-
Schaltung zur Winkelmodulation einer elektrischen Schwingung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltung zur Winkelmodulation einer elektrischen Schwingung,
bestehend aus einem Verstärker, von dessen Ausgang ein Teil der Energie abgenommen
und über ein in der elektrischen Länge im Sinne der Modulation veränderbares Netzwerk
in Form eines Amplitudenmodulators mit Trägerunterdrückung, das mittels eines für
den Träger durchlässigen Weges überbrückt ist, dem Eingang zur Selbsterregung zugeführt
wird.
-
Für die Winkelmodulation einer elektrischen Schwingung ist eine Reihe
nach verschiedenartigem Prinzip arbeitender elektrischer Schaltungen bekannt. Beispielsweise
wird im einfachsten Fall parallel zum frequenzbestimmenden Kreis eines Oszillators
ein im Reaktanzwert veränderbares Schaltelement angewendet. Bei einer anderen bekannten
Schaltung wird beispielsweise eine Verstärkerstufe über ein in der elektrischen
Länge einstellbares Phasendrehglied rückgekoppelt. Die erstgenannte Schaltungsart
ermöglicht nur bei relativ hohem Aufwand einen linearen Frequenzhub in einem weiten
Frequenzgebiet. Die letztgenannte Schaltungsart, die bisher nur mit Wanderfeldröhren
im Bereich der Zentimeterwellen zur Anwendung gekommen ist, erfordert ebenfalls
einen relativ hohen Aufwand und ergibt in den bisher bekannten Ausführungen nur
einen sehr kleinen Frequenzhub in hoher Frequenzlage.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Winkelmodulationsschaltung
der letztgenannten Art vor allem hinsichtlich eines größeren relativen Frequenzhubs
(Frequenzänderung bezogen auf die Mittenfrequenz des Schwingungserzeugers) zu verbessern.
Dabei soll die Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Modulationsspannung möglichst
linear verlaufen.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung zur Winkelmodulation einer
elektrischen Schwingung, bestehend aus einem Verstärker, von dessen Ausgang ein
Teil der Energie abgenommen und über ein in der elektrischen Länge im Sinne der
Modulation veränderbares Netzwerk in Form eines Amplitudenmodulators mit Trägerunterdrückung,
das mittels eines für den Träger durchlässigen Weges überbrückt ist, dem Eingang
zur Selbsterregung zugeführt wird, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem überbrükkungsweg
für den Träger ein als Richtkoppler ausgebildeter Breitband-Phasenschieber mit
900 Phasenschiebung zugeordnet ist, daß die elektrische Länge dieses überbrückungsweges
wenigstens nahezu gleich der elektrischen Länge des Modulators gewählt ist und daß
die gesamte elektrische Länge der durch den Verstärker und den Rückkopplungsweg
gebildeten Schleife gleich einem niedrigen Vielfachen der Betriebswellenlänge ist.
-
Es ist zwar durch die französische Patentschrift 1007 109 eine
Anordnung, von der der Erfindungsgegenstand ausgeht, bekannt, bei der im Rückkopplungskreis
zwei Vierpole in Kaskade geschaltet sind, von denen der eine eine Phasenverschiebung
in Ab-
hängigkeit von der Frequenz erzeugt und der andere eine Phasenverschiebung
in Abhängigkeit vom Modulationssignal. Der erste Vierpol soll dabei im Übertragungsfrequenzband
die Phase je nach der übertragungsfrequenz unterschiedlich verschieben und
im ganzen übertragungsfrequenzband z. B. zwischen 0
und n. Demgegenüber wird
jedoch beim Erfindungsgegenstand die Phase des Trägers über einen sehr großen Betriebsfrequenzbereich
unabhängig von der momentanen Übertragungsfrequenz um 901 konstant gedreht.
Nachteilig ist bei dieser bekannten Einrichtung jedoch die nur relativ schmale erreichbare
Bandbreite.
-
Ferner ist durch die deutsche Auslegeschrift 855 417 eine ähnliche
Anordnung bekannt, bei der ein den Vierpol überbrückender Parallelweg für den Träger
vorgesehen ist. Der Vierpol soll jedoch auch bei dieser Anordnung die Phase des
Trägers im übertragungsfrequenzbereich kontinuierlich zwischen - z/2 und
+ ir/2 drehen, wofür das zur französischen Patentschrift Gesagte gilt.
-
Durch die schweizerische Patentschrift 352 375 ist ferner eine
Schaltungsanordnung zur Erzeugung frequenzmodulierter Signale bekannt, bei der im
Rückkopplungsweg
des Schwingungserzeugers ein Phasenmodulator eingeschaltet
ist. Jedoch ist bei dieser Anordnung von einem gänzlich anderen Schaltungskonzept
Gebrauch gemacht, das nur eine geringe Bandbreite erlaubt, denn diese Anordnung
ist lediglich zur Erzeugung frequenzmodulierter Telegrafiesignale vorgesehen.
-
All diesen Einrichtungen gegenüber weist der Erfindungsgegenstand
den Vorteil auf, einen relativ großen linearen Frequenzhub von etwa 10% zu ermöglichen,
wie er für Breitband-Richtfunksysteme unumgänglich ist. Ferner ist bei den bekannten
Einrichtungen dieser Art nichts ausgesagt über die Schleifenlänge der Rückkopplungsschleife,
die beim Erfindungsgegenstand möglichst kurz sein soll. Auch
durch diese Dimensionierung
läßt sich ein wesentlich größerer linearer Frequenzhub erreichen wie bei den relativ
komplizierten und offensichtlich auch für niedrigere Frequenzen gedachten Schaltungen
der bekannten Art.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes bestehen in
folgendem: Der der Modulatorüberbrückung dienende Parallelweg wird mit einem vorzugsweise
in der übertragungsdämpfung einstellbaren Dämpfungsglied versehen.
-
Der Richtungskoppler wird entweder am Anfang oder am Ende des überbrückungsweges
für den Modulator vorgesehen. In der durch den Verstärker und den Modulator gebildeten
Schleife, jedoch außerhalb des durch die Überbrückung des Modulators begrenzten
Abschnittes, wird ein Bandpaßfilter eingeschaltet, dessen Bandbreite vorzugsweise
wesentlich größer als die durch den geforderten Frequenzhub bestimmte Frequenzbandbreite
ist.
-
Als Modulator wird ein Gegentaktmodulator mit Trägerunterdrückung,
insbesondere ein Modulator mit Dioden oder Transistoren vorgesehen.
-
Vor allem soll dieser Gegentaktmodulator ein Modulator mit praktisch
vernachlässigbar geringem Klirrfaktor 2. Ordnung sein, wie ein abgeglichener Ringmodulator
oder ein abgeglichener Gegentaktmodulator.
-
Der an den Ausgang des Oszillators angeschaltete Verbraucher ist über
ein frequenzabhängiges Transformationsglied mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden,
und die Transformationseigenschaften dieses Transformationsgliedes sind derart gewählt,
daß, bezogen auf den Verbraucher, auch der Klirrfaktor 3. Ordnung auf ein
praktisch vernachlässigbar geringes Maß reduziert ist.
-
In die aus Verstärker und Modulator m it überbrückung bestehende
Schleife, vorzugsweise jedoch außerhalb des durch die überbrückung des Modulators
bestimmten Abschnitts, ist ein frequenzabhängiges Phasendrehglied eingeschaltet,
dessen Frequenzabhängigkeit derart gewählt ist, daß sich der Klirrfaktor
3. Ordnung auf ein praktisch vernachlässigbar geringes Maß reduziert.
-
Betrachtet man nämlich die die Abhängigkeit der Frequenzänderung von
der Modulationsspannung wiedergebende Modulationskennlinie, so erkennt man bei einem
erfindungsgemäßen Modulator, daß diese KennIinie relativ gut linear auch bei relativ
großem Frequenzhub ist. Würde man die winkelmodulierte Schwingung mit einem ideal
linearen Diskriminator demodulieren, so würde man allerdings trotzdem noch gewisse
Verzerrungen feststellen können, die als Klirrfaktor der verschiedenen Ordnung meßbar
sind. Bei Verwendung des erwähnten Gegentaktmodulators in der Schleife treten überraschenderweise
am Ausgang der Winkelmodulationsschaltung keine Verzerrungen geradzahliger Ordnung
(Klirrfaktor 2. Ordnung, 4. Ordnung usw.) auf. Die Klirrfaktoren ungerader Ordnung
sind bis auf den 3. Ordnung praktisch vernachlässigbar gering. Der Klirrfaktor
3. Ordnung läßt sich jedoch wie angegeben weitgehend kompensieren.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die erfindungsgemäße
Schaltung vor allem für Zwecke der Richtfunktechnik bei Betriebsfrequenzen im Bereich
der ultrakurzen Wellen arbeitet, beispielsweise im Frequenzbereich um
70 MHz, da in diesem Fall einerseits noch konzentrierte Schaltelemente, wie
Transistoren, Kondensatoren und Spulen, verwendet werden können. Andererseits ist
aber die Mittenfrequenz bereits so hoch, daß bei einem relativen Frequenzhub von
10% und mehr absolute Frequenzhubwerte erreicht werden, die für die qualitativ hochwertige
Übertragung einer großen Anzahl von Telefoniesignalen, beispielsweise aus mehreren
hundert Telefoniekanälen, oder eines Fernsehsignals ausreichend sind. In diesem
Frequenzbereich ist zusätzlich die 901-Phasendrehung für den am Ausgang des Amplitadenmodulators
zuzusetzenden Träger in besonders einfacher Weise mit einem Richtungskoppler, vor
allem in Streifenleitungsbauweise, bei geringen äußeren Abmessungen möglich. Die
Streifenleitung kann in diesem Frequenzbereich ohne Schwierigkeit auch nach Art
einer gedruckten Schaltung ausgeführt werden. Zusätzlich hat diese Ausbildung einer
erfindungsgemäßen Schaltung noch den Vorteil, daß bei Anwendung in Breitband-Richtfunksystemen
die Modulation bereits in der dort üblichen Zwischenfrequenzebene vorgenommen werden
kann, wodurch sich der Geräteaufwand gegenüber der sonst üblichen Technik wesentlich
vereinfacht.
-
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
Der Frequenzmodulator nach der F i g. 1 besteht aus einem selektiven
Verstärker V sehr großer Bandbreite (z. B. bei einer Mittenfrequenz von
70 MIU eine Bandbreite von 40 MHz), von dessen Ausgangsleistung ein Teil
abgezweigt und dem Eingang des Verstärkers zugeführt wird. Die rückgekoppelte Leistung
wird so groß gewählt, daß der Verstärker oszilliert, und zwar im selbstbegrenzten
Zustand. Die Frequenz der Schwingung hängt von der elektrischen Länge der Rückkopplungsschleife,
also von der elektrischen Länge des Verstärkers und der der Rückkopplungsleitung
ab, und zwar in der Weise, daß die Schleifenlänge immer exakt ein ganzzahliges Vielfaches
der Wellenlänge Z der Schwingung ist. Verlängert man die Rückkopplungsleitung stetig,
so wird die Frequenz immer niedriger, bis sie spontan vom Modus n - Z auf
den nächsthöheren Modus (n+ 1) - A,
also auf einen höheren Wert springt
und bei weiterer Verlängerung wieder stetig abnimmt (n = 0, 1, 2
...
ganze Zahl).
-
Bei vorgegebener Längenänderung A 1 ist der hierdurch
bedingte Frequenzhub A f um so größer, je
niedriger der Modus
gewählt wird. Beim Modus 1
(elektrische Länge der Schleife = 1 - 2)
ist der Hub doppelt so groß wie beim Modus 2 (elektrische Länge der Schleife
= 2 - #) und dreimal so groß wie beim Modus 3. Für große Frequenzhübe
ist es daher sehr
wichtig, die elektrische Länge der Schleife, insbesondere
die des Verstärkers, so klein wie möglich zu halten.
-
Die Änderung der elektrischen Länge zum Zwecke einer Frequenzmodulation
wird in der erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Phasenmodulator M erreicht, der
in den Rückkopplungsweg eingeschaltet ist (F i g. 1). Nach Maßgabe des bei
A zugeführten Modulationssignals ändert sich der Phasenwinkel der Zwischenfrequenzschwingung
zwischen den Punkten B und C; das bewirkt in der gleichen Weise eine Veränderung
der Frequenz wie die oben angedeutete Änderung der Schleifenlänge.
-
Als Phasenmodulator wird ein Gegentaktmodulator (z. B. ein Ringmodulator)
verwendet, bei dem der Träger den am Ausgang erscheinenden beiden Seitenbändern
über das veränderbare Dämpfungsglied W und die Leitung F amplituden- und phasenrichtig
(901-Phasenverschiebung) im Sinne einer Phasenmodulation zugesetzt wird (F i
g. 2). Für diesen Trägerzusatz wird ein Richtungskoppler D benutzt.
Dies hat den Vorteil, daß die Phase des Trägers über einen weiten Frequenzbereich
für eine optimale Phasenmodulation um 901, unabhängig von der Frequenz, gedreht
wird. Die elektrische Länge der Leitung F (zwischen E und D) für den
Trägerzusatz wird gleich der Länge des Modulators M (von E nach
D) gewählt, welche durch Laufzeiteffekte in den Dioden u. a. m. wesentlich
länger als die geometrische Ausdehnung sein kann. Auf diese Weise bleibt die Phasenbeziehung
zwischen Träger und Seitenbändern für alle Frequenzen des Modulationsbereichs wenigstens
nahezu erhalten.
-
Vom Prinzip her erzeugt weder ein Ringmodulator noch ein derartiger
Phasenmodulator Verzerrungen gerader Ordnung, so daß auch die Modulationskennlinie
des Frequenzmodulators keine wesentlichen Krümmungsanteile gerader Ordnung besitzt.
-
Hierauf beruht zum Teil die hohe Linearität des Modulators. Verzerrungen
ungerader Ordnung müssen durch genügend kleine Aussteuerung des Modulationssignals
vermieden werden. Damit der Frequenzhub dennoch genügend groß ist, muß der Verstärker
auf einem möglichst niedrigen Schwingmodus arbeiten. Dies gelingt jedoch nur, wenn
der Verstärker eine extrem niedrige Grundlaufzeit besitzt.
-
Wenn die Phasensteuerung von der Seite A (übertragungsfreier
Eingang) des Phasenmodulators aus erfolgt, können Modulationssignale von sehr niedrigen
Frequenzen bis zu Frequenzen von einigen MHz übertragen werden; dies ist
für die Übertragung von Fernsehsignalen wichtig. Die Modulationssteilheit ist größer
als bei konventionellen Breitband-Modulatoren; sie beträgt etwa 10 bis
15 MHz/V. Stehen bei der Modulation von Fernsehsignalen die genormten Modulationsspannungen
zur Verfügung, so werden keine zusätzlichen Basisbandverstärker benötigt.
-
Das der Erhöhung der Linearität dienende frequenzabhängige transformierende
Netzwerk wird zweckmäßig an der Stelle G in F i g. 1 in die Ausgangsleitung
des Oszillators eingeschaltet.
-
Sollen die Verzerrungen 3. Ordnung durch Netzwerke im Leitungszug
der Rückkopplungsschleife vermindert werden, so müssen diese frequenzabhängigen
Phasendrehglieder an den Stellen H oder H' in F i g. 1 oder an beiden Stellen
zugleich angeordnet werden. Das Netzwerk bei G bzw. H oder H' besteht im
einfachsten Fall aus einem Vierpol, wie ihn die F i g. 3 als Ausführungsbeispiel
zeigt. Vom Modulator aus betrachtet ist zunächst ein Längswiderstand vorhanden,
hinter dem als Querglied die Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität
liegt. Der Verbraucher, dem die in der Frequenz modulierten Schwingungen zugeführt
werden, ist gestrichelt angedeutet und als praktisch rein reell im Betriebsbereich
angenommen. Für ganz niedrige Frequenzen und für ganz hohe Frequenzen ist der Phasengang
dieses Vierpols praktisch Null. Für einen dazwischenliegenden Frequenzbereich ist
der Phasengang kapazitiv. Trägt man sich in einem Diagramm auf der Abszisse die
Frequenz f und auf der Ordinate die Phase q9 auf, so erhält man einen Kurvenverlauf,
wie er in der F i g. 4 skizziert ist. Der größte negative Wert der Phase
liegt beispielsweise bei etwa -40'. Die Kurve q9 (f) läuft zu diesem Wert etwa symmetrisch.
Dimensioniert man die Widerstände und den Kondensator so, daß dieser größte negative
Phasenwert bei der Mittenfrequenz der winkelmodulierten hochfrequenten Schwingungen
erreicht wird, so ergibt sich bereits eine gewisse Kompensation der kubischen Verzerrungen,
die den Klirrfaktor 3. Ordnung begründen. Durch den absoluten Wert der Widerstände
und der Kapazität des Kondensators hat man es weiterhin in der Hand, den Kurvenverlauf
flacher oder steiler zu gestalten, wodurch die Kompensation weitgehend den jeweils
vorliegenden, innerhalb gewisser Grenzen unterschiedlichen Bedingungen angepaßt
werden kann, so daß der Klirrfaktor 3. Ordnung praktisch vernachlässigbar
gering wird.
-
Das Netzwerk nach der F i g. 3 ist sinngemäß auch innerhalb
der Schleife, beispielsweise bei H oder H', anwendbar. Dabei ist darauf zu achten,
daß der in übertragungsrichtung dem Vierpol nachgeschaltete Schleifenteil einen
praktisch reellen Eingangswiderstand hat, dessen Wert beim vorbehandelten Ausführungsbeispiel
der Erfindung bei etwa 75 Ohm lag.
-
Beim erfindungsgemäßen Modulator kann auch eine Frequenznachregelschaltung
zur exakten Einhaltung der Mittenfrequenz vorgesehen werden. In diesem Fall ist
z. B. an den Ausgang des Modulators ein Frequenzdiskriminator hoher Frequenzkonstanz,
der auf die geforderte Mittenfrequenz abgestimmt ist, anzuschalten. Die Ausgangsgleichspannung
desselben wird, gegebenenfalls nach entsprechender Gleichspannungsverstärkung über
einen Tiefpaß, dessen Grenzfrequenz niedriger als die tiefste Modulationsfrequenz
ist, dem übertragerfreien Eingang A des Amplitudenmodulators in dem für die
Frequenznachregelung richtigen Sinn zugeführt.
-
Beim Ausführungsbeispiel erzeugt der Modulator eine reine Frequenzmodulation.
Wird eine Phasenmodulation gefordert, so kann dies in an sich bekannter Weise durch
Umwandlung geschehen. Zum Beispiel genügt es, in den Eingang A ein Preemphase-Netzwerk
zur frequenzabhängigen Dämpfung der Modulationsspannung (mit der Frequenz linear
zunehmende Dämpfung) einzufügen.
-
Weiterhin wird beim Ausführungsbeispiel eine konstante Ausgangsamplitude
dadurch erreicht, daß der Verstärker V so stark übersteuert wird, daß er sich in
der Amplitude selbst begrenzt. In Weiterbildung der Erfindung kann im Ausgang des
Verstärkers V bei G oder in die Schleife bei H' ein Amplitudenbegrenzer,
vorzugsweise
mit extrem kleiner Zeitkonstante, eingeschaltet werden, der ebenfalls die Einhaltung
einer konstanten Ausgangsamplitade ermöglicht.