DE1266833B

DE1266833B - Vorrichtung zur Phasenmodulation eines Traegersignals

Info

Publication number: DE1266833B
Application number: DER39627A
Authority: DE
Inventors: Rene Ernst Theodor Brutsch
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1964-05-26
Filing date: 1965-01-12
Publication date: 1968-04-25
Also published as: BE658646A; NL6502396A; FR1419345A; CH444241A; GB1043100A; US3319188A; NL129000C; SE332208B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03c

Deutsche KL: 21 a4 -14/01

Nummer: 1 266 833

Aktenzeichen: R 39627IX d/21 a4

Anmeldetag: 12. Januar 1965

Auslegetag: 25. April 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Phasenmodulation eines Trägersignals, die aus einem passiven Netzwerk mit einer variablen Kapazität in Form eines spannungsabhängigen Kondensators, insbesondere einer Kapazitätsdiode, besteht, dem eine Modulalionsspannung zugeführt wird.

Eine bekannte derartige Modulalionsvorrichtung ist nach Art eines einfachen RC-Phasenschiebers ausgebildet, der nur in einem sehr beschränkten Bereich annähernd linear ist. Bei einer Ausführungsform dieses bekannten Phasenschiebers wird eine annehmbare Linearität nur in einem Bereich von ± 25 Phasenwinkel erzielt. Daher muß eine größere Anzahl dieser bekannten Modulatoren in Kaskade geschaltet werden, um einen ausreichenden Modulationsgrad zu erzielen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einstufigen Phasenmodulator zu schaffen, der in einem großen Frequenzbereich einen hohen Modulationsindex bei geringem Klirrfaktor ermöglicht, bei dem also in einem großen Winkelbereich die Phasenverschiebung der Trägerfrequenz eine lineare Funktion der Modulationsspannung ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das passive Netzwerk von einer T-Schaltung oder einer äquivalenten .τ-SchaItung gebildet wird, die in ihren Längszweigen je eine Induktivität und in ihrem Querzweig den spannungsabhängigen Kondensator aufweist, so daß sie unter Berücksichtigung des Innenwiderstandes einer das Trägersignal zuführenden Spannungsquelle und eines Abschlußwiderstandes die übertragungsfunktion

Γ — ² —
U₁ —"ΓΓ-—■

aufweist, wenn die beiden Induktivitäten den gleichen Wert L und die beiden Widerstände den gleichen Wert R haben und X die Spannung des unmodulierten Trägersignals, \ die modulierte Ausgangsspannung, f) die Kreisfrequenz des Trägersignals und C den Wert des spannungsabhängigen Kondensators bedeutet und daß bei vorgegebenem R und <·> der Wert L der Induktivitäten so gewählt ist, daß nach Einsetzen der Funktion der Spannungsabhängigkeit der variablen Kapazität fz. B. C — yj-4-in die übertragungsfunktion sich eine lineare Abhängigkeit der Phase der übertragungsfunktion von der an den spannungsabhängigen Kondensator angelegten Modulalionsspannung V ergibt.

Vorrichtung zur Phasenmodulation eines
Trägersignals

Anmelder:

Raytheon Company, Lexington, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler

und Dipl.-Phys. H. Schwindling, Patentanwälte,

7000 Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:

Rene Ernst Theodor Brutsch,

Schaffhausen (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Mai 1964 (370 167)

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist den beiden Induktivitäten der T-Schaltung ein Uberbrückungszweig parallel geschaltet, der aus einer Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes, dessen Wert der Summe aus den Werten des Innenwiderstandes der Spannungsquelle und des Abschlußwiderstandes gleich ist, und eines Kondensators besteht, der so bemessen ist, daß der aus den beiden Längsinduktivitäten und dem Kondensator gebildete Parallelkreis bei der Trägerfrequenz in Resonanz ist.

Diese bevorzugte Schaltung hat den besonderen Vorteil, daß die Ortskurve seiner übertragungsfunktion in der komplexen Ebene einen zum Ursprung dieser Ebene konzentrischen Kreis bildet, so daß also die Amplitude der Ausgangsspannung konstant bleibt. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird also ein Phasenmodulator geschaffen, der unmittelbar ein Ausgangssignal konstanter Amplitude liefert. Außerdem ist zugleich die Phasenempfindlichkeit dieses Modulators gegenüber einem Modulator ohne uberbrückungszweig verdoppelt.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer Ausführungsform des Phasenmodulators nach der Erfindung,

F i g. 2 das Schaltbild einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform eines Phasenmodulators nach der

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Erfindung, der einen Uberbrückungszweig zur Unter- Werkes zu kompensieren, das aus Induktivitäten,

drückung einer Amplitudenmodulation aufweist. Widerständen und Kapazitäten besteht. Die von

F i g. 3 ein Schaltbild ähnlich F i g. 2 unter An- der Kapazitätsdiode bewirkte Kompensation hat

gäbe der Werte der Schaltelemente, eine lineare Beziehung zwischen der vom Netzwerk

F i g. 4 ein Diagramm der übertragungsfunktion 5 bewirkten Phasenverschiebung und der an die Diode

der Schaltung nach Fig. 1, angelegten Spannung zur Folge. Infolgedessen kann

F i g. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Wirkung durch Anlegen einer Modulationsspannung an die

des zur Unterdrückung der Amplitudenmodulation Kapazitätsdiode eine dem Netzwerk zugeführte Trä-

dienenden Uberbrückungszweiges auf die Ubertra- gerfrequenz als Funktion der Amplitude der Modu-

gungsfunktion nach F i g. 4, io lationsspannung phasenmoduliert werden.

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Pha- Die übertragungsfunktion der Schaltung nach

senverschiebung, die ohne und mit Uberbrückungs- F i g. 1 errechnet sich zu zweig erzielt wird, und

F i g. 7 ein Diagramm der übertragungsfunktion G₁ = — =

zur Bestimmung der für eine Unterdrückung der '5 K -, ~> >²ic \ i\ l'"^ \ C ( R '"^ W

Amplitudenmodulation benötigten reaktiven Kompo- ~ \_ R ' \ R /J

nenten.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bildet In dieser Gleichung ist V₁ das an die Klemme 20 das passive Netzwerk eine T-Schaltung. Es versteht angelegte Eingangssignal mit der Trägerkreisfresich jedoch, daß Netzwerke anderen Aufbaues, bei- ²⁰ quenz «> und V₂ das Ausgangssignal, das an der spielsweise .-τ-Netzwerke oder Variationen von .τ- Klemme 22 des Netzwerkes abgenommen werden oder T-Netzwerken, für den gleichen Zweck benutzt kann. Die obige Gleichung wird unter der Annahme werden könnten. erhalten, daß die der Klemme 21 zugeführte Modu-

Die Modulationsschaltung enthält eine Kapazitäts- lationsspannung eine wesentlich geringere Frequenz diode IO mit der spannungsabhängigen Kapazität C,., ²5 hat als das zu modulierende Signal. Wird die über-. die in dem Querzweig des ^Netzwerkes mit einem tragungsfunktion des Netzwerkes nach F i g. 1 als Kondensator 13 mit der Kapazität Cj in Serie ge- Funktion des kapazitiven Widerstandes des Netzschaltet ist. Der Kondensator 13 ist ein Hochfre- Werkes aufgetragen, so erhält man die Kurve nach quenzableitkondensator, und infolgedessen ist die F i g. 4. Diese Kurve zeigt, daß das Spannungs-Kapazität Cj sehr viel größer als die Kapazität C₁. der 3° verhältnis G₁ als Funktion des kapazitiven Wider-Kapazitätsdiode. Mit dem anderen Ende der Kapa- Standes des Netzwerkes variiert. Da V₂ = G₁ V₁ ist zitätsdiode 10 sind zwei Spulen 11 und 12 mit der und V₁ eine konstante Amplitude hat, repräsentiert Induktivität L verbunden. An die Spule 11 ist ein diese Kurve zugleich die Spannung V₂. Während Ohmscher Widerstand 14 mit dem Wert R_x ange- also die Schaltung nach F i g. 1 ein hohes Maß von schlossen, der dem Innenwiderstand der Signal- 35 Phasenmodulation bewirkt, erzeugt sie auch ein quelle gleich ist. An die Spule 12 ist ein Lastwider- amplitudenmoduliertes Signal, stand 15 mit dem Wert R₁ angeschlossen. Der Last- Bei einer verbesserten Ausführungsform der Erfin-

widerstand wird bei diesem Ausführungsbeispiel eben- dung, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist auch noch falls dem Innenwiderstand der Signalquelle gleich- diese Amplitudenmodulation beseitigt. In der Schalgemacht. Ein Eingangsträgersignal mit einer Kreis- 4° tung nach F i g. 2 ist eine Impedanz, die in ihrer frequenz <·» wird an die Eingangsklemme 20 angelegt. Gesamtheit mit 16 bezeichnet ist, als überbrückungs-Ein niederfrequentes Modulationssignal wird der zeit parallel zu den Längsinduktivitäten 11 und 12 Klemme 21 zugeführt, so daß die Kapazität der geschaltet, um eine Unterdrückung der Amplituden-Kapazitätsdiode 10 verändert wird. An der Klemme 22 modulation zu bewirken, die bei der Phasenmodulawird eine Ausgangsspannung V₂ erhalten. Die Span- 45 tion der an der Klemme 20 nach F i g. 1 zugeführten nung V₂ ist das "durch Anlegen der Modulations- Trägerfrequenz angetroffen wird. Der Grund für die spannung V_1n phasenmodulierte Trägersignal. Addition dieser Impedanz ist der folgende: Da die

Zur Beschreibung der Wirkungsweise dieser Vor- übertragungsfunktion G₁ von einem Kreis dargestellt richtung sollen zunächst die Eigenschaften der Kapa- wird, kann der unerwünschten Amplitudenmodulazitätsdiode beschrieben werden. Bei der Kapazitäts- 5° tion dadurch vorgebeugt werden, daß der Mittelpunkt diode handelt es sich um ein Halbleiterelement, des Kreises G₁ in den Ursprung der komplexen das im Bereich zwischen dem leitenden Zustand in Ebene verschoben wird. Dies ist in F i g. 5 dargestellt. Durchlaßrichtung und der Durchbruchsspannung Ein Verschieben des Kreises G₁ in den Ursprung in Sperrichtung als spannungsabhängige Kapazität hat eine übertragungsfunktion mit einem konstanten benutzt werden kann. Die Kapazität ist eine Funk- ⁵⁵ Absolutwert, also ohne Amplitudenmodulation, zur tion der an der Diode anliegenden Spannung, nämlich Folge. Um die übertragungsfunktion in den Ursprung

g der komplexen Ebene zu verschieben, wird eine

^- ~ ~yi~ ■ Spannung V₃, die der Eingangsspannung V₁ proportio

nal ist, der Ausgangsspannung V₂ hinzuaddiert. Die

In dieser Gleichung bedeutet C die Kapazität, ^ Amplitude der Spannung V₃ muß dem Radius des y eine Konstante, V die Spannung an der Diode Kreises V₂ gleich sein und eine Phase haben, die und t einen von der Art der Diode abhängigen Wert der Phase entgegengesetzt ist, die durch die Linie zwischen 0,3 und 0,5. Aus der obigen Gleichung ist vom Ursprung der komplexen Ebene zum Mittelersichtlich, daß die Kapazität der Diode eine nicht- punkt des Kreises V₂ repräsentiert wird. Weiterhin lineare Funktion der angelegten Spannung ist. Diese ⁶⁵ wird durch die Befreiung der Schaltung nach F i g. 1 Nichtlinearität kann dazu benutzt werden, die nicht- von der unerwünschten Amplitudenmodulation eine lineare Beziehung zwischen der Phase und der Verbesserung der Phasenempfindlichkeit erzielt. Beim Änderung des kapazitiven Widerstandes eines Netz- Ändern der Kapazität von C₁ in C₂ ist die Phasen-

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verschiebung im einen Falle 0„ und im anderen der komplexen Ebene wird die Ausgangsspannung

Falle Φ,,. Die Beziehung zwischen Φ.. und 0,, kann, , ,., . , , .. , .. _¥/ K _IT ,. _o

wie aus F i g. 6 ersichtlich, zu <l>_h = 2Φ_α ermittelt ^{den Wert haben} " + ^₃ = K, = ^. Um diese Span-

werden. Der Beweis für diese Beziehung kann aus , ,, . . , , „.. _r K . . ,

F ig. 6 wie folgt abgeleitet werden: Unfer der An- ₅ "^{Ung de}" ^VerluSte" °^{der der Dam}P^fu"S f g^leich"

nähme, daß der Radius des Kreises = 1 ist, gilt zumachen, muß ein Widerstand in den Modulationskreis eingeschaltet werden. Es ist leicht zu bestimmen,

AD — 1 + cos Φ_ι , d_a3 (j_er Widerstand, der eingeschaltet werden muß,

DC = sin 0, , um diese Ausgangsspannung von -± zu erzeugen,

(ACf = (ADf + (DCf = 2(1 + cos Φ_χ). den Wert 2R_S haben muß, weil alle Verluste der

Schaltung durch die Widerstände bedingt sind.
Da AD außerdem AC cos Φ₂ gleich ist, gilt Nun gilt es noch, den Wert von C zu bestimmen,

— der in das Netzwerk eingeschaltet werden muß,

cos 0, = — = ^{+ C0S} '— = 1/ ^COS ' . '5 ^{um die mit der} Spannung V₃ beabsichtigte Spannungs-

AC /2(1 + cos 0,) V 2 ,,^ kompensation zu erzielen. Hierbei ist zu beachten,

daß keine Phasenverschiebung zwischen der Aus-

Die Gleichung (1) ist die trigonometrische Bezie- gangsspannung V₀ und der Eingangsspannung V₁, die hung für halbe Winkel, d. h. als Punkt A in F i g. 7 dargestellt ist, vorhanden ist,

- — 20 wenn alle reaktiven Komponenten kompensiert sind.

' ^{+ cos} Für die unkompensierte Schaltung entspricht der

cos — =

- ' - Punkt B dem Punkte A der kompensierten Schaltung.

Daraus folgt Φ = 2 Φ-, ^er ί*¹"¹^ B '^st ebenfalls in F i g. 7 dargestellt.

Der Realteil des Punktes B stellt das Maximum

Aus dem Obigen folgt ferner ₂₅ aller Werte von V₂ dar. Aus der Gleichung für G₁

0 == ~> Φ ergibt sich

(2- 2,.,²LC) = 2 für C = O.
woraus

_ Mit C = O verbleibt in der Schaltung als einzige

0,, = 0i - 04 = ±Φι - -03- 30 Reaktanz die Induktivität 2 L. Diese Induktivität

0₍₍ = 0, - 0,, kann durch die Parallelschaltung einer Kapazität

woraus sich endlich ergibt ^C" = 2,7 L ^komP^e«^siert werden. Dies ist in F i g. 2

_ dargestellt. Bei der Berechnung der Ubertragungs-

0/1 = - 0« · 3₅ funktion zeigt sich, daß die Amplitude von V₀, die

Infolgedessen wird durch Addieren der Span- der in F i g. 2 angegebenen Ausgangsspannung gleich

nung V₃, wodurch der die übertragungsfunktion G₁ ist, unabhängig von C ist, d. h. also, daß das Zentrum

der Schaltung repräsentierende Kreis in den Ursprung des Kreises G₁ in den Ursprung der komplexen

der komplexen Ebene verschoben wird, die Änderung Ebene gerückt worden ist. Bei der Ermittlung der

des Phasenwinkels bei einer gleichen Änderung der ₄o übertragungsfunktion G₂ der Schaltung nach F i g. 2

Kapazität erhöht. Die Addition dieser Spannung V₃ ergibt sich, daß G₂ von der Gleichung dargestellt

bewirkt also eine zweifache Verbesserung der Schal- wird:

tung nach Fig. 1. nämlich eine Unterdrückung der _Ί .

Amplitudenmodulation und zugleich eine Erhöhung 1 —-—^ P —

der Empfindlichkeit der Schaltung. Um auf einfache 45 G-, = -- = - - - <■>' Ii- R^

Weise die Spannung V₃ zu der Spannung V₂ derart 'K 4 2 L

zu addieren, daß eine Dämpfung der Spannung V₂ 2 — f>²LC ^ R
erzielt wird, wird ein Widerstand mit dem Wert 2^_s

gewählt. Der Widerstand 2R_S ergibt sich daraus. In dieser Gleichung ist ρ die komplexe Kreisfrequenz

daß der Radius der benötigten Spannung V₃ gleich 50 a + /,;. Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß für

dem halben Durchmesser des Kreises ist. der gleich alle Werte von C der Gewinn G₂ den gleichen Absolut-

dem Maximum von G, ist. . wert hat. Demnach erfüllt diese Schaltung des Modu-

Da die einzigen Leistungsverluste des Kreises in lators alle Bedingungen für eine konstante Amplitude

dem Quellenwiderstand und dem Lastwiderstand von V₀ für jede Änderung von C₁., das dem C der

auftreten, existiert stets für alle Werte der Indukti- 55 Gleichung entspricht.

vitäten und Widerstände eine Kapazität, bei der Zur Bestimmung der Werte der L-, C- und /?-Komeine maximale Leistung in dem Lastwiderstand R₁ ponenten der Modulatorschaltung für eine optimale verbraucht wird. Das maximale Spannungsverhältnis lineare Wirkungsweise bei einer speziellen Arbeitsist infolgedessen G, = -i = — woraus folgt V, = ^ frequenz, beispielsweise bei 40 MHz, und für eine V_x 2 " " - 2 ' 60 spezielle Diodenkapazität sind die Methoden der Dies ist der Fall, wenn R_x — R_L. Da ermittelt wurde. üblichen Schaltungsanalyse anwendbar. Obwohl unter daß der benötigte Radius die Hälfte des Durch- Wahrung der Prinzipien einer guten Konstruktionsmessers beträgt und da der Durchmesser der Span- praxis eine große Auswahl von Schaltelementen

nung ^ gleich ist. muß der Radius der Spannung V₃ _ft "fg^ch ^ist "^{nd diese Elem}i^{nte auch in} J¹⁰Jf"¹

2 ^{r a} ^J 65 Maße von den benutzten Frequenzen und dem

den Wert £ haben. Nach dem Verschieben des den Zweck der Anordnung abhängen wurden die im

4 folgenden angegebenen Werte als besonders nützlich

Gewinn G₁ repräsentierenden Kreises in den Ursprung bei der Konstruktion der Schaltung nach F i g. 2

für eine Eingangsträgerfrequenz von etwa 40 MHz und bei einer Modulationsfrequenz V_1n von bis zu 1,5 MHz gefunden:

Kapazitätsdiode vom Typ Y₁₀₀, vertrieben von der Firma Thompson, Ramo, Wooldridge, Inc.

Q13 .

LIl und LU =

Widerstand 18 =

C₁.

1000 pF
0,47 mH
150 Ohm
9 bis 35 pF

IO

Diese Schaltung ist in F i g. 3 dargestellt zusammen mit einer Vorspannung für die Kapazitätsdiode und einen Eingangskondensator, der an eine Quelle 30 für die Modulationsspannung angeschlossen ist. Außerdem ist eine Quelle 31 für eine der Schaltung zugeführte Hochfrequenz von 40 MHz dargestellt.

Obwohl eine Schaltung zur Erzeugung einer Phasenmodulation dargestellt worden ist, versteht es sich, daß durch eine Integration der Trägerfrequenz, also des HF-Eingangssignals, vor dem Zuführen dieses Signals zu dem Phasenmodulator ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal mit dieser Schaltung erzielt werden kann. Diese Technik ist in dem Buch »Active Networks« von Vincent C. R i d e ο u t, Prentice-Hall, Inc., 1954, im Kapitel 11 beschrieben.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Phasenmodulation eines Trägersignals, die aus einem passiven Netzwerk mit einer variablen Kapazität in Form eines spannungsabhängigen Kondensators, insbesondere einer Kapazitätsdiode, besteht, dem eine Modulationsspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Netzwerk von einer Γ-Schaltung oder einer äquivalenten rr-Schaltung gebildet wird, die in ihren Längszweigen je eine Induktivität (11 bzw. 12) und in ihrem Querzweig den spannungsabhängigen Kondensator (10) aufweist, so daß sie-unter Berücksichtigung des Innenwiderstandes (14) einer das Trägersignal zuführenden Spannungsquelle und

eines Abschluß Widerstandes (15) die übertragungsfunktion

G₁ =

ü
V₁

aufweist, wenn die beiden Induktivitäten (11 und 12) den gleichen Wert L und die beiden Widerstände (14 und 15) den gleichen Wert R haben und V₁ die Spannung des unmodulierten Trägersignals, V₂ die modulierte Ausgangsspannung, 1» die Kreisfrequenz des Trägersignals und C den Wert des spannungsabhängigen Kondensators bedeutet und daß bei vorgegebenem R und ο der Wert L der Induktivitäten so gewählt ist, daß nach Einsetzen der Funktion der Spannungsabhängigkeit der variablen Kapazität (z. B.

C= yr)in die übertragungsfunktion sich eine lineare Abhängigkeit der Phase der übertragungsfunktion von der an den spannungsabhängigen Kondensator angelegten Modulationsspannung V ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Induktivitäten (11 und 12) der 7^-Schaltung ein Uberbrückungszweig (16) parallel geschaltet ist, der aus einer Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes (18), dessen Wert der Summe aus den Werten des Innenwiderstandes der Spannungsquelle und des Abschlußwiderstandes gleich ist, und eines Kondensators (17) besteht, der so bemessen ist, daß der aus den beiden Längsinduktivitäten und dem Kondensator gebildete Parallelkreis bei der Trägerfrequenz in Resonanz ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Electronics«, Vol. 34, Nr.

3, S. 56 bis 59, Januar 1961.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 510'· 1 f'8 S Hiiiiilesdriitkorci Berlin