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Elektronisch abstimmbarer oder modulierbarer Resonanz-
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kreis Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch abstimmbaren
oder modulierbaren Resonanzkreis, an den ein frequenzabstimmendes Element angekoppelt
ist.
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Resonanzkreise werden auf elektronischem Wege in der Regel mit Kapezitätsdioden
abgestimmt oder moduliert. Schaltungen dieser Art werden häufig bei direkt modulierbaren
Oszillatoren und bei Oszillatoren, die über Regelkreise frequenzstabilisiert sind,
eingesetzt. Natürlich kann es sich dabei auch um elektronisch abzustimmende Kreise
in Filtern, Eingangsstufen von Empfängern o.dgl. handeln.
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Die grundlegenden Erläuterungen sollen am Beispiel eines Oszillators
erfolgen. Oszillatoren sind meist einstufige Verstärker, die mit oder ohne äußere
Rückkopplungsschaltung und mit in bestimmter Weise dimensionierten Reaktanz-Zweipolen
zu einer aktiven, d.h. selbstschwingenden Stufe ergänzt sind. Frequenzbestimmendes
Element eines solchen Oszillatorkreises ist der Resonanzkreis, der mit seiner Ortskurve
die Schwingfrequenz des Oszillators bestimmt.
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Er wird im Bereich höherer Frequenzen (GHz-Bereich) häufig als Leitungskreis
mit kapazitiver Abstimmung ausgeführt.
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Mit Hilfe von Kapazitätsdioden erfolgt die Abstimmung des Kreises
und damit entweder die Modulation des Oszillators im Takt einer modulierenden Spannung
und/oder die Stabilisierung der Oszillatorfrequenz über eine Phasenregel schleife.
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Ein besonderes Problem stellt die Ankopplung der Dioden an den Kreis
dar. Es wird dabei verlangt, daß die Auswirkung der Dioden auf die Kreisgüte möglichst
gering ist. Die Güte des Resonanzkreises darf durch die Ankopplung der Dioden möglichst
nicht beeinträchtigt werden, da nämlich sonst das Rauschen des Oszillators zunimmt.
Ferner soll keine gegenseitige Beeinflussung von Abstimm- und Modulationsdioden
erfolgen. Hierbei besteht die Forderung an das Ankoppelnetzwerk von zwei verschiedenen
und voneinander unabhängig gesteuerten Dioden, daß keine zusätzlichen Resonanzstellen
oder Versteilerungen als Folge der Parallelschaltung auftreten, da sonst über den
Resonanzkreis das Stabilitätsverhalten des Oszillators beeinfluß#wird.
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Auch soll keine Verstimmung des Resonanzkreises bei der mittleren
Frequenz des Abstimmbereiches, bei der mittleren Abstimmspannung und bei fehlender
Modulation durch Abstimmdioden und Ankoppelnetzwerk auftreten und möglichst keine
oder nur geringe Verzerrung der Diodenortskurve durch das Ankoppelnetzwerk entstehen.
Eine Verzerrung müßte nämlich zur Erzielung der notwendigen Linearität für FM-Signale
zusätzlich kompensiert werden, wodurch die Schaltung komplizierter und temperaturlabil
würde.
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Bei Oszillatorschaltungen sind die Abstimmdioden meist so an den Kreis
angekoppelt, daß ein großer Teil des Kreis stromes durch diese Dioden fließt. Liegt
der mit konzentrierten Elementen oder einem Leitungskreis aufgebaute Serienresonanzkreis
des Oszillators mit der Abstimmdiode in Reihe, so wird diese vom ganzen oder einem
erheblichen Teil des Kreisstromes durchflossen und beeinflußt dadurch die Güte des
Gesamtkreises stark. Das ist vor allem bei Leitungskreisen nachteilig, da mit diesen
Kreisen ohne weiteres Güten -in der Größenordnung 1000 und darüber zu erreichen
sind, die sehr gute Signal-/Rauschverhältnisse
des Oszillatorsignals
ergeben. Bei starker Ankopplung der Dioden, wie sie bei den vorstehend beschriebenen
Oszillatorschaltungen gegeben ist, stellt sich aber eine deutliche Absenkung der
resultierenden Güte wegen der wesentlich unter 1000 liegenden Diodengüte ein. Die
Folge davon ist ein schlechteres Signal-/Rauschverhältnis in der Nähe der Oszillatorfrequenz.
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Bei der Ankopplung einer Abstimmdiode über einen einstellbaren Koppelkondensator
an den Innenleiter eines Resonators (Topfkreis) liegt zwar die Diode außerhalb des
Hauptstromweges, es fließt jedoch durch die Ankopplung über eine Serienkapazität
in den Koppelkondensator ein kapazitiver Blindstrom, der auch bei mittlerer Diodenvorspannung
(Abstimmdiode) bzw. bei fehlender Modulationsspannung (Modulationsdiode) vorhanden
ist. Dieser Blindstrom verstimmt den Resonanzkreis und erzeugt zusätzliche Verluste
in der Diode. Außerdem ergibt die Serienschaltung einer Festkapazität mit einer
veränderlichen Diodenkapazität immer eine Anordnung mit reduziertem Winkelhub.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Ankopp lung des
frequenzabstimmenden Elementes an einen Resonanzkreis eine Lösung anzugeben, durch
die die vorstehend beschriebenen Nachteile behoben werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Resonanzkreis der einleitend beschriebenen
Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß das frequenzabstimmende Element
über eine Transformationsleitung des Wellenwiderstandes ZL und der elektrischen
Länge 61L angekoppelt ist.
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überlegungen im Rahmen der Erfindung und Untersuchungen über die verstimmende
Wirkung einer Reaktanz parallel zum
Innenleiter eines Topfkreises
haben dabei gezeigt, daß sich bei kapazitiver Belastung eines Parallelkreises eine
Verstimmung zu kleineren Frequenzen, bei induktiver Belastung zu größeren Frequenzen
ergibt. Kleiner werdende Blindwiderstände jX führen zu größeren Verstimmungen. Dies
hat die Ursache darin, daß kleinere Blindwiderstände einen größeren Blindstrom aufnehmen,
der letztlich die physikalische Ursache der Verstimmung ist. Nimmt man an, daß jX
eine Diode mit einer bestimmten Güte und einem Anpassungsnetzwerk ist, so entstehen
Verluste, die mit kleiner werdendem jX zunehmen. Daraus läßt sich folgern, daß das
Ankoppelnetzwerk zur Anpassung der Diodenreaktanz an den Kreis so beschaffen sein
muß, daß bei mittlerer Nachstimmspannung bzw. bei fehlender Modulation ein möglichst
hoher Widerstand jX an geeigneter Stelle parallel zum Topfkreisinnenleiter geschaltet
ist. Für das Transformationsnetzwerk ergibt sich, daß der Winkelhub 2691 D der Diode
nicht wesentlich kleiner wird, um einen Hubverlust zu vermeiden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Topfkreis mit Diodenankopplung über eine Leitung,
Fig. 2 das Smith-Diagramm für eine Leitungsankopplung nach Fig. 1, Fig. 3 einen
Topfkreis mit Ankopplung verschieden angesteuerter Dioden und Fig. 4 eine Ankopplung
über eine Leitung und eine Koppelschleife bei einem Hohlraumresonator.
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Fig. 1 zeigt in einem Prinzipschaltbild die Ankopplung von Abstimmdioden
an einen Resonanzkreis, der aus einem Topfkreis K besteht. Zur Frequenzabstimmung
ist eine Diodenkombination D aus zwei in Gegentaktschaltung angeordneten Kapazitätsdioden
vorgesehen, deren Impedanz rD bei Vernachlässigung der elektrischen Länge der beiden
Dioden kapazitiv ist. Grundsätzlich kann die Impedanz rD aber auch induktiv werden,
da die Längsinduktivität der Dioden und deren Anschlußdrähte besonders bei Serienschaltung
von zwei Dioden schon im Bereich von wenigen 100 MHz größer als der kapazitive Widerstand
sein können. Die Diodenimpedanz rD bildet den Abschlußwiderstand einer Leitung L
mit dem Wellenwiderstand ZL und der elektrischen Leitungslänge 81L, über die die
Diodenkombination D an den Resonanzkreis K angekoppelt ist. Abhängig vom Wellenwiderstand
ZL und von der Leitungslänge #l@ wird die Diodenimpedanz rD in den Wert rn, transformiert,
die parallel zum Innenleiter des Topfkreises K liegt. Die Länge der Leitung L wird
dabei so gewählt, daß für die Mittelfrequenz der transformierte Widerstand rD sehr
hochohmig oder unendlich wird.
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Durch einen geeignet gewählten Wellenwiderstand ZL der Ankopplung
kann der durch die Dioden vorgegebene Winkelhub wirksam verändert werden. Nimmt
man an, daß über eine Leitung von Z=50 Ohm angeschaltete Dioden bei bestimmter Durchsteuerung
einen Winkelhub von oC= 45O am Smith-Diagramm erzeugen, dann kann dieser Winkel
durch Verändern des Wellenwiderstandes ZL in folgender Weise variiert werden: Wellenwiderstand
ZL : 30>R 40# a 50 in 60 # 70 Q Winkel &=2 eI :117° 680 450 300 220 Wenn
es also z.B. nicht möglich ist, zur Vergrößerung des Winkelhubs die Diodenansteuerung
zu erhöhen, kann man denselben Effekt durch Verkleinerung des Wellenwiderstandes
ZL der Ankoppelleitung L erreichen. Bei Modulationsdioden
kann durch
entsprechende Wahl des Wellenwiderstandes ZL sogar eine teilweise Entzerrung der
transformierten Diodenkennlinie erreicht werden.
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Anhand des Smith-Diagramms nach Fig. 2 soll die Wirkungsweise der
Leitungsankopplung nach Fig. 1 erläutert werden.
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Die Darstellung zeigt, daß bei einer bestimmten Frequenz keine Veränderung
des Diouenhubs auftritt. Mit 1 ist hierbei die Ortskurve der Diodenkombination D
bezeichnet.
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Der Widerstand rD ist die Impedanz der Diodenkombination D bei fehlender
Modulation und mittlerer Nachstimmspannung.
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Bei Ansteurung ergibt sich der Winkelhub 2 #~#1D. Wird eine Leitung
der Länge 01L Lvorgeschaltet, so wird eine Drehung der Ortskurve im Uhrzeigersinn
bewirkt, bis rD--oo . Der Winkel ist für alle Punkte der Kurve gleich groß; so daß
keine Verzerrung auftritt. Die als Folge der Transformation entstandene Ortskurve
2 hat also ebenfalls den Winkelhub 2~ # #1D, = 2 # # 1D.
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Man erhält also durch diese Leitungsankopplung ein völlig symmetrisches
Verhalten. Bei mittlerer Diodenkapazität erfolgt keine Verstimmung, es ist rD,<
oo und a f=O.
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Kapazitäten kleiner als die mittlere Kapazität ergeben eine Verstimmung
in Richtung größerer Frequenzen, also nach + a f, Kapazitäten größer als die mittlere
Frequenz ergeben eine- Verstimmung in Richtung kleinerer Frequenzen, also nach -
a f. Die Länge von Diodenanschlußdrähten und Eigeninduktivitäten der Dioden spielen
keine Rolle. Sie sind durch die Leitung L immer kompensierbar, was in sehr vielen
Fällen von großem Vorteil sein kann.
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Bei direkt modulierten Oszillatoren ist es vorteilhaft, wenn Abstimm-
und Modulationsdioden getrennt, d.h. voneinander unabhängig auf den Resonanzkreis
einwirken. Dadurch wird erreicht, daß unabhängig von der Nachstimm-
spannung
der Hub konstant bleibt. Eine solche Parallelschaltung ist bei Anwendung der erfindungsgemäßen
Ankopplung besonders vorteilhaft möglich, da die transformierte Diodenimpedanz sehr
hochohmig ist. Die gegenseitige Beeinfluss-ung wird umso geringer, je größer die
parallelgeschalteten Impedanzen werden. Fig. 3 zeigt eine solche Anordnung mit Modulations-
und Abstimmdioden. Dabei sind die Abstimmdioden, eine Diodenkombination D1 in Gegentaktschaltung,über
eine Leitung L1 (Wellenwiderstand zl, elektrische Länge 81L ) und die Modulationsdioden,
eine Diodenkombination D2 in Gegentaktschaltung,über eine Leitung L2 (Wellenwiderstand
Z2, elektrische Länge el2) an den Topfkreis K angekoppelt. In den Leitungsweg zwischen
den Modulationsdioden D2 und der Leitung L2 kann ein Linearisierungsnetzwerk N für
die Modulationsdioden eingeschaltet werden, das in der Figur strichliert eingezeichnet
ist.
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Fig. 4 zeigt eine Ankopplung von Abstimmdioden an einen als Hohlraumresonator
ausgebildeten Resonanzkreis. Anstelle einer galvanischen Ankopplung bei einem Topfkreis
mit Innenleiter wird hierbei die über die Leitung L (Wellenwiderstand Z, Leitungslänge
El) transformierte Diodenimpedanz über eine Koppelschleife S an den Hohlraum angekoppelt.
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Die Verstimmung des Hohlraumresonators erfolgt durch die magnetische
Verkoppelung von Koppelschleife und Hohlraumresonator, was durch die Gegeninduktivität
M ausgedrückt ist. Die Leitung L wird in gleicher Weise dimensioniert wie bei der
galvanischen Ankopplung: in der Eingangsebene der Koppelschleife muß bei der mittleren
Diodenimpedanz die Reaktant Xt ægehen 10 Patentansprüche .4 Figuren