DE1083876B

DE1083876B - Circuit for amplitude modulation of transmitters

Info

Publication number: DE1083876B
Application number: DET14046A
Authority: DE
Inventors: Jiri Vackar
Original assignee: Tesla AS
Current assignee: Tesla AS
Priority date: 1957-08-26
Filing date: 1957-08-26
Publication date: 1960-06-23

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft eine neue Schaltung für Amplitudenmodulation von Sendern mittels Impuls-Breitemodulation. The invention relates to a new circuit for amplitude modulation from transmitters using pulse width modulation.

Rundfunksender, welche in den üblichen Frequenzbändern arbeiten, verwenden fast ausschließlich Amplitudenmodulation. In letzterer Zeit wurden verschiedene Modulationsschaltungen geprüft und verwendet, deren Zweck eine Steigerung der Qualität und Herabsetzung der Herstellungs- und Betriebskosten ist. Die besten Resultate bezüglich Qualität und Gesamtwirkungsgrad konnten bisher durch mit Anodenmodulation in Klasse B arbeitende Schaltungen und durch verschiedene Abänderungen der Doherty- undChireix-Modulationsmethoden erzielt werden, welche von den Änderungen der Belastungsimpedanz der Röhre während des Modulationszyklus Gebrauch machen. Heute ist der Gesamtwirkungsgrad von Sendern dieser Art etwa 40 bis 50%.Broadcasters that work in the usual frequency bands use amplitude modulation almost exclusively. Recently, various modulation circuits have been tested and used, whose purpose is to increase quality and reduce manufacturing and operating costs. the The best results in terms of quality and overall efficiency have so far been achieved with anode modulation circuits operating in class B and through various modifications of the Doherty and Chireix modulation methods can be achieved by changing the load impedance of the tube during make use of the modulation cycle. Today the overall efficiency of transmitters is of this type about 40 to 50%.

Es wurden auch bereits Modulationsverfahren vorgeschlagen, bei denen eine in Reihe mit dem eigentlichen HF-Verstärker geschaltete Röhre durch rechteckige Impulse, die durch das zugeführte NF-Signal breitemoduliert werden, erregt wird.Modulation methods have also already been proposed in which a tube connected in series with the actual RF amplifier through rectangular Pulses that are broadly modulated by the supplied LF signal is excited.

Weiterhin ist es bekannt geworden, die Trägerfrequenz bei Übertragungseinrichtungen mit einem frequenzmodulierten Zwischenträger in der Form rechteckförmiger Impulse in der Amplitude zu modulieren. Jedoch erfordern derartige nur für den UKW-Bereich geeignete Verfahren große Bandbreiten, und die notwendigen Einrichtungen auf der Sender- und Empfängerseite sind mit einem erheblichen Aufwand verbunden.Furthermore, it has become known that the carrier frequency in transmission devices with a frequency-modulated Modulate subcarriers in the form of rectangular pulses in amplitude. However, such methods, which are only suitable for the VHF range, require large bandwidths, and the necessary facilities on the sender and receiver side involve considerable effort tied together.

Zweck vorliegender Erfindung, die sich auf eine neuartige Schaltung für Amplitudenmodulation von Sendern bezieht, ist die Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades und insbesondere die Rückgewinnung der in den Kreisen bei einem jeden Erregerimpuls während der unvermeidlich auftretenden Ausgleich- (Ein- und Ausschwing-) Erscheinungen angehäuften Energie. Die Erfindung fußt auf den Resultaten der neueren Forschungen im Gebiet der Impulstechnik und der Ausgleichsvorgänge in abgestimmten Kreisen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gitter des Hochfrequenz-Ausgangsverstärkers durch eine hochfrequente Spannung erregt wird, die in dem Rhythmus einer Unterbrechungsfrequenz getastet und deren Tastverhältnis nach dem Verlauf der niederfrequenten Modulationsspannung moduliert wird, und daß der Anodenkreis des erwähnten Hochfrequenzverstärkers ein abgestimmtes Netzwerk enthält, dessen Eingangsimpedanz von dem Tastverhältnis zwischen dem aktiven und dem passiven Teil der Unterbrechungsperiode abhängig ist.Purpose of the present invention, which relates to a novel circuit for amplitude modulation of Transmitters is the improvement of the energetic efficiency and especially the recovery that in the circles at each excitation pulse during the inevitable occurring Equilibrium (in and out) phenomena of accumulated energy. The invention is based on the results of recent research in the field of impulse technology and the balancing processes in coordinated Circles. This object is achieved in that the grating of the high-frequency output amplifier is excited by a high frequency voltage that is sampled in the rhythm of an interruption frequency and their duty cycle modulated according to the course of the low-frequency modulation voltage and that the anode circuit of the aforementioned high-frequency amplifier contains a tuned network, its input impedance depends on the duty cycle between the active and passive part of the Interruption period is dependent.

Die Erfindung soll nun durch die in der ZeichnungThe invention is now intended by the in the drawing

Schaltung für Amplitudenmodulation
von SendernCircuit for amplitude modulation
of transmitters

Anmelder:
TESLA, narodni podnik, Prag-HloubetinApplicant:
TESLA, narodni podnik, Prague-Hloubetin

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,
Göttingen, Groner Str. 37Representative: Dipl.-Ing. A. Spreer, patent attorney,
Göttingen, Groner Str. 37

Jifi Vackai, Prag-Dolni Liboc,
ist als Erfinder'genannt wordenJifi Vackai, Prague-Dolni Liboc,
has been named as the inventor

dargestellten Ausführungsbeispiele näher erklärt werden. -,"■■■"
Fig. 1 stellt den zeitlichem- Verlauf des Ausgleichprozesses in einem einfachen abgestimmten Kreis dar, welcher aus einer Quelle mit einem hohen Innenwiderstand erregt wird. Falls im Augenblick t = O die Quelle einen Hochfrequenzstrom zu liefern beginnt, wächst die Hüllkurve der_; Spannung im abgestimmten Kreis gemäß der wohlbekannten Exponentialfunktion an. Da der zugeführte Strom konstant ist, bedeutet es, daß sich die Eingangsimpedanz des Kreises in ähnlicher Weise ändert und einen stabilen Wert erst nach Verlauf einer gewissen Zeit erreicht.illustrated embodiments are explained in more detail. -, "■■■"
Fig. 1 shows the time course of the equalization process in a simple coordinated circuit which is excited from a source with a high internal resistance. If at the moment t = 0 the source begins to deliver a high-frequency current, the envelope curve of the increases _; Voltage in the tuned circle according to the well-known exponential function. Since the supplied current is constant, it means that the input impedance of the circuit changes in a similar manner and only reaches a stable value after a certain time has elapsed.

Falls die erwähnte Kurve bekannt ist, läßt sich das Verhalten von zwei miteinander gekoppelten abgestimmten Kreisen, wie in Fig. 2 dargestellt ist, leicht erklären. Unter Voraussetzung, daß der dynamische Gütefaktor Q des ersten Kreises viel niedriger und also auch die Zeitkonstante des Ausgleichprozesses dieses Kreises viel kürzer ist als die gleichen Parameter des zweiten Kreises, dann ist es klar, daß auch im zweiten Kreise ein ähnlicher Ausgleichprozeß, wie in Fig. 1 dargestellt, entsteht, und daß der erste abgestimmte Kreis während der ersten Augenblicke praktisch entlastet ist. Dies kann auch so aufgefaßt werden, als ob die induktive Kopplung zwischen den zwei Kreisen dieselben Impedanzeigenschaften besitzt wie eine Leitung mit einer Viertelwellenlänge und als ob die sehr niedrige anfängliche Eingängsimpedanz des zweiten Kreises in die Eingangsklemmen des ersten Kreises als eine hohe Impedanz umtransformiert wird. Diese Impedanz sinkt während des Aüsgleichprozesses und nähert sich endlich dem stabilen Wert.If the aforementioned curve is known, the behavior of two matched circuits coupled to one another, as shown in FIG. 2, can easily be explained. Assuming that the dynamic quality factor Q of the first circle is much lower and therefore also the time constant of the equalization process of this circle is much shorter than the same parameters of the second circle, then it is clear that a similar equalization process as in Fig 1, arises, and that the first coordinated circle is practically relieved during the first moments. This can also be understood as if the inductive coupling between the two circuits has the same impedance properties as a quarter wavelength line and as if the very low initial input impedance of the second circuit is transformed into the input terminals of the first circuit as a high impedance. This impedance drops during the equalization process and finally approaches the stable value.

009 547/281009 547/281

Wird einem solchen abgestimmten Kreispaar ein hochfrequentes Signal zugeführt, welches im Rhythmus einer gewissen Wiederholungsfrequenz, deren Schwingungsperiode kürzer als die gesamte Ausgleichsperiode der beiden miteinander gekoppelten Kreise ist, unterbrochen wird, erhält man einen bestimmten stabilen hochfrequenten Spannungspegel im zweiten Kreis, welcher Pegel vom Mittelwert der zugeführten Hochfrequenzleistung abhängt. Wird nun bei einer konstant gehaltenen Wiederholungsfrequenz der Mittelwert der zugeführten Hochfrequenzleistung durch Änderung des Verhältnisses zwischen der aktiven Impulslänge und der Gesamtlänge des Impulszyklus geändert, ändert sich auch der Mittelwert der Eingangsimpedanz dieses Kreises.If a high-frequency signal is fed to such a coordinated circle pair, which is in rhythm a certain repetition frequency, the oscillation period of which is shorter than the total compensation period of the two coupled to one another Circles, is interrupted, one obtains a certain stable high-frequency voltage level in the second circle, which level depends on the mean value of the supplied high-frequency power. Will now be at a repetition frequency kept constant by the mean value of the supplied high-frequency power Change in the ratio between the active pulse length and the total length of the pulse cycle changed, the mean value of the input impedance of this circuit also changes.

Falls die Impulse kurz und die Intervalle lang sind, ist die Eingangsimpedanz hoch, da bloß der eigentliche Anfang des Ausgleichprozesses zur Geltung kommt. Sind jedoch die Impulse lang und die Intervalle kurz, wird die Eingangsimpedanz in der Nähe des stabilisierten Zustandes ebenfalls stabil, d. h., ihr Wert ist dann viel niedriger.If the pulses are short and the intervals long, the input impedance is high, just the actual one At the beginning of the equalization process. However, the pulses are long and the intervals in short, the input impedance in the vicinity of the stabilized state also becomes stable, i.e. i.e., their value is then much lower.

Diese Eigenschaft kann vorteilhaft zur Erzielung von Amplitudenmodulation der Hochfrequenzleistung verwendet werden. Wird ein abgestimmtes Kreispaar, wie in Fig. 3 dargestellt, in den Anodenkreis der Verstärkerröhre geschaltet, welche durch ein Hochfrequenzsignal in der Form von durch Impuls-Breitemodulation modulierten Impulsen gesteuert wird, erscheint im Ausgangskreis eine Hochfrequenzleistung, die zum Wert des Verhältnisses zwichen der aktiven und nicht aktiven Länge des Impulses proportional ist. Falls dieses Verhältnis gemäß dem übertragenen Niederfrequenzsignal geändert wird, erscheint im Ausgang eine Hochfrequenzleistung, welche durch dieses Signal amplitudenmoduliert wird. Im Vergleich mit bisher bekannten Schaltungen werden die folgenden Vorteile erzielt:This property can be advantageous for achieving amplitude modulation of the high frequency power be used. If a matched pair of circles, as shown in Fig. 3, is placed in the anode circuit of the amplifier tube switched by a high frequency signal in the form of pulse width modulation modulated pulses, a high-frequency power appears in the output circuit, which is proportional to the value of the ratio between the active and inactive length of the pulse. If this ratio is changed according to the transmitted low frequency signal, appears in the output a high frequency power which is amplitude modulated by this signal. In comparison with hitherto known circuits the following advantages are achieved:

1. Die Röhre wird stets mit vollem Leistungsgrad betrieben, sie arbeitet für Hochfrequenz in Klasse C, und ihre Spannung kann auch im vollen Umfang zur Anwendung kommen, da sich die Anodenspannung der Röhre während des Betriebes nicht ändert. Ihre Emission kann also im vollen Umfang während der oberen Modulationshalbwelle verwendet werden, in welcher Zeit die Röhre die höchste Leistung liefert und in eine Impedanz arbeitet, deren Wert in der Nähe des stabilisierten Zustandes liegt. Dieser Zustand nähert sich also den Verhältnissen im Telegraphiebetrieb. Während der unteren Modulationshalbwelle vergrößert sich die niedrige Impedanz der Röhre in einem wesentlichen Maße, so daß der Leistungsgrad der Röhre noch um einige Prozent höher sein kann. Diese Eigenschaften sind also sehr ähnlich wie die Eigenschaften eines Verstärkers des Doherty-Typs, aber die doppelte Gittermodulation und der komplizierte Ausgangskombinierkreis werden hier beseitigt.1. The tube is always operated at full power, it works for high frequency in class C, and its voltage can also be used to the full extent, since the anode voltage the tube does not change during operation. Your emission can therefore be fully extended during the upper half-wave modulation can be used, in which time the tube delivers the highest power and operates in an impedance whose value is close to the stabilized state. This condition thus approaches the conditions in the telegraph industry. During the lower modulation half-wave the low impedance of the tube increases to a significant extent, so that the efficiency the tube can be a few percent higher. So these properties are very similar to that Characteristics of a Doherty type amplifier, but the double grating modulation and the complicated one Output combiners are eliminated here.

2. Die notwendige Impuls-Breitemodulation der hochfrequenten Erregerimpulse kann sehr einfach bereits in den anfänglichen Stufen der Hochfrequenzkette erzielt werden, so daß alle teueren Bestandteile, welche z. B. bei der Anodenmodulation notwendig sind, beseitigt werden.2. The necessary pulse width modulation of the high-frequency excitation pulses can already be done very easily can be achieved in the initial stages of the high frequency chain so that all expensive components, which z. B. are necessary in the anode modulation can be eliminated.

Die Wiederholungsfrequenz der Impulse, durch welche das hochfrequente Erregersignal unterbrochen wird, muß allerdings viel höher als das übertragene niederfrequente Signal sein. Eine Wiederholungsfrequenz in der Größenordnung von 40 bis 80 kHz kann entsprechen. In Fig. 3 wird die Verstärkerröhre mit 1, die gekoppelten abgestimmten Kreise mit 2, 3 und die Ausgangsbelastung mit 4 bezeichnet. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, daß die Zeitkonstante der Ausgleichvorgänge des Kreises 2 viel kürzer und die Zeitkonstante des Kreises 3 viel länger als die Impulsdauer sein müssen, falls die oben angeführten Bedingungen für die richtige Funktion der Schaltung erfüllt werden sollen.The repetition frequency of the pulses by which the high-frequency excitation signal is interrupted must, however, be much higher than the transmitted low-frequency signal. A repetition frequency on the order of 40 to 80 kHz can correspond. In FIG. 3, the booster tube is designated 1, the coupled tuned circuits 2, 3, and the output load 4. It can be seen from this figure that the time constant of the balancing processes of circuit 2 must be much shorter and the time constant of circuit 3 must be much longer than the pulse duration if the above conditions are to be met for the correct functioning of the circuit.

Fig. 4 illustriert eine weitere Abänderung des gleichen Prinzips. Die induktive Kopplung zwischen denFig. 4 illustrates a further modification of the same principle. The inductive coupling between the

ίο abgestimmten Kreisen wird hier durch ein reaktives L-Glied 2 ersetzt, welches als Viertelwellenglied wirkt und deshalb die gleiche Wirkung wie der Kreis 2 in Fig. 3 ausübt. Die gleiche Wirkung kann durch eine tatsächliche Viertelwellenleitung, welche deshalb in Fig. 5 auch mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist, erzielt werden.ίο coordinated circles is here by a reactive L-member 2 replaced, which acts as a quarter-wave member and therefore has the same effect as circle 2 in FIG. The same effect can be achieved by a actual quarter-wave line, which is therefore also denoted by the reference number 2 in FIG. 5, be achieved.

Eingehende Berechnungen der Funktion dieser Schaltung und Prüfungen zeigen weitere Verbesserungsmöglichkeiten, welche durch die Schaltungen gemäß In-depth calculations of the function of this circuit and tests show further possibilities for improvement, which can be achieved by the circuits according to

so Fig. 6 bis 8 illustriert sind. Es ist z. B. klar, daß während der unteren Modulationshalbwelle, während der die Röhre in eine sehr hohe Impedanz arbeitet, übermäßig hohe Hochfrequenzspannungen an der Anode auftreten können und daß es überhaupt nicht notwendig ist, den maximalen Wert der hochfrequenten Erregerspannung einzuhalten. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Verstärkerstufe mit einer Spannungsgegenkopplung zu versehen, welche die Erregerspannung am Gitter der Röhre in diesem Teil des ModulationszykluB herabsetzt. Da in Leistungsstufen überwiegenderweise Trioden verwendet werden, die neutralisiert werden müssen, ist es vorteilhaft, für diesen Zweck die Gitterneutralisierung anzuwenden, die auch als Gegenkopplung verwendet werden kann, wie in Fig. 8 angedeutet ist, falls die Abmessungen richtig gewählt werden. Der Neutralisierungskondensator 5 und der symmetrische Gitterkreis 6 in einer normalen Schaltung· bieten einen Gegenkopplungskoeffizienten, welcher vom Verhältnis zwischen der Neutralisierungs- und Abstimmkapazität des Gitterkreises abhängt. Da im Ausgang des Kreises wahrscheinlich in einem kleinen Maße auch Harmonische der Modulationsfrequenz erscheinen könnten, welche benachbarte Verstärker stören würden, wäre die Anwendung des Kreises gemäß Fig. 7 von Vorteil. In dieser Schaltung ist der abgestimmte Ausgangskreis 3 komplex, und seine Impedanzcharakteristik besitzt bei diesen Frequenzen Nullstellen.so Figs. 6 to 8 are illustrated. It is Z. B. clear that during the lower half-wave modulation, during which the tube works in a very high impedance high radio frequency voltages can occur at the anode and that it is not necessary at all is to comply with the maximum value of the high-frequency excitation voltage. In some cases it can it may be advantageous to provide the amplifier stage with a negative voltage feedback that controls the excitation voltage on the grating of the tube in this part of the modulation cycle. Since triodes are predominantly used in power levels, which need to be neutralized, it is advantageous to use grid neutralization for this purpose, which can also be used as negative feedback, as indicated in FIG. 8, if the dimensions be chosen correctly. The neutralization capacitor 5 and the symmetrical grid circle 6 in one normal circuit · provide a negative feedback coefficient which depends on the ratio between the The neutralization and tuning capacity of the grid circle depends. As in the exit of the circle probably harmonics of the modulation frequency could also appear to a small extent, which would interfere with neighboring amplifiers, the use of the circuit according to FIG. 7 would be advantageous. In In this circuit, the matched output circuit 3 is complex and its impedance characteristic has at zero these frequencies.

Die Schaltung gemäß Fig. 8 ist dieselbe wie in Fig. 4 mit dem Unterschied, daß eine umgekehrt polarisierte Diode 7 parallel zu der Röhre 1 geschaltet ist. Diese Diode verhindert auch eine unerwünschte Vergrößerung der Anodenschwingungen und kann deshalb dort zur Anwendung kommen, wo die Schaltung gemäß Fig. 6 nicht vorteilhaft erscheint.The circuit according to FIG. 8 is the same as in FIG. 4 with the difference that one is reversely polarized Diode 7 is connected in parallel with the tube 1. This diode also prevents unwanted enlargement the anode vibrations and can therefore be used where the circuit is according to FIG. 6 does not appear advantageous.

Claims

Patent claims:

1. A circuit for amplitude modulation of transmitters, characterized in that the grating of the High frequency output amplifier is excited by a high frequency voltage generated in the The rhythm of an interruption frequency is sampled and its pulse duty factor according to the course the low-frequency modulation voltage is modulated, and that the anode circuit of the mentioned High frequency amplifier contains a matched network, the input impedance of which is from. to the Duty cycle between the active and the

passive part of the interruption period is dependent.

2. A circuit according to claim 1, characterized in that the anode circuit of the high frequency Output amplifier contains two coupled tuned circuits, their dynamic quality factors are in a ratio to each other which is higher than 1: 5.

3. A circuit according to claim 1, characterized in that the anode of the high-frequency Output amplifier is connected to a circuit with a high dynamic quality factor, and although by means of a quarter-wave line or by means of a coupling member of similar properties.

4. A circuit according to claim 1, characterized in that the high-frequency output amplifier is provided with a high-frequency negative voltage feedback.

5. A circuit according to claim 4, characterized in that the high-frequency negative voltage feedback is achieved by grid neutralization.

6. A circuit according to claim 1, characterized in that the anode of the amplifier tube with the cathode of a diode is connected to a grounded anode.

7. A circuit according to claim 1, characterized in that the impedance characteristic of the complex tuned circle at frequencies of the sidebands, which is the repetition frequency which correspond to the pulses, have zeros.

8. Circuit according to claim 1 to 7, characterized in that its output with a detector is connected, which a signal voltage as negative feedback in the pulse width modulatioo. evoking stage feeds.

Considered publications:
German Patent No. 861 873;
Swiss Patent No. 246 145.

1 sheet of drawings