DE2608189A1

DE2608189A1 - In der frequenz modulierbarer oszillator

Info

Publication number: DE2608189A1
Application number: DE19762608189
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Barth; Wolfgang Dipl Ing Ulmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-27
Filing date: 1976-02-27
Publication date: 1977-09-01

Description

In der Frequenz modulierbarer Oszillator
Zusatz zu DT-PS 2 060 647 Die Erfindung bezieht sich auf einen in der Frequenz modulierbaren, freischwingenden Oszillator mit einem frequenzbestimmenden Resonanzkreis, dessen Schwingkreiskapazität wenigstens teilweise durch einen steuerbaren Kondensator gebildet wird, dessen Kapazität C, bezogen auf die Kapazität CO beim Vorspannungswert im Arbeitspunkt, sich in Abhängigkeit von einer normierten, auf die Vorspannung im Arbeitspunkt bezogenen Vorspannung V annähernd gemäß C/CO = 1/Vn derart ändert, daß der Exponent n mit wachsender Sperrspannung in einem gewissen Bereich zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt.
Bei einem in dieser Weise ausgestalteten Oszillator läßt sich über einen bestimmten Frequenzbereich eine lineare Abhängigkeit der Kapazität des steuerbaren Kondensators von der Steuerspannung erzielen.
Zur Vergrößerung des linearen Aussteuerbereichs der Modulationskennlinie ist es durch das Hauptpatent bekannt, den Arbeitspunkt etwa in die Mitte des erwähnten Vorspannungsbereichs zu legen und die Aussteuerung durch die Oszillatorschwingung so zu wählen, daß die mittleren Steilheiten dnldV (n = f/fo ist die auf die Mittenfrequenz fo bezogene Oszillatorfrequenz f) an dem durch die Kapazitätskennlinie entstehenden Minimum und Maximum der Steilheit im Wendepunkt der Steilheitskennlinie etwa gleich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den linearen Betrieb der Steilheitskennlinie eines solchen in der Frequenz steuerbaren Oszillators, wie er insbesondere als Breitband-FM-Modulator bei Richtfunkstrecken zum Einsatz kommt, zu vergrößern und auf diese Weise einen Breitband-FM-Modulator zu verwirklichen, der sich für eine Direktmodulation bei einem Breitband-Richtfunksystem mit z.B. 2700 Sprechkanälen eignet, bei der der Oszillator auf der Zwischenfrequenz des Richtfunksystems schwingt.
Ausgehend von einem in der Frequenz modulierbaren, frei schwingenden Oszillator mit einem frequenzbestimmeriden Resonanzkreis nach dem Hauptpatent, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Resonanzkreis des Oszillators ein Serienresonanzkreis parallel geschaltet ist, dessen frequenzabhängiges, im Bereich der oberen Frequenzgrenze wirksames Verhalten den Abfall der Steilheitskennlinie zu höheren Frequenzen verschiebt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mittels eines dem Resonanzkreis des Oszillators parallel geschalteten Serienresonanzkreises in außerordentlich vorteilhafter Weise eine Linearisierung der Steilheitskennlinie über die obere Frequenzgrenze ihres linearen Bereichs hinaus herbeigeführt werden kann.
Zweckmäßig wird der durch den Serienresonanzkreis erzielte vergrößerte lineare Bereich der Steilheitskennlinie zugleich für höhere und tiefere Frequenzen dadurch wirksam gemacht, daß der lineare Bereich der Steilheitskennlinie durch Vergrößerung der Reaktanzen des eigentlichen Resonanzkreises nach tieferen Frequenzen verschoben wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Serienresonanzkreis im Bereich der oberen Frequenzgrenze des linearen Bereichs der Steilheitskennlinie auf die erste Oberwelle des Oszillators abgestimmt. Hierbei ist im Unterschied zu seiner Abstimmung auf die Grundwelle des Oszillators eine Entdämpfung durch Verkleinern seines Serienwiderstandes vorgenommen. Auch in diesem Falle tritt die gewünschte Vergrößerung des linearen Bereichs der Steilheitskennlinie auf. Dies läßt sich dadurch erklären, daß bei dem hier verwendeten Prinzip der steuerbare Kondensator, eine Kapazitätsdiode, relativ stark durch die Oszillatorschwingung ausgesteuert wird. Dadurch entsteht ein hoher Oberwellengehalt und auch ein entsprechender Einfluß von Blindwiderstandsänderungen im Oberwellenbereich. Die Abstimmung des Serienresonanzkreises auf die erste Oberfelle der Oszillatorschwingung hat den Vorteil eines kleineren Einflusses des Serienresonanzkreises auf die Oszillatoramplitude.
Auch verringert sich hierdurch die Temperaturabhängigkeit.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Oszillators als Breitband-FM-Modulator in Richtfunksystemen mit großen Kanalzahlen ergeben sich bei der Direktmodulation relativ große Frequenzhübe im Oszillator. Diese großen Frequenzhübe verursachen im Zusammenhang mit den vorgesehenen Maßnahmen zur Linearisierung der Steilheitskennlinie verhältnismäßig große Pegelschwankungen bei relativ großen Schwingamplituden. Da das Intermodulationsgeräusch sowohl von der Größe als auch von den Schwankungen der Schwingamplitude des Oszillators abhängig ist, wird in Weiterbildung der Erfindung in seinem Rückkopplungszweig ein symmetrischer, von einer regelbaren Vorspannung einstellbarer Diodenbegrenzer für die Oszillatoramplitude vorgesehen. Zweckmäßig wird dieser symmetrische Diodenbegrenzer als Parallelbegrenzer ausgeführt, da sich hierdurch günstigere Stromverhältnisse ergeben als bei Anwendung eines Serienbegrenzers.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten Fig. 1 ein Oszillator nach der Erfindung, Fig. 2 eine Weiterbildung des Oszillators nach Fig. 1, Fig. 3 das Diagramm der Steilheitskennlinie des Oszillators ohne den Serienkreis, Fig. 4 der Verlauf des Blindwiderstandes des zur Anwendung gelangenden Serienkreises, Fig. 5 das Diagramm der Steilheitskennlinie bei Verwendung des Serienkreises nach der Erfindung.
Die Oszillatorschaltung nach Fig.# 1 zeigt einen Transistoroszillator mit dem Transistor Tr1 in Basisschaltung, der nach Art einer Meißnerschaltung transformatorisch rückgekoppelt ist. Die transformatorische Rückkopplung wird durch eine Spule LK mit Anzapfungen herbeigeführt, die zusammen mit der Reihenschaltung aus dem Kondensator CK und der Varaktordiode VD den Resonatorkreis bildet. Die Vorspannung Uo für die Varaktordiode und die Modulationsspannung Um werden dem gemeinsamen Verbindungspurlkt von Kondensator CK und Varaktordiode VD über die Drossel Dr und den Widerstand Rí zugeführt.
Der Transistor Tr1 ist mit seinem Kollektor mit dem oberen Abgriff der Spule LK und mit seinem Emitter über die Reihenschaltung der Widerstände R5 und R6 mit der Basis des eine Trennstufe darstellenden Transistors Tr2 verbunden, an deren Emitteranschluß die frequenzmodulierte Oszillatorschwingung UZF abgenommen werden kann. Die Rückkopplung von der Ausgangsseite des Transistors Tr1 zum unteren Abgriff der Spule LK erfolgt über den Widerstand R5 und den Kondensator Cl, der hierbei diesen unteren Abgriff mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R5 und R6 verbindet.
Die Betriebsspannung wird dem Transistor Tr1 von der Betriebsspannungsquelle -24 V an der Basis über den Widerstand R3 und am Emitter über den regelbaren Widerstand R4 zugeführt. Mittels des einstellbaren Widerstandes R4 läßt sich die Amplitude der Oszillatorschwingung, die hierbei am Transistor Tr1 begrenzt wird, so einstellen, daß die Rückwirkung der Oszillatorschwingung auf die Kapazität der Varaktordiode eine Optimierung des Linearitätsbereichs der Steilheitskennlinie mit sich bringt. Gemäß der Erfindung ist dem Resonanzkreis aus der Spule LK und der Reihenschaltung des Kondensators CK und der Varaktordiode VD der Serienresonanzkreis, bestehend aus dem Kondensator Cs, der Spule Ls und dem einstellbaren Widerstand Rs, parallel geschaltet. Mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes Rs kann die Kreisdämpfung so eingestellt werden, daß hinsichtlich der gewünschten Vergrößerung der Linearität der Steilheitskennlinie optimale Verhältnisse herbeigeführt werden.
In Fig. 3 ist die Steilheit S über der Frequenz f des Oszillators für den Fall aufgetragen, in dem der erfindungsgemäße Serienkreis mit der Serienresonanzfrequenz fos dem Resonanzkreis noch nicht parallel geschaltet ist. Im Diagramm der Fig. 3 ist außerdem die Frequenz fo eingetragen, bei der der Oszillator bei fehlendem Modulationssignal Um frei schwingt.
Fig. 4 zeigt den Verlauf des Produktes aus dem Blindleitwert Bs und dem Serienwiderstand Rs des Serienresonanzkreises über dem Produkt aus der Güte Qs und # , wobei Qs = Xs für Xs = wosLs = 1 Rs crr f # = (# - # ) für # = ### =fos bedeuten. In unmittelbarer Nähe der Serienresonanzfrequenz fos nimmt mit zunehmender Frequenz der kapazitive Blindleitwert rasch gegen Null ab, um anschließend in einen wachsenden induktiven Blindleitwert überzugehen. Dieser Sachverhalt wird zur Vergrößerung des Linearitätsbereichs der Steilheitskennlinie nach Fig. 3, wie Fig. 5 zeigt, ausgenutzt. Der Verlauf a zeigt die Verhältnisse bei bedämpftem Serienkreis, aber konstanter Steilheit. Der Verlauf b zeigt den ursprüng- lichen Verlauf der Steilheit S an der oberen Frequenzgrenze.
Die Position von a und b ergibt den Verlauf c mit dem gewünschten vergrößerten linearen Bereich der Steilheitskennlinie. Die Wirkung des Serienresonanzkreises läßt sich in Verbindung mit dem Verlauf seines Blindleitwertes nach Fig. 4 leicht erklären. Da der Serienresonanzkreis dem eigentlichen Oszillatorresonanzkreis parallel geschaltet ist, wirkt sich gerade die schnelle Änderung des Blindleitwertes des Serienresonanzkreises in unmittelbarer Nähe seiner Resonanz auf den eigentlichen Oszillatorresonanzkreis aus. Wird die Oszillatorfrequenz durch Verkleinern der Parallelkapazität durch entsprechende.Ansteuerung der Varaktordiode erhöht, so vergrößert die gleichzeitige Abnahme des kapazitiven Serienkreisleitwertes die Frequenzzunabme und unterstützt somit die kleiner werdende Parallelkapazität in ihrer Wirkung auf die Oszillatorfrequenz. Eine Vergrößerung der Frequenzänderung bedeutet aber eine Vergrößerung der Modulationssteilheit, d.h. der Änderung der Frequenz nach der Änderung der Steuerspannung. Sobald die Oszillatorfrequenz die Resonatorfrequenz fos des Serienkreises überschritten hat, verringert sich die Steilheit wieder auf ihren ursprünglichen Wert. Somit kann durch Einstellen der Resonanzfrequenz des Serienkreises auf die obere Bandgrenze der Bereich konstanter Steilheit, wie das im Diagramm der Fig. 5 dargestellt ist, erweitert werden.
Wie bereits erwähnt worden ist, kann der Serienresonanzkreis im Bereich der oberen Bandgrenze des Aussteuerbereichs auch auf die erste Oberwelle des Oszillators abgestimmt sein.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eines Oszillators mit einer freischwingenden Frequenz fo = 140 MH ergeben sich folgende Werte a) für eine Abstimmung des Serienresonanzkreises auf die Grundwelle bei einer Serienresonanz von fos = 155 MHz, Cs = 1 pF, Ls = 1/um, Rs = 200 Q , und b) bei Abstimmung des Serienresonanzkreises auf die erste Oberwelle bei einer Serienresonanzfrequenz fos = 310 MHz, Cs = 1 pF, Ls = 0,25/uH und Rs = 100#.
Wie ein Vergleich der Serienreson#anzwerte für Abstimmung auf die Grundwelle und die erste Oberwelle zeigen, muß die Wirksamkeit des Serienresonanzkreises bei Abstimmung auf die erste Oberwelle durch Entdämpfen des Kreises von 200 auf 100kl in seiner Wirksamkeit erhöht werden, um etwa zu gleich guten Ergebnissen hinsichtlich der Vergrößerung des Linearitätsbereiches der Steilheitskennlinie zu kommen. Die Vergrößerung des Linearitätsbereiches betrug in beiden Fällen rund 40 O/o.
Die in Fig. 2 dargestellte Weiterbildung des Oszillators nach Fig. 1 unterscheidet sich hiervon lediglich dadurch, daß im Rückkopplungszweig ein symmetrischer Diodenbegrenzer in Parallelschaltung vorgesehen ist, dessen Regelspannung von einer regelbaren Spannungsquelle Uv erzeugt ist. Der Diodenbegrenzer besteht aus den Dioden D1 und D2, die über den Kondensator C3 und den Widerstand R7 mit dem Rückkopplungsabgriff der Spule LK verbunden sind. Die Diode D2 ist ihrerseits über den Kondensator C4 mit Bezugspotential verbunden.
Am gemeinsamen Verbindungspunkt von Kondensator C4 und Diode D2 wird die regelbare Vorspannung der Vorspannungsquelle Uv für die beiden Dioden zugeführt. Die regelbare Vorspannungsquelle Uv ist durch den'Transistor T3 verwirklicht, der seine Betriebsspannung ebenfalls von der Betriebsspannungsquelle -24 V erhält. Da nunmehr die Begrenzung der Amplitude der Oszillatorschwingung nicht mehr am Transistor Tr1 erfolgt, sondern am Diodenbegrenzer, kann auf die Einstellbarkeit des Widerstandes im Emitterstromkreis verzichtet werden. In Fig. 2 ist dieser Widerstand mit R4' bezeichnet.
Die Begrenzung der Amplitude der Oszillatorschwingung durch den Transistor Tr1 hat im Hinblick auf das Intermodulationsgeräusch bei Verwendung als FM-Breitbandmodulator Nachteile.
Der Begrenzungswirkungsgrad ist gering. Außerdem entsteht durch die unsymmetrische Begrenzung im Transistor vorwiegend die erste Oberwelle und eine relativ große AM-PM-Umwandlung.
Durch den symmetrischen Diodenbegrenzer werden diese Nachteile beseitigt. Sein Begrenzungswirkungsgrad ist groß. Auch der Anteil der unerwünschten AM-PM-Umwandlung ist hier gering.
Es entstehen vorwiegend die weniger störenden ungeradzahligen Oberwellen, insbesondere die dritte Oberwelle. Die restlichen Intermodulationsgeräusche werden dadurch vernachlässigbar klein.
5 Patentansprüche 5 Figuren L e e r s e i t e te

Claims

Patentansprüche In der Frequenz modulierbarer, frei schwingender Oszillator - mit einem frequenzbestimmenden Resonanzkreis, dessen Schwing~ kreiskapazität wenigstens teilweise durch einen steuerbaren Kondensator gebildet wird, dessen Kapazität C, bezogen auf die Kapazität Co beim Vorspannungswert im Arbeitspunkt, sich in Abhängigkeit von einer normierten, auf die Vorspannung im Arbeitspunkt bezogenen Vorspannung V annähernd gemäß C/Co = 1/Vn derart ändert, daß der Exponent n mit wachsender Sperrspannung in einem gewissen Bereich zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt, bei dem der Arbeitspunkt etwa in die Mitte dieses Vorspannungsbereiches gelegt ist und bei dem die Aussteuerung durch die Oszillatorschwingungen so gewählt ist, daß die mittleren Steilheiten dSf/dv (#= f/fo ist die auf die Mittenfrequenz fo bezogene Oszillatorfrequenz f) an dem durch die Kapazitätskennlinie entstehenden Minimum und Maximum der Steilheit im Wendepunkt der Steilheitskennlinie etwa gleich sind, nach Patent 20 60 647, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Resonanzkreis (LK; CK, VD) des Oszillators ein Serienresonanzkreis (Ls, Cs, Rs) parallel geschaltet ist, dessen frequenzabhängiges, im Bereich der oberen Frequenzgrenze wirksames Verhalten den Abfall der Steilheitskennlinie zu höheren Frequenzen verschiebt.
2. Oszillator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der durch den Serienresonanzkreis (Ls, Cs, Rs) erzielte vergrößerte lineare Bereich der Steilheitskennlinie zugleich für höhere und tiefere Frequenzen dadurch wirksam ist, daß der lineare Bereich der Steilheitskennlinie durch Vergrößerung der Reaktanzen (Lk, CK) des eigentlichen Resonanzkreises nach tieferen Frequenzen verschoben ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Serienresonanzkreis (Ls, Cs, Rs) im Bereich der oberen Frequenzgrenze des linearen Bereiches der Steilheitskennlinie auf die erste Oberwelle des Oszillators abgestimmt ist und hierbei im Unterschied zu seiner Abstimmung auf die Grundwelle des Oszillators eine Kreisentdämpfung durch Verkleinern seines Serienwiderstandes (Rs) vorgenommen ist.
4. Oszillator nach einem der vorher#ehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in seinem Rückkopplungszweig ein symmetrischer, von einer regelbaren Vorspannung einstellbarer Diodenbegrenzer (D1, D2) für die Oszillatoramplitude vorgesehen ist.
5. Oszillator nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der symmetrische Diodenbegrenzer (D1, D2) ein Parallelbegrenzer ist.