DE1218556B - Frequenzmodulationsanordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03c

Deutsche Kl.: 21 a4-14/01

Nummer: 1218 556

Aktenzeichen: W 31766IX d/21 a4

Anmeldetag: 1. März 1962

Auslegetag: 8. Juni 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen einer frequenzmodulierten Schwingung mit hohem Modulationsindex mit Hilfe eines parametrischen Verstärkers, dem eine hochfrequente Pumpenergie zugeführt wird und an den ein etwa auf die halbe Pumpfrequenz abgestimmter Resonanzkreis angekoppelt ist.

Bei Frequenzmodulationssystemen wird eine Information in Form entsprechender Frequenzänderungen eines Trägers übertragen. Bei derartigen Systemen ist es erwünscht, daß die Änderungen der Trägerfrequenz um eine stabile Mittelfrequenz stattfinden. Ferner ist es erwünscht, daß hierbei die Größe der Frequenzabweichung, bezogen auf die Größe des modulierenden Eingangssignals, auf ein Maximum gebracht wird. Weiterhin wird großer Wert darauf gelegt, daß im Aussteuerbereich die Beziehung zwischen der Größe des Eingangssignals und der resultierenden Trägerfrequenzabweichung linear ist.

Die vorstehend erwähnten wünschenswerten Eigenschaften sind zwar bei bisherigen Einrichtungen einzeln oder in verschiedenen Kombinationen mehr oder weniger verwirklicht worden, es besteht aber nach wie vor das Bedürfnis nach einer Frequenzmodulationsanordnung, die einen hohen Empfindlichkeitsgrad, eine praktisch absolut stabile Mittelfrequenz und einen ungewöhnlich hohen linearen Aussteuerbereich aufweist.

Bei manchen bekannten Systemen werden frequenzmodulierte Signale mit Hilfe elektronischer Schwingkreise erzeugt, in denen variable Reaktanzen, z.B. Reaktanzröhren, liegen, die die Schwingkreisfrequenz entsprechend der Eingangssignalinformation ändern. Ferner ist es bekannt, die Ausgangssignale von zwei hochfrequenten Oszillatoren, z. B. Klystrone, zu überlagern und ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen. Die Frequenz des ZF-Signals wird dann dadurch moduliert, daß die die Ausgangsfrequenz eines der Oszillatoren geändert wird.

Derartige Systeme weisen die Nachteile auf, wie diese in Schaltungen auftreten, die mit Glühkathodenröhren bestückt sind. Insbesondere sind die Betriebseigenschaften, beispielsweise der Reaktanzröhren und Klystrone nicht nur Funktionen des durch dieselben fließenden Stroms, sie sind auch nicht streng bestimmbar. Sie neigen dazu, sich von Röhre zu Röhre zu ändern; sie sind ferner von den Arbeitsbedingungen abhängig und unterliegen während der Gesamtlebensdauer unterschiedlich großen Änderungen. Dies führt unter anderem zu einer Instabilität der Mittel-Frequenzmodulationsanordnung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Harold Seidel, Fanwood, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. März 1961 (96491) --

frequenz im Ausgangssignal, d. h. zu einem »Weglaufen«.
Eine weitere Schwierigkeit, die bei Systemen mit

as zwei hochfrequenten Oszillatoren auftritt, besteht in der Notwendigkeit, eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen den Ausgängen der Oszillatoren aufrechtzuerhalten. Ferner ist es praktisch unmöglich, bei derartigen Systemen eine absolute Stabilität der Mittelfrequenz zu erreichen, da die Differenz zwischen den beiden Ausgängen nicht nur von dem voneinander unabhängigen Weglaufen der Oszillatoren, sondern auch von der mittleren Frequenz desjenigen Oszillators abhängt, dem das Eingangssignal zugeführt wird.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine frequenzmodulierte Schwingung mit hohem Modulationsindex mit Hilfe von Einrichtungen zu erzeugen, deren Eigenschaften von den Eigenschaf ten der Glühkathodenröhren unabhängig sind. Insbesondere soll dabei die Schwingung dadurch erzeugt werden, daß zwei genau regelbare und zweckmäßig synchron änderbare hochfrequente Schwingungen überlagert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist für die Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die vom Resonanzkreis zum Verstärker im interessierenden Frequenzbereich zurückreflektierten Schwingungen den Verstärker als negativen Widerstandsverstärker zum Schwingen anregen, wobei die Abstimmung des reflektierenden Resonanzkreises mit Hilfe einer variablen Reaktanz in Ab-

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hängigkeit von der modulierenden Eingangsspannung Signalfrequenz und einer Spiegelfrequenz mit gleichen geändert wird, daß ferner am Ausgang die Differenz Abständen von der halben Pumpfrequenz nach oben zwischen der geänderten Resonanzkreisfrequenz und und unten besteht. Durch Änderung der Schwingder dabei zwangläufig entstehenden, zu dieser be- frequenz wird eine konjugierte Änderung der Spiegelzüglich der Mittelfrequenz des Resonanzkreises sym- 5 frequenz bewirkt. Offensichtlich ändert sich der Abmetrisch liegenden Spiegelfrequenz oder aber eine stand zwischen der Signalfrequenz und der Spiegel-Harmonische dieser Differenzfrequenz nutzbar ge- frequenz um einen Betrag, der doppelt so groß ist macht wird. wie die Änderung jeder Frequenz allein. Weiterhin

Hierbei kann der gesteuerte Resonanzkreis so an ist die Differenzfrequenz (die Differenz zwischen der den parametrischen Verstärker angekoppelt sein, daß io Signalfrequenz und der Spiegelfrequenz) im aller bei bzw. in der Nähe seiner Resonanzfrequenz gemeinen viel kleiner als die Signalfrequenz oder die einen Kurzschluß der Ankoppelleitang darstellt. Spiegelfrequenz, so daß die verhältnismäßig kleinen

Eine bekannte Eigenschaft von Verstärkern mit Frequenzabweichungen des Signals in verhältnisveränderlicher Reaktanz bzw. von parametrischen mäßig sehr große Abweichungen der Differenz-Verstärkern, z. B. dem Verstärker mit veränderlicher 15 frequenz übersetzt werden.

Kapazität, besteht darin, daß ein Signal der Fre- Die Merkmale der Erfindung werden an Hand der

quenz f_s verstärkt werden kann, indem die Reaktanz nachfolgenden Erläuterung und der Zeichnungen

des Verstärkers bei einer Pumpfrequenz f_p geändert voll verständlich.

wird, die genau gleich 2/_s beträgt. Ein maximaler Fig. 1 der Zeichnungen zeigt ein Blockschema

Energieübergang von der Pumpschwingung zur Si- 20 eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

gnalschwingung entsteht, wenn f„ = 2f_s ist und die Fig.2 und 2A sind Kurven, die einige wichtige

Amplitudenspitzen und -täler der Pumpschwingung Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Schaltung er-

mit denjenigen der Signalschwingung zusammen- läutern;

fallen. In der Praxis ist es jedoch selten möglich, eine Fig. 3 ist ein Frequenzspektrum, das die Eigenderartige absolut genaue Beziehung zwischen der 25 schäften eines parametrischen Verstärkers schematisch Pumpschwingung und der Signalschwingung aufrecht- zeigt, bei dem die Erfindung angewendet wird;
zuerhalten. Infolgedessen ist am Ausgang des para- Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Ausmetrischen Verstärkers nicht ausschließlich die Si- gangsfrequenz abhängig von der Eingangssignalgnalfrequenz vorhanden, es tritt vielmehr dort eine spannung, die bei der in F i g. 5 dargestellten Ausmodulierte Schwingungsform auf, von der gezeigt 30 führung gemessen wurde;

werden kann, daß sie die Summe von zwei Sinus- - Fig. 5 zeigt eine Ansicht eines speziellen Ausfühschwingungen mit den Frequenzen/_s und f_p—f_s ist. rungsbeispiels, entsprechend dem Erfindungsprinzip. Wenn somit die Frequenz des Eingangssignals des In F i g. 1 ist in Form eines Blockschemas ein paraparametrischen Verstärkers von ¹IzJ₁₁ abweicht, be- metrischer Verstärker mit negativem Widerstand darsteht der Ausgang aus zwei Frequenzen mit den 35 gestellt, der mit einem abgestimmten Kreis gekoppelt gleichen Abständen von ¹ZtJ₁₁ nach oben und unten. ist, welcher sich bei einer Signalfrequenz in Resonanz Wegen dieser Symmetrie wird die Differenzfrequenz befindet. Bei Resonanz wirkt der abgestimmte Kreis Spiegelfrequenz genannt. Da das Spiegelsignal ein als reeller Leitwert an der Übertragungsleitung, die unvermeidliches, jedoch im allgemeinen nicht be- zum parametrischen Verstärker führt. Der Leitwert nutztes Nebenprodukt der parametrischen Verstär- 40 erzeugt eine Impedanzfehlanpassung, so daß Energie kung ist, wird es manchmal »Leerlauffrequenz« ge- mit einer Frequenz innerhalb der Resonanzbandnannt. breite Af zum Verstärker reflektiert wird. Wie sich

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß, je aus F i g. 2 ergibt, wird der Verstärker zum Schwin-

dichter /_s an ¹ZtJ₁, liegt, /_s auch um so dichter an der gen gebracht, wenn der Reflexionskoeffizient einen

Spiegelfrequenz liegt. Wenn die Signalfrequenz und 45 gewissen Wert übersteigt, der durch die Linie a dar-

die Spiegelfrequenz dicht zusammenliegen, haben das gestellt wird.

verstärkte Signal und das Spiegelsignal etwa die Da jedoch der parametrische Verstärker eine ziemgleiche Amplitude. Unter diesen Umständen ist es lieh breitbandige Einrichtung ist, tritt eine Schwinverhältnismäßig schwierig, die gewünschte Signal- gung normalerweise bei zahlreichen verschiedenen frequenz von der nutzlosen Spiegelfrequenz zu 50 Frequenzen innerhalb der Resonanzbandbreite auf. trennen. Wenn daher die Einrichtung als Verstärker Die qualitative Beziehung zwischen der Bandbreite mit negativem Widerstand verwendet wird, muß des Verstärkers und der Resonanzbandbreite ergibt darauf geachtet werden, daß ein ziemlich großer sich aus einem Vergleich der Fig. 2 und 2A. Wenn Trennbereich zwischen f_s und ¹Z₂I₁, bleibt. Es wird z. B. in der großen Bandbreite, die durch die gedann ein Filter vorgesehen, um zu verhindern, daß. 55 strichelte Kurve in Fig. 2 angedeutet ist, Energie das Spiegelsignal an der Ausgangsklemme des Ver- reflektiert wird, können Schwingungen gleichzeitig stärkers erscheint. bei mehreren verschiedenen Frequenzen innerhalb

Bei einer Frequenzmodulationsanordnung ent- der Bandbreite zwischen den Schnittpunkten der gesprechend dem Erfindungsprinzip wird jedoch das strichelten Kurve und der Linie α auftreten. Aus Spiegelsignal in vorteilhafter Weise als Signal benutzt, 60 F i g. 2 A wird ersichtlich, daß durch die Verstärkung dessen Frequenzabweichungen zu denjenigen des des parametrischen Verstärkers Schwingungen über Eingangssignals synchron in Beziehung stehen. Hier- eine große Bandbreite entstehen können. Ein zweckbei wird einparametrischer Verstärker zumSchwingen mäßiges Verfahren zur Einengung des Frequenzgebracht, indem an seiner Ausgangsklemme eine Im- bereichs, in dem Schwingungen auftreten können, pedanzfehlanpassung vorgesehen wird. Die Schwing- 65 besteht darin, den Verstärker und den abgestimmten frequenz unterscheidet sich etwas von ¹U f_p, so daß Kreis zu entkoppeln, so daß ein ausreichend hoher der Ausgang des parametrischen Oszillators ent- Reflexionskoeffizient nur in einem begrenzteren Besprechend der oben beschriebenen Theorie aus einer reich vorhanden ist. In Fig. 2 ist durch die aus-

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gezogene Kurve eine gewünschte Form dargestellt, Tatsache, daß eine Reaktanzänderung, die ausreicht,

wie sie durch eine derartige lose Kopplung entsteht. um eine gegebene Änderung der Resonanzfrequenz

Entsprechend der oben beschriebenen Theorie eines Oszillators von z. B. /_s auf // zu erzeugen, bei wird eine Schwingung des parametrischen Verstärkers der Erfindung gleiche, jedoch entgegengesetzte Anbei der Resonanzfrequenz f_s des abgestimmten 5 derungen von zwei in synchroner Beziehung stehen-Kreises unvermeidlich von der Erzeugung einer den Frequenzen hervorbringt, nämlich von /_s auf // Spiegelschwingung mit der Differenzfrequenz f_p__s und von /_p__s auf /p_,. Da das Ausgangssignal die begleitet. Wenn nun die Resonanzfrequenz des Differenz zwischen diesen beiden Frequenzen, nämlich Schwingkreises geändert wird, z. B. durch Ändern f_p__s — f/ ist, beträgt die hervorgebrachte Änderung der Kapazität einer Varactor-Diode im Schwingkreis, io das Doppelte der Änderung von jeder Frequenz allein, werden die Signal- und die Spiegelfrequenz um Ein spezielles Ausführungsbeispiel ist in F i g. 5 im gleiche und entgegengesetzte Beträge verschoben. einzelnen dargestellt, wo ein parametrischer Verstär-Somit wird durch Anlegen des Eingangssignals in ker 5 mit negativem Widerstand mit einem koaxialen Form einer sich ändernden Spannung an eine span- Wellenleiter 10 gekoppelt ist, der aus dem Außennungsgesteuerte Reaktanz im Schwingkreis eineDiffe- 15 leiter 11 und dem Mittelleiter 12 besteht. Dem Verrensfrequenzabweichung hervorgebracht, die das stärker 5 wird von einer Quelle, die mit dem Leiter-Doppelte der Änderung der Resonanzfrequenz des stumpf 6 verbunden ist, Pumpenergie mit der Fre-Schwingkreises beträgt. Da ferner das Ausgangssignal quenz f_p zugeführt. Es ist ein abstimmbarer Leiterdie Differenzfrequenz ist, nämlich die Differenz stumpf 7 vorgesehen, um die Justierung des Systems zwischen der Signalfrequenz und der Spiegelfrequenz, 20 zu unterstützen.

ist sie eine viel niedrigere Frequenz als die Signal- Ein Resonanzhohlraum 8, der durch eine Außen-

und die Spiegelfrequenz. Daher ist die Abweichung wand 14 begrenzt ist, ist lose mit der Koaxialleitung

der Ausgangsfrequenz vergleichsweise sehr groß. 10 mit Hilfe eines Mittelleiters 16 gekoppelt, die in

Wenn z. B. der parametrische Verstärker eine einer Sonde 15 endet, welche sich in der Nähe des Pumpschwingung mit einer Frequenz von 1000 MHz 25 Mittelleiters 12 der Leitung 10 befindet. Der Hohlerhält und durch Parallelschalten mit einem Resonanz- raum 8 kommt bei einer Signalfrequenz/_s in Resokreis von 480 MHz zum Schwingen gebracht wird, nanz, die etwa gleich der Hälfte von f_p ist. Bei Resobeträgt die Spiegelfrequenz 520 MHz. Der Ausgang nanz wirkt der Hohlraum 8 als Kurzschluß an der ist die Differenzfrequenz, nämlich 40 MHz. Nun sei Leitung 10. Energie innerhalb der Resonanzbandangenommen, daß die Resonanzfrequenz des Schwin- 30 breite wird somit zum Verstärker 5 reflektiert und kreises sich auf 490 MHz ändert. Die Signalfrequenz rückgekoppelt. Infolge der losen Kopplung zwischen und die Spiegelfrequenz werden dann 490 bzw. der Leitung und dem Hohlraum reicht jedoch der 510 MHz. Während sich also die Signal- und die Reflexionskoeffizient im größten Teil des Bandes Spiegelfrequenz jeweils um 10 MHz geändert haben, nicht aus, um eine Rückkopplungsschwingung zu hat sich die Differenzfrequenz, die das Ausgangs- 35 erregen. Vorteilhafterweise wird die Kopplung so einsignal darstellt, um 20 MHz geändert, was einer Ab- gestellt, daß eine Schwingung nur in einem sehr nähme von 50% entspricht. schmalen Band einsetzt.

Die nachfolgenden weiteren Merkmale der Er- Mit dem Hohlraum 8 ist ein zweiter Hohlraum 9 findung werden an Hand von Fig. 3 beschrieben. Ein gekoppelt, der bei ¹Uf₁₁ in Resonanz kommt. Mit dem Merkmal besteht darin, daß die Mittelfrequenz des 40 einen Ende ihres Gehäuses ist eine Varactor-Diode FM-Ausgangs leicht auf einem stabilen Wert gehalten 21 im. Hohlraum 9 befestigt, während das andere werden kann. Dies folgt aus der Tatsache, daß das Ende in Berührung mit dem Mittelleiter 16 des Hohlder Arbeitsweise des parametrischen Verstärkers zu- raums 8 steht. Diese Anordnung ergibt eine verändergrunde liegende physikalische Prinzip notwendiger- liehe Kapazität, die den Hohlraum 8 überbrückt, weise fordert, daß die Mittelfrequenz stets gleich 45 Wenn die Kapazität entsprechend dem Eingangssignal ¹ItJp ist. Die Mittelfrequenz des FM-Ausgangs (die geändert wird, wird die Resonanzfrequenz entmittlere Trägerfrequenz) kann somit unabhängig von sprechend verschoben, wobei gleiche und entgegenstörenden Einflüssen gemacht werden, welche die Ar- gesetzte Verschiebungen der Signalfrequenz und der beitsweise von Glühkathodeneinrichtungen beeinträch- Spiegelfrequenz hervorgebracht werden. Das Austigen. Sie ist nur noch abhängig von der Pump- 50 gangssignal des parametrischen Oszillators geht von frequenz f_p, die durch einen äußerst stabilen Oszil- der Leitung 10 zu einem Mischer 22, der die frequenzlator bestimmt sein kann. Zum Beispiel kann die modulierte Differenz zwischen der Signalschwingung Pumpfrequenz zweckmäßigerweise mit Hilfe eines und der Spiegelschwingung abnimmt,
piezoelektrischen Kristalls geregelt werden. Die auf Eine Anordnung der dargestellten Art ist äußerst diese Weise erreichte Stabilität übersteigt weitgehend 55 empfindlich für Änderungen des Eingangssignals. So diejenige, die mit Hilfe herkömmlicher Frequenz- wurde bei einer typischen Ausführung eine Pumpmodulationseinrichtungen erzielt werden kann, die frequenz von 1000 MHz dem parametrischen Verim allgemeinen von örtlichen Oszillatoren mit Reak- stärker zugeführt, um Signal- und Spiegelfrequenzen tanzröhren oder Klystronen abhängig sind. mit gleichen Abständen von 500 MHz hervor-

Außer einem stabilen Ausgang schafft die Erfin- 60 zubringen. Die gemessene Empfindlichkeit betrug

dung eine relativ hohe Empfindlichkeit. Es sei be- 30 MHz Abweichung je Volt des Eingangssignals,

merkt, daß die Empfindlichkeit bereits bekannter Dieselbe Anordnung ergab ferner einen sehr großen

Systeme direkt von der Empfindlichkeit einer ver- Linearitätsbereich. Typische Messungen sind in

änderlichen Reaktanz in einem Oszillator abhängig F i g. 4 dargestellt. Wie man sieht, erstreckt sich die

ist. Bei einer gegebenen Art von veränderlicher Reak- 65 Linearität über einen Bereich von etwa 15 MHz. Die

tanz schafft jedoch eine erfindungsgemäße Anord- ausgezogenen und gestrichelten Linien in Fig. 4

nung wenigstens die doppelte Empfindlichkeit wie stellen die bei zwei verschiedenen parametrischen

bisher. Wie aus F i g. 3 hervorgeht, folgt dies aus der Verstärkeranordnungen erhaltenen Ergebnisse dar.

Es wurde gezeigt, daß entsprechend dem Prinzip der Erfindung eine einfache und kompakte Schaltung erhalten werden kann, bei der Halbleiterelemente verwendet werden und die in der Lage ist, außerordentlich große Frequenzabweichungen um eine äußerststabüeMittelfrequenzhervorzubringen.Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Schaltung äußerst empfindlich und ergibt einen hohen Linearitätsgrad in einem breiten Frequenzband.

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Erzeugen einer frequenzmodulierten Schwingung mit hohem Modulationsindex mit Hilfe eines parametrischen Verstärkers, dem eine hochfrequente Pumpenergie zugeführt wird und an den ein etwa auf die halbe Pumpfrequenz abgestimmter Resonanzkreis angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Resonanzkreis zum Verstärker im inter-

essierenden Frequenzbereich zurückreflektierten Schwingungen den Verstärker als negativen Widerstandsverstärker zum Schwingen anregen, wobei die Abstimmung des reflektierenden Resonanzkreises mit Hilfe einer variablen Reaktanz in Abhängigkeit von der modulierenden Eingangsspannung geändert wird, daß ferner am Ausgang die Differenz zwischen der geänderten Resonanzkreisfrequenz und der dabei zwangläufig entstehenden, zu dieser bezüglich der Mittelfrequenz des Resonanzkreises symmetrisch liegenden Spiegelfrequenz oder aber eine Harmonische dieser Differenzfrequenz nutzbar gemacht wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Resonanzkreis so an den parametrischen Verstärker angekoppelt ist, daß er bei bzw. in der Nähe seiner Resonanzfrequenz einen Kurzschluß der Ankoppelleitung herstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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