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Limiteurs.
La présente invention concerne de façon générale des dispositifs pour limiter l'amplitude des signaux, et plus parti- culièrement des dispositifs limiteurs d'amplitude de signaux ayant des propriétés les rendant particulièrement indiqués dans les circuits à ultra haute fréquence.
Il est connu d'utiliser des redresseurs comme limi- teurs de tension à des niveaux de signal relativement élevés; dif- férents types de redresseurs ont été employés dans ce but. Des tubes électroniques, habituellement des diodes, ont été souvent utilisés dans le même but. La limitation des signaux a aussi été réalisée au moyen de redresseurs ou d'autres éléments de circuit non linéaires, qui ne sont pas des diodes, particulièrement au
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moyen de redresseurs secs, redresseurs au plomb- oxyde de cuivre, ou thyrites.
Aucun de ces dispositifs de limitation connus ne peut convenir en cas de fréquences de signal élevées, de l'ordre de 50 à 1.000 mégacycles (mc) à cause de la capacité interne con- sidérable.des limiteurs. Le degré de surtension, ou facteur Q, d'un circuit résonnant couplé au circuit d'entrée d'un tube élec- tronique de commande est limité par la capacité grille-terre du tube, qui peut être de l'ordre de 4 mmfd (micro-microfarads).
En mettant un dispositif limiteur en parallèle sur la capacité grille-terre, on diminue le Q du circuit résonnant en augmentant sa capacité, ce qui diminue le gain du tube. Cet effet de diminu- tion devient de plus en plus important quand la capacité intro- duite par le limiteur devient aus-si grande ou plus grande que la capacité grille-terre du tube.
Il est donc utile de pouvoir disposer d'un limiteur de signaux à capacité interne très faible, relativement à la capacité grille-terre de tubes à vide pour ultra hautes fréquences, cette capacité étant inférieure à 1 mmf.
.L'invention est basée sur la découverte que l'on peut réaliser un redresseur, ou dispositif non linéaire, avec une capacité shunt suffisamment faible (environ 0,5 mmf) et ayant les autres propriétés intéressantes d'un limiteur, au moyen de redresseurs à cristal du type utilisé jusqu'ici comme mélan- geurs, particulièrement dans 1'appareillage à micro-ondes ra- dar, et portant la désignation commerciale 1N21 L'invention n'est cependant pas limitée au redresseur à cristal spécialement indiqué ci-dessus, qui n'est cité qu'à titre d'exemple.
Le redresseur à cristal mentionné offre une résistance élevée de l'ordre de 20.000 à 100. 000 ohns pour des niveaux de signal de 0 à 0,05 volt, la résistance en sens nornal du re-
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dresseur tombant à 50 ohms ou moins, pour des niveaux de signal de l'ordre du volt.
Le circuit limiteur brièvement décrit ci-dessus peut être utilisé dans plusieurs arrangements et combinaisons, pour différentes applications. Par exemple, si l'on veut obtenir un limiteur extrêmement efficace, on peut mettre en parallèle deux ou plusieurs cristaux. Un limiteur symétrique peut être réalisé au moyen de cristaux mis dos à dos, ou montés en pont, de ma- nière classique.
L'invention peut être appliquée, par exemple, à un récepteur radar, dans le but de réduire, à hauteur du récepteur, l'intensité des impulsions directement émises, de 10 décibels ou d'une quantité analogue. Le cristal sert de by-pass pour les impulsions émises directement, et présente une résistance shunt très élevée aux impulsions réfléchies d'intensité relativement faible. Comme le cristal a une capacité shunt relativement faible, le gain du ou des étages munis d'un limiteur n'est pra- tiquement pas influencé, et puisque le cristal présente une ré- sistance shunt très élevée pour les signaux de faible intensité, l'effet de by-pass sur le ou les étages est pratiquement négli- geable.
Le nouveau limiteur peut s'appliquer aussi aux récep- teurs de fréquence modulée. De tels récepteurs comprennent d'habitude un ou plusieurs étages limiteurs, dans la chaîne moyenne fréquence (M.F.) Ces récepteurs peuvent être sérieuse- ment simplifiés en mettant les limiteurs dans la chaîne haute fréquence (H.F) les étages ultérieurs pouvant alors être réali- sés pour fonctionner avec une amplitude de signal maxima constante, et connue.
Si les applications du nouveau limiteur signalées jus- qu'ici se limitent aux étages haute fréquence des récepteurs, il @
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est évident qu'il peut trouver son emploi aussi dans les ampli- ficateurs M.F. des récepteurs superhétérodynes travaillant à des fréquences de l'ordre de 10 cm. et plus, ces étages M.F. fonctionnant sur des fréquences de 40 mc et plus, une valeur courante étant 60 me.
Différentes formes d'exécution de l'invention sont re- présentées, à titre d'exemple, au dessin annexé.
La figure 1 est un schéma d'un étage amplificateur uti- lisant le nouveau type de limiteur.
La figure 2 représente une caractéristique tension- courant d'un redresseur à cristal type.
La figure 3 est un graphique d'ondes, montrant l'effet du limiteur, pour des niveaux de signal d'entrée élevés.
La figure 4 est un graphique d'ondes, montrant l'ac- tion du limiteur, pour des niveaux de signal peu élevés.
La figure 5 est un schéma de connexions d'un système émetteur-récepteur radar simplifié, montrant l'application du nouveau limiteur à la protection d'un récepteur contre la sur- charge due aux impulsions d'émission directe ; et
La figure 6 est un schéma de connexions d'un récepteur de fréquence modulée, montrant l'application du nouveau limiteur comme limiteur d'amplitude dans la section H.F. du récepteur.
Dans l'exemple de la figure 1, un signal est envoyé dans un conducteur 1 relié à la grille de commande 2 d'une tri- ode 3, qui comporte aussi une plaque 4 et une cathode 5. Le signal d'entrée peut être supposé à ultra haute fréquence, soit entre 50 et 1.000 mc; le circuit fonctionnera cependant de manière satisfaisante à des fréquences plus basses. La cathode 5 est mise à la terre par l'intermédiaire d'un circuit polari- sateur classique 6, et un signal est appliqué, par le conduc- teur 1, aux bornes d'un circuit accordé parallèle comprenant
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une self réglable 7 et la capacité interne grille-cathode 8 de la triode 3.
Le tube 3 est choisi de manière à présenter une capacité interne grille-cathode 8 extrêmement faible, de manière à pouvoir travailler dans la gamme haute fréquence désirée. Dans un cas particulier, cette capacité était d'une valeur d'environ 4 mmf.
Si la capacité du circuit accordé augmente, son Q diminue, à une fréquence donnée quelconque, de sorte que le gain de l'étage amplificateur représenté à la figure 1 est une fonction inverse de la valeur de la capacité 8.
Un cristal est placé aux bornes de la self 7. Il est connecté de façon que la résistance en sens normal aille de la grille vers la terre. Pour des niveaux de signal faibles (0 à 0,05 volt), le cristal 9 se comporte comme une résistance de valeur élevée (20.000 à 100.000 ohms), combinée à une ca- pacité shunt d'environ 0,5 mfd de sorte que le cristal n'a pratiquement pas d'effet sur le circuit accordé et se présente plutôt comme un circuit ouvert. A des niveaux de signal d'en- trée élevés, soit à partir de 1 volt, la résistance en sens nor- mal du cristal 9 tombe à 50 ohms, ou moins, et court-circuite pratiquement le circuit accordé d'entrée.
Les variations de résistance du cristal 9 sont repré- sentées à la figure 2 qui donne une caractéristique E-I du cristal, dont la pente (par rapport à l'axe des I) représente la résistance.
En étudiant la courbe caractéristique de la figure 2, on voit clairement que la résistance du cristal varie de façon extrê- mement brusque aux environs d-e 0,05 volt.
En appliquant, par exemple, une tension sinusoïdale entre le conducteur 1 et la terre (voir 10 de la figure 3) d'une amplitude d'un volt, par exemple, la demi-période positive de l'onde sinusoïdale 10 rencontre un court-circuit pratique, pro- duit par le cristal 9, et la tension réelle appliquée entre
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grille et cathode est celle représentée en 11. La demi-période négative de l'onde sinusoïdale 10 est pratiquement inaltérée.
Si l'amplitude de l'onde sinusoïdale est faible, comme en 12 de la figure 4. soit 0,05 volt, ou moins, le cristal garde son impédance élevée, et l'onde d'entrée reste pratiquement pure et inaltérée , . comme en 13.
La figure 5 représente un système radar, utilisant un amplificateur haute fréquence conforme à l'invention, dans sa partie réception.
L'émetteur d'impulsions 20 est couplé à un radiateur 21, par l'intermédiaire d'une ligne de transmission 22. Une autre ligne de transmission 23 est couplée à la ligne 22 en un point de jonction 24, se trouvant à une distance 2 de l'émetteur 20.
A une distance 4 se trouve connectée une boîte E-R (commuta- teur émission-réception) 25, qui fonctionne de manière connue pour empêcher le passage direct des signaux émis par l'émetteur 20, vers le récepteur. Comme le fonctionnement d'une boite E-R, et la nature de son raccordement dans un système radar sont bien connus, et ne font pas partie de la présente invention, on peut se dispenser d'une description plus détaillée.
La ligne au-delà de la boite E-R 25 est couplée à un amplificateur H-F semblable en tous points à celui représenté à la figure 1 des dessins et décrit ci-dessus.
A l'émission d'une impulsion par l'émetteur 20, une énergie importante est perdue dans la boîte E-R 25, qui peut, en l'absence de précautions spéciales et dans le cas de récep- teurs classiques à gain élevé, saturer temporairement ceux-ci.
Ce défaut peut être évité en ajoutant à la boîte E-R un cristal 9, conformément à l'invention. Pour des signaux d'amplitude élevée, c'est-à-dire en réponse à des impulsions émises directe- ment par l'émetteur 20, le cristal 9 est porté à une tension
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telle que sa résistance est faible et qu'il se comporte comme un court-circuit pour l'entrée du récepteur., empêchant la satu- ration. On peut donc dire dans ce cas que le cristal joue le rôle d'une boîte E-R supplémentaire.
Dans certains cas, spécialement si le récepteur et l'émetteur du système radar ont des antennes indépendantes, la boîte E-R devient superflue, et le cristal 9 travaille, en fait, comme une boîte E-R, interdisant aux impulsions émises directe- ment l'accès au récepteur.
La sortie de l'amplificateur H.-F. est appliquée, par un condensateur de couplage 26 approprié, à un convertisseur 27, un amplificateur M.F. un amplificateur vidéo 30, et ensuite à un système indicateur de radar du type voulu de manière bien connue.
La figure 6 représente un récepteur de fréquence modu- 1ée pouvant travailler à 50 me. et plus, et utilisant, comme limiteur, un cristal 9, conformément à la présente invention.
La sortie de l'étage amplificateur H.F. est réellement limitée par le cristal 9, ou, si on le désire, par deux de ces cristaux mis en parallèle.
La sortie de L'amplificateur est donc prête à être convertie en moyenne fréquence, dans un convertisseur 31, les signaux moyenne fréquence étant amplifiés dans un amplificateur 32, détectés dans un détecteur de fréquence modulée 33, et en- suite amplifiés et transformés en signaux audibles ou visibles, ou en signaux de commandée suivant les nécessités. Les étages amplificateurs M.F. n'ont pas besoin de limiteurs, alors que c'est normalement le cas.
En utilisant des cristaux peu coû- teux,n'exigeant ni courant de chauffage, ni tensions de com- mande, ni potentiels de polarisation, on peut supprimer les. étages classiques ou habituels de limitation par diodes, ou semblables, ce qui abaisse le prix de revient des récepteurs @
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F.M (à modulation de fréquence).
Bien que la description des diverses formes d'exécution de l'invention ait été basée sur l'hypothèse que le limiteur de signaux doit se trouver dans les étages H.F. des divers récepteurs, il est clair que ceci n'est pas une caractéristique essentielle du limiteur. Au contraire, le limiteur peut être utilisé dans
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les étages 1.1.F., où la fréquence 1'/1. F. est suffisaMment élevée pour que l'utilisation du limiteur soit avantageuse.
Il n'est pas rare, par exemple, d'employer dans des récepteurs à micro- ondes de 10 cm au moins, des moyennes fréquences de 60 mc Dans ce cas, si un limiteur est utile ou nécessaire,il s'avérera avantageux d'employer le limiteur à cristal de la présente inven- tion dans l'étage M.F. à fréquence très élevée, les systèmes limiteurs antérieurement utilisés ne convenant pas à ces fré- quences, comme il a été exposé ci-dessus. Pour cette dernière application, l'étage amplificateur de la figure 1 des dessins peut représenter un amplificateur M.F. plutôt qu'un étage ampli- ficateur H.F.
Quoique l'on ait décrit et représenté certaines formes d'exécution et applications de l'invention, il est évident que des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, le tube 3, représenté comme une triode, peut être une tétrode, ou une pentode, ou, si on le désire, tout autre type de tube convenant spécialement aux très hautes fréquences, comme les klystrons et leur équivalent, dans les- quels il est important que la réactance shunt d'entrée conserve une valeur faible.
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Limiters.
The present invention relates generally to devices for limiting the amplitude of signals, and more particularly to devices for limiting the amplitude of signals having properties making them particularly suitable in ultra-high frequency circuits.
It is known to use rectifiers as voltage limiters at relatively high signal levels; Different types of rectifiers have been used for this purpose. Electron tubes, usually diodes, have often been used for the same purpose. Signal limitation has also been achieved by means of rectifiers or other non-linear circuit elements, which are not diodes, particularly at
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using dry rectifiers, lead-copper oxide rectifiers, or thyrites.
None of these known limiting devices are suitable for high signal frequencies, of the order of 50 to 1000 megacycles (mc) because of the considerable internal capacity of the limiters. The degree of overvoltage, or Q factor, of a resonant circuit coupled to the input circuit of an electronic control tube is limited by the grid-to-earth capacitance of the tube, which may be of the order of 4 mmfd. (micro-microfarads).
By placing a limiting device in parallel with the grid-earth capacitance, the Q of the resonant circuit is reduced by increasing its capacitance, which reduces the gain of the tube. This diminishing effect becomes more and more important as the capacitance introduced by the limiter becomes as large or greater than the grid-earth capacitance of the tube.
It is therefore useful to be able to have a signal limiter with very low internal capacity, relative to the grid-earth capacity of vacuum tubes for ultra high frequencies, this capacity being less than 1 mmf.
The invention is based on the discovery that one can realize a rectifier, or non-linear device, with a sufficiently low shunt capacitance (about 0.5 mmf) and having the other interesting properties of a limiter, by means of Crystal rectifiers of the type heretofore used as mixers, particularly in microwave radar equipment, and bearing the trade designation 1N21 The invention is not, however, limited to the crystal rectifier specially indicated above. above, which is only cited as an example.
The mentioned crystal rectifier offers a high resistance of the order of 20,000 to 100,000 ohns for signal levels of 0 to 0.05 volts, the resistance in the normal direction of re-
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blocker dropping to 50 ohms or less, for signal levels on the order of one volt.
The limiter circuit briefly described above can be used in several arrangements and combinations, for different applications. For example, if we want to obtain an extremely efficient limiter, we can put two or more crystals in parallel. A symmetrical limiter can be produced by means of crystals placed back to back, or mounted in a bridge, in a conventional manner.
The invention can be applied, for example, to a radar receiver, with the aim of reducing, at the level of the receiver, the intensity of the pulses directly transmitted, by 10 decibels or the like. The crystal serves as a bypass for the pulses emitted directly, and exhibits a very high shunt resistance to the reflected pulses of relatively low intensity. As the crystal has a relatively low shunt capacitance, the gain of the limiter stage (s) is hardly affected, and since the crystal has a very high shunt resistance for low intensity signals, the crystal has a very high shunt resistance. The bypass effect on the stage (s) is practically negligible.
The new limiter can also be applied to modulated frequency receivers. Such receivers usually include one or more limiting stages, in the medium frequency (MF) chain. These receivers can be seriously simplified by putting the limiters in the high frequency (HF) chain and subsequent stages can then be implemented. to operate with a constant and known maximum signal amplitude.
If the applications of the new limiter reported so far are limited to the high frequency stages of receivers, it @
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It is obvious that it can also find its use in the M.F. amplifiers of superheterodyne receivers working at frequencies of the order of 10 cm. and more, these M.F. stages operating at frequencies of 40 mc and more, a current value being 60 mc.
Different embodiments of the invention are shown, by way of example, in the accompanying drawing.
Figure 1 is a diagram of an amplifier stage utilizing the new type of limiter.
Figure 2 shows a voltage-current characteristic of a typical crystal rectifier.
Figure 3 is a wave graph, showing the effect of the limiter, for high input signal levels.
Figure 4 is a wave graph, showing limiter action, at low signal levels.
Fig. 5 is a circuit diagram of a simplified radar transceiver system, showing the application of the new limiter to the protection of a receiver against overload due to forward transmission pulses; and
Figure 6 is a circuit diagram of a frequency modulated receiver, showing the application of the new limiter as an amplitude limiter in the HF section of the receiver.
In the example of FIG. 1, a signal is sent in a conductor 1 connected to the control grid 2 of a triode 3, which also comprises a plate 4 and a cathode 5. The input signal can be assumed at ultra high frequency, ie between 50 and 1,000 mc; however, the circuit will operate satisfactorily at lower frequencies. Cathode 5 is grounded through a conventional polarizer circuit 6, and a signal is applied, through conductor 1, to the terminals of a parallel tuned circuit comprising
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an adjustable inductor 7 and the internal grid-cathode capacitance 8 of the triode 3.
The tube 3 is chosen so as to have an extremely low internal grid-cathode capacitance 8, so as to be able to work in the desired high frequency range. In a particular case, this capacitance was valued at about 4 mmf.
If the capacitance of the tuned circuit increases, its Q decreases, at any given frequency, so that the gain of the amplifier stage shown in Figure 1 is an inverse function of the value of capacitor 8.
A crystal is placed across the choke 7. It is connected so that the resistance in the normal direction goes from the grid to the earth. For low signal levels (0 to 0.05 volts) crystal 9 behaves like a high value resistor (20,000 to 100,000 ohms), combined with a shunt capacity of about 0.5 mfd so that the crystal has virtually no effect on the tuned circuit and rather appears as an open circuit. At high input signal levels, starting at 1 volt, the resistance in the normal sense of crystal 9 drops to 50 ohms, or less, and substantially short-circuits the input tuned circuit.
The variations in resistance of crystal 9 are shown in FIG. 2 which gives an E-I characteristic of the crystal, the slope of which (with respect to the I axis) represents the resistance.
By studying the characteristic curve of Figure 2, it can be seen clearly that the resistance of the crystal varies extremely abruptly around 0.05 volts.
By applying, for example, a sinusoidal voltage between conductor 1 and earth (see 10 in figure 3) of an amplitude of one volt, for example, the positive half-period of sine wave 10 encounters a short - practical circuit, produced by crystal 9, and the actual voltage applied between
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grid and cathode is that shown at 11. The negative half-period of sine wave 10 is practically unaltered.
If the amplitude of the sine wave is low, as at 12 of FIG. 4, ie 0.05 volts or less, the crystal keeps its high impedance, and the input wave remains practically pure and unaltered,. as in 13.
FIG. 5 represents a radar system, using a high frequency amplifier according to the invention, in its reception part.
The pulse emitter 20 is coupled to a radiator 21, via a transmission line 22. Another transmission line 23 is coupled to the line 22 at a junction point 24, located at a distance 2 of transmitter 20.
At a distance 4 is connected an E-R box (transmit-receive switch) 25, which operates in a known manner to prevent the direct passage of the signals transmitted by the transmitter 20 to the receiver. As the operation of an E-R box, and the nature of its connection in a radar system are well known, and do not form part of the present invention, a more detailed description may be dispensed with.
The line beyond the E-R box 25 is coupled to an H-F amplifier similar in all respects to that shown in Figure 1 of the drawings and described above.
On the emission of a pulse by the transmitter 20, a great deal of energy is lost in the ER box 25, which can, in the absence of special precautions and in the case of conventional high gain receivers, temporarily saturate these.
This defect can be avoided by adding a crystal 9 to the E-R box, in accordance with the invention. For signals of high amplitude, that is to say in response to pulses emitted directly by the emitter 20, the crystal 9 is brought to a voltage
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such that its resistance is low and that it behaves like a short-circuit for the input of the receiver, preventing saturation. We can therefore say in this case that the crystal plays the role of an additional E-R box.
In some cases, especially if the receiver and the transmitter of the radar system have independent antennas, the ER box becomes superfluous, and crystal 9 works, in fact, like an ER box, preventing the pulses emitted directly from entering. to the receiver.
The output of the H.-F. is applied, by a suitable coupling capacitor 26, to a converter 27, an M.F. amplifier, a video amplifier 30, and then to a radar indicator system of the desired type in a well known manner.
FIG. 6 shows a modulated frequency receiver capable of operating at 50 me. and more, and using, as a limiter, a crystal 9, in accordance with the present invention.
The output of the H.F. amplifier stage is actually limited by crystal 9, or, if desired, by two of these crystals placed in parallel.
The output of the amplifier is therefore ready to be converted into medium frequency, in a converter 31, the medium frequency signals being amplified in an amplifier 32, detected in a modulated frequency detector 33, and then amplified and transformed into signals. audible or visible, or in control signals as required. The M.F. amplifier stages do not need limiters, as they normally do.
By using inexpensive crystals, requiring no heating current, control voltages, or bias potentials, they can be suppressed. conventional or usual limiting stages by diodes, or similar, which lowers the cost price of the receivers @
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F.M (frequency modulated).
Although the description of the various embodiments of the invention has been based on the assumption that the signal limiter must be in the RF stages of the various receivers, it is clear that this is not an essential feature of the device. limiter. On the contrary, the limiter can be used in
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stages 1.1.F., where the frequency 1 '/ 1. F. is high enough for the use of the limiter to be advantageous.
It is not uncommon, for example, to employ in microwave receivers of at least 10 cm, medium frequencies of 60 mc. In this case, if a limiter is useful or necessary, it will be advantageous to To employ the crystal limiter of the present invention in the very high frequency MF stage, the previously used limiter systems not being suitable for these frequencies, as discussed above. For this latter application, the amplifier stage of Figure 1 of the drawings may represent an M.F. amplifier rather than an H.F. amplifier stage.
Although certain embodiments and applications of the invention have been described and shown, it is obvious that modifications can be made to them without departing from the scope of the invention. For example, tube 3, shown as a triode, can be a tetrode, or a pentode, or, if desired, any other type of tube especially suitable for very high frequencies, such as klystrons and their equivalent, in the- which it is important that the input shunt reactance keep a low value.