaux très faibles le rapport détermine le montant de la rectification à faire au cadre ou au goniomètre pour trouver les deux côtés de l'angle déformé par le bruit.
Aussi, quand le récepteur est,installé à une grande dis- tance du système d'antenne, l'indication devient moins précise,.à cause de la perte dans la ligne entre.l'antenne et le récepteur.
La perte qui résulte de là transmission du signal le long d'une ligne est définitive.
C'ést un objet de l'invention de perfectionner le rapport signal-bruit dans un récepteur radiophonique.'
Un autre objet de l'invention est de perfectionner le rapport signal-bruit dans des systèmes de réception où le système d'antenne est à une certaine distance du récepteur.
En accord avec un ensemble de l'invention on prévoit un étage 'd'accouplement, ayant une forte contre réaction négative ét adja- cente à l'antenne réceptrice. La ligne de transmission du système d'antenne réceptrice est connectée entre une résistance ou impédance dans le circuit de la cathode de l'étage d'accouplement, et l'entrée du récepteur. En accord avec un autre ensemble de l'invention on prévoit dans le système récepteur un étage d'accouplement à forte contre-réaction négative entre le système d'antenne réceptrice et un réseau élévateur de la tension dans l'étage d'entrée du récep- teur.
Le réseau élévateur de la tension peut être un transformatei,r ou un transformateur et un circuit accordé ou autres réseaux simi- laires.
@
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En accord avec une autre caractéristique de l'invention, on prévoit un étage d'accouplement à forte contre-réaction négative et adjacente à l'antenne réceptrice. La ligne de transmission du système récepteur est connectée entre une résistance, ou impédance, dans le circuit de la cathode de l'étage d'accouplement et l'entrée du récepteur. Un circuit ayant une faible valeur de Q, où Q repré- sente le rapport de la réactance à la résistance du circuit, tel un transformateur haute-fréquence donnant une augmentation de l'im- pédance, est inséré soit dans l'étage d'accouplement ou soit à l'entrée du récepteur.
Par un ajustage approprié de la valeur de Q, ou du rapport de la transformation, de la manière décrite en rela- tion avec la description détaillée de l'invention un rapport signal- bruit amélioré peut être obtenu au récepteur.
L'invention sera plus compréhensible en se référant à la description détaillée qui suit, faite en connexion avec les dessins ci-joints dans lesquels :
La figure 1 montre un étage d'accouplement ayant une forte contre-réaction négative, un étage d'entrée d'un récepteur et une ligne de transmission interconnectant ces deux étages:
La figure 2 montre une modification du circuit de la fig.l, comprenant un circuit ayant une faible valeur de C.
La figure 3 est un diagramme employé dans la description du fonctionnement des appareils de l'invention.
Les figures 4 et 5 montrent l'invention appliquée à des systèmes de radiocompas employant des cadres.
La figure 1 montre un étage d'accouplement comprenant une lampe triode Ll, dont la grille peut êtreconnectée à une source que-Lconque de fréquence Radio, tel un cadre.. La résistance 1 dans le circuit de la cathode de la lampe Ll fonctionne comme une charge pour cette lampe, et comme résistance d'accouplement pour la ligne de transmission 2. La ligne de transmission 2 est de préférence une ligne à basse impédance, comme par exemple une ligne coaxiale, et l'impédance 1 est ajusté pour compenser l'impédance de la ligne, ou inversement l'impédance de la ligne est ajustée pour compenser
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l'impédance 1, la valeur de l'impédance 1 étant contrôlée par le . type de la lampe Ll employé.
Si nécessaire un condensateur de dé- couplage peut être connecté en série avec la ligne 2. Excepté pour l'impédance dans le circuit d'entrée de l'étage d'accouplement et de la source de l'anode, la grille de la lampe Ll est connectée directement à la plaque de la lampe. Ce qui veut dire qu'il.y a une forte contre-réaction négative entre le circuit plaque et le circuit de la grille, et cette forte contre-réaction fait en sorte que la tension du signal, produite à travers la résistance 1 est plus petite que la tension du signal appliquée à la grille. En d'autre mots : le signal sortant de l'étage est plus petit que le signal d'entrée, mais le signal de sortie passe à travers une im- pédance beaucoup plus petite. Il n'y a pas d'amplification de la tension, mais une amplification appréciable d'énergie.
La ligne de transmission 2 est connectée à l'entrée du récepteur à la grille de la lampe triode L2, Le circuit cathodique de la lampe d'entrée du récepteur, montré dans la figure 1, comprend la résistance de polarisation habituelle 3, et le condensateur dérivé 4.
A la place de la résistance 1, montrée dans le circuit de la cathode de la lampe Ll, un circuit comprenant une résistance en .série avec un condensateur et une impédance en parallèle, peut être connecté dans le circuit de l'anode pour donner un effet sélectif à la fréquence du signal d'entrée. De même, à la place de la lampe triode, comme montré, d'autres types de lampes peuvent être em- ployés, tel par exemple des lampes pentodes.,
Le circuit montré à la figure 1, améliore la transmission du signal haute fréquence du système d'antenne vers le récepteur à cause de la transformation de l'impédance effectuée par l'étage d'accouplement. L'emploi d'un circuit simple à préamplification, adjacent à l'antenne, ne donnera pas les résultats obtenus par l'emploi de l'étage d'accouplement décrit plus haut.
Malgré que l'étage d'accouplement ne compense pas la perte dans le circuit de transmission, le signal à l'entrée du récepteur est plus grand
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que dans le cas de l'emploi de méthodes ordinaires de transmission et sans étage d'accouplement, et le rapport signal-bruit sera. donc amélioré dans le récepteur.
Un préamplificateur ordinaire augmen- tera le signal dans le récepteur .lais il introduira en êre temps du bruit, qui affecters d'avantage le signal renforcé. L'étape d'accouplement de ceue Invention, ayant une forte contre-réaction négative, n'introduit donc pas de bruit dans le système, br@it pro- venant de l'étage d'accouplement lui même.
De même, l'étage d'ac- couplement, à cause de la contre-réaction, n'amplifie pas la Son- sion du signal reçu, avant la transmission au récepteur, mais au contraire il améliore plutôt l'efficacité de la transmission. Il est bien entendu que l'on peut employer d'autres méthodes afin d'obtenir la contre-réaction négative, mais on préfère la méthode montrée, vu la facilité d'obtenir une forte contre-réaction néga- tive.
Une modification de l'arrangement préféré de l'invention est montrée dans la figure 2. Dans cette figure, l'étage d'accouplement comprend une lampe L3, une résistance cathodique 1 et des résistan- ces de chute 5 et 6, qui alimentent la grille 7 avec un potentiel négatif. Comme dans la figure 1 , la lampe L3 de la figure 5 , peut être aussi une lampe triode. Une ligne de transmission 2, couplée à la résistance 1 au moyen du condensateur de couplage 19, couple l'étage d'accouplement à 11 étage récepteur. Un circuit de couplage ayant une faible valeur de est désigné généralement par 8.
Ce circuit à faible valeur de @ comprend une bobine 9 et un condensa- teur en parallèle avec celle-ci, et marqué 10. une bobine de cou- plage 11 couplela ligne de transmission 2à la bobine 9 et au cir- cuit d'entrée du récepteur.
L'introduction du circuit8 faible valeur de 0, dans le circuit de transmission, entre l'étage d'accouplement et le récep- teur, produit un effet inattendu et important.
Les courbes montrées dans le diagramme de la figure 3, aide- ront à décrire cet effet. Avec l'oscillateur 12, qui produit un signal ci.'environ 500 Kilocycles, modulé 30% par un ton de 400 cycles
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comme source du signal, les caractéristiques montrées dans la fig.3 sont obtenues. La courbe (1) indique la tension sur la grille de la lampe réceptrice L2, avec l'oscillateur connecté directement à celle-ci. La tension mesurée sur'cette grille est de . 70 microvolt: pour un rapport signal-bruit de 10 db à la sortie du récepteur. Du- rant toute l'épreuve le rapport signal-bruit à la sortie du récep- .teur était maintenu constant à 10 db.
Avec un circuit 8 sans valeur Q dans le circuit d'entrée de la lampe L2-(avec seulement une con- nexion directe à haute fréquence entre la résistance 1 et la grille de la lampe L2) les tensions requises sur la grille de la lampe L3, avec des valeurs variantes de la résistance cathodique pour la lampe L3, sont montrées par les valeurs de la courbe (2). Il a été consta- té que par l'introduction d'un circuit 8 avec une faible valeur de comme montré dans la figure 2, ayant une valeur de Q d'environ 4, la courbe indiquée (3) était obtenue. En augmentant la valeur de Q d'environ 5 à 6, la courbe indiquée (4,) était obtenue d'une façon similaire.
Comme montré par la.courbe (2) de la figure 3, le circuit de la figure 2, sans circuit à faible valeur de Q dans le circuit de transmission provoque une perte dans le rapport du signal-bruit d'environ 4 à 5 db.
Les courbes de la figure 3 montrent la valeur de la variation du signal reçu, nécessaire pour produire un rapport signal-bruit donné à la sortie du récepteur comme une fonction de la résistance cathodique. Les variations de la tension du signal requises, dé- montrent les améliorations apportées par l'invention pour une valeur donnée du rapport signal-bruit. Quand la tension du signal,requis à la grille de la lampe L3, est plus petite pour un rapport signal- bruit donné à la sortie du récepteur, la transmission de la tension du signal entre l'antenne et le récepteur est plus efficace . Avec une transmission plus efficace du signal et un bruit de fond sub- stantiellement constant,le rapport signal-bruit dans le système ré- cepteur augmente pour un signal donné.
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Par l'introduction d'un circuit ayant une valeur Q d'environ 4, et une résistance cathodique d'environ 200 ohms pour une lampe d'accouplement du type 1852, l'efficacité de la transmission dépasse de loin la valeur obtenue quand le circuit Q n'est pas employé com- me il est montré par la courbe (3). Alors le signal d'entrée né- cessaire à produire un rendement ayant un rapport signal-bruit de 10 db, est approximativement de 1.1 microvolt plus petit que le signal nécessairequand le circuit Q n'est pas prévu dans le cir- cuit de transmission entre la lampe d'accouplement et l'entrée du récepteur. En augmentant .. d'une valeur entre 5 et 6, le volume du signal d'entré nécessaire est de nouveau réduit.
Cependant,en aug- mentant plus encorela valeur de @, il est constaté expérimentale- ment qu'aucune amélioration plus grande ne peut être obtenue, mais qu'au contraire, le bruit de fond, introduit par la première lampe, commence àdiminuer le rapport signal-bruit. Donc pour améliorer le rapport. signal-bruit, on préfère insérer des circuits ayant une valeur de Q comprise approximativement entre1.0 à 10 dans le cir- cuit de transmission.
Quoiqu'on ai fait connaître un circuit ayant une faible va- leur de Q dans l'ensemble préféré de l'invention, il est possible d'employer d'autres réseaux élévateurs de la tension ou des disposi- tifs tel que des transformateurs à bandes larges, pour obtenir les résultats voulus.-Il ressort clairement par une explication brève du principe de l'invention que l'emploi de tels réseaux est possible Supposons par exemple qu'un étage amplificateur ordinaire soit inséré entre le système d'antenne et le récepteur. Si entre l'étage amplificateur et l'entrée du récepteur, il n'y a pas de ligne de transmission, l'effet obtenu est le même que si un autre étage était ajouté au récepteur: à l'entrée du récepteur il n'y aura donc pas dtamélioration dans le rapport signal-bruit.
Au contraire il y aura une légère perte, causée par l'introduction d'un bruit additionnel, provenant de l'étage ajouté. S'il y a une ligne de transmission entre 11 aiiipliri ca beur et le récepteur, des réseaux compensateurs
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'de l'impédance doivent être employés à la sortie de l'amplificateur et à l'entrée du récepteur. Ces circuits provoquent des pertes dans le système, et nonobstant le renforcement par cet arrangement de la tension du signal à l'entrée du récepteur, l'amplificateur addition- nel réduit le rapport signal-bruit à l'entrée et les circuits eux- mêmes peuvent introduire du bruit, et réduire d'avantage encore le rapport.
Quand un étage d'accouplement ou un amplificateur, ayant une forte contre-réaction négative, est employé en accord avec la présente invention, il y a une compensation de l'impédance entre l'amplificateur de l'étage et la ligne, avec une petite perte dans la tension du signal, et sans augmentation du bruit. Dans l'arrange- ment décrit plus haut, employant un amplificateur ordinaire, une compensation de l'impédance entré l'amplificateur et la ligne, était cause d'une réduction considérable de la tension du signal, et pour remédier à cette réduction, il était nécessaire de faire usage d'un réseau terminal de ligne ayant un grand rapport d'élévation de la tension. Le bruit introduit dans un système par l'emploi de ces ré- seaux augmente proportionnelement à la transformation requise.
Dans le système de la présente invention, puisque par l'emploi d'un am- plificateur à contre-réaction négative il n'y a pas de diminution substantielle de la tension du signal sur la ligne, un réseau ayant un petit rapport d'élévation de la tension, peut être employé pour terminer la ligne . Sur la grille de la lampe de l'étage d'entrée du récepteur est donc produit une tension du signal égale ou plus grande en volume que la tension du signal produit sur cette grille par le système mentionné plus haut sans l'emploi de circuits produc- teurs de bruit.
La sortie de l'étage d'accouplenent étant d'une basse impédance (200 ohms par exemple), le bruit causé par ltéchauf- fement dans l'étage d'accouplement, correspond seulement au bruit leger-de la tension qui passe au travers de cette basse impédance.
En couplant l'amplification à contre-réaction négative directement au réseau élévateur de l'entrée du récepteur, un même résultat peut être obtenu dans les systèmes sans ligne de transmission. Pour per-
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fectionner plus encore le rapport signal-br uit, il est possible de connecter plusieurs étages d'accouplement du type montré dans la fig.2, en cascade avec les réseaux élévateurs associés. Cependant, dans cet arrangement, l'amélioration obtenue par l'addition de chaque étage, diminue graduellement. Quand plusieurs étages sont connectés en cascade, ils peuvent être connectés tous devant la ligne de transmission, ou une partie peut être connectée devant l'autre partie derrièrela ligne.
Le rapport de transformation employé dans le système de la présente invention est détermina principalement par l'impédance introduite par le réseau élévateur . Il a été constaté que l'impé- dance du réseau élévateur modifie l'impédance du circuit de la contre-réaction et le fonctionnement de l'amplificateur à contre- réaction, et pour éviter l'introduction de bruits par l'amplifica- teur, une forte contre-réaction, produite par un réseau substan- tiellement résistant est nécessaire. Il est donc désirable de tenir le rapport de transformation à une valeur faible, par exemple entre 1.0 et 10,' et de préférence entre3et 7, 5 étant la valeur préfé- rée.
::ne bobine de couplagepeut être employée à la place de, ou en conjonction avec la résistance anodique 1. Par l'emploi de cette bobine de couplage, il est possible d.e coupler le circuit à faible valeur de Q, à l'extrémité de l'étage d'accouplement plutôt qu'à la,fin de l'étage récepteur. Dans ce cas, la ligne de transmission 2 peut être connectée à la grille de la lampe L2 soit directement ou soit au moyen d'une impédance d'accouplement. Cependant, avec cette modification, il est nécessaire de garder, l'impédance du' circuit cathodique de la lampe L3,à une faible valeur, et encore faut-il un couplage lâche entre la bobine d'accouplement dans le circuit cathodique de la lampe L3 et le circuit à faible valeur de Q.
Il faut un couplage lâche, de telle façon que le circuit à faible valeur de Q n'ait pas d'effet substantiel sur la contre-réaction de l'étage d'accouplement. Four éviter les difficultés d'accouplage
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dans le montage préféré, le circuit à faible valeur de Q est inséré dans l'étage entrant du récepteur. Aussi, pour éviter des effets nuisibles à la contre-réaction négative de l'étage d'accouplement on préfère employer au lieu d'une valeur produisant une intensité maximum du signal, une valeur de Q. égale à 5. Dans tous les cas, la valeur de Q est spécifique à la fréquence de la réception.
S'il est nécessaire, il y a moyen d'employer deux lignes entre l'étage d'accouplement et le récepteur et de connecter ces lignes de manière que la bobine 11 soit en série avec la résistance 1.
Dans ce cas, le circuit de la cathode à la terre sera comme suit: de la cathode à une extrémité de la bobine 11 par une ligne avec retour de l'autre extrémité de la bobine 11 au moyen de l'autre ligne vers une extrémité de la résistance 1, et à travers la résis- tance 1 à la terre. Un condensateur de découplage peut être connec- té aussi,en parallèle avec la résistance 1.
Par un ajustage approprié de Q du circuit 8, et du couplage entre la bobine inductrice et le circuit, il y a moyen de compenser la perte due à la ligne de transmission. Une perte dans la ligne de transmission peut être égalisée par une augmentation dans le gain de la tension à travers le circuit Q. Cependant, comme mentionné plus haut, ce gain en voltage ne peut être augmenté à une valeur trop haute parce que dans ce cas., le bruit de fond introduit par l'étage d'accouplement , annule le gain du rapport signal-bruit, obtenu par l'emploi du circuit à faible valeur de Q.
L'amélioration obtenue par la présente invention est avanta- geuse à tous les systèmes de réception, et elle l'est particulière- ment aux systèmes employant des antennes à faible hauteur effective, tel que les systèmes à radiogoniomètre et les systèmes radio-compas.
L'application de l'invention à un système radio-compas est montré dans la figure
Dans la quantité d'installations de réception radio-compas, l'antenne se trouve à une certaine distance du récepteur. Pour ces installations, on a proposé de monter l'étage d'accouplement im-
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médiatement adjacent au cadre récepteur et de relier l'étaged'ac- couplement au récepteur au moyen d'un conducteur à basse impédance.
Dans la figure 4, un cadre 13 accordable par le condensateur 14 est connecté à l'étage d'accouplement. Le cadre 13 est installé à dis- tance du récepteur et l'étage d'accouplement est monté immédiatement adjacent au cadre. Les autres éléments de la figure 4 sont les mêmes que ceux de la figure 2. Le cadre peut être accordable ou non.
Quand, comme montré le cadre est accordable, l'accord peut être réalisé au moyen des types de mécanismes de contrôle à distance connus.
Dans les systèmes Radio-compas, employant 2 cadres et un goniomètre, l'étage d'accouplement peut être connecté dans le cir- cuit récepteur qui se trouve immédiatement après le goniomètre.
Dans ce cas seulement, un seul étage d'accouplement est nécessaire.- Cependant, de préférence deux étages d'accouplement sont employés, un dans chaque ligne entre le cadre et la bobine du goniomètre cor- respondante. La figure 5 montre cet arrangement, et dans cette fig. les cadres 15 et 17 qui peuvent être accordés par les condensateurs 16 et 18 respectivement sont connectés au goniomètre au moyen des étages d'accouplements pourvus des lampes Ll et L'l. Des résistances cathodiques séparées 1 et l' sont ajoutées aux lampes Ll et L'l.
Les étages d'accouplement et le restant du circuit de la. figure 5, sont les mêmes que l'étage d'accouplement et la ligne de transmis- sion et le circuit récepteur de la figure 2. Comme déjà expliqué pour la figure 4, les étages d'accouplement sont montés de préfé- rence immédiatement adjacents au cadre. Aussi, malgré que l'on ai montré les cadres 16 et 17 comme étant accordable , le cadre peut être à volonté accordable ou non. Dans les systèmes de réception fixes, tels les systèmes de réception des stations terrestres, il y a très souvant une longue ligne de. transmission entre l'antenne réceptrice et le goniomètre.
Dans ces systèmes l'étage d'accouple- ment peut être installé juste derrière le goniomètre, mais de pré-
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férence, l'étage d'accouplement sera monté adjacent à l'antenne réceptrice. En vue de réaliser tout.le bonifiée qu'offre la présente invention, il est dans ces systèmes avantageux d'augmenter l'impé- dance du circuit qui précède l'étage d'accouplement, pour compenser l'impédance d'entrée de l'étage.
Il faut noter que si des goniomètres sont employés dans les systèmes de réception il en résulte une perte de transmission consi- dérable, parce que le coefficient de couplage de ces goniomètres n'est pas très élevé. Connue résultat, la chaîne des circuits com- prenant le goniomètre, n'a pas une haute valeur de Q. Au contraire, ces circuits ont une valeur de Q relativement faible et puisque c'est un but de l'invention d'intercaler un circuit, ayant une faible valeur de Q, dans'le circuit suivant l'étage d'accouplement, l'invention est applicable spécialement aux systèmes employant des goniomètres et à cause tout d'abord de la compensation de la perte dans.la transmission, et ensuite à cause de la coopération entre l'étage d'accouplement et les cirduits du goniomètre.
Il a été constaté expérimentalement que dans le système men- tionné, une perte de 6db dans le goniomètre peut être transformée en un gain de 4db, à condition que le circuit soit arrangé en accord avec la présente invention. Il y a donc une augmentation de 10 db de la valeur du signal obtenue normalement. Si ces systè- mes emploient des cadres accordés, un gain supplémentaire de 6 à 8 db peut être obtenu aussi, mais bien entendu, ce gain n'est pas dû à l'emploi du circuit de la présente invention. Quand les cadres sont accordés à distance, une grande partie de l'avantage obtenu par l'accordage du cadre, est annulée par la perte de la transmis- sion entre le cadre accordé et le circuit d'entrée du récepteur, si un circuit de la présente invention, comprenant un étage d'ac- couplement, n'est pas employé.
Par expérience, j'ai constaté que, dans l'installation d'un système récepteur d'une station terrestre, quand le système d'an- tenne se trouve à une distance de 2 Kilomètres du récepteur, la
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perte.en haute fréquence dans la ligne est de l'ordre de 6db. Si, comme dans la présente invention,un circuit, ayant une valeur de Q
EMI14.1
de 3 à 5, est inséré entre l'étage dpaccour.:2ent et 1¯f -récepteur, il est possible de compenser la perte de 6db, e ; parfois il est possible de remplacer la perte de 6db par un gain de quelques déci- bels.
Quand on considère qu'une augmentation du signal de 6db au- dessus de la valeur obtenue normalement,double; la portée du systè- me récepteur, sans diminuer la précision il est évident que l'ap- pareil de la présente invention à une valeur particulière pour les systèmes chercheurs de direction.
Quoique l'on ai décrit l'invention comme étant applicable particulièrement aux systèmes chercheurs de direction, il est en- tendu qu'elle peut être employée pour d'autres systèmes de récep- tions, tels que les systèmes récepteurs de télévision. Le système décrit peut être appliqué aussi avec un succès particulier' des systèmes à ondes ultra-courtes. Dans ces systèmes l'impédance d'en- trée de la première lampe du récepteur est d'ordinaire une basse impédance. Aussi la valeur de Q du circuit d'entrée de ces systè- mes est généralement d'une valeur faible. Comme démontré en rela- tion avec l'invention, un rapport signal bruit amélioré peut être obtenu avec le circuit montré ici, même si l'impédance d'entrée du récepteur est basse.
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EMI1.1
RADIO RECEPTION SYST'L, i.Ml;? F-IOI; 1.>, Ul.
The present invention relates to a radio reception system, and particularly to methods and apparatuses for improving the signal-to-noise ratio in a radio receiver.
The causes of the background noise in the input circuits of receivers are well known, and consist mainly of the Johnson effect or effect due to the heating of the elements which make up the circuit, in the effects due to the irregularities of the circuit. Electronic emission from the cathode of the lamp into the input circuit and finally ionization in the lamp. In a good quality receiver several precautions are taken to minimize the background noise, for example: a lamp, having a high amplification value is employed in the input circuit and in the circuit of the plate. this lamp is inserted a high quality circuit which allows the use of all the amplification of the lamp.
In the grid circuit is inserted another high quality circuit
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which increases the signal strength to a high level compared to the noise coming from the lamp. When all these precautions have been taken, it is found that in general the tuned circuit of the gate causes an increase in the background noise due. apparently to the Johnson effect in this circuit.
It is known that the signal-to-noise ratio decreases with decreasing amplification in the first stage of the receiver and it is in common use in circuits employing radio goniometers (where the ratio is of particular importance) to employ. and the highest possible amplification in the first stage tube. It has been found that when the amplification of the lamp is reduced the noise decreases less rapidly than the signal and that the receiver as a whole performs less well than in the case of a greater amplification.
It is also known that the outgoing noise energy increases proportionally with the width of the receiver band.
Therefore, in a good quality receiver all possible selectivity is employed for a given modulated signal.
The following table gives an example of the signal-to-noise ratio, which can be obtained under good conditions for a given selectivity.
EMI2.1
<tb>
Voltage <SEP> high <SEP> fr- <SEP> Type <SEP> of <SEP> Report <SEP> signal-
<tb>
<tb> Selectivity <SEP> quence <SEP> on <SEP> the <SEP> pre- <SEP> signal <SEP> mo- <SEP> noisy <SEP> the <SEP> output
<tb>
EMI2.2
¯¯¯ miére ,, ài ± li e ¯¯¯¯ ¯¯ ¯¯¯¯ low frequency dulate.
2 Kc -6 db 0.7 a. 0.9 30 ;. with, 10 db-being -loss- microvolts 400 cycles / sec..5 milliwats
EMI2.3
<tb> for <SEP> the <SEP> noise
<tb>
EMI2.4
4 Kc -20 db and 50 ;; iî.l, ii..iats
EMI2.5
<tb> 'loss- <SEP> for <SEP> the <SEP> signal
<tb>
Under the same conditi ons, with a bandwidth of one kilo cycle / the 'signal-to-noise power ratio increases'; 20, being in effect. fet 16 db. The signal-to-noise ratio in a receiver obviously depends on the magnitude of the high frequency voltage applied to the input circuit of the receiver. If the volume of the high frequency voltage is increased, the signal-to-noise ratio is increased.
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lie.
Under several conditions, the input signal can be increased, increasing the effective height of the wave collector or antenna system. However, for aviation it is difficult to substantially increase the effective height of the antenna system, since the available space is extremely limited. In the direction finding system, employing frames and goniometers on airplanes an indication of direction is obtained by rotating the goniometer or, in some cases, the frame until the minimum signal is obtained. The accuracy of the indication depends on the signal-to-noise ratio. For very weak signals the ratio determines the amount of correction to be made to the frame or goniometer to find both sides of the angle distorted by noise.
Also, when the receiver is installed at a great distance from the antenna system, the indication becomes less precise, due to the loss in the line between the antenna and the receiver.
The loss which results from the transmission of the signal along a line is permanent.
It is an object of the invention to improve the signal-to-noise ratio in a radio receiver.
Another object of the invention is to improve the signal-to-noise ratio in reception systems where the antenna system is at a certain distance from the receiver.
In accordance with one assembly of the invention there is provided a coupling stage, having strong negative feedback, adjacent to the receiving antenna. The transmission line of the receiving antenna system is connected between a resistance or impedance in the coupling stage cathode circuit, and the input of the receiver. In accordance with another assembly of the invention, a coupling stage with strong negative feedback is provided in the receiving system between the receiving antenna system and a voltage boosting network in the input stage of the receiver. - tor.
The step-up network can be a transformer, r or a transformer and a tuned circuit or other similar networks.
@
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In accordance with another characteristic of the invention, a coupling stage with strong negative feedback and adjacent to the receiving antenna is provided. The transmission line of the receiver system is connected between a resistance, or impedance, in the coupling stage cathode circuit and the input of the receiver. A circuit having a low value of Q, where Q represents the ratio of reactance to resistance of the circuit, such as a high-frequency transformer giving an increase in impedance, is inserted either in the stage of coupling or either at the input of the receiver.
By appropriate adjustment of the value of Q, or the ratio of the transformation, as described in connection with the detailed description of the invention an improved signal-to-noise ratio can be obtained at the receiver.
The invention will be more understandable by referring to the following detailed description, made in connection with the accompanying drawings in which:
Figure 1 shows a coupling stage with a strong negative feedback, an input stage of a receiver and a transmission line interconnecting these two stages:
Figure 2 shows a modification of the circuit of fig.l, including a circuit having a low value of C.
FIG. 3 is a diagram employed in the description of the operation of the apparatuses of the invention.
Figures 4 and 5 show the invention applied to radiocompass systems employing frames.
Figure 1 shows a coupling stage comprising a triode lamp Ll, the gate of which can be connected to a source of any radio frequency, such as a frame. Resistor 1 in the cathode circuit of the lamp L1 operates as a load for this lamp, and as a coupling resistor for the transmission line 2. The transmission line 2 is preferably a low impedance line, such as for example a coaxial line, and the impedance 1 is adjusted to compensate for the line impedance, or vice versa, the line impedance is adjusted to compensate
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impedance 1, the value of impedance 1 being controlled by the. type of lamp Ll used.
If necessary a decoupling capacitor can be connected in series with line 2. Except for the impedance in the input circuit of the coupling stage and the anode source, the lamp grid Ll is connected directly to the plate of the lamp. This means that there is a strong negative feedback between the plate circuit and the gate circuit, and this strong feedback causes the signal voltage produced across resistor 1 to be greater smaller than the signal voltage applied to the gate. In other words: the signal coming out of the stage is smaller than the input signal, but the output signal passes through a much smaller impedance. There is no amplification of the voltage, but an appreciable amplification of energy.
The transmission line 2 is connected from the input of the receiver to the grid of the triode lamp L2, The cathode circuit of the input lamp of the receiver, shown in figure 1, includes the usual polarization resistor 3, and the derivative capacitor 4.
Instead of resistor 1, shown in the lamp cathode circuit L1, a circuit comprising a resistor in series with a capacitor and impedance in parallel, can be connected in the anode circuit to give a selective effect at the frequency of the input signal. Likewise, instead of the triode lamp, as shown, other types of lamps can be used, such as for example pentode lamps.
The circuit shown in figure 1, improves the transmission of the high frequency signal from the antenna system to the receiver because of the transformation of the impedance carried out by the coupling stage. The use of a simple preamplification circuit, adjacent to the antenna, will not give the results obtained by the use of the coupling stage described above.
Although the coupling stage does not compensate for the loss in the transmission circuit, the signal at the input of the receiver is larger
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than in the case of using ordinary methods of transmission and without a coupling stage, and the signal-to-noise ratio will be. therefore improved in the receiver.
An ordinary preamplifier will boost the signal in the receiver, but at the same time introduce noise, which further affects the boosted signal. The coupling stage of this invention, having a strong negative feedback, therefore does not introduce any noise into the system, since it comes from the coupling stage itself.
Likewise, the coupling stage, because of the feedback, does not amplify the Son- sion of the received signal, before transmission to the receiver, but on the contrary it improves the efficiency of the transmission. . Of course, other methods can be employed in order to obtain the negative feedback, but the method shown is preferred in view of the ease of obtaining a strong negative feedback.
A modification of the preferred arrangement of the invention is shown in figure 2. In this figure the coupling stage comprises a lamp L3, a cathode resistor 1 and drop resistors 5 and 6, which supply power. gate 7 with a negative potential. As in FIG. 1, the lamp L3 of FIG. 5 can also be a triode lamp. A transmission line 2, coupled to resistor 1 by means of coupling capacitor 19, couples the coupling stage to the receiver stage 11. A coupling circuit having a low value of is generally designated 8.
This low value circuit of @ comprises a coil 9 and a capacitor in parallel with it, and marked 10. a coupling coil 11 couples the transmission line 2 to the coil 9 and to the input circuit. of the receiver.
The introduction of the circuit8 low value of 0, in the transmission circuit, between the coupling stage and the receiver, produces an unexpected and important effect.
The curves shown in the diagram in Figure 3 will help describe this effect. With oscillator 12, which produces an IC signal of about 500 Kilocycles, modulated 30% by a tone of 400 cycles
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as signal source, the characteristics shown in fig. 3 are obtained. Curve (1) indicates the voltage on the grid of the receiving lamp L2, with the oscillator connected directly to it. The voltage measured on this grid is. 70 microvolt: for a signal-to-noise ratio of 10 db at the output of the receiver. Throughout the test the signal-to-noise ratio at the output of the receiver was kept constant at 10 db.
With a circuit 8 without Q value in the input circuit of the lamp L2- (with only a direct high frequency connection between resistor 1 and the grid of the lamp L2) the required voltages on the grid of the lamp L3, with varying values of the cathode resistance for the L3 lamp, are shown by the values of curve (2). It was found that by introducing a circuit 8 with a low value of as shown in Fig. 2, having a value of Q of about 4, the indicated curve (3) was obtained. By increasing the value of Q from about 5 to 6, the indicated curve (4,) was obtained in a similar fashion.
As shown by the curve (2) of figure 3, the circuit of figure 2, without a low Q value circuit in the transmission circuit causes a loss in the signal-to-noise ratio of about 4 to 5 db .
The curves in Figure 3 show the amount of variation in the received signal required to produce a given signal-to-noise ratio at the output of the receiver as a function of cathode resistance. The variations in the signal voltage required demonstrate the improvements brought about by the invention for a given value of the signal-to-noise ratio. When the signal voltage, required at the gate of the L3 lamp, is smaller for a given signal-to-noise ratio at the output of the receiver, the transmission of the signal voltage between the antenna and the receiver is more efficient. With more efficient signal transmission and substantially constant background noise, the signal-to-noise ratio in the receiving system increases for a given signal.
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By the introduction of a circuit having a Q value of about 4, and a cathode resistance of about 200 ohms for an 1852 type coupling lamp, the transmission efficiency far exceeds the value obtained when the circuit Q is not used as shown by curve (3). Then the input signal necessary to produce an output having a signal-to-noise ratio of 10 db, is approximately 1.1 microvolts smaller than the signal required when the circuit Q is not provided in the transmission circuit between. the coupling lamp and the input of the receiver. By increasing .. by a value between 5 and 6, the required input signal volume is reduced again.
However, by further increasing the value of @, it is found experimentally that no greater improvement can be obtained, but on the contrary, the background noise, introduced by the first lamp, begins to decrease the ratio. signal-to-noise. So to improve the relationship. signal-to-noise, it is preferred to insert circuits having a Q value of approximately 1.0 to 10 in the transmission circuit.
Although a circuit having a low Q value has been disclosed in the preferred assembly of the invention, it is possible to employ other voltage step-up networks or devices such as voltage transformers. wide bands, to obtain the desired results.-It is clear from a brief explanation of the principle of the invention that the use of such networks is possible Suppose, for example, that an ordinary amplifier stage is inserted between the antenna system and the receiver. If there is no transmission line between the amplifier stage and the input of the receiver, the effect obtained is the same as if another stage were added to the receiver: at the input of the receiver there is no there will therefore be no improvement in the signal-to-noise ratio.
On the contrary there will be a slight loss, caused by the introduction of additional noise, coming from the added stage. If there is a transmission line between 11 aiiipliri ca beur and the receiver, compensating networks
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'of impedance must be used at the output of the amplifier and at the input of the receiver. These circuits cause losses in the system, and notwithstanding the strengthening by this arrangement of the signal voltage at the input of the receiver, the additional amplifier reduces the signal-to-noise ratio at the input and the circuits themselves. can introduce noise, and further reduce the ratio.
When a coupling stage or amplifier, having a strong negative feedback, is employed in accordance with the present invention, there is an impedance compensation between the amplifier of the stage and the line, with a small loss in signal voltage, and no increase in noise. In the arrangement described above, employing an ordinary amplifier, a compensation of the impedance between the amplifier and the line, caused a considerable reduction in the signal voltage, and to remedy this reduction it was necessary to It was necessary to make use of a line terminal network having a large voltage rise ratio. The noise introduced into a system by the use of these networks increases in proportion to the transformation required.
In the system of the present invention, since by the use of a negative feedback amplifier there is no substantial decrease in the signal voltage on the line, a network having a small power ratio. voltage rise, can be used to terminate the line. On the grid of the lamp of the input stage of the receiver is therefore produced a signal voltage equal to or greater in volume than the voltage of the signal produced on this grid by the system mentioned above without the use of production circuits. - noise makers.
Since the output of the coupling stage is of low impedance (200 ohms for example), the noise caused by heating in the coupling stage corresponds only to the slight noise of the voltage passing through it. of this low impedance.
By coupling the negative feedback amplification directly to the boost network of the receiver input, the same result can be obtained in systems without a transmission line. For per-
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To further improve the signal-to-noise ratio, it is possible to connect several coupling stages of the type shown in fig. 2, in cascade with the associated lifting networks. However, in this arrangement, the improvement obtained by the addition of each stage gradually decreases. When several stages are connected in cascade, they can all be connected in front of the transmission line, or one part can be connected in front of the other part behind the line.
The transformation ratio employed in the system of the present invention is determined primarily by the impedance introduced by the boost network. It has been found that the impedance of the step-up network changes the impedance of the feedback circuit and the operation of the feedback amplifier, and to avoid the introduction of noise by the amplifier , a strong feedback, produced by a substantially resistant network is necessary. It is therefore desirable to keep the transformation ratio low, for example between 1.0 and 10, and preferably between 3 and 7, 5 being the preferred value.
:: A coupling coil can be used in place of, or in conjunction with, anode resistor 1. By the use of this coupling coil, it is possible to couple the circuit at low Q value, at the end of the coupling stage rather than at the end of the receiving stage. In this case, the transmission line 2 can be connected to the grid of the lamp L2 either directly or by means of a coupling impedance. However, with this modification, it is necessary to keep, the impedance of the cathode circuit of the lamp L3, at a low value, and still there must be a loose coupling between the coupling coil in the cathode circuit of the lamp. L3 and the low Q value circuit.
Loose coupling is required, such that the low Q circuit has no substantial effect on the feedback of the coupling stage. Oven avoid mating difficulties
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in the preferred arrangement, the low-Q circuit is inserted into the incoming stage of the receiver. Also, in order to avoid harmful effects on the negative feedback of the coupling stage, it is preferred to employ, instead of a value producing a maximum signal intensity, a value of Q. equal to 5. In all cases, the value of Q is specific to the reception frequency.
If necessary, there is a way to use two lines between the coupling stage and the receiver and to connect these lines so that the coil 11 is in series with the resistor 1.
In this case, the circuit from the cathode to the earth will be as follows: from the cathode to one end of the coil 11 by a line with return from the other end of the coil 11 by means of the other line to one end from resistor 1, and through resistor 1 to earth. A decoupling capacitor can also be connected in parallel with resistor 1.
By proper adjustment of the Q of the circuit 8, and the coupling between the field coil and the circuit, there is a way to compensate for the loss due to the transmission line. A loss in the transmission line can be equalized by an increase in the voltage gain across the Q circuit. However, as mentioned above, this voltage gain cannot be increased too high because in this case ., the background noise introduced by the coupling stage cancels out the gain in the signal-to-noise ratio obtained by using the circuit with a low value of Q.
The improvement achieved by the present invention is beneficial to all receiving systems, and is particularly beneficial to systems employing low effective height antennas, such as direction finder systems and radio compass systems.
The application of the invention to a radio-compass system is shown in figure
In the amount of radio-compass reception facilities, the antenna is at a certain distance from the receiver. For these installations, it has been proposed to mount the coupling stage without
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immediately adjacent to the receiver frame and to connect the coupling stage to the receiver by means of a low impedance conductor.
In Figure 4, a frame 13 tunable by capacitor 14 is connected to the coupling stage. The frame 13 is installed remotely from the receiver and the coupling stage is mounted immediately adjacent to the frame. The other elements of Figure 4 are the same as those of Figure 2. The frame may or may not be tunable.
When, as shown, the frame is tunable, tuning can be achieved by means of known types of remote control mechanisms.
In Radio-Compass systems, employing 2 frames and a goniometer, the coupling stage can be connected in the receiver circuit which is immediately after the goniometer.
In this case only, only one coupling stage is necessary. However, preferably two coupling stages are employed, one in each line between the frame and the corresponding goniometer coil. Figure 5 shows this arrangement, and in this fig. the frames 15 and 17 which can be tuned by the capacitors 16 and 18 respectively are connected to the goniometer by means of the coupling stages provided with the lamps Ll and L'l. Separate cathode resistors 1 and 1 'are added to lamps L1 and L1.
The mating stages and the rest of the circuit. Figure 5, are the same as the coupling stage and the transmission line and receiver circuit of Figure 2. As already explained for Figure 4, the coupling stages are preferably mounted immediately adjacent. to the frame. Also, although we have shown frames 16 and 17 as being tunable, the frame can be tuned at will or not. In fixed receiving systems, such as land station receiving systems, there is very often a long line. transmission between the receiving antenna and the goniometer.
In these systems the coupling stage can be installed just behind the goniometer, but pre-
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The coupling stage will be mounted adjacent to the receiving antenna. In order to achieve all the improvement offered by the present invention, it is in these advantageous systems to increase the impedance of the circuit which precedes the coupling stage, to compensate the input impedance of the coupling stage. 'floor.
It should be noted that if goniometers are used in receiving systems this results in a considerable transmission loss, because the coupling coefficient of these goniometers is not very high. As a result, the chain of circuits comprising the goniometer does not have a high value of Q. On the contrary, these circuits have a relatively low value of Q and since it is an object of the invention to insert a circuit, having a low value of Q, in the circuit following the coupling stage, the invention is applicable especially to systems employing goniometers and firstly because of the compensation of the loss in the transmission, and then because of the cooperation between the coupling stage and the goniometer circuits.
It has been found experimentally that in the mentioned system, a loss of 6db in the goniometer can be transformed into a gain of 4db, provided the circuit is arranged in accordance with the present invention. There is therefore an increase of 10 db in the value of the signal normally obtained. If these systems employ tuned frames, an additional gain of 6 to 8 db can also be obtained, but of course this gain is not due to the use of the circuit of the present invention. When frames are remotely tuned, much of the advantage obtained by tuning the frame is canceled out by the loss of transmission between the tuned frame and the input circuit of the receiver, if a the present invention, comprising a coupling stage, is not employed.
From experience, I have found that in the installation of a receiver system of a land station, when the antenna system is at a distance of 2 kilometers from the receiver, the
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high frequency loss in the line is of the order of 6db. If, as in the present invention, a circuit, having a value of Q
EMI14.1
from 3 to 5, is inserted between the dpaccour.:2ent and 1¯f -receiver stage, it is possible to compensate for the loss of 6db, e; sometimes it is possible to replace the loss of 6db by a gain of a few decibels.
When we consider that an increase in the signal of 6db above the value normally obtained, doubles; the range of the receiving system, without diminishing the precision it is evident that the apparatus of the present invention has particular value for direction seeking systems.
Although the invention has been described as being particularly applicable to direction finder systems, it is understood that it may be employed for other reception systems, such as television receiver systems. The described system can also be applied with particular success to ultra-short wave systems. In these systems the input impedance of the receiver's first lamp is usually a low impedance. Also the value of Q of the input circuit of these systems is generally of a low value. As demonstrated in connection with the invention, an improved signal-to-noise ratio can be obtained with the circuit shown here, even if the input impedance of the receiver is low.