DE2518306C3

DE2518306C3 - Amplitudenbegrenzer

Info

Publication number: DE2518306C3
Application number: DE2518306A
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: 1978-05-03
Also published as: JPS50140040A; US3943467A; DE2518306A1; DE2518306B2; IT1038522B

Description

Die Erfindung betrifft einen Amplitudenbegrenzer der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Derartige Amplitudenbegrenzer finden bei Mikrowellen-Übertragungssysternen, und zwar insbesondere für frequenz- oder phasenmoduliert Signale Anwendung.

Eine frequenz- oder phasenmodulierte Welle (im folgenden allgemein: winkelmodulierte Welle) unterliegt häufig Schwankungen der Amplitude, die vor der Demodulation im Empfänger in einem Amplitudenbegrenzer beseitig*, werden müssen. Verwendet man hierzu Amplitudenbegrenzer der eingangs genannten Art, so taucht dabei folgendes Problem auf: Einerseits erfolgt zwar eine wirksame Amplitudenbegrenzung dadurch, daß sich der Reihenwiderstandswert der Dioden mit einer Änderung des Pegels des Eingangssignals automatisch so ändert, daß eine Änderung des Pegels des Ausgangssignal unterdrückt wird. Mit zunehmender Frequenz des Eingangssignals wirken sich jedoch die Parallelkapazitäten der Dioden störend aus. Hier ergibt sich keine Kompensation der Ströme durch die beiden Dioden; durch den über die Parallelkapazitäten führenden Strom ergibt sich vielmehr eine unerwünschte Veränderung der Phasenlage des Ausgangssignals, verursacht durch eine Änderung des Pegels des Eingangssignals. Dies nennt man eine »AM/PM-Konvertierung«.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Amplitudenbegrenzer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine AM/PM-Konvertierung der Amplitudenschwankungen des Eingangssignals nicht gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Da nunmehr zwei parallelgeschaltete Amplitudenbegrenzerschaliiingen vorgesehen sind, deren Ausgänge mit einer Gesamtphasendrehung von 180° zusammengeschaltet werden, kompensieren sich die Einflüsse der Parallelkapazitäten. Da aber ferner die Vorströme durch die jeweils in beiden Ampliludenbegrenzerschaltungen vorgesehenen Dioden unterschiedlich bestimmt sind, ergibt sich hinsichtlich der Gleichstromkomponenten keine Auslöschung, sondern — infolge der unterschiedlichen Arbeitspunkte der Dioden — ein Ausgangssignal mit begrenzter Amplitude.

ίο Auch bei den bekannten Schaltungen der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art (US-PS 3 351 863) ist einer ersten Amplitudenbegrenzerschaltung, die durch zwei mit ihrer Polarität entgegengesetzt in Reihe geschalteten Dioden besteht, eine zweite Amplitudenbegrenzerschaltung parallel geschaltet. Daher wird davon Ausgegangen, daß diese Maßnahme an sich bekannt ist. Sie dient jedoch bei der bekannten Schaltung dazu, mit den Mitteln eines Amplitudenbegrenzers eine Phasenmodulation herbeizuführen, wobei durch ein Steuersignal die Dämpfung dieses derart ausgebildeten Modulators einstellbar ist. Das Ziel dieser bekannten Schaltung ist also, obwohl hinsichtlich dieses Merkmals strukturell ähnlich, vollkommen entgegengesetzt, da die bekannte Schaltung die Erzeugung eines phasenmodulierten Signals zum Ziel hat, während eine derartige Phasenmodulation bei der Erfindung, sofern sie durch eine Änderung der Amplitude des Eingangssignal herbeigeführt wird, gerade vermieden werden soll.

.10 Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es stellt dar
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines bekannten Amplitudenbegrenzers,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers nach Fi g. 1,

F i g. 3 ein Zeigerdiagramm für den Amplitudenbegrenzer nach F i g. 2,

•)o F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel,

F i g. 5 ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbeispiels nach F i g. 4,

F i g. 6 ein Zeigerdiagramm für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 5,

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der beim Ausführungsbeispiel verwendeten Dioden,
F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
F i g. 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 5 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 wechselstrommäßig jedoch getrennt. Die Verbindungsstelle zwischen Widerstand 6 und Pol 7 ist wechselstrommäßig über die Kapazität 10 geerdet. Nimmt man an, an der Eingangsklemme 1 liegt als Eingangssignal eine unmodulierte Trägerwelle an, so

'•5 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 Aiisgangssignal um denselben feststehenden Betrag

herabgedrückt wird. Das ergibt sich daraus, daß die ijmme 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 6 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 Strom verteilung zwischen den Dioden 3 und 4. Die Kennlinien der Diode sind derart, daß ihr Widerstand mit in Durchlaßrichtung zunehmendem Strom abnimmt Wenn nun in Durchlaßrichtung von der Konstantstromquelle 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 Vorslröme durch die Dioden 3 und 4 läßt sich also eine Amplitudenbegrenzung realisieren.

Nachteilig ist, daß die Dioden 3 und 4 nicht nur Widerstandskomponente, sondern auch eine dazu parallelliegende kapazitive Komponente aufweisen. Der Einfluß dieser kapazitiven Komponente auf die Amplitudenbegrenzung ergibt sich aus dem in F i g. 2 angegebenen Ersatzs. · .titbild 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 zurr Widerstand 11 liegt eine Kapazität 12, deren äquivalenter Wert C sich aus 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 F i g. 1 weggelassen worden). Die an der Eingangsklemme 1 anliegende Wechselspannung sei E, und die Wechselspannung an der Ausgangsklemme 2Eu. Durch den Widerstand 11 fließe der Strom I_n, durch die Kapazität 12 der Strom /_o Die Summe der Ströme /_rund Ic sein /. Verwendet man die am Eingang anliegende Spannung E, als Bezugsvektor, so ergibt sich, wie aus dem Vektordiagramm in Fig. 3 zu ersehen, daß der Strom /rund die Spannung E, dann in Phase sind, wenn R> Ri und JL > R₁ ist. i_c eilt L und £,· um 90° voraus.

inC

Der Strom l_c + /_r = /eilt /_r um folgenden Winkel vor:

|y = tan

(Dabei ist ω die Winkelfrequenz des Wechselstromsignals am Eingang). Daraus folgt, daß die Wechselspannung am Ausgang, E₀ = I χ Rl, mit dem Stro.n / in Phase ist. Der Phasenwinkel der Wechselspannung E₀ am Ausgang gegenüber der Wechselspannung £i am Eingang hängt also von der Winkelfrequenz der Parallelkapazität Cund dem Widerstand Ader 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 /_c führt, während die Veränderung des Stromes I_n der durch den Widerstand fließt, unterdrückt werden kann. Daraus ergibt sich die Amplitudenmodulation/ Phasenmodulation-Konvertierung (AM/PM-Konvertierung). Außerdem hängt die AM/PM-Konvertierung von

außerdem von einer unmodulierten Trägerwelle als Eingangssignal aus; bei einer winkclmodulierten 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 Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 sind zwei Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 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. 6 bezeichnet. Die Spule 9 ist für beide Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 gemeinsam vorgesehen; sie stellt für Gleichstrom einen Kurzschluß dar. Die Anoden der Dioden 4a und 46 sind also sowohl miteinander als auch mit der Ausgangsklemme 2 verbunden. Das an der Eingangsklemme 1 eingehende Wechselstromsignal wird den Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 mit jeweils entgegengesetzter Polarität zugeführt. Um dies zu erreichen, ist die Eingangsklemme 1 über die Primärwicklung 166 eines Transformators 16, der dazu dient, die Phasenlage zu invertieren, geerdet; der Miuelabgriff der Sekundärwicklung 16s ist ebenfalls geerd.t. Ein Ende der Sekundärwicklung 16s ist mit der Anode der Diode 3a der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a verbunden, das andere Ende ist mit der Anode der Diode 36 der Amplitudenbegrenzerschaltung 156 verbunden. Wenn die Signale an den Eingängen der beiden Ampliiudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 einerseits entgegengesetzte Polaritäten, jedoch denselben Pegel haben, dann ergibt sich, wenn die Vorströme durch die Dioden 3a und 4a bzw. 36 und 46 gleich sind, daß sich die von den Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 an der Ausgangsklemme 2 abgegebenen Ausgangssignale gegenseitig kompensieren. Es entsteht dann kein Ausgangssignal. Man erhält hingegen ein Ausgangssignal, wenn man eine Potentialdifferenz der Pole la und 76 vorsieht, so daß sich durch die Dioden 3a und 4a andere Vorströme als durch die Dioden 36 und 46 ergeben. Daraus folgt, daß sich bei Veränderung des Pegels des Eingangssignals die Einflüsse der Parallelkapazitäten der Dioden auf das Ausgangssignal, wie sie in den beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und und 156 jeweils für sich gegeben sind, gegenseitig ausgleichen. Man erhält ein Ausgangssignal, in dem sowohl eine Änderung des Pegels des Eingangssignals, als auch eine Änderung des Phasenwinkels, sofern sie sich nicht aus der Winkelmodulation des Eingangssignals bereits ergibt, unterdrückt ist. Dieses Ajsgangssignal wird an der Ausgangsklemme 2 abgegeben.

Die Funktionsweise des beschriebenen Amplitudenbegrenzers wird im folgenden anhand von F i g. 5 erläutert, die ein Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers darstellt. Die Bauteile, denen Bauteile in F i g. 2 entsprechen, sind durch gleiche Bezugszeichen, lediglich zusätzlich mit einem a (Amplitudenbegrenzerschaltung 15a) bzw. einem b (Amplitudenbegrenzerschaltung 156) versehen. Die Eingangsklemmen la und 16entsprechen einander entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung lbs des Transformators 16 in Fig. 4. An ihnen treffen Eingangssignale E,_s und E,t, auf, die dieselbe Frequenz und Amplitude haben, in der Phasenlage jedoch gegeneinander um 180⁰C verschoben sind.

der Frequenz ab. Die oben ^e^ebenc Erläuterung ^σ!Π^σ Dcrn^pemäß ergeben sich für die beiden Amⁿiitudepbc-

grenzerschaltungen 15a und 156 die in F i g. 6 dargestellten Vektoren. Der Einfachheit der Erläuterung halber basiert die dargestellte Beziehung der Vektoren auf der Annahme, daß

Ra » R₁ , Rb » R; ,

Die Dioden 3a bzw. 4a weisen dieselben Kennlinien wie die Dioden 3b bzw. 46 auf, so daß auch die Parallelkapazitäten Ca und Cb einander gleich sind. Dann gilt auch |/f_a| = |/a>|, und zwar unabhängig vom Pegel am Eingang und ebenso unabhängig von der Frequenz. Dabei sind /ca und /α. derart gegeneinander phasenverschoben, daß sie sich kompensieren. Selbst wenn also die Absolutbeträge \I„\ und 1/^,1 voneinander verschieden sind, ist die Spannung E₀ am Ausgang immer in Phase mit der Spannung £/_a am Eingang. Es gibt keine Möglichkeit einer von einer Änderung des Pegels des Eingangssignals verursachten Änderung des Ausgangssignals £>

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

C = S\rqN/2{>I>d-

V)]²

Dabei ist S die Fläche der Sperrschicht, q die Ladung eines Elektrons, ε die Dielektrizitätskonstante, N die Störstellendichte des Halbleiters, Φα das Diffusionspotential und V die außen anliegende Spannung. Bei gleichen Kennlinien der verwendeten Dioden sind also, wie sich daraus ergibt, auch die in F i g. 5 dargestellten Kapazitäten Ca und Cb gleich, sofern auch die außen anliegende Spannung Vjeweils gleich ist. Berücksichtigt man dann ferner, daß die über die Diode anliegende Spannung die Summe einer Gleichspannung Vpe und einer Wechselspannung Vac ist, dann ist die Differenz der über den Dioden 3a und 4a anliegenden Spannungen und der über den Dioden 3£> und 4b anliegenden Spannungen lediglich gleich der Differenz der über ihnen anliegenden Gleichspannungen Vpe, da die Wechselspannungen Vac jeweils einander gleich sind. Dabei ist die Differenz der Gleichspannungen Voc gleich der Differenz der Gleichspannungsabfälle über den Dioden, da die Dioden 3a und 4a und die Dioden 3b und Ab in Durchlaßrichtung vorgespannt sind. Innerhalb des Bereiches einer Änderung der Gleichspannung Voc. in dem die Dioden die Funktion einer Amplitudenbegrenzung erfüllen, gilt Voc< Vac Daher kann der Einfluß der Gleichspannung Vocvernachlässigt werden.

Aus dieser Analyse folgt, daß die in Fig.5 dargestellten Parallelkapazitäten 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 /& und la 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 F i g. 7 ist entlang der Abzisse der Strom h aufgetragen, der in Durchflußrichtung s durch die Diode fließt. Entlang der Ordinate sind Spannung VVüberder Diode und der Widerstand Rider Diode aufgetragen. Die Kurve 1 in Fig. 7 ist die ///VV-Keniilinie, die Kurve 2 ist die ////^/-Kennlinie. Der Vorstrom in Durchflußrichtung, der durch die Dioden 3a

ίο 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 Amplitudenbegrenzerschaltung 156 wird durch den Punkt b dargestellt. Er ist geringer als der im Punkt a.

ι s Daraus folgt, daß der Strom /_ra durch die Dioden 3a und 4a in der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a erheblich größer als der Strom A* durch die Dioden 3b und 4b in der Amplitudenbegrenzerschaltung 15fc ist, wie das auch aus dem Vektordiagramm nach Fig.6 für das Ersatzschaltbild nach F i g. 5 ersichtlich ist. Es sei ferner erwähnt, daß für den Strom l_rt, durch den der Diode äquivalenten Widerstand in der Amplitudenbegrenzerschaltung 15/) deshalb ein niedriger Wert als für den Strom ira durch den der Diode der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a äquivalenten Widerstand gewählt wird, weil dadurch eine Herabsetzung des Pegels am Ausgang vermieden wird.

F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Mikrowellenbereich. Es weist eine Eingangsklemme 1, eine

.10 Ausgangsklemme 2, Shottky-Sperrschichtdioden 3a, 36, 4a und 4b, Widerstände 6a und 6b in Form bei integrierten Schaltungen verwendeter dünner Schichten. Eingangskiemmen 7a und 76, an denen die Vorspannungen angelegt werden, sowie in Form dünner Schichten ausgebildete Kapazitäten 10a und 106 auf Ferner sind -3db Hybrid-Koppler 17 und 18 vorgesehen, die ebenfalls durch in dünnen Schichter ausgebildete Streifenleiter gebildet werden. Die Phasendifferenz zwischen den Signalen an den beider Ausgängen des eingangsseitigen 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 Eingänger desselben bis zur Ausgangsklemme 2 durchlaufen ebenfalls 90°. Durch Kombination der beiden Hybrid-Koppler 17 und 18 erhält man so an der Ausgangsklem me 2 die Summe, wie sie durch Addition zweiei nichtphasengleicher Stromkomponenten in den beider Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a bzw. !56gebilde· wird. Ferner sind Widerstände 19a, i9b 20a und 206 unc Kapazitäten 21a, 216,22a und 226 vorgesehen, die durch dünne Schichten gebildet werden. Des weiteren sine Widerstände 23 vorgesehen, deren Wert jeweils gleicl dem des Widerstandes der Last ist Die Klemmen Tfsind mit einer geerdeten Grundplatte verbunden. Di« Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen sine jeweils durch dünne Streifenleiter gebildet, die auf einei dielektrischen Platte, die zum Aufbau einer integriertei Schaltung geeignet und ihrerseits auf einer großflächi gen Grundplatte angeordnet ist vorgesehen sind.

Mit einem derartigen Amplitudenbegrenzer könnt* im Betrieb eine Amplitudenkompression von 26 dl gegenüber dem Pegel am Eingang als 0 dB Bezugswer und eine AM/PM-Konvertierung von weniger als 0,5°/ oder weniger als 1 dB in einen Frequenzbereich voi 1,7GHz ± 100 MHz erzielt werden.
Bei einem Amplitudenbegrenzer gemäß der Erfin

dung tritt im Ausgangssignal auch dann keine Phasenverschiebung bzw. keine frequenzabhängige Änderung der Phasenverschiebung auf, wenn sich der Pegel des Eingangssignals ändert. Der Einfluß der AM/PM-Konvertierung, die durch parallele Kapazitäten verursacht wird, kann vernachlässigt werden. D^r Amplitudenbegrenzer ist ferner zur Verwendung im Mikrowellenbereich geeignet, was seither nicht möglich war. Außerdem hat der Amplitudenbegrenzer gemäß der vorliegenden Erfindung den weiteren Vorteil

einfacher justierung der Vorströme durch die Dioden, die es erlaubt, sehr leicht ausgezeichnete Kennlinien zu erhalten. Es ist außerdem nicht notwendig, irgendwelche Einstellkreise 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 erfüllen, z. B. Verstärker, Kabel usw.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrükkung einer AM/PM-Konvertierung eine weitere Amplitudenbegrenzerschaltung (156) mit demselben Aufbau in an sich bekannter Weise der ersten Amplitudenbegrenzerschaltung (15a) parallel geschaltet ist, wobei die Parallelschaltung über phasendrehende Einrichtungen (16, 17) erfolgt, daß die Vorströme in den Dioden (3a, 4a; 3b, 46;) der beiden Amplaudenbegrenzerschaltungen (15a, 156) auf verschiedene Werte (a, b) eingestellt sind, und daß die Ausgänge, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer weiteren phasendrehenden Einrichtung (18), mit einer Gesamtphasendrehung von 180° zusammengeschaltet sind.

2. Amplitudenbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Einrichtungen aus Hybrid-Kopplern (17, 18) mit 90°-Phasendrehung bestehen.