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Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator und eine Frequenzregelanordnung
unter Verwendung dieses Frequenzdiskriminators, die insbesondere für ein Radarprüfgerät
verwendbar ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Damit ist gezeigt, daß der Demodulator und die zugehörigen abgestimmten
Leitungen selbsttätig auf die Frequenz des Bezugssignals eingeregelt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei der Anordnung nach F i g. 3 muß die Länge der Übertragungsleitung
29 in gleicher Weise wie diejenige der Leitung 6 verändert werden.
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Statt der verschiebbaren Kurzschlüsse können in bekannter Weise auch
elektrisch gleichwertige Mittel verwendet werden, z. B. Phasenschieber in den einzelnen
Übertragungsleitungen.