DE1212145B - Frequenzmodulator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/06

Nummer: 1212145

Aktenzeichen: S 92807 VIII a/21 al

Anmeldetag: 26. August 1964

Auslegetag: 10. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitbandfrequenzmodulator für Einrichtungen der elektrischen Nachrichtentechnik, insbesondere Richtfunktechnik.

An Modulatoren dieser Art müssen sehr hohe Anforderungen sowohl an die Linearität der Modulationskennlinie als auch an die Freiheit von thermischen Geräuschen sowie Intermodulationsgeräuschen gestellt werden. Unter Intermodulationsgeräusch sind hierbei solche Geräuschanteile zu verstehen, die in einem Kanal eines Mehrkanal-Nachrichtenübertragungssystems dadurch auftreten, daß die übrigen Kanäle des Systems mit Nachrichten belegt sind. Die Realisierung dieser Forderungen bereitet bei mit Frequenmodulation arbeitenden Nachrichtenübertragungssystemen auf Grund der sehr breiten Signalfrequenzbänder erhebliche Schwierigkeiten. Es sind Frequenzmodulatoren für Richtfunksysteme bekannt, bei denen die mit dem Basisband frequenzmodulierte Zwischenfrequenz im Frequenzbereich von einigen 10⁷ Hz durch Überlagerung der Schwingungen zweier Reflex-Klystrone gewonnen wird. Diese Klystrone arbeiten im Bereich von einigen 10⁹ Hz, von denen das eine durch das Basisband frequenzmoduliert wird. Bei einem anderen bekannten Frequenzmodulator, der lediglich mit Halbleiterelementen aufgebaut ist, gelingt die Modulation ebenfalls nur mit einer Umsetzung, bei dem wiederum von zwei hinsichtlich ihrer Grundschwingungen um die Zwischenfrequenz sich unterscheidenden Oszillatoren Gebrauch gemacht wird. Diese Oszillatoren werden hierbei im Gegentakt moduliert.

Es sind zwar auch Frequenzmodulatoren bekannt, die hinsichtlich der geschilderten Modulatoren mit einem erheblich geringeren technischen Aufwand auskommen und bei denen von einem in der Frequenz modulierbaren astabilen Multivibrator Gebrauch gemacht wird. Sie bestehen im wesentlichen aus zwei Verstärkerelementen, die hinsichtlich ihrer Steuer- und Ausgangselektroden kreuzweise gekoppelt sind und an deren Steuergittern die Modulationsspannung angelegt ist. Durch besondere Maßnahmen, nämlich eine starke Gleichstromgegenkopplung der Verstärkerelemente und besondere Begrenzungsmittel ist es möglich, die Linearität der Modulationskennlinie eines solchen Modulators auch für relativ breitbandige Modulationsspannungen ausreichend groß zu machen. Dies gilt jedoch nur für Frequenzen der Grundschwingung des zu modulierenden Multivibrators unterhalb von 10 MHz. Bei Zwischenfrequenzen von etwa 70 MHz, wie sie beispielsweise bei Richtfunksystemen allgemein üblich sind, können auch Frequenzmodulator

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Otmar Ringelhaan,
München-Neuaubing;
Siegmund Kreil, Stockdorf

hohe Gleichstromgegenkopplungen der Verstärkerelemente und besondere Begrenzungsmittel die Linearität der Modulationskennlinie in einem größeren Bereich nicht mehr gewährleisten, weil der Ablauf der das Schalten der Verstärkerelemente steuernden Umladevorgänge bei derart hohen Frequenzen auf Grund von Streureaktanzen nicht mehr eindeutig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Modulator der letztgenannten Art einen Lösungsweg anzugeben, auf dem unter anderem die für seinen Einsatz bei Frequenzen im Bereich von 50 bis 200 MHz auftretenden geschilderten Schwierigkeiten mit einfachen Mitteln überwunden werden können.

Ausgehend von einem Breitbandfrequenzmodulator für Einrichtungen der elektrischen Nachrichtentechnik, insbesondere Richtfunktechnik, unter Ver-Wendung eines die Trägerschwingung erzeugenden astabilen Multivibrators mit zwei hinsichtlich ihrer Steuer- und Ausgangselektroden kreuzweise gekoppelten Verstärkerelementen, an deren beiden Steueroder Ausgangselektroden die Modulationsspannung gleichermaßen wirksam ist, wird gemäß der Erfindung die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Multivibrator als Umladespeicher eine an den Steuerelektroden beider Verstärkerelemente wirksame Induktivität mit vernachlässigbarer Hysterese, vorzugsweise eine Luftinduktivität, aufweist, die hierbei die Steuer- bzw. Ausgangselektroden der Verstärkerelemente miteinander verbindet.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß der Mechanismus, der das Schalten der Verstärkerelemente steuernden Umladevorgänge dadurch wesentlich vereinfacht wird, wenn an Stelle der üblichen Kondensatoren als Umladespeicher

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lediglich eine einzige Induktivität vorgesehen wird, die hierbei praktisch keine Hysterese aufweisen darf.

Darüber hinaus hat die vorzugsweise unmittelbare Verbindung der Steuer- und der Ausgangselektroden der Verstärkerelemente durch die Induktivität unter anderem den außerordentlichen Vorteil, daß der schädliche Einfluß unerwünschter Streureaktanzen auf die Eigenschaften des Modulators sehr klein gehalten wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Ausgangselektroden der beiden Verstärkerelemente über je einen Widerstand mit der Primärwicklung eines Ausgangsübertragers verbunden, deren Mittelanzapfung über einen weiteren Widerstand die Betriebsgleichspannung für die Verstärkerelemente zugeführt ist. Die in der Frequenz modulierte Multivibratorschwingung wird dabei an der Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers abgenommen.

Zweckmäßig sind die Widerstände auf Seiten der Ausgangselektroden so groß gewählt, daß sie den in den Verstärkerelementen fließenden Strom im wesentlichen bestimmen.

Die Modulationsspannung kann ihrerseits in besonders einfacher Weise der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Ausgangsübertragers über eine Koppelanordnung, vorzugsweise einen Tiefpaß, zugeführt werden. Dabei können die den Eingangs- und Ausgangskreisen gemeinsamen Elektroden der beiden Verstärkerelemente wenigstens wechselstrommäßig auf Bezugspotential gelegt sein.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zwischen den Steuerelektroden der beiden Verstärkerelemente zwei einander gegensinnig parallelgeschaltete Gleichrichter angeordnet. Außerdem ist hier die den Umladespeicher darstellende Induktivität als Übertrager ausgebildet, dessen Primärwicklung die Ausgangselektroden der beiden Verstärkerelemente miteinander verbindet und dessen Sekundärwicklung, deren Mittelanzapfung vorzugsweise auf Bezugspotential liegt, mit hinsichtlich der Primärwicklung vertauschten Endanschlüssen an die Steuerelektroden der Verstärkerelemente angeschaltet ist. Die Modulationsgröße wird bei diesem Ausführungsbeispiel sinnvoll in Form eines Stromes den den Eingangs- und Ausgangskreisen gemeinsamen Elektroden der Verstärkerelemente zugeführt.

Außerordentlich vorteilhaft läßt sich der Erfindungsgegenstand mit die Verstärkerelemente darstellenden Transistoren aufbauen.

Besonders einfach gestaltet sich der erfindungsgemäße Modulator, wenn die den Umladespeicher darstellende Induktivität die Primärwicklung eines Übertragers ist, an deren Mittelanzapfung über einen ersten Widerstand die Modulationsspannung und über einen zweiten Widerstand die Betriebsgleichspannung anliegt. Die frequenzmodulierte Multivibratorschwingung kann dabei unter Fortfall des Ausgangsübertragers an der Sekundärwicklung abgenommen werden..

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.

Der in Fig. 1 dargestellte Breitbandfrequenzmodulator nach der Erfindung weist als Verstärkerelemente zwei Transistoren TrI und Tr 2 in Emitterschaltung auf. Ihre Kollektor- und Basisanschlüsse sind unmittelbar kreuzweise miteinander verbunden, und zwischen ihren Basiselektroden ist die den Umladespeicher darstellende Luftinduktivität L angeordnet. Zur Abnahme der die frequenzmodulierte Schwingung des Multivibrators darstellenden Spannung Uz sowie der Zuführung der Modulationsspannung Um über den Tiefpaß TP dient der Ausgangsübertrager Ül, dessen primätseitigea Endanschlüsse über die Widerstände R1 und Rl mit den Kollektorelektroden bzw. den Basiselektroden der Transistoren verbunden sind. Die Betriebsspannung + Ub wird den Transistoren über den Widerstand R 3 und die Mittelanzapfung der Primärwicklung des Übertragers Ül zugeführt. In gleicher Weise liegt an dieser Mittelanzapfung gegen Bezugspotential die Modulationsspannung an. Die Widerstände Rl und R2 sind hinsichtlich der Sättigungswiderstände der Kollektorbasisstrecken der Transistoren TrI und Tr 2 groß \ gewählt. Dadurch ist erreicht, daß die in den Transistoren fließenden Ströme im Rhythmus der Speicherumladevorgänge in der Induktivität L praktisch durch diese Widerstände bestimmt sind und somit Schwankungen der erwähnten Sättigungswiderstände für die Eigenschaften des Modulators ohne Bedeutung sind.

Wie praktische Versuche ergeben haben, läßt sich der erfindungsgemäße Modulator bei geeigneter Dimensionierung seiner Arbeitspunkte für eine Grundfrequenz von beispielsweise 70 MHz mit einem Frequenzhub von +10 MHz und einer Nichtlinearität des damit ausgenützten Bereiches seiner Modulationskennlinie von maximal 1% aussteuern. Das diesen Messungen zugrunde liegende Muster hatte hierbei folgende Kennwerte:

Rl= 100 Ω
Ä2= 100 Ω R3 = 75 Ω

L = 200 nHy
Tr 1/2= 2 N 2708
Ub= +2,5V

Neben dieser überraschend hohen Linearität weist der Modulator aber auch eine sehr große Modulationssteilheit auf, die bei dem erwähnten Versuchsmuster in der Größenordnung 30 bis 50 MHz/V lag.

Auch weist er ein sehr kleines thermisches Geräusch auf.

Die F i g. 2 zeigt ein hinsichtlich der F i g. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. Hierbei ist die Induktivität L nach der F i g. 1 durch eine magnetisch mit ihr gekoppelte weitere Wicklung zu einem Übertrager Ü2 ergänzt. Durch diese Maßnahme kann der Ausgangsübertrager Ül nach der Fig. 1 eingespart werden. Die Primärwicklung des Übertragers Ü2 ist analog der F i g. 1 mit ihren Endanschlüssen zwischen den Basisbzw. Kollektorelektroden der Transistoren TrI und Tr 2 angeschaltet. Die Zuführung der Betriebsgleichspannung + Ub für die Transistoren erfolgt über die Reihenschaltung der Widerstände R 4 und R 5 und die Mittelanzapfung der Primärwicklung. Die Modulationsspannung Um liegt über den Tiefpaß TP am gemeinsamen Verbindungspunkt der Reihenschaltung der beiden Widerstände R 4 und R 5 an. Die in der Frequenz modulierte Multivibratorschwingung wird an der Sekundärwicklung des Übertragers Ü2 abgenommen. Die Reihenschaltung der beiden Widerstände R4 und R5 ist deshalb erforderlich, weil einerseits durch die Zuführung der Modulationsspan-

nung die Mittelanzapfung der Primärwicklung des Übertragers Ü2 wechselstrommäßig nicht auf Bezugspotential liegen darf und andererseits die Betriebsgleichspannungsquelle die Modulationsspannung nicht kurzschließen darf. Darüber hinaus sind die Widerstände zur Bemessung der von den Transistoren geschalteten Ströme erforderlich.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der die Begrenzung der in den Transistoren TrI und Tr 2 fließenden Ströme in an sich bekannter Weise durch zusätzliche Mittel erfolgt, ist in der F i g. 3 dargestellt. Die Begrenzungsmittel bestehen hierbei aus zwei Gleichrichtern Dl und D 2, die zwischen den Basiselektroden der Transistoren TrI und Tr 2 einander gegensinnig parallel geschaltet sind. Um eine einwandfreie Funktion der Transistoren als Stromschalter zu gewährleisten, ist es in diesem Falle zweckmäßig, eine gleichstrommäßige Trennung zwischen den Kollektorelektroden und den Basiselektroden vorzunehmen. Hierzu ist die InduktivitätL nach der Fig. 1 zu einem Übertrager £73 erweitert, dessen Primärwicklung mit ihren Endanschlüssen die beiden Kollektorelektroden miteinander verbindet, während die Sekundärwicklung mit hinsichtlich der Primärwicklung vertauschten Endanschlüssen an die Basiselektroden der beiden Transistoren angeschaltet ist. Beide Wicklungen des Übertragers Ü3 weisen eine Mittelanzapfung auf, von denen die der Primärwicklung der Zuführung der Betriebsgleichspannung + Ub dient und die der Sekundärwicklung auf Bezugspotential gelegt ist. Die Zuführung der Modulationsspannung erfolgt nunmehr von der Emitterseite der Transistoren aus. Die Emitterelektroden sind über die Reihenschaltung der Widerstände R6 und Rl an eine negative Betriebsgleichspannung — Ub gelegt, während die Modulationsspannung Um über den Tiefpaß TP am gemeinsamen Verbindungspunkt der WiderständeR6 und Rl gegen Bezugspotential anliegt. Die frequenzmodulierte Multivibratorschwingung kann beispielsweise entsprechend zu den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 2 an einer in der F i g. 3 nicht näher dargestellten dritten Wicklung des Übertragers £73 abgenommen werden. An Stelle dieser dritten Wicklung kann als Modulatorausgang ein Ausgangsübertrager entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 vorgesehen werden, bei dem die Endanschlüsse seiner Primärwicklung wiederum über Widerstände an die Kollektorelektroden der beiden Transistoren angeschaltet sind. Von einer Mittelanzapfung der Primärwicklung kann abgesehen werden.

Claims (7)

Patentansprüche: 55

1. Breitbandfrequenzmodulator für Einrichtungen der elektrischen Nachrichtentechnik, insbesondere Richtfunktechnik, unter Verwendung eines die Trägerschwingung erzeugenden astabilen Multivibrators mit zwei hinsichtlich ihrer Steuer- und Ausgangselektroden kreuzweise gekoppelten Verstärkerelementen, an deren beiden Steuer- oder Ausgangselektroden die Modulationsspannung gleichermaßen wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator als Umladespeicher eine an den Steuerelektroden beider Verstärkerelemente wirksame Induktivität mit vernachlässigbarer Hysterese, vorzugsweise eine Luftinduktivität, aufweist, die hierbei die Steuer- bzw. Ausgangselektroden der Verstärkerelemente miteinander verbindet.

2. Frequenzmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden der beiden Verstärkerelemente über je einen Widerstand mit den beiden Endanschlüssen der Primärwicklung eines Ausgangsübertragers verbunden sind, deren Mittelanzapfung über einen weiteren Widerstand die Betriebsgleichspannung für die Verstärkerelemente zugeführt ist, und daß die in der Frequenz modulierte Multivibratorschwingung an der Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers abnehmbar ist.

3. Frequenzmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände auf Seiten der Ausgangselektroden so groß gewählt sind, daß sie den in den Verstärkerelementen fließenden Strom im wesentlichen bestimmen.

4. Frequenzmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Ausgangsübertragers über eine Koppelanordnung, vorzugsweise einen Tiefpaß, zugeführt ist und daß die den Eingangs- und Ausgangskreisen gemeinsamen Elektroden der beiden Verstärkerelemente wenigstens wechselstrommäßig auf Bezugspotential gelegt sind.

5. Frequenzmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Steuerelektroden der beiden Verstärkerelemente zwei einander gegensinnig parallelgeschaltete Gleichrichter angeordnet sind, daß ferner die den Umladespeicher darstellende Induktivität ein Übertrager ist, dessen Primärwicklung die Ausgangselektroden der beiden Verstärkerelemente miteinander verbindet und dessen Sekundärwicklung, deren Mittelanzapfung vorzugsweise auf Bezugspotential liegt, mit hinsichtlich der Primärwicklung vertauschten Endanschlüssen an die Steuerelektroden der Verstärkerelemente angeschaltet ist, und daß den den Eingangs- und Ausgangskreisen gemeinsamen Elektroden der Verstärkerelemente die Modulationsgröße in Form eines Stromes zugeführt ist.

6. Frequenzmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerelemente Transistoren sind.

7. Frequenzmodulator nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Umladespeicher darstellende Induktivität die Primärwicklung eines Übertragers ist, an deren Mittelanzapfung über einen ersten Widerstand die Modulationsspannung und über einen zweiten Widerstand die Betriebsgleichspannung anliegt, und daß an der Sekundärwicklung die frequenzmodulierte Multivibratorschwingung abnehmbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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