DE3202329A1

DE3202329A1 - Frequenzvervielfacher

Info

Publication number: DE3202329A1
Application number: DE19823202329
Authority: DE
Inventors: Robert Edward 94704 Berkeley Ca. Jewett
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1982-01-26
Publication date: 1982-08-26
Also published as: DE3202329C2; GB2092402B; JPS57141106A; JPS6343002B2; GB2092402A; US4342008A

Description

Int. Az.: Case 1489 20. Januar 1982

Hewlett-Packard Company

FREQUENZVERVIELFACHER

Die Erfindung betrifft abstimmbare Frequenzvervielfacher, insbesondere zur Verwendung in Mikroweilen-Wobbelfrequenzgeneratoren.

Wobbelfrequenzgeneratoren werden benutzt zum Prüfen von Hochfrequenz- und Mikrowellen-Kommunikationseinrichtungen. Es werden Testgeräte für den immer größeren Frequenzbereich derartiger Kommunikationseinrichtungen benötigt. Herkömmliche Wobbelfrequenz-Signalgeneratoren überdecken typischerweise einen großen Frequenzbereich, indem sie verschiedene benachbarte Frequenzbänder überstreichen. Eine derartige herkömmliche Einrichtung ist beschrieben in einem Artikel von Paul

R. Hernday und Carl. J. Enlow in Hewlett-Packard Journal, März 1975, Seiten 1 bis 14. Der tiefste Frequenzbereich wird üblicherweise durch die Grundfrequenz des WobbelOszillators im Signalgenerator, beispielsweise für 2 bis 6 GHz^ebildet. Diese Frequenz wird multipliziert, beispielsweise mittels eines Frequenzvervielfachers mit einer sogenannten "step-recovery-Diode"(Speicherschaltdiode), um die höheren Frequenzbänder, beispielsweise 6 bis 12 GHz und 12 bis 18 GHz zu bilden. Da ein Diodenvervielfacher viele verschiedene Oberwellen der Grundwelle zur gleichen Zeit bildet, ist es erforderlich, vom Ausgang des Vervielfachers ein Filter anzuordnen, um die gewünschte Signalfrequenz auszuwählen. Der am besten geeignete Typ eines Filters für einen Wobbelfrequenz-Signalgenerator mit mehreren Frequenzbändern ist ein Nachlauf-Bandpassfilter mit einer Itrium-Eisen-Granat-Kugel als abstimmbarem Resonanzelement, einem sogenannten YIG-Filter.

Einer der Nachteile des beschriebenen Typs eines Wobbelfrequenz-Signal generators besteht darin, daß manchmal eine Startfrequenz von weniger als 2 GHz wünschenswert ist, manchmal nur einige MHz. In dem Stand der Technik erforderte die Bereitstellung solch niedriger Frequenzen sowohl einen getrennten Generator für niedrige Frequenzen

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zur Abgabe des tiefen Wobbelfrequenzsignales als auch einen mit Verlusten behafteten schwerfälligen elektromagnetischen Breitbandschalter zur Umschaltung zwischen der hohen Ausgangsfrequenz des YIG-Filters und dem Ausgang des Generators für niedrige Frequenzen. Da solche elektromechanischen Schalter ihrer Natur nach langsam im Vergleich mit den Wobbelgeschwindigkeiten von Prüfgeräten für Mikrowellenkommunikationsschaltungen sind, war es schwierig ein Signal zu erzeugen, welches kontinuierlich von einigen MHz bis zu 18 GHz oder mehr gewobbelt wird. Selbst wenn die Wobbelgeschwindigkeit tief genug war, um der Schaltgeschwindigkeit solcher Schalter angepaßt zu werden, so nutzten sich diese Schalter bei der häufigen Benutzung in einem Wobbelfrequenz-Signalgenerator schnell ab.

Gegenüber diesem Stand der Technik löst die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung die Aufgabe, einen Frequenzvervielfacher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Wobbelfrequenz-Signalgenerator geschaffen, der eine abstimmbare Signalquelle für tiefe und für hohe Frequenzen enthält, die mit einem Frequenzvervielfacher verbunden ist, der durch ein YIG-Filter abgestimmt wird. Die Hochfrequenzquelle für beispielsweise 2 bis 6,7 GHz ist mit einer "step-recovery-Diode" verbunden, die wiederum mit der Eingangskopplungsschleife eines YIG-Filters verbunden ist und ein breitbandiges Ausgangssignal von beispielsweise 2 bis 26 GHz erzeugt. Die Niederfrequenzquelle, beispielsweise für 10 MHz bis 2 GHz, ist mit einem Ende der Ausgangskopplungsschleife des YIG-Filters verbunden und das andere Ende dieser Schleife ist mit dem Filterausgang verbunden. Eine PIN-Diode und ein Kondensator sind in Reihe zwischen Masse und der Verbindungsstelle zwischen der Ausgangskopplungsschleife und der Niederfrequenzquelle verbunden. Wenn an die PIN-Diode in Durchlaßrichtung eine Gleichspannung angelegt

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wird, werden der Ausgang der Niederfrequenzquelle und das Ende der Kopplungsschleife, mit dem diese verbunden ist, mit Masse verbunden, so daß das YIG-Filter im üblichen Betrieb arbeiten kann. Wenn an die PIN-Diode eine Spannung in Sperrichtung angelegt wird, wird die Kurzschlußimpedanz der Ausgangskopplungsschleife wesentlich erhöht, so daß der größte Teil des Signals von der step-recovery-Diode in die YIG-Kugel reflektiert wird. Zusätzlich ist der Ausgang der Niederfrequenzquelle jetzt gegenüber Masse isoliert und die niederfrequenten Wobbelsignale können durch die Ausgangskopplungsschleife direkt zum Ausgang gelangen.

Indem sowohl die niederfrequenten als auch die hochfrequenten Wobbelsignale direkt durch das YIG-Filter in der oben beschriebenen Weise hindurchgelangen, werden die üblichen Verluste elektromagnetischer Schalter vermieden. Zusätzlich kann die PIN-Diode sehr schnell viele Millionen Mal ein- und ausgeschaltet werden ohne Störungen, so daß der Wobbelfrequenzsignalgenerator kontinuierlich über das ganze Spektrum der Niederfrequenzquelle und der Hochfrequenzquelle mit der Frequenzmultipliziereinrichtung streichen kann, beispielsweise von 10 MHz bis 26 GHz. Zur erhöhten Isolierung zwischen der Niederfrequenzquelle und der Hochfrequenzquelle kann das Signal von einer dieser Quellen abgeschaltet werden, während das Signal von der anderen Quelle durch das YIG-Filter hindurchgelangt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsfbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Figur 1 schematisch die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 eine Aufsicht auf eine Schaltung zur Realisierung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Figur 3 einebodenseitige Ansicht der Schaltung gemäß Figur 2, Figur 4 eine Stirnansicht der Schaltung gemäß Figur 2, Figur 5 eine Querschnittsansicht einer elektromagnetischen An-

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Ordnung mit der Schaltungsplatine gemäß Figur 2.

In Figur 1 ist ein Eisen-Granat-(YIG)-Filter 11 dargestellt, das eine YIG-Kugel 10, eine Eingangskopplungsschleife 12, eine Ausgangskopplungsschleife 14 und einen Elektromagneten 16 enthält. Der Aufbau und Betrieb von YIG-FiItern ist in dem vorgenannten Artikel in Hewlett-Packard Journal beschrieben. Eine step-recovery-Diode 18, d.h. eine schrittweise ionisierende Speicherschaltdiode, ist mit einem Ende der Eingangskopplungsschleife 12 verbunden, deren anderes Ende mit Masse verbunden ist. Die Diode 18 wird über ein Anpassungsnetzwerk 22 von einer Hochfrequenz-WobbelsignalquelIe 20 gespeist.

Die Hochfrequenz-WobbelsignalquelIe 20 kann ein Transistoroszillator 2 mit einem YIG-Filter sein, welches von 2 bis 6,7 GHz abgestimmt wird ähnlich dem in dem vorgenannten Artikel gezeigteiOszillator. Der über ein YIG-Filter abgestimmte Oszillator 2 ist durch einen Leistungsteiler 25, einen Modulator 4, einen Verstärker 6 und einen Isolator 8 mit dem Anpassungsnetzwerk 22 verbunden. Das Netzwerk 22 kann ein induktiv/kapazitives Stufennetzwerk sein, welches die Eingangsimpedanz der Diode 18 auf die Ausgangsimpedanz der Hochfrequenz-Wobbel si gnal quel Ie 20 abstimmt.

Ein Ende der Ausgangskopplungsschleife 14 ist mit einer Ausgangsquelle 24 verbunden und das andere Ende ist mit der Anode einer Schaltdiode 26, vorzugsweise einer PIN-Diode verbunden, die an einen Kopplungsknoten 15 angeschlossen ist. Mit der Anode der PIN-Diode 26 ist auch der Ausgang einer Niederfrequenzwobbelsignalquelle 28 verbunden. Die Wobbelsignalquelle 28 umfaßt einen Mischer 1, der mit dem das YIG-Filter enthaltenden Ausgangsoszillator 2 durch den Leistungsteiler 25 und mit dem Ausgang eines fest auf 2 GHz eingestellten Oszillators 3 durch einen Modulator 5 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Mischers gelangt durch ein Tiefpaßfilter 7, einen Verstärker 9 und einen Abgleicher 13. Wenn der durch ein YIG-Filter abgestimmte Oszillator 2 von 2,01 bis 4,5 GHz wobbelt, ändert sich das Ausgangssignal der Niederfrequenz-Wobbelsignalquelle 28 von 10 MHz bis 2,5 GHz.

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Int. Az.: Case 1489

Die Kathode der PIN-Diode 26 ist mit einem Kondensator 30 und einer Steuerleitung 32 verbunden. Wenn an die PIN-Diode 26 eine Gleichspannung in Durchlaßrichtung über die Steuerleitung angelegt wird, wird die Diode leitend und verbindet den Knotenpunkt 15 mit Massepotential mittels des Kondensators 30 für Wechselspannungssignale. Der Kondensator 30 wird derart bemessen, daß sich ein Hochfrequenzkurzschluß im Ausgangsfrequenzbereich der Wobbelfrequenzquelle 20 ergibt und sich eine möglichst niedrige Reaktanz im Frequenzbereich der Niederfrequenz-Wobbelsignal quelle 28 ergibt, ohne unerwünschte Reihenresonanzen im Hochfrequenzbereich zu erzeugen. Die PIN-Diode 26 wird derart bemessen, daß sie einen niedrigen Reihenwiderstand von beispielsweise weniger als 5 Ohm hat. Gemäß Figur 1 ergibt sich ein Gleichspannungsweg durch die PIN-Diode 26 mittels der Steuerleitung 32, einer koaxialen Wellenleitung 34 und eines Widerstandes 36. Der Widerstand 36 kann ein Teil der Ausgangsschaltung der Niederfrequenz-Wobbelsignal quelle 28 sein. Wenn der Steuerleitung 32 eine negative Spannung zugeführt wird, wird die PIN-Diode 26 in Sperrichtung vorgespannt.

Wenn die PIN-Diode 26 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, verhält sich das YIG-Filter 11 wie ein normales YIG-Filter. Durch Zufuhr des geeigneten Abstimmstroms von einer Stromquelle 38 zum Elektromagnet 16 gelangt die YIG-Kugel 10 an der gewünschten Frequenz in Resonanz und wählt dadurch eine der Oberwellen am Ausgang der Hochfrequenz-Wobbelsignalquelle 20 aus, die durch die Diode 18 erzeugt wurde. Wenn ein Ende der Ausgangskopplungsschleife 14 durch die PIN-Diode 26 geerdet ist, wird die ausgewählte Oberwelle mit der Ausgangsklemme 24 verbunden.

Es ergibt sich eine andere Betriebsart, wenn an die PIN-Diode in Sperrichtung eine Spannung angelegt wird, indem eine positive Spannung auf der Steuerleitung 32 erscheint. In diesem Fall ist der Ausgang der Niederfrequenz-Wobbelsignal quelle 28 nicht länger geerdet und das Ausgangssignal gelangt durch die Ausgangs-

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kopplungsschleife 14 zur Ausgangskiemme 24. Weil ein Ende der Ausgangskopplungsschleife 14 nicht mehr geerdet ist, wird die Parallel impedanz der Ausgangskopplungsschleife des YIG-Filters 11 wesentlich erhöht und zwar von 1 auf etwa 50 Ohm. Die meisten der Signale von der Diode 18 werden zurück in die YIG-Kugel reflektiert. Zusätzlich erscheint als sekundärer Effekt als ob ein größerer Reihenwiderstand zwischen der Diode 18 und Masse auftritt, wodurch der Stromfluß und die Erzeugung von Oberwellen durch die Diode vermindert werden.

Somit wird durch einfache Änderung der Vorspannung an der PIN-Diode 26 das an der Ausgangsklemme 24 auftretende Signal von einer Oberwelle der Hochfrequenz-Wobbelsignal quelle 20 zum Ausgang der Niederfrequenz-Wobbelsignal quelle 28 geschaltet. Bei einigen Frequenzen kann jedoch die Isolation zwischen der Hochfrequenz-Wobbelsignal quelle und der Niederfrequenz-Wobbelsignalquelle nicht so hoch sein, wie wünschenswert wäre. Diese Isolation kann erhöht werden, indem das Signal von einer der Quellen vermindert oder abgeschaltet wird, während das Signal von der anderen Quelle durch das YIG-Filter 11 gelangt. Wenn beispielsweise an die PIN-Diode 26 in Vorwärtsrichtung eine Spannung angelegt wird, kann das Signal von der Niederfrequenz-Wobbel signal quelle 28 amplitudenmäßig um mehrere Größenordnungen durch die Verwendung des Modulators 5 verringert werden, üblicherweise verwendet ein solcher Modulator eine oder mehrere PIN-Dioden, die parallel zum Ausgang des Oszillators 3 geschaltet sind. Wenn an diese PIN-Dioden in Vorwärtsrichtung eine Spannung angelegt wird, wird der Ausgang des Oszillators 3 wirksam abgeschaltet. Zusätzlich kann der Verstärker oder Abgleicher 13 abgeschaltet werden, um die Amplitude des Niederfrequenz-Wobbelsignal es zu vermindern. Wenn an die PIN-Diode 26 in Sperrrichtung ein Signal angelegt wird, kann das Ausgangssignal vom Oszillator 2 wirksam mittels des Modulators 4 abgeschaltet werden, der dem Modulator 5 gleicht. Auch kann in der beschriebenen Weise der Verstärker 6 abgeschaltet werden. Da die Modulatoren

Λ ν.^: Ι.'-.Λ 3202229

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PIN-Dioden benutzen, können sie natürlich schnell durch einen Hoch/Niederfrequenzschalter 35 ein- und ausgeschaltet werden, der den Modulatordioden sowie der PIN-Diode 26 die geeignete Vorspannung zuführt, wodurch die Signale von der Niederfrequenzquelle und der Hochfrequenzquelle bei jedem Wobbeivorgang ein- und ausgeschaltet werden. Solch ein Schalter kann ein einfacher Flipflop-Schalter sein, der durch eine Frequenzsteuerschaltung gesteuert wird, wie sie beispielsweise in dem zitierten Artikel beschrieben ist. Obgleich sich herausgestellt hat, daß die dargestellte Anordnung der PIN-Diode 26 und des Kondensators 30 die Reiheninduktivität herabsetzt und dadurch das Hochfrequenzverhalten optimiert, ist es nicht zwingend notwendig, daß diese Elemente in der dargestellten Reihenfolge verbunden werden. Sie könnten ausgetauscht werden und auch dann die gleiche Funktion ausführen. Wenn sie ausgetauscht würden, wäre es erforderlich, den Transistor 36 als Gleichstrom-Rückweg zu verwenden, wenn an die PIN-Diode 26 in Durchlaßrichtung eine Spannung angelegt wird. Es ist auch möglich, die Schaltung derart aufzubauen, daß die Kathode der Diode 26 direkt mit Masse verbunden wird, wodurch der Kondensator 30 eingespart wird. In diesem Fall wird die Vorspannung entweder über den Widerstand 36 oder eine Induktionsspule zugeführt, die mit dem Mittelpunktleiter der koaxialen Wellenleitung 34 verbunden ist.

Figur 2, 3 und 4 zeigen die Anordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Saphirsubstrat 40 hat ein Loch 42, in welchem die YIG-Kugel 10 befestigt ist. Der Kondensator 30 ist mit einem leitfähigen Streifen auf dem Saphirsubstrat 40 befestigt, und die PIN-Diode 26 ist direkt auf dem Kondensator 30 befestigt. Die Ausgangskopplungsschleife 14 umfaßt einen Metalldraht oder Streifen, der mit der PIN-Diode 26 verbunden ist und die YIG-Kugel 10 bogenförmig umspannt. Das äußere Ende der Ausgangskopplungsschleife 14 ist mit einem leitfähigen Streifen 44 verbunden. Der Mittelpunktleiter 45 der koaxialen Wellenleitung 46 ist auch mit einem leitfähigen Streifen

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44 verbunden. Die koaxiale Wellenleitung 46 ist wiederum mit der Ausgangskierrane 24 verbunden.

Der Streifen, an dem der Kondensator 30 befestigt ist, ist mit einem Erdungsstreifen 48 längs eines Randes des Saphirsubstrates 40 verbunden, und die Oberseite des Kondensators 30 ist mit dem anderen leitfä'higen Streifen 50 verbunden, an dem die Steuerleitung 32 befestigt ist. Die Diode 18 ist auf der Unterseite des Saphirsubstrates 40 befestigt und die Eingangskopplungsschleife 12 in der Form des metallischen Drahtes oder Streifens ist zwischen der Diode 18 und dem Erdungsstreifen 48 verbunden. Die Eingangskopplungsschleife 12 wölbt sich auch über die YIG-Kugel 10, ist jedoch rechtwinklig zur Ausgangskopplungsschleife 14 angeordnet. Die Diode 18 ist üblicherweise auf einem Kondensator befestigt, an dem eine streifenförmige Wellenleitung 54 vom Anpassungsnetzwerk 22 verbunden ist.

Figur 5 zeigt den Elektromagnet 16, der einen oberen Magnet 56 und einen unteren Magnet 58 umfaßt. Der obere Magnet 56 hat eine obere Spule 60, die um ein oberes Polstück 62 gewunden ist, und der untere Magnet 58 umfaßt eine untere Spule 64, die um ein unteres Polstück 66 gewunden ist. Das Saphirsubstrat 40 ist zwischen dem oberen Magnet 56 und dem unteren Magnet 58 gelagert, so daß die YIG-Kugel 10 zentriert ist zwischen den oberen und unteren Polstücken.

Claims

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Case 1489 20. Januar 1982

PATENTANSPRÜCHE

; 1J Abstimmbarer Frequenzvervielfacher

' mit einem elektromagnetischen Resonanzkreis (10) mit variabler Resonanzfrequenz,
mit einer ersten Signalaufnahmeeinrichtung (22) zur Aufnahme eines ersten elektromagnetischen Signales, mit einem Oberwellenerzeuger (18), der mit der ersten Signalaufnahmeeinrichtung verbunden ist, zum Erzeugen eines Oberwellensignales entsprechend dem ersten elektromagnetischen Signal, mit einer ersten Kopplungseinrichtung (12), die mit dem Oberwellenerzeuger verbunden ist und das Oberwellensignal dem elektromagnetischen Resonanzkreis zuführt, mit einer Ausgangsschaltung (24),

mit einer zweiten Kopplungseinrichtung (14), die mit der Ausgangsschaltung verbunden ist und ein Signal vom elektromagnetischen Resonanzkreis an die Ausgangsschaltung weiterleitet, mit einer zweiten Signalaufnahmeeinrichtung (34), welche mit der zweiten Kopplungseinrichtung an einem Kopplungsknoten (15) verbunden ist zur Aufnahme eines zweiten elektromagnetischen Signales,

dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch gesteuerte KurzschluSeinrichtung (26) mit dem Kopplungsknoten verbunden ist und einen Steuereingang (32) aufweist zur Erdung des Kopplungsknotens bei einem ersten Steuersignal am Steuereingang und zur Isolierung des Kopplungsknotens gegenüber Masse bei einem zweiten Steuersignal am Steuereingang, wodurch ein Signal vom elektromagnetischen Resonanzkreis zum Ausgang weitergeleitet wird, wenn das erste Steuersignal dem Steuereingang der Kurzschlußeinrichtung zugeführt wird und ein Signal vom zweiten Signal eingang dem Ausgang zugeführt wird, wenn das zweite Steuersignal dem Steuereingang der Kurzschlußeinrichtung zugeführt wi rd.

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2. Abstimmbarer Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, bei welchem der elektromagnetische Resonanzkreis eine ItriumEisen-Granat-Kugel ist, die erste Kopplungseinrichtung einen Leiter umfaßt, der zwischen dem Oberwellenerzeuger und Masse verbunden ist und sich im Abstand nahe neben der Itrium-Eisen-Granat-Kugel befindet und die zweite Kopplungseinrichtung rechtwinklig zur ersten Kopplungseinrichtung angeordnet ist und einen Leiter umfaßt, der zwischen dem Kopplungsknoten und dem Ausgang verbunden ist und sich im Abstand nahe neben der Itrium-Eisen-Granat-Kugel befindet, dadurch gekennzei chnet, daß die Kurzschlußeinrichtung eine Schaltdiode umfaßt.
3. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 2, bei welchem der Oberwellenerzeuger eine step-recovery-Diode umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdiode eine PIN-Diode ist.
4. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdiode unmittelbar neben der Itrium-Eisen-Granat-Kugel angeordnet ist.
5. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdiode die Form eines Halblei terplättchens hat und direkt und fest an einem in Reihe geschalteten Kondensator (30) befestigt ist.
6. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 5, dadurch g e k e η nzeichnet, daß der Steuereingang des Parallel kreises zwischen dem Kondensator und der PIN-Diode verbunden ist.
7. Frequenzvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ersten Signalquelle (20), die mit der ersten Signaleingangsschaltung verbunden ist zum Erzeugen des ersten elektromagnetischen Signales und einer zweiten Signalquelle (28), die

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mit der zweiten Signaleingangseinrichtung verbunden ist zum Erzeugen des zweiten elektromagnetischen Eingangssignales, wobei die erste und die zweite SignalquelIe Amplitudensteuerungseinrichtungen (4, 5) mit Steuereingängen enthält zur Steuerung der Amplitude der ersten und zweiten elektromagnetischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Amplitudensteuerungseinrichtung der Signalquelle die Amplitude des ersten elektromagnetischen Signales entsprechend dem zweiten Steuersignal vermindert und die zweite Amplitudensteuerungseinrichtung die Amplitude des zweiten elektromagnetischen Signales entsprechend dem ersten Steuersignal vermindert.