DE2804538A1 - Breitbandiger mikrowellen-oszillator in der verwendung als phasenmodulator - Google Patents

Breitbandiger mikrowellen-oszillator in der verwendung als phasenmodulator

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DE2804538A1
DE2804538A1 DE19782804538 DE2804538A DE2804538A1 DE 2804538 A1 DE2804538 A1 DE 2804538A1 DE 19782804538 DE19782804538 DE 19782804538 DE 2804538 A DE2804538 A DE 2804538A DE 2804538 A1 DE2804538 A1 DE 2804538A1
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waveguide
phase modulator
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microwave oscillator
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03CMODULATION
    • H03C7/00Modulating electromagnetic waves
    • H03C7/02Modulating electromagnetic waves in transmission lines, waveguides, cavity resonators or radiation fields of antennas
    • H03C7/025Modulating electromagnetic waves in transmission lines, waveguides, cavity resonators or radiation fields of antennas using semiconductor devices
    • H03C7/027Modulating electromagnetic waves in transmission lines, waveguides, cavity resonators or radiation fields of antennas using semiconductor devices using diodes
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2201/00Aspects of oscillators relating to varying the frequency of the oscillations
    • H03B2201/02Varying the frequency of the oscillations by electronic means
    • H03B2201/0208Varying the frequency of the oscillations by electronic means the means being an element with a variable capacitance, e.g. capacitance diode

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  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)

Description

  • Breitbandiger Mikrowellen-Oszillator in der Verwendung als Phasenmodulator (Zusatz zur Patentanmeldung P 27 10 i64.o) Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem breitbandigen Mikrowellen-Oszillator mit niedriger belasteter Güte, bestehend aus einem aktiven Element, beispielsweise einem Festkörperzweipol, mit negativem Widerstand in einem Resonanzkreis aus einem unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt und einer Koppelanordnung zur Auskopplung der Energie, wobei die Koppelanordnung so weit von den Enden des Hohlleiters entfernt ist, daß die erzeugte Grundwelle von den Abschlüssen des IIohlleiters nicht beeinflußbar und das aktive Element mit einer Zusatzkapazität nahe der Auskopplung angeordnet sind, nach Patent . .. ... (Patentanmeldung P 27 10 164.0).
  • Im Hauptpatent .. .. ... (Patentanmeldung P r97 10 i64.o) ist ein breitbandiger i4ikrowellen-Oszillator beschrieben, der in einem unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiter angeordnet ist. Dieser liohlleiter hat im fletriebsfrequonzbe reich keine Leitungseigenschaft, sondern stellt eine lnduktivität dar. Die Induktivität kann als quasikonzentriert botrachtet werden. Gleiches gilt auch für eine durch eine Abstimmschraube hervorgerufene Kapazität.
  • Die elektrischen Eigenschaften dieser beiden Blindelemente kann inan, da sie als konzentrierte Bauelemente betrachtet werden können, zur Reflexion ankommender Wellen ausnutzen und sehr genau definierte Phasenbeziehungen der reflektierten Welle mit der ankommenden Welle einstellen. Aus dieser Eigenschaft heraus kann man diese Anordnung auch als Phasenmodulator verwenden.
  • Für die Übertragung von Digitalsignalen über Richtfunksysteine hat sich die Phasenumtastung (PSK) als das günstigste Hodulationsverfahren erwiesen. Sie ist bezüglich des Leistungs- und Bandbreitenbedarfs allen anderen bekannten Nodulationsarten überlegen.
  • Besonders spricht für dieses Modulationsverfahren, daß es Mit Hilfe digitaler Phasenmodulatoren sehr einfach und mit geringen Verlusten realisierbar ist.
  • Digitale Roflexions-Phasenmodulstoren werden in zwei Ausführungsformen angewendet: 1. Mit einem 3-dB-Koppler, der an zwei Armen mit einem verlustarmen Abschluß vorschen ist (vg). Fig. la). Die in der Bezugsebene E zulaufende Welle wird zu gleichen Teilen auf die beiden vorlustarmen Abschlüsse aufgeteilt.
  • Die Teilwellon werden dort mit einem bostimmtenb auf zwei Werte einstellbaren Winkel reflektiert und lanzen wieder auf den 3-dB-Xoppler zu. Sie addieren sich in Bezugsebene A und laschen sich bei z aus.
  • 2. >iit einem Zirkulator, der an einem Arm mit einem vcrlustarmen Abschluß versehen ist (vgl. Fig. ib). hier gelangt die zulaufende Welle zum Abschluß. Sie wird dort mit cinem bestimmten, auf zwei Werte einstellbaren Phasenwinkel reflektiert und läuft dann zum Ausgang A.
  • Der verlustarme Abschluß hat einen Eingangsreflexionsfator, der sich unter dem Einfluß des zu übertragenden Digitalsignals betragsmäßig kaum und winkelmäßig um einen bestimmten Betrag von 1800, 900, 450 usw. ändern kann.
  • Beispiel: hat das Digitalsignal den logischen Zustand 0, so ist der Winkel 9 des Reflexionsfaktors re gleich o°; ist der logische Zustand des Digitalsignals gleich 1, so ist der Winkel 9 des Reflexionsfaktors re gleich 180° (90°, 45° usw.) Da bei idealem 3-dB-Kopplor und idealem Zirkulator der Winkel @ auch als Winkel des Transmissionsfaktors SA,E erscheint, wird beim Wechsel des logischen Zustands des Digitalsignals der Phasenwinkel der durchlaufenden Mikrowelle um die Winlceldifferenz @ = 1800, 900 usw. geändert.
  • Aufgabe des Phasenmodulators ist es, don Phasenwinkel der ablaufenden Welle am Ausgang A durch Umpolung des aktiven Elementes, z.B. einer Schaltdiode, um einen bestimmten Betrag #@ zu ändern.
  • Dies tritt ein, wenn sich der Winkel des Reflexionsfaktors r bei Umpolung der Schaltdiode um den Betrag #@ ändert und der Betrag von re dabei konstant bleibt.
  • Der Reflexionsfaktor r ist bei leitender Schaltdiode r', a bei gesperrter Schaltdiode ratt. Aufgrund der parasitären a Wirk- und Blindelemente der Schaltdiode sind r ' und r a a nicht betragsgleich und unterscheiden sich im allgemeinen in ihrem Phasenwinkel nicht um , sondern um einen anderen Wert. Daher müssen die Diodenreflexionsfaktoren ra' und ra" mit einem Transformationsnetzwerk in die Reflexionsfaktoren r | und r " transformiert werden.
  • e e Solche Transformationsnetzwerke sind bisher mit Leitungselementen in Hohlleiter-Koaxial- oder Streifenleitungstechnik aufgebaut worden. Diese Netzwerke weisen jedoch folgende Nachteile auf: 1. Beschränkte Bandbreite aufgrund der Frequenzabhängigkeit, die bei Netzwerken aus Leitungsstücken endlicher Länge prinzipiell besteht.
  • 2. Großes Volumen, da Leitungslängen von bis zu h/4, /2 oder X vorkommen können.
  • 3. Komplizierter Schaltungsentwurf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Transferrnationsschaltung anzugeben, die auf einfache Weise realisierbar ist, geringes Volumen hat und billig herstellbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Induktivität des unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiters, der Scheinwiderstand des aktiven Elements -einem Schaltelement oder einer Schaltdiode - und die Zusatzkapazität so bemessen sind, daß ihr Reflexionsfaktor ist, wobei re der Reflexionsfaktor bei leitendem, e re" der Reflexionsfaktor bei gesperrtem aktiven Element und die Anderung des Phasenwinkels der reflektierten Welle bei Umpolung des aktiven Elements - einem Schaltelement oder einer Schaltdiode - sind wobei der Phasenmodulator-Anordnung ein mindestens drei-armigor Zirkulator mit Eingang, Ausgang und Nodulatoranschluß nachseschaltot ist.
  • Diese Anordnung stellt eine wesentliche Vereinfachung dadurch dar, daß kein gesondertes Netzwerk zur Transformation erforderlich ist, indem die Transformation in die Elemente des Phasenmodulators selbst verlegt worden sind.
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung noch näher an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
  • In den Fig. la und Ib ist das Prinzipschaltbild nach dem Stand der Technik in Ulocksclialtungcn dargestellt. Es wurde bereits in der Beschreibung erläutert.
  • In der Fig. 2 ist das Prinzip des Erfindungssedanlcens an einem Schaltbild dargestellt und in der Fig. 3 der Aufbau des Phasenmodulators nach der Erfindung.
  • In der Fig. 2 ist schematisch in einem Blockschaltbild die Wirkung des Phasenmodulators dargestellt. Eine am Eingang E einfallende Welle gelangt in den Zirkulator Z und tritt am Arm M wieder aus, wird einem Transformationsnetzwerk TN mit dem Reflexionsfaktor r reflektiert. Der Betrag des Refloe xionswinkols 9 , der dabei auftritt, hängt ab von dem Reflexionsfaktor ra des aktiven Elements D, das von über den Modulationseingang ME liegenden Digital signalen leitend oder gesperrt gesteuert wird. Wird nun der Schaltzustand der Diode D durch das Digitalsignal geändert, so geht der Roflexionsfaktor r von dem Wert r ' auf den Wert r (1 über. Uas Transa a a formationsnetzwerk transformiert diese Reflexionsfaktoren so daß an seinem Eingang die betragsgleichen Reflexionsfaktoren re' und re" auftreten, deren Winkel sich gerado um den Betrag untcrschoidon, der dem Mikrowellenträger aufmodulicrt worden soll. Die am Ausgang A ablaufende Welle wird daher bei konstantem Betrag um #@ in ihrem Phasenwinkel geändert.
  • In der Fig. 3 ist der praktische Aufbau eines Phasenmodulators nach der Erfindung dargestellt. Ein Rechteckhohlleiter 1 mit den Kantenlängen a und b wird mit einem zweiten Rechteckhohlleiter 2 mit den Kantenlängen a' und b' über einen Koppelschlitz 3 in der dargestellten Weise verbunden. Die Betriebsfrequenz wird so gewählt, daß die H10-Welle im Rccnteckhohlleiter 1 ausbreitungsfähig ist, im Rechtockhehlleiter 2 jedoch nicht. Der Rechteckhohlleiter 2 wird also in seinem Sperrbereich betrieben, in dem der Wellenwiderstand der H10 Welle rein induktiv ist. Er enthält das aktive Element i, z.B. eine Schaltdiode, und mindestens eine veränderbare Kapazität 5, die als Abstimmschraube ausgebildet sein kann, dicht daneben.
  • Die Länge 1, des Rechteckhohlleiters 2 in Z-Richtung so so groß, daß die Abschlüsse an seinen beiden Enden ohne wirkung sind. Somit liegen parallel zur Admittanz der Schaltdiede 4 der induktive Leitwert des Rochteckhohlleiters 2 und die Ka-Pazitiven Leitwerte der veränderbaren Kapazität 5 und eventuell weiterer Kapazitäten.
  • Die Impulssignalo werden über eine für die hohe Frequenz darstellende Kurzschlußkapazität dem aktiven Element 4, also der Schaltdiode, zugeführt. An den Rochteckhohlleiter 1 ist der mittlere Arm M des Zirkulators Z (nicht dargestellt) angeschlossen.
  • Mit dieser Schaltung aus quasikonzentrierten Blindelementen ist es nun möglich, die gestellte Transformationsaufgabe breitbandig und verlustarrn durchzuführen. Man kommt damit zu Reflexionsphasenmodulatorcn, die gegenüber bisherigen Schaltungen folgende Vorteile aufweisen: 1. Große Breitbandigkeit. Beim kritischsten Fall des 1800 Modulators wurde bei geringen Verlusten eine relative Bandbreite von 10 erzielt.
  • 2. Einfacher und kostengünstiger Aufbau.
  • 3. Leichte Abgleichbarkeit.
  • 4. Geringes Volumen.
  • L e e r s e i t e

Claims (2)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Breitbandiger Hikrowellell-Oszillator illit niedriger bclasteter Güte, bestehend aus einem aktiven Element, Deispielswoise einem Festkörperzweipol, mit negativem iiderstand in einem Resonanzkreis aus einem unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt und einer Koppelanordnung zur Auskopplung der Energie, wobei die Koppelanordnung so weit von den Enden des Hohlleiters entfernt ist, daß die erzeugte Grundwelle von den Abschlüssen des Hohlleiters nicht beeinflußbar und das aktive Element mit einer Zusatzkapazität nahe der Ankopplung angeordnet sind, nach Patent .. .. ... (Patentanmeldung P 27 10 i64.o), in der Verwendung als Phasenmodulator, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Induktivität des unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Ilohlleiters (2), der Scheinwiderstand des aktiven Elements (4) und die Zusatzkapazität (5) so bemessen sind, daß ihr Reflexionsfaktor wobei re' der Reflexionsfaktor bei leitenden, re" der Reflexionsfaktor bei gesperrten aktiven Element (4) und die änderung des phasenwinlcels der reflektierten Wollo bei Umpolung des aktiven elements (4) sind.
  2. 2. Breitbandiger Mikrewellen-Oszillator in der Verwendung als Phasenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator-Anordnung ein mindestens drei-arflliger Zirkulator (Z) mit Eingang (E), Ausgang (A) und Modulatoranschluß (M) nachgeschaltet ist,
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3300648A1 (de) * 1983-01-11 1984-07-19 Uhland Goebel Mikrowellen-phasenmodulationsschaltung

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