DE2518306A1 - Amplitudenbegrenzer - Google Patents
AmplitudenbegrenzerInfo
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- H03G11/00—Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general
- H03G11/06—Limiters of angle-modulated signals; such limiters combined with discriminators
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- Tone Control, Compression And Expansion, Limiting Amplitude (AREA)
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:
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
- 4 5098 U5/0797
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 RL (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^ RL,
»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 | InI = 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 Vn- 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 VDC4L ^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 Vf über der Diode und
der Widerstand Rf der Diode aufgetragen. Die Kurve 1 in Fic.7
ist die If/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-
- 10 -
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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 (2)
- 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;509845/0 7 97
- 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.509845/07 97Leerseite
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1975
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