DE1293243B - Frequenzdiskriminator und dessen Verwendung als Frequenzregler fuer einen Oszillator - Google Patents

Frequenzdiskriminator und dessen Verwendung als Frequenzregler fuer einen Oszillator

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DE1293243B
DE1293243B DEC30272A DEC0030272A DE1293243B DE 1293243 B DE1293243 B DE 1293243B DE C30272 A DEC30272 A DE C30272A DE C0030272 A DEC0030272 A DE C0030272A DE 1293243 B DE1293243 B DE 1293243B
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator und eine Frequenzregelanordnung unter Verwendung dieses Frequenzdiskriminators, die insbesondere für ein Radarprüfgerät verwendbar ist.
  • Beim Prüfen von Radargeräten müssen Nachbildungen von Zielen erzeugt werden. Diese Nachbildungen sind Signale- bestimmter Energie mit einer Frequenz, die von der Frequenz des Radarsenders abhängt. Zur Entfernungsnachbildung müssen diese Signale eine bestimmte Verzögerung gegen die ausgesandten Impulse haben. Es sind Echoräume für diesen Zweck verwendet worden, die sich aber zur Prüfung eines Radargerätes als nicht genügend anpassungsfähig erwiesen haben. Im allgemeinen erzeugt man deshalb das Prüfsignal in einer Höchstfrequenzröhre (z: B. einem Klystron), die auf die gewünschte Frequenz abgestimmt ist. Zur Prüfung eines Impulsradargerätes wird dann nach Empfang des vom Radarsender abgegebenen Impulses mit einer gewissen Verzögerung ein Impuls der Energie des Klystrons ausgelöst und dem Radargerät zugeleitet.
  • Bekanntlich besteht die Senderöhre eines Radargerätes meistens aus einem Magnetrom das für seine Frequenzstabilität bekannt ist. Infolgedessen ist es schwierig; die Klystronfrequenz genau auf die Magnetronfrequenz abzustimmen. Zu diesem Zweck sind Vorrichtungen bekannt, welche das Sendesignal empfangen, es mit einem örtlich erzeugten Signal mischen und die Frequenz des Prüfoszillators mittels einer Frequenzregelschaltung auf einem Wert festhalten, der sich um einige Kilohertz von der Sendefrequenz unterscheidet. Das Klystron muß nun wieder seinerseits von der Oszillatorfrequeriz derart gesteuert werden, daß es die Sendefrequenz aufweist. So ergibt sich eine ziemlich komplizierte Anordnung. Sie hat außerdem zur Voraussetzung, daß der Oszillator der Frequenzregeleinrichtung anfangs abgestimmt wird, bis die Sendefrequenz festgestellt ist.
  • Ferner haben die bekannten Frequenzregelanordnungen einen wesentlichen Nachteil. Wenn nämlich die Kennlinie des Diskriminators genügend steil ist, um eine ausreichend genaue Regelung des Oszillators zu gewährleisten, so ist die Bandbreite des Diskriminators so eng, daß er die Sendefrequenz nicht mehr automatisch aufsuchen und sich auf eine entsprechende Uberlagerungsfrequenz abstimmen kann. Ist dagegen die Steigung der Diskriminatorkennlinie so- gering, daß die Schwankungen der Sendefrequenz erfaßt werden, so läßt sich keine genügend genaue Frequenzregelung erzielen.
  • Ziel der Erfindung ist es, diesem Nachteil abzuhelfen. Die Erfindung geht aus von einem Frequenzdiskriminator, der einen Gegentaktdemodulator mit zwei Eingängen- enthält, wobei die beiden Eingänge über getrennte Übertragungsleitungen mit der Eingangsklemme des Frequenzdiskriminators verbunden sind. Erfindungsgemäß ist dieser Frequenzdiskriminator dadurch gekennzeichnet, daß sich im Zuge der einen Übertragungsleitung eine beiderseits reflektierend abgeschlossene Leitung befindet; die derart mit dem betreffenden Eingang des Gegentaktdemodulators verbunden ist; daß auf diesen sowohl unmittelbar von der Eingangsklemme herkommende Energie als auch an den reflektierenden Abschlüssen reflektierte Energie gelangt.
  • Dieser Diskriminator hat die Eigenschaft, eine Gleichspannung der einen Polarität zu liefern, wenn das seiner Eingangsklemme zugeführte Signal unterhalb einer bestimmten Frequenz liegt, die durch die relativen Längender Übertragungsleitungen bestimmt ist. Liegt das Signal oberhalb dieser Frequenz; so hat die Ausgangsspannung die entgegengesetzte Polarität. Der Umschlag von der einen zur anderen Polarität ist sehr steil.
  • Dieser Frequenzdiskriminator kann nun in einer an sich bekannten Frequenzregelschaltung verwendet werden, indem der Längenunterschied der beiden Übertragungsleitungen mittels einer an den Ausgang des Diskriminators angeschlossenen Nachstimmvorrichtung derart verstellt wird, daB die Diskriminatorkennlinie stets ihren Mittelpunkt bei der an der Eingangsklemme herrschenden Frequenz behält. Wird also das Ausgangssignal eines Oszillators auf den Diskriminator gegeben, so kann der Diskriminator zur Abstimmung des Oszillators auf die Mittelfrequenz des Diskriminators dienen.
  • Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert: Hierin ist F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, F i g. 2 eine Darstellung der Demodulationskennlinie; wobei in Abszissenrichtung die Frequenz und in Ordinatenrichtung die Ausgangsgleichspannung aufaufgetragen ist, F i g.3 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, F i g. 4 eine Darstellung der Kennlinie der Anordnung nach F i g. 3 und F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel für ein Einzelteil der Schaltung nach F i g. 1 und 3.
  • In F i g. 1 ist eine Empfangsantenne 3 über einen-Koppler 19 mit einem Hohlleiter 4 gekoppelt. Der Hohlleiter 4 ist seinerseits über einen Richtkoppler 5 mit einem Hohlleiter 6 gekoppelt. Die Richtkoppler sind in der Zeichnung durch gestrichelte Quadrate bezeichnet, wobei die bevorzugte Kopplungsrichtung durch Pfeile angegeben ist.
  • Ein Ende des Hohlleiters 6 ist mit einem verschiebbaren Kurzschluß 7 abgeschlossen, während das andere Ende mit einem Kurzschluß 8 abgeschlossen ist. Der Hohlleiter 4 ist mit einem weiteren Hohlleiter 9 über einen Richtkoppler 10 verbunden, und der Hohlleiter 9 ist ebenfalls am einen Ende mit einem verschiebbaren Kurzschluß 11 abgeschlossen, während das andere Ende des Hohlleiters 9 zu einem Gegentaktdemodulator 12 führt. Der Hohlleiter 6 ist über einen Richtkoppler 14 mit einem Hohlleiter 13 verbunden, dessen eines Ende bei 15 reflexionsfrei abgeschlossen ist. Das andere Ende des Hohlleiters 13 führt zum Demodulator 12.
  • Ein Ausführungsbeispiel für einen Gegentaktdemodulator ist in F i g. 5 gezeigt. Das Signal vom Hohl-Leiter 9 wird bei H einem Hohlleiter 33 zugeführt. Das andere Signal vom Hohlleiter 13 gelangt bei 1 in einen Hohlleiter 34. Die beiden letzteren Hohlleiter sind durch einen Schlitz 35 miteinander gekoppelt. Durch die Abmessungen der Hohlleiter und des Schlitzes ergeben sich bestimmte Amplituden- und Phasenkombinationen der zugeführten Signale; die auf die Dioden 36 und 37 gegeben werden. Die Ausgangsspannung erscheint zwischen einer Klemme 38 und Erde, wobei die Ausgangsspannung des Demodulators dem Produkt der beiden Eingangsspannungen entspricht.
  • Gemäß F i g. 1 wird das eine Ende des Hohlleiters 4 von einem abstimmbaren Klystron 17 ge-. speist, während das andere Ende des Hohlleiters 4 bei 16 mit einer Bürde reflexionsfrei abgeschlossen ist. Statt dessen kann der Hohlleiter 4 mit einem Anzeige- oder Meßinstrument verbunden sein. An der Stelle 20 kann das von der Empfangsantenne aufgenommene Eingangssignal unmittelbar abgenommen werden.
  • Die Ausgangsspannung des Demodulators 12 wird auf einen Impulsverstärker 21 und. einen Gleichspannungsverstärker 22 gegeben. Der Impulsverstärker 21 speist über einen Gleichrichter 23 einen Gleichstromverstärker 24, der an einen Stellmotor 25 angeschlossen ist. Die Welle des Stellmotors 25 ist über entsprechende Untersetzungen mechanisch mit den verschiebbaren Kurzschlüssen 7 und 11 verbunden, wie es durch die gestrichelten Linien 26 und 27 angedeutet ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 22 wird auf das abstimmbare Klystron 17 gegeben.
  • Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Wird ein Bezugssignal von der Antenne 3 aufgenommen, so gelangt dieses in die Hohlleiter 4 und 6. Im letzteren wird es zwischen den reflektierenden Abschlüssen 7 und S hin- und hergeworfen und bei jedem Durchlauf des Hohlleiters um einen gewissen Betrag gedämpft, der von den Verlusten des Hohlleiters abhängt. Ein bestimmter Anteil des Signals wird über den Richtkoppler 14 auf den Hohlleiter 13 gegeben und gelangt von dort zum Demodulator. Die Phase dieses Signals hinsichtlich des Eingangssignals hängt natürlich von den Leitungslängen sowie davon ab, ob es sich um den ersten, zweiten oder dritten oder einen späteren Durchlauf des Signals im Hohlleiter 6 handelt. Ein Teil des Signals aus dem Hohlleiter 4 wird ferner über den Richtkoppler 10 zum Hohlleiter 9 übertragen, dort am einstellbaren Kurzschluß 11 reflektiert und auf den Demodulator 12 gegeben. Die Abschlüsse im Demodulator sind selbstverständlich reflexionsfrei. Auch die Phase des zweiten Signals am Punkt Il hängt von der durchlaufenen Leitungsstrecke ab. Die Ausgangsspannung des Demodulators verläuft gemäß F i g. 2, d. h., für Frequenzen unterhalb der Frequenz im Punkt C ist die Ausgangsspannung positiv und für Frequenzen oberhalb des Punktes C negativ.
  • Es wird angenommen, daß von der Empfangsantenne 3 der von einem Magnetron ausgesandte Impuls empfangen wird. Demgemäß gibt auch der Demodulator 12 einen Gleichspannungsimpuls ab, der vom Gleichspannungsverstärker 22 nicht durch- ; gelassen wird, aber vom Impulsverstärker 21 weitergegeben wird. Diese Impulse werden im Gleichrichter 23 gleichgerichtet und ergeben eine im Verstärker 24 verstärkte Gleichspannung, die zum Antrieb des Stellmotors 25 dient. Die Drehrichtung dieses Motors Hierbei bedeutet va die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Hohlleiter und k den Dämpfungsfaktor auf der Strecke EABD. , hängt von der Polarität der dem Verstärker 21 zugeführten Impulse ab. Ist also die Empfangsfrequenz unterhalb des Punktes C, so wird eine positive Spannung dem Motor 25 zugeführt, und dieser dreht sich in einer Richtung, die so gewählt ist, daß die Kurzschlüsse 7 und 11 so weit verstellt werden, bis der Punkt C der empfangenen Sollfrequenz entspricht.-Ubersteigt dagegen die Empfangsfrequenz die Frequenz des Punktes C, so dreht sich der Stellmotor in umgekehrter Richtung, bis wieder der Punkt C mit der Empfangsfrequenz übereinstimmt.
  • Damit ist gezeigt, daß der Demodulator und die zugehörigen abgestimmten Leitungen selbsttätig auf die Frequenz des Bezugssignals eingeregelt werden.
  • Aber auch die Ausgangsspannung des abgestimmten Klystrons 17 wird auf den Hohlleiter 4 und von dort auf den Demodulator 12 in gleicher Weise wie das Bezugssignal 13 gegeben. Hierbei handelt es sich aber um eine stetige Schwingung, weshalb die entsprechende Ausgangsspannung des Demodulators von der Ausgangsspannung des Bezugsimpulses leicht trennbar ist. Die entsprechende Gleichspannung verläuft kontinuierlich und wird über den Gleichspannungsverstärker 22 übertragen, aber vom Impulsverstärker 21 nicht durchgelassen. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 22 wird dann dem Klystron zugeführt und bewirkt, daß dessen Frequenz so lange verändert wird, bis sie dem Punkt C entspricht.
  • Da die Schaltung so eingestellt wurde, daß der Punkt C nun der Frequenz des Bezugssignals an der Empfangsantenne 3 entspricht, stimmt auch die Klystronfrequenz mit dieser Bezugsfrequenz überein.. Die am Abschluß 16 auftretende Ausgangsspannung des Klystrons kann nun in irgendeiner Weise ausgewertet werden, z. B. zur Nachbildung eines Echos in einer bestimmten Entfernung. In diesem Falle wird die Ausgangsspannung impulsmoduliert, wobei der Impuls um ein bestimmtes Zeitintervall gegen denentsprechenden Sendeimpuls verzögert ist.
  • Die in F i g. 2 gezeigte Kennlinie der Anordnung hängt natürlich von den Leitungslängen der verschiedenen Hohlleiter ab. Um den gewünschten Kennlinienverlauf zu erzielen, müssen diese Längen richtig gewählt werden.
  • Die Kreuzungs- und Endpunkte der Hohlleiter sind in F i g. 1 mit den Buchstaben A bis I bezeichnet. In der nachstehenden mathematischen Analyse ist die Länge A, B, D, B, I mit 11 und die Länge A, F, G, Il mit 12 bezeichnet. ED entspricht der Länge 1, und die Änderung von ED durch den verschiebbaren Kurzschluß 7 ist mit ®1 bezeichnet. Wenn das Eingangssignal an der Antenne 3 die Form sin w t hat, dann ergibt sich für das Signal am Punkt 1, dem einen Eingang des Demodulators, folgender Ausdruck: Für das Signal am Punkt H gilt der Ausdruck Die Ausgangsspannung des Demodulators ist gleich dem Produkt der beiden Signale i und h und hat somit die Form Berücksichtigt man nur die niederfrequenten Glieder und setzt wobei .1B die Wellenlänge im Hohlleiter ist, sowie so ergibt sich Da k kleiner als 1 sein muß, ergibt die Aufsummierung dieser unendlichen Reihe folgenden Ausdruck: Diese Funktion ist in F i g. 2 für den Wert k = 0,8 aufgezeichnet, Die Steigung dieser Kurve im Punkt C ist sehr groß und hängt vom Wert von k ab. Der Punkt C entspricht den Werten C), die ein ganzes Vielfaches von - sind. -Da l-.) = z;' (1 +..11) ist, kann die Anordnung e als Frequenzdemodulator Verwendung finden, wobei die Ausgangsspannung S eine Funktion der Eingangsfrequenz und des Wertes J 1 ist.
  • Da ein Nulldurchgang der Demodulationskennlinie nur einmal im. Betriebsfrequenzband stattfinden soll, darf auch -der Winkel f-) in diesem Frequenzband nur einmal den Wert Null oder ein ganzes Vielfaches von n annehmen. Es kann gezeigt werden, daß dies dann zutrifft; wenn wobei J f die Bandbreite ist.
  • Verschiebungen des Nulldurchganges lassen sich durch Veränderung von J 1 erzeugen. Es wurde aber vorstehend angenommen, daß deshalb gilt Mit .11 muß also auch 12 sich ändern. Deshalb ist der verschiebbare Kurzschluß 1l vorgesehen, der mechanisch mit dem Kurzschluß 7 gekuppelt ist. Aus der vorstehenden Ableitung ergibt sich, daß durch richtige Wahl der verschiedenen Wellenleiterlängen die Kennlinie der F i g. 2 in der gewünschten Weise verwirklicht werden kann, wobei gewährleistet ist, daß eine ausreichende Bandbreite zwischen den Nulldurchgängen der Kennlinie vorhanden ist, so daß die Stellvorrichtung stetig die Anordnung auf die gleiche Frequenz wie die Eingangsfrequenz abstimmen kann.
  • Ein erfindungsgemäß gebautes Gerät war z. B. für eine Bandbreite von etwa 300 MHz entworfen. Der Nulldurchgang an der Stelle C in F i g. 2 war so scharf, daß die Höchstabweichung des Klystrons 17 von der Eingangsfrequenz nur 50 kHz betrug. Obwohl die Schaltung nicht optimal ausgelegt war, war die durchschnittliche Frequenzabweichung weit geringer als 50 kHz, und in manchen Fällen ergab sich sogar ein Phasengleichlauf zwischen dem Eingangssignal und der Klystronfrequenz.
  • Vorstehend wurde angenommen, daß das Bezugssignal Impulsform hat und daß der Oszillator 17 eine stetige Welle erzeugt. Es sind aber auch andere Anordnungen denkbar, vorausgesetzt, daß irgendein Artunterschied zwischen der Bezugsschwingung und der örtlich erzeugten Schwingung vorhanden ist. Wenn z. B. eine der Schwingungen konstante Amplitude hat und die andere auf irgendeine Weise moduliert ist, so läßt sich am Ausgang des Demodulators immer eine Trennung der beiden Schwingungsarten durchführen, um so einerseits die Abstimmung des Demodulators und andererseits die Nachführung des örtlichen Oszillators zu ermöglichen.
  • Die Anordnung läßt sich aber nicht nur zur Prüfung von Radargeräten verwenden, sondern ergibt bereits ohne eine Eingangsspannung an der Stelle 3 eine Frequenzregelschaltung für einen Oszillator. Hierbei können dann die Teile 21, 23, 24 und 25 weggelassen werden.
  • Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anordnung auf die Eingangsfrequenz abgestimmt wird, ist ein Thermostat nicht erforderlich. Temperaturschwankungen haben nur auf die Genauigkeit einer Ablesung am verschiebbaren Kurzschluß 7 Einfluß.
  • Die Anordnung bleibt jeweils auf die Frequenz des letzten Eingangssignals abgestimmt. Nach dem Einregeln der Kurzschlüsse 7 und 11 auf eine bei 3 auftretende Eingangsfrequenz und dem Aufhören des Eingangssignals bleibt der Stellmotor 25 stehen; und die Frequenz des Klystrons bleibt konstant, bis eine neue Eingangsfrequenz auftritt.
  • F i g. 3 und 4 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform nach F i g. 1 nur durch einen weiteren Hohlleiter 29, der mit den Hohlleitern. 4 und 13 über Richtkoppler 28 und 30 in Verbindung steht und einerseits mit einem reflexionsfreien Abschluß 32 und andererseits mit einem verschiebbaren Kurzschluß 31 versehen ist. 1?s kann mathematisch und experimentell gezeigt werden, daß durch Abstimmung dieses zusätzlichen Hohlleiters auf die Mitte des Betriebsfrequenzbandes im mathematischen Ausdruck für S ein weiteres additives Glied auftritt. Dieses Glied ist eine Sinusschwingung, die in F i g. 4 gestrichelt eingezeichnet ist. Dadurch ergibt sich als Summe der Sinusschwingung und des Kurvenverlaufs nach F i g. 2 die in F i g. 4 ausgezogene Kennlinie.
  • Die Anordnung nach F i g. 3 hat den Vorteil, daß die Zwischenpunkte der Kurve einen größeren Abstand von der Frequenzachse haben. Dadurch wird die Gefahr einer Fehlanzeige durch geringe Falscheinstellungen der Anordnung vermieden.
  • Der Entwurf der Anordnungen nach F i g. 1 und 3 beruht natürlich auf der vorstehenden mathematischen Analyse. Hierzu wird noch auf folgende Beziehungen hingewiesen. Die Mittelfrequenz entsprechend dein Punkt C ist durch die Gesamtlänge des Hohlleiters 6 gegeben entsprechend der Formel Die Bandbreite des Diskriminators, d. h. der Frequenzabstand zwischen benachbarten Nullpunkten, ergibt sich aus Die Längen 1Z und 11 sind unbestimmt und können nach Wunsch gewählt werden. Wesentlich ist der Unterschied dieser beiden Längen.
  • Bei der Anordnung nach F i g. 3 muß die Länge der Übertragungsleitung 29 in gleicher Weise wie diejenige der Leitung 6 verändert werden.
  • Statt der verschiebbaren Kurzschlüsse können in bekannter Weise auch elektrisch gleichwertige Mittel verwendet werden, z. B. Phasenschieber in den einzelnen Übertragungsleitungen.

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Frequenzdiskriminator, bestehend aus einem Gegentaktdemodulator, dessen beide Eingänge über getrennte r)bcrtr<<gungslcitungcn 11111 der 1?inglingsklemme des I@requenzdiskriinin:ilors verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Zuge der einen Ubertragungsleitung (4, 6, 13) eine beiderseits reflektierend abgeschlossene Leitung (6) befindet, die derart mit dem betreffenden Eingang (I) des Gegentaktdemodulators (12) verbunden ist, daß auf diesen sowohl unmittelbar von der Eingangsklemme (4) herkommende Energie als auch an den reflektierenden Abschlüssen (7, reflektierte Energie gelangt.
  2. 2. Diskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierend abgeschlossene Leitung (6) eine einstellbare Länge hat.
  3. 3. Diskriminator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Übertragungsleitung (9) eine einstellbare Länge hat.
  4. 4. Diskriminator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierend abgeschlossene Leitung (6) die Länge I = hat, wobei u9 die Fortpflanzungsgeschwindigk2.f -eit in der Leitung, .f' die Mittelfrequenz des Diskriminators und n eine ganze Zahl bedeutet.
  5. 5. Diskriminator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektrischen Länge 1, der ersten Übertragungsleitung, der elektrischen Länge 1Z der zweiten Übertragungsleitung und der Länge 1 der reflektierend abgeschlossenen Leitung die Beziehung 11- 1z = 1 + --4' besteht, wobei ?@ die Wellenlänge in der reflektierend abgeschlossenen Leitung (6) bedeutet.
  6. 6. Frequenzdiskriminator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Frequenzregler für einen Oszillator (17), dessen Ausgang mit der Eingangsklemme (4) des Frequenzdiskriminators verbunden ist und dessen Frequenz durch den Ausgang des Gegentaktdemodulators (12) bestimmt wird.
  7. 7. Frequenzdiskriminator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Gegentaktmodulators zur Längeneinstellung der reflektierend abgeschlossenen Leitung (6) dient.
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