DE2518306A1

DE2518306A1 - Amplitudenbegrenzer

Info

Publication number: DE2518306A1
Application number: DE19752518306
Authority: DE
Inventors: Tadahiko Sakabe; Takahiko Yamada
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1974-04-25
Filing date: 1975-04-24
Publication date: 1975-11-06
Also published as: IT1038522B; JPS50140040A; DE2518306C3; DE2518306B2; US3943467A

Description

Amp!itudenbeqrenzer

Die Erfindung betrifft einen Amplitudenbegrenzer der im Oberbenriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Derartine Amplitudenbegrenzer finden bei Mikrowel1en-übertragungssystemen, und zwar insbesondere für frequenz- oder phasenmodulierte Signale, im Mikrowellenbereich Anwendung.

Eine in einem Empfänger in einem Fernmeldeübertragungssystem empfangene frequenz- oder phasenmodulierte Welle (im folgenden allgemein: winkelmodulierte Welle) unterliegt häufigen Schwankungen der Amplitude. Für eine Demodulation ist es daher zunächst notwendig, in einem dem Demodulator vorgeschalteten Amplitudenbegrenzer die Amplitudenschwankungen vorläufig zu besei ti gen.

Amplitudenbegrenzer der eingangs genannten Art sind bekannt. Ober die Konstantstromquelle fließen durch beide Dioden in Durchlaßrichtung Ströme. Der Reihenwiderstandswert der Dioden ändert sich dabei mit einer Änderung des Pegels des Eingangssignals automatisch derart, daß eine Änderung des Pegels

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des Ausgangssignals unterdrückt wird. Auf diese Weise erm'bt sich aus der paarweisen Anordnung der Dioden die Selbstkompensation. Mit zunehmender Frequenz des Eingannssi^n?!s kann jedoch der Einfluß eines in seiner Phasenlage voreilenden Stromes durch die Parallel kapazitäten der Dioden nicht mehr vernachlässigt werden. Er führt vielmehr dann zu einer unerwünschten Veränderung der Phasenlage des Ausgangssignals, die durch eine Änderung des Pegels der Eingangssignals verursacht wird. Dies nennt man "AM/PM-Konvertierung".

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Amplitudenbegrenzer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine AM/PM-Konvertierung bei Änderungen der Amplitude des Eingangssignals nicht auftritt.

Erfindungsgemäß wird dies durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Dabei aleichen sich die durch die Paral1 elkapazitäten der Dioden in den beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen fließenden Ströme jeweils gegenseitig aus. Das Ausgangssignal unterliegt daher keiner von einer Änderung des Pegels des Eingangssignals verursachten Phasenverschiebung mehr. Man erhält so ein Ausnannssignal, in dem Änderungen des Pegels unterdrückt sind.

AusfUhrungsbeispiels der Erfindung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es stellen dar:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines bekannten Amplitudenbegrenzers;

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Fin. Ζ ein Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers nach Fig. 1;

Fin. 3 ein Zeigerdiagramm für den Amplitudenbegrenzer nach Fin. 2;

Fin. 4 ein Ausführunosbeispiel;

Fic 5 ^i η Ersatzschaltbild des AusfUhrunosbeispiels nach Fig. 4;

Fin. 6 ein Zeigerdiagramm für das Ausfiihrungsbeispiel nach Fig. 5;

Fin. 7 ein Diagramm zur Erläuteruno der beim Ausführungsbeispiel verwendeten Dioden;

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Fici. 1 zeigt einen bekannten Amplitudenbegrenzer mit zwei in Reihe geschalteten Dioden. Zwischen Eingangsklemme 1 und Ausgangsklemme 2 sind die Dioden 3 und 4 mit entgegengesetzter Polarität derart in Reihe geschaltet, daß ihre Kathoden miteinander verbunden sind. Sie werden in Durchlaßrichtung von Vorströmen durchflossen, die durch eine Vorspannungsquelle hervorgerufen werden. Die Vorspannungsquelle 5 liegt mit ihrem negativen Pol 7 über einen Widerstand 6 an der Verbindungsstelle der Dioden 3 und 4 an. Die Anoden der Dioden 3 und 4 sind gleichstrommäßig über die Spulen 8 bzw. 9 geerdet, von dieser Erdung wechseistrommäßig jedoch getrennt. Die Verbindungsstelle zwischen Widerstand 6 und Pol 7 ist wechselstrommäßig über die Kapazität 10 geerdet. Nimmt man an, an der Eingangsklemme 1 liege als Eingangssignal eine unmodulierte

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Trägerwelle an, so führt eine Zunahme des Pegels des Eingangssignals zu einer Zunahme des Stromes durch die Diode 3 und einer Abnahme des Stromes durch die Diode 4, so daß das Ausgangssignal um denselben feststehenden Betrag herabgedrückt wird. Das ergibt sich daraus, daß die Summe der Ströme durch die Dioden 3 "bzw. 4 konstant bleibt und von dem Strom von der Vorspannungsquelle 5 durch den Widerstand 6 bestimmt wird. Dieses Konstantstromverhalten kann z.B. durch eine Batterie o. dgl. erreicht werden, wenn dabei der Widerstand wesentlich größer als der Innenwiderstand der Dioden 3 und 4 ist. Dann fließt durch den Widerstand 6 ein im wesentlichen konstanter Strom, und zwar unabhängig von der Stromverteilung zwischen den Dioden 3 und 4. Die Kennlinien der Dioden sind derart, daß ihr Widerstand mit in Durchlaßrichtung zunehmendem Strom abnimmt. Wenn nun in Durchlaßrichtung von der Konstantstromquell e durch die Dioden 3 und 4 Vorströme fließen, so folgt daraus, daß sich die Widerstände der Dioden 3 und 4 bei Änderungen des Pegels des Eingangssignals in jeweils entgegengesetzter Richtung ändern. Durch entsprechende Einstellung der Vorströme durch die Dioden 3 und 4 läßt sich also eine Amplitudenbegrenzung realisieren.

Nachteilig ist, daß die Dioden 3 und 4 nicht nur Widerstanriskomponente, sondern auch eine dazu parallel liegende kapazitive Komponente aufweisen. Der Einfluß dieser kapazitiven Komponente auf die Amplitudenbegrenzung ergibt sich aus dem in Fig. 2 angegebenen Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers nach Fig. 1. Zwischen Eingangsklemme 1 und Ausgangsklemme 2 liegt ein Widerstand 11 mit dem äquivalenten Wert R. Er ergibt sich aus der Spannungs-Strom-Kennlinie der Dioden 3 und 4. Parallel zum Widerstand 11 liegt eine

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Kapazität 12, deren äquivalenter Wert C sich aus den Kapazitäten der Dioden 3 und 4 ergibt. Zwischen der Ausgangsklemme 2 und Erde liegt als Last ein Widerstand 13 mit dem Wert R_L (die Last war in Fig. 1 weggelassen worden). Die an der Eingangsklemme 1 anliegende Wechselspannung sei E. und die Wechselspannung an der Ausgangsklemme 2 E . Durch den Widerstand 11 fließe der Widerstand L, durch die Kapazität der Strom I . Die Summe der Ströme I und I sei I. Verwendet man die am Eingang anliegende Spannung E. als Bezugsvektor, so ergibt sich, wie aus dem Vektordiagramm in Fig.

zu ersehen, daß der Strom I und die Spannung E. dann in

Phase sind, wenn R^R. und f·*— »R₁ ist. I eilt I

und E. um 90 voraus. Der Strom I + I = I eilt I um folgenden Winkel vor:

Q = tan¹'^ = tan"¹ UTCR. I Π

(Dabei ist iaT' die Winkel frequenz des Wechselstromsignals am Eingang). Daraus folgt, daß die Wechselspannung am Ausgang, E=Ix R, , mit dem Strom I in Phase ist. Der Phasenwinkel der Wechselspannung E₀ am Ausgang gegenüber der Wechselspannung E. am Eingang hängt also von der Winkelfrequenz der Parallel kapazität C und dem Widerstand R der Dioden ab.

Aus den oben gegebenen Erläuterungen folgt, daß eine Veränderung des Pegels am Eingang auch zu einer Veränderung des durch die Kapazität C fließenden Stromes ί führt, während die Veränderung des Stromes I , de.r durch den Widerstand fließt, unterdrückt werden kann. Daraus ergibt sich die Amplitudenmodulati on/Phasenmodulati on-Konvertierung (AM/PM-Konvertierung). Außerdem hängt die AM/PM-Konvertierung von

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der Frequenz ab. Die oben gegebene Erläuterung ging außerdem von einer unmodulierten Trägerwelle als Eingangssignal aus; bei einer winkelmodulierten Trägerwelle als Eingangssignal ergibt sich in dieser Art von Amplitudenbegrenzer zusätzlich zu der korrekterweise vorhandenen Komponente der Winkelmodulation noch eine unnötige Komponente der Winkelmodulation. Sie führt zu Rauschen. Dieser Nachteil wird durch die Erfindung vermieden.

Im AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 4 sind zwei Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 15b vorgesehen, die jeweils für sich genommen denselben Aufbau wie der Amplitudenbegrenzer nach Fig. 1 haben. Demgemäß sind auch gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, jedoch jeweils zusätzlich mit den Buchstaben a bzw. b bezeichnet. Die Spule 9 ist für beide Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 15b gemeinsam vorgesehen; sie stellt für Gleichstrom einen Kurzschluß dar. Die Anoden der Dioden 4a und 4b sind also sowohl miteinander als auch mit der Ausgangsklemme 2 verbunden. Das an der Eingangsklemme 1 eingehende Wechselstromsignal wird den Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 15b mit jeweils entgegengesetzter Polarität zugeführt. Um dies zu erreichen, ist die Eingangsklemme 1 über die Primärwicklung 16b eines Transformators 16, der dazu dient, die Phasenlage zu invertieren, geerdet; der Mittelabgriff der Sekundärwicklung T6s ist ebenfalls geerdet. Ein Ende der Sekundärwicklung 16s ist mit der Anode der Diode 3a der Amplitudenbegrenzerschaltuna 15a verbunden, das andere Ende ist mit der Anode der Diode 3b der Amplitudenbegrenzerschaltung 15b verbunden. Wenn die Signale an den Eingängen der beiden Amp!itudenbenrenzerschaltungen 15a und 15b einerseits entgegengesetzte Polaritäten, jedoch denselben Pegel haben, dann ergibt sich, wenn

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die Vorströme durch die Dioden 3a und 4a bzw. 3b und 4b gleich sind, daß sich die von den Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 15b an der Ausgangsklemme 2 abgegebenen Ausgangssignale gegenseitig kompensieren. Es entsteht dann kf?in Ausgangssignal. Man erhält hingegen ein Ausgangssignal, wenn man eine Potentialdifferenz der Pole 7a und 7b vorsieht, so daß sich durch die Dioden 3a und 4a andere Vorströme als durch die Dioden 3b und 4b ergeben. Daraus folgt, daß sich bei Veränderung des Pegels des Eingangssignals die Einflüsse der Parallel kapazitäten der Dioden auf das Ausgangssignal, wie sie in den beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 15b jeweils für sich gegeben sind, gegenseitig ausgleichen, Man erhält ein Ausgangssignal, in dem sowohl eine Änderung des Pegels des Einoanassignals, als auch eine Änderung des Phasenwinkels, sofern sie sich nicht aus der Hinkelmodulation des üingangssignals bereits ergibt, unterdrückt ist. Dieses Ausgannssignal wird an der Ausnangsklemme 2 abgegeben.

Die Funktionsweise des beschriebenen Amplitudenbegrenzers wird im folgenden anhand von Fig. 5 erläutert, die ein trsatzschaltbiId des Amplitudenbegrenzers darstellt. Die Bauteile, denen Bauteile in Fig. 2 entsprechen, sind durch gleiche Bezugszeichen, lediglich zusätzlich mit einem a (Amplitudenbegrenzerschaltung 15a) bzw. einem b (Amplitudenbegrenzerschaltung 15b) versehen. Die Einnangsklemmen la und Ib entsprechen einander entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung 16s des Transformators 16 in Fin. 4. An ihnen treffen Eingangssignale E. und E^ auf, die dieselbe Frequenz und Amplitude haben, in der Phasenlage jedoch gegeneinander um 180° verschoben sind. Demgemäß ergeben sich für die beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und

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15b die in Fig. 6 dargestellten, Vektoren. Der Einfachheit der Erläuterung halber basiert die dargestellte ßeziehunn der Vektoren auf der Annahme, daß Ra J^ R_L,

»^RL ^und -ΰΡΠΓ-> >\ ^ist·

Die Dioden 3a bzw. 4a weisen dieselben Kennlinien wie die Dioden 3b bzw. 4b auf, so daß auch die Paral1 elkapazitäten Ca und Cb einander gleich sind. Dann gilt auch | I_nI = UqJ, und zwar unabhängig vom Pegel am Eingang und ebenso unabhängig von der Frequenz. Dabei sind Ip und Ip, derart gegeneinander phasenverschoben, daß sie sich kompensieren. Selbst wenn also die Absol utbeträqe Ii I und Jl . I vonei nander verschieden sind, ist die Spannung E am Ausgang immer in Phase mit der Spannunq E. am Einqang. Es gibt keine Mönlichkeit einer von einer Änderung des Pegels des Eingangssinnals verursachten änderung des Ausgangssignals E .

Es ist bekannt, daß die Kapazität C über einer Diode näherungsweise durch folgende Gleichung angegeben werden kann:

C = S /SqN/2 (^d-V)] 7

Dabei ist S die Fläche der Sperrschicht, q die Ladung eines Elektrons, £ die Dielektrizitätskonstante, N die Störstellendichte des Halbleiters, (pd das üiffusionspotential und V die außen anliegende Spannung. Bei gleichen Kennlinien der verwendeten Dioden sind also, wie sich daraus ergibt, auch die in Fig. 5 dargestellten Kapazitäten Ca und Cb gleich, sofern auch die außen anliegende Spannung V jeweils gleich ist, Berücksichtigt man dann ferner, daß die über der Diode anliegende Spannung die Summe einer Gleichspannung V_n- und

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einer Wechselspannung V„_c ist, dann ist die Differenz der über den Dioden 3a und 4a anliegenden Spannungen und der über den Dioden 3b und 4b anliegenden Spannungen lediglich gleich aar Differenz der über ihnen anliegenden Gleichspannungen VQQ» da die Wechsel spannungen V^ jeweils einander gleich sind. Dabei ist die Differenz der Gleichspannungen V^p gleich der Differenz der Gleichspannungsabfälle über den Dioden, da die Dioden 3& und 4a und die Dioden 3b und 4b in Durchlaßrichtung vorgespannt sind. Innerhalb des Bereiches einer änderung der Gleichspannung V_[)C> in dem die Dioden die Funktion einer Amplitudenbegrenzung erfüllen, qilt V_DC4L ^AC ^üaner kann der Einfluß der Gleichspannung V^p vernachlässigt werden.

Aus dieser Analyse folgt, daß die in Fig. 5 dargestellten ParalIeI kapazitäten Ca und Cb stets einander gleich sind, und zwar unabhängig von einer Änderung des Pegels des Eingangssignals. Daher sind auch die Absolutwerte der durch die Kapazitäten fließenden Ströme Ip und Ip. stets einander gleich. Sie kompensieren sich daher.

Im folgenden sollen die Kennlinien und Funktionen der in Fig. 4 verwendeten Dioden anhand von Fig. 7 näher erläutert werden. In Fig. 7 ist entlang der Abzisse der Strom I- aufgetragen, der in Durchflußrichtung durch die Diode fließt. Entlang der Ordinate sind Spannung V_f über der Diode und der Widerstand R_f der Diode aufgetragen. Die Kurve 1 in Fic.7 ist die I_f/V^-Kennl i nie, die Kurve 2 ist die I^/FU-Kennl inie. Der Vorstrom in Durchflußrichtung, der durch die Dioden 3a bzw. 4a in der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a fließt, wird durch den Punkt a auf der Abzisse dargestellt. Der Vorstrom durch die Dioden 3b bzw. 4b in der Amplituden-

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begrenzerschaltung 15b wird durch den Punkt b dargestellt. Er ist geringer als der im Punkt a. Daraus folgt, daß der Strom i _ durch die Dioden 3a und 4a in der Amp!itudenbogrenzerschaltung 15a erheblich größer als der Strom I . durch die Dioden 3b und 4b in der Arnpl i tudenbegrenzerschal tunn 15h ist, wie das auch aus dem Vektordiagramm nach Fin. 6 für das Ersatzschaltbild nach Fig. 5 ersichtlich ist. Es sei ferner erwähnt, daß für den Strom 1 . durch den der Diode äquivalenten Widerstand in der Arnpl i tudenbeqrenzerschal tung 15b deshalb ein niedrigerer Wert als für den Strom I durch

ra

den der Diode der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a äquivalenten Widerstand gewählt wird, weil dadurch eine Herabsetzung des Pegels am Ausgang vermieden wird.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Mikrowellenbereich. Es weist eine Eingangsklemme 1, eine Ausgangsklemme 2, Shottky-Sperrschichtdioden 3a, 3b, 4a und 4b, Widerstände 6a und 6b in Form bei integrierten Schaltungen verwendeter dünner Schichten, Eingangsklemmen 7a und 7b, an denen die Vorspannungen angelegt werden, sowie in Form dünner Schichten ausgebildete Kapazitäten 10a und 10b auf. Ferner sind -3 db Hybrid-Koppler 17 und 18 vorgesehen, die ebenfalls durch in dünnen Schichten ausgebildete Streifenleiter gebildet werden. Die Phasendifferenz zwischen den Signalen an den beiden Ausgängen des eingangsseitig vorgesehenen Hybrid-Kopplers 17 beträgt 90°. Ferner beträgt die Phasendifferenz, die entsteht, während die an den Eingängen des ausgangsseitig vorgesehenen Hybrid-Kopplers 18 gelangenden Signale die Strecke von den Eingängen desselben bis zur Ausaangsklemme 2 durchlaufen, ebenfalls 90°. Durch Kombination der beiden Hybrid-Koppler 17 und 18 erhält man so an der Ausgangski emme 2 die Summe, wie sie durch Addition zweier nichtphasengleicher Stromkomponenten in den beiden Amplituden-

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begrenzerschaltungen 15a bzw. 15b gebildet wird. Ferner sind Widerstände 19a, 19b, 2Üa und ZOb und Kapazitäten 21a, ilb, 22a und 22b vorgesehen, die durch dünne Schichten gebildet werden. Des weiteren sind Widerstände 23 vorgesehen, deren Wert jeweils qleich dem des Widerstandes der Last ist. üie Klemmen 24 sind mit einer geerdeten Grundplatte verbunden. üie Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen sind jeweils durch dünne Streifenleiter Gebildet, die auf einer dielektrischen Platte, die zum Aufbau einer integrierten Schaltung neeinnet und ihrerseits auf einer großflächigen Grundplatte angeordnet ist, vorgesehen sind.

Kit einem derartigen Amplitudenbegrenzer konnte im Betrieb eine Amplitudenkompression von 26 dB gegenüber dem Pegel am Lingang als 0 dB Bezugswert und eine AM/PM-Konvertierung von weniger als 0,5 % oder weniger als 1 dB in einen Frequenzbereich von 1,7 6Hz +100 HHz erzielt werden.

;>ei einem Amplitudenbegrenzer gemäß der Lrfindunq tritt i:* Ausgangssi nnal auch dann keine Phasenverschiebung bzw. keine froquenzabhängige Änderung der Phasenverschiebung auf, v/enn sich der Pegel des Eingangssignals ändert. Der Einfluß >.-er Aii/PH-Konvertierung, die durch parallele Kaoazitäten verursacht wird, kann vernachlässigt werden. Der Amplitudenbegrenzer ist ferner'zur Verwendung im Mikrowellenbereich gewinnet, was seither nicht möglich war. Außerdem hat der Amplitudenbegrenzer gemäß der vorliegenden Erfindung den v/eiteren Vorteil einfacher Justierung c'pr Vorströme durch äi;) Moden, die es erlaubt, sehr leicht ausgezeichnete

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Kennlinien zu erhalten. Es ist außerdem nicht notwendig, irgendwelche Einstel1 kreise zur Einstellung der Phasenverschiebung vorzusehen. Als Schaltung zur Umkehrung der Phasenlage kommt nicht nur ein Transformator oder eine Gabelschaltung in Frage, sondern auch andere Schaltungen, die diesen Zweck ,erfül1 en, z.B. Verstärker, Kabel usw.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

(!./Amplitudenbegrenzer, bestehend aus zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Dioden und einer Konstantstromquelle, von der her über einen Widerstand und den Verbindungspunkt der Dioden durch diese Vorströme fließen (Amplitudenbegrenzerschaltung), dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Amplitudenbegrenzerschaltung (15b), ebenfalls bestehend aus zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Dioden (3b, 4b) und einer Konstantstromquelle (7b), von der her über einen Widerstand (6b) und den Verbindungspunkt der Dioden (3b, 4b) durch diese Vorströme fließen, vorgesehen ist, und das Eingangssignal einer Invertierungsschaltung (16) zugeführt v/ird, die daraus abgeleitete Signale mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Polarität an die beiden Amplitudenbegrenzer-Schaltungen (15a, 15b) abgibt, deren Ausgänge zusammengeführt sind, und die Vorströme durch die Dioden (3a, 4a; 3b, 4b) in den beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen (15a, 15b) verschieden (a, b) sind;

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2. Amplitudenbegrenzer, bestehend aus zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Dioden und einer Konstantstromquelle, von der her über einen Widerstand und den Verbindunqspunkt der Dioden durch diese Vorstrb'me fließen (Amp! itudenbeqrenzerschal tunn), dadurch gekennzeichnet, daß eine v/eitere Ampl itudenbeqrenzerschal tung (15b), ebenfalls bestehend aus zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Dioden (3b, 4b) und einer Konstantstromquel1e (7b), von der her Über einen Widerstand (6b) und dem Verbindungspunkt der Dioden durch diese Vorströme fließen, vorgesehen ist, und die Vorströme durch die Dioden (3a, 4a; 3b, 4b) in den beiden Amp!itudenbegrenzerschaltungen (15a, 15b) verschieden (a, b) sind, und ein einganqsseitig vorgesehener Hybrid-Koppler (17) an die erste bzw. zweite Amplitudenbegrenzerschaltunn (15a, 15b) aus dem Eingangssignal abgeleitete Signale abgibt, die die gleiche Amplitude aufweisen und gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, und die Amplitudenbegrenzerschaltungen Signale an einen ausgangssei tig vorgesehenen Hybrid-Koppl er (18) abgeben, der diese mit einer weiteren gegenseitigen .Phasenverschiebung von 90° kombiniert und an den Ausgang (2) abgibt.

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