Verfahren und Vorrichtung zur Amplitudenbegrenzung von Wechselspannungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Amplitudenbegrenzung von Wech selspannungen, insbesondere für den Schutz von Hoch frequenzempfangsanlagen.
Empfangsanlagen, insbesondere für hochfrequente Signale vertragen oft nur Eingangssignale bis zu einer bestimmten Grösse. Stärkere Signale können Schädigun gen verursachen.
Es ist bekannt, parallel zu den Eingangsklemmen einer Empfangsanlage Dioden in Antiparallelschaltung vorzuschalten, welche Dioden zufolge ihres nicht linea ren Charakters eine gewisse Begrenzung von Eingangssi gnalen bewirken. Die auf diese Weise erzielbare Begren zung reicht in verschiedenen Fällen nicht aus, insbeõn- dere ist dies dann der Fall, wenn der Innenwiderstand der Signalquelle relativ niederohmig ist, bspw. wenn der Generatorwiderstand für das Hochfrequenzsignal nur 50 Ohm beträgt.
Für eine wirksame Begrenzung müssten die vorge schalteten Dioden in einem solchen Fall bspw. einen dynamischen Widerstand in der Grössenordnung von Bruchteilen eines Ohms aufweisen. Das sind aber Werte, die mit den heute bekannten üblichen Siliziumdioden bspw. im Frequenzbereich von 1-100 MHz nicht zu erreichen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen für die Verbesserung der Wirksamkeit der Amplitudenbegren- zung.
Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Halbleiterelemente von der Art der sogenannten PIN-Dioden durch Zuführung eines Hilfs stromes ein sehr niedriger dynamischer Widerstand verliehen werden kann. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Amplitu- denbegrenzung von Wechselspannungen, welches sich dadurch auszeichnet, dass die zu begrenzende Spannung an eine erste Diode gelegt wird, deren Widerstand vermittelst Durchleitung eines von der zu begrenzenden Spannung abhängigen Hilfsstromes in seiner Grösse gesteuert wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens, welche da durch gekennzeichnet ist, dass die mit der zu begrenzen den Spannung beaufschlagte erste Diode, einerseits einer Generatorimpedanz nachgeschaltet und einer Lastimpe danz vorgeschaltet ist, anderseits in einem Hilfsstrom kreis liegt, wobei der Hilfsstromkreis ein in Abhängig keit von der zu begrenzenden Spannung gesteuertes Verstärkerelement enthält.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung im nachfolgenden an Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 Einen Amplitudenbegrenzer in Serieschal- tung Fig. 2 Einen Amplitudenbegrenzer in Parallelschal tung Fig. 3 Einen bekannten Amplitudenbegrenzer mit Siliziumdioden.
Fig. 4 Eine Begrenzer-Charakteristik eines Amplitu- denbegrenzers nach Fig. 3 Fig. 5 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit PIN-Diode in Serieschaltung Fig. 6 Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung mit PIN-Diode in Parallelschaltung Fig. 7 Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrich tung zur Begrenzung von Wechselspannungen in aus führlicher Darstellung Fig. 8 Eine vorteilhafte Anordnung der <RTI
ID="0002.0005"> PIN-Diode innerhalb eines Vorbeiführungskondensators.
Fig. 9 Begrenzer-Charakteristiken eines Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 7 und B.
Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrie ben werden, wird das Verhalten bekannter AmpHtuden- begrenzervorrichtungen behandelt, um das durch die Erfindung zu lösende Problem klarer erkennen zu lassen.
Aufgabe des Amplitudenbegrenzers ist es, einerseits unterhalb eines bestimmten Grenzwertes das vom Gene rator gelieferte Signal möglichst wenig zu dämpfen, andererseits oberhalb dieses Grenzwertes das Signal wirksam zu begrenzen.
In Fig. 1 stellt 1 eine Antenne dar, welche vermit telst eines Umschalters 2 entweder an einen Sender 3 oder an einen Empfänger 4 angeschaltet werden kann. Der Empfänger 4 hat eine Eingangsimpedanz Z" bspw. 50 Ohm. Zwischen die Antenne 1 und den Eingang 5 des Empfängers 4 ist eine Serienimpedanz Z9 geschaltet. In Fig. 2 ist eine ähnliche Schaltungsanordnung darge stellt wie in Fig. 1, jedoch ist an Stelle einer Serienimpe danz dem Empfängereingang 5 eine Parallelimpedanz vorgeschaltet. Beide Schaltungen sind bei entsprechen der Dimensionierung als äquivalente Lösungen des Problems zu betrachten.
Mit beiden genannten Anordnungen lässt sich eine Amplitudenbegrenzung des zur Verfügung stehenden Hochfrequenzsignals erzielen. Im Falle der Anordnung nach Fig.l muss Z3 während des Auftretens von unzulässigen Eingangssignalen auf einen möglichst Ho hen Wert gesteuert werden. Im Falle der Parallelanord nung nach Fig. 2 muss Z, während des Auftretens von Eingangssignalen auf einen möglichst kleinen Wert gesteuert werden.
Findet man eine in ausreichendem Masse steuerbare Impedanz Z, bzw. Z" so lassen sich beide Lösungen nach Fig. 1 und Fig. 2 realisieren. Aus Fig. 1 und Fig. 2 ist erkenntlich, dass die Impedanz Z; bzw. Z, einem Generatorwiderstand R" , bsw, einer Antennenimpedanz von 50 Ohm, nachgeschaltet und einer Lastimpedanz, bspw. der Empfängereingangsimpedanz Z,, von bspw, ebenfalls 50 Ohm vorgeschaltet ist.
Fig. 3 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Eingangsspannung an einem Hochfre- quenzempfänger. Die Parallelimpedanz Z < , wird hierbei durch zwei antiparallel geschaltete Siliziumdioden des Typs 1 N916 dargestellt.
Fig. 4 zeigt die amplitudenbegrenzendeWirkung der Anordnung nach Fig. 3 für den Fall eines Gcneratorwi- derstandes@ R.- von 50 Ohm und einer Empfängerein- gangsimpedanz Z" von 50 Ohm bei einer Frequenz von 60 MHz.
Auf der Abszissenachse ist die Klzmmenspannttn" des Generators bei Belastung mit 50 Ohcn aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist die bei geschlossenem Schalter 6 und demzufolge angeschlossener Impedanz Z,, am Empfängereingang 5 liegende Spannung aufgetragen. Man erkennt, dass die Amplitudenbegrenzung erst ober halb der Anlaufspannung der Dioden W916 einsetzt, dass aber diese Amplitudenbegrenzung nicht sehr ausge prägt ist.
Darf für einen bestimmten Empfänger die Eingangspannung einen Wert von bspw. 0,6 Volt keines falls überschreiten, so erkennt man, dass eine Begrenzer schaltung der gezeigten bekannten Art nicht taugt.
Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Ver wendung einer sogenannten PIN-Diode zum Zwecke der Amplitudenbegrenzung. Es handelt sich dabei um eine Serienanordnung analog Fig. 1.
Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Ver wendung einer sogenannten PIN-Diode zum Zwecke der Amplitudenbegrenzung. Es handelt sich dabei um eine Parallelanordnung analog Fig. 2.
In beiden Fällen, Fig. 5 und Fig. 6, wird einer PIN- Diode 7 von einem Generator 8 über dessen Generator widerstand Rä von bspw. 50 Ohm und einen Kondensa tor 9 eine hochfrequente Wechselspannung zugeführt. Über einen weiteren Kondensator 10 wird die hochfre- quente Wechselspannung<I>dem</I> Eingang 5 eines Empfän gers 4 zugeführt. Die am Eingang 5 als Last wirksame Impedanz ist die Empfängereingangsimpedanz Z" bspw. 50 Ohm.
In beiden Fällen wird durch die Diode 7 ein Hilfsstrom I,, geleitet. Zur Entkopplung des Hilfsstrom kreises vom Hochfrequenzsignalkreis sind Endkopp- lungsglieder, bspw. Drosselspulen 11, 12 bzw. 13 vorge sehen. Aufgabe der Kondensatoren 9 und 10 ist es, den Hilfsstrom I;, sowohl vom Generator 8, als auch vom Empfängereingang 5 fernzuhalten.
Die amplitudenbegrenzende Wirkung der Diode 7 beruht darauf, dass eine sogenannte PIN-Diode einen variablen Widerstand darstellt, wobei sie bei ausreichend hoher Frequenz nicht mehr als Gleichrichter wirkt (siehe hpa-Application Note Nr. 4-9/64 der Firma hp- associates, 620 Page Mill Road, Palo Alto, Califor- nia).
Der Widerstand der PIN-Diode kann durch einen Hilfsstrom, Gleichstrom oder Wechselstrom niedriger Frequenz, gesteuert werden. Dabei wirkt die PIN-Diode für da Hochfrequenzsignal als von der Polarität des Hilfsstroms unabhängiger Widerstand. Diese charakteri stische Eigenschaft von PIN-Dioden beruht darauf, dass in ihren die Lebensdauer von Minoritätsträgern viel grösser ist, als die Periodendauer des durch sie beein- flussten Hochfrequenzsignals.
Fig. 7 zeigt ein ausführliches Schaltbild eines Aus führungsbeispiels der Erfindung.
Die Vorrichtung zur Amplitudenbegrenzung 20 hat einen vorzugsweise koaxialen Eingangsanschluss 21 für die Zuführung des zu begrenzenden Hochfrequenz signals und einen vorzugsweise koaxialen Ausgangsan- schluss 22 für den Anschluss des Eingangs 5 eines Empfängers 4 mit der Eingangsimpedanz Z,;. Der als Amplitudenbegrenzer wirksame Teil der Vorrichtung besteht aus der PIN-Diode 7, welche über einen Kon densator 23 mit dem Massenpotential verbunden ist.
Die Amplitudenbegrenzung kommt dadurch zustande, dass die PIN-Diode 7 von einem Hilfsstrom 1,, variabler Stärke durchflossen wird, wodurch sich wie erwähnt, der Widerstand der PIN-Diode 7 für die Ableitung des Hochfrequenzsignals über Kondensator 23 nach Masse verändert. Es handelt sich also um einen Amplitudenbe- grenzer in Parallelanordnung in Analogie zu Fig. 2 bzw. Fig. 6.
Als Hilfsstrom h, wird ein Gleichstrom benützt, dessen Stärke vermittels eines Transistors 24 in Abhän- gigkeit des hochfrequenten Eingangssignals gesteuert ist. Der Gleichstrompfad für den Hilfsstrom führt vom Pluspol 25 einer 24 Volt Batterie über den Emitter 26 des Transistors 24 und von dessen Kollektor 27 über einen Widerstand 28 über die PIN-Diode 7 und über die Drosselspule 13 zurück zum Minuspol 29 der 24 Volt Batterie, deren Minuspol mit Masse verbunden ist.
In Fällen, in denen der Empfänger von seinem Eingangsan- schluss 5 nach Masse einen niederohmigen Gleichstrom pfad aufweist, kann die Drosselspule 13 im Amplituden begrenzer entfallen. Der Hilfsstromkreis wird in diesem Falle über den Empfängereingang 5 nach Masse galva nisch geschlossen.
Zur Erzielung guter Begrenzereigenschaften der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung ist es nun wichtig, die Steuerung des Hilfsstromes I,, in geeigneter Weise vorzunehmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das zu begrenzende Hochfrequenzsignal vom Ein gang 21 auch über einen Kondensator 30 einem Gleich richter in Spannungsverdopplerschaltung mit den beiden Dioden 31 und 32 zugeführt. Über diese Spannungsver- doppierschaltung wird ein Kondensator 33 aufgeladen. Der Kondensator 33 liegt am Basisanschluss 34 und Emitteranschluss 26 des Transistors 24.
Bei ausreichen der Aufladung des Kondensators 33 beginnt der Hilfs strom I,, durch den Transistors 24 zu fliessen, wodurch der Widerstand der PIN-Diode 7 in Abhängigkeit von der Stärke des Hilfsstroms l,, abnimmt.
Die Ladezeitkonstante für den Kondensator 33 ist bewusst sehr klein gehalten, sodass der Anstieg des Hilfstromes I,, und dadurch die Amplitudenbegrenzung sehr rasch wirksam wird. Demgegenüber wird vorteilhaf- terweise eine Entladezeitkonstante, die durch den Wi derstand 35 mitbestimmt wird, um einige Grössenord- nungen höher gewählt.
Da die Vorrichtung zur Amplitu- denbegrenzung 20 als Shunt am Empfängereingang liegt, ist es wesentlich, dass schwache Hochfrequenzsignale durch sie möglichst nicht gedämpft werden. Schwache Signale vermögen bei der Anordnung nach Fig. 7 noch keinen Hilfsstrom durch den Transistor 24 auszulösen, sodass die PIN-Diode 7 hochohmig bleibt. Sobald jedoch ein kritischer Grenzwert des Signals am Eingang 21 überschritten wird, tritt die Begrenzung ein.
Dieser Grenzwert wird sowohl durch die Transistorcharakteri stik, besonders aber auch durch die Anlaufspannung und Gleichrichtercharakteristik der Dioden 31 und 32 bestimmt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, hiefür Dioden vom sogenannten Hot carrier - Typ, bspw. Typ HP 2800 zu benützen. Dieser Diodentyp besitzt nämlich eine relativ kleine Anlaufspannung von ewa 0,1 bis 0,2 Volt, ausgezeichnete Gleichrichtereigen- schaften bei hohen Frequenzen und eine hohe Durch bruchspannung.
Die Wirksamkeit der Amplitudenbegrenzung durch die Verminderung des Widerstandes der PIN-Diode 7 wird beeinträchtigt, falls die hochfrequente Verbindung der Anschlüsse der PIN-Diode 7 einerseits mit dem Anschluss 22 und andererseits mit der Masse nicht ausreichend niederohmig, insbesondere nicht genügend induktionsarm ausgeführt sind.
Fig. 8 zeigt eine in dieser Beziehung besonders vorteilhafte Anordnung der PIN-Diode 7 und des Kondensators 23.
Als Kondensator 23 ist hierbei ein sogenannter Vorbeiführungskondensator der Firma STEMAG ge wählt. Im Inneren des rohrförmigen Kondensators 23 ist die PIN-Diode 7 angeordnet. Der Kondensator 23 weist ein Metallstück 40 auf, das mittels einer Mutter 41 mit der Masse, bspw. einer metallenen Montageplatte 42 gut leitend verbunden wird. Ober einen Distanzbolzen 43 ist die PIN-Diode 7 mit der Zuleitung 44 zum Innenbelag des Kondensators 23 verbunden.
Mit einer Druckmutter 45 wird über eine Isolierscheibe 46 ein Hochfrequenzan- schlussstück 47 gegen die Anschlusskappe 48 der PIN- Diode 7 gedrückt. Diese rotationssymmetrische Anord nung und Umhüllung der PIN-Diode 7 gewährleistet einen sehr induktionsarmen und daher hochfrequenzmäs- sig niederohmigen Anschluss der PIN-Diode zwischen Anschluss 22 und Masse.
Fig. 9 zeigt für zwei Frequenzen, nämlich 32 MHz und 87,5 MHz die mit einer Vorrichtung nach Fig. 8 erreichbare Amplitudenbegrenzung. Auf der Abszissen achse ist die EMK des Hochfrequenzgenerators mit einem Generatorinnenwiderstand R6 von 50 Ohm auf getragen. Als Ordinate ist die am Ausgang 22 an der Lastimpedanz Z" von 50 Ohm auftretende Spannung aufgetragen.
Durch Vergleich der Figuren 9 und 4 ist die erhebliche Verbesserung der Amplitudenbegrenzung, welche mit der erfindungsgemässen Vorrichtung gegen über bekannten Vorrichtungen erzielt wird, erkenn bar.