-
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch abstimmbaren oder modulierbaren Resonanzkreis, bei dem das frequenzabstimmende Element jeweils paarweise in Gegentaktschaltung angeordnete Abstimm- und Modulationsdioden (Varaktordioden) enthält, die voneinander unabhängig angesteuert werden.
-
Resonanzkreise werden auf elektronischem Wege in der Regel mit Kapazitätsdioden 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.
-
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. Er wird im Bereich höherer Frequenzen (GHz-Bereich) häufig als Leitungskreis mit kapazitiver Abstimmung ausgeführt. 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 Phasenregelschleife.
-
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 beeinflußt wird. 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.
-
Bei Oszillatorschaltungen sind die Abstimmdioden meist so an den Kreis angekoppelt, daß ein großer Teil des Kreisstromes 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.
-
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.
-
Ein Resonanzkreis der einleitend beschriebenen Art ist durch die DE-AS 12 65 238 bekannt. Darin wird ein Parallelschwingkreis für eine Frequenzmodulationseinrichtung beschrieben, dessen Resonanzfrequenz mit Hilfe einer parallel zur Induktivität liegenden veränderbaren Kapazität geändert wird und der parallel zu dieser Kapazität eine weitere, aus zwei Teilen bestehende Kapazität aufweist, deren eine Teilkapazität teilweise zusammen mit der veränderbaren Kapazität geändert wird und deren anderen Teilkapazität eine Modulationsspannung zugeführt wird. Die beiden parallel liegenden Kapazitäten sind jeweils durch eine Reihenschaltung von elektronisch steuerbaren, im Sperrbereich betriebenen und als Kapazität wirkenden Halbleiterbauelementen realisiert. Die steuerbaren Halbleiterbauelemente sind derart zusammengeschaltet, daß die Hälfte der steuerbaren Halbleiterbauelemente der ersten Reihenschaltung zusammen mit den steuerbaren Halbleiterbauelementen der zweiten Reihenschaltung mit der Abstimmspannung beaufschlagt wird, während an die zweite Hälfte der steuerbaren Halbleiterbauelemente der ersten Reihenschaltung die Modulationsspannung angelegt wird.
-
Diese Schaltung weist eine Reihe von Nachteilen auf, die in vielen Fällen die Anwendung erschweren oder unmöglich machen. So sind die Diodengruppen zur Gänze Träger der Kreiskapazität. Da der gesamte Kreisstrom über die Dioden fließt, sind hohe Kreisgüten nicht erreichbar. Aus dem gleichen Grund beeinflußt der Temperaturgang der Diodenkapazität unmittelbar die Resonanzfrequenz des Kreises. Die Folge ist eine geringe Frequenzstabilität. Bei der im Mikrowellenbereich üblichen Verwendung von Leitungskreisen, Koaxialkreisen oder auch Hohlraumresonatoren müßten die Diodengruppen zur elektronischen Abstimmung oder Modulation direkt an die Resonator- bzw. Kreisstruktur geschaltet sein, was allein aus mechanischen Gründen oft mit Schwierigkeiten verbunden ist. Schließlich kommt noch hinzu, daß in der bekannten Schaltung keine Möglichkeit besteht, die RF-Aussteuerung der Dioden zu beeinflussen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Ankopplung des frequenzabstimmenden Elementes an einen Resonanzkreis eine Lösung anzugeben, mit der die Nachteile der bekannten Schaltung vermieden werden.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Resonanzkreis der einleitend beschriebenen Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Abstimm- und Modulationsdioden über jeweils eine Transformationsleitung parallel an den Resonanzkreis angekoppelt sind, deren Länge so bemessen ist, daß für die Mittelfrequenz der transformierte Widerstand sehr hochohmig oder unendlich wird, und daß durch den Wellenwiderstand der Transformationsleitung der Winkelhub der Dioden beeinflußt wird.
-
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 2 ΔR l D der Diode nicht wesentlich kleiner wird, um einen Hubverlust zu vermeiden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
-
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.
-
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 r D bei Vernachlässigung der elektrischen Länge der beiden Dioden kapazitiv ist. Grundsätzlich kann die Impedanz r D 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 r D bildet den Abschlußwiderstand einer Leitung L mit dem Wellenwiderstand Z L und der elektrischen Leitungslänge R l L , über die die Diodenkombination D an den Resonanzkreis K angekoppelt ist. Abhängig vom Wellenwiderstand Z L und von der Leitungslänge R l L wird die Diodenimpedanz r D in den Wert r D&min; 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 r D&min; sehr hochohmig oder unendlich wird.
-
Durch einen geeignet gewählten Wellenwiderstand Z L 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 α = 45° am Smith-Diagramm erzeugen, dann kann dieser Winkel durch Verändern des Wellenwiderstandes Z L in folgender Weise variiert werden.: &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;
-
Wenn es also z. B. nicht möglich ist, zur Vergrößerung des Winkelhubs die Diodenansteuerung zu erhöhen, kann man denselben Effekt durch Verkleinerung des Wellenwiderstandes Z L der Ankoppelleitung L erreichen. Bei Modulationsdioden kann durch entsprechende Wahl des Wellenwiderstandes Z L sogar eine teilweise Entzerrung der transformierten Diodenkennlinie erreicht werden.
-
Anhand des Smith-Diagramms nach Fig. 2 soll die Wirkungsweise der Leitungsankopplung nach Fig. 1 erläutert werden. Die Darstellung zeigt, daß bei einer bestimmten Frequenz keine Veränderung des Diodenhubs auftritt. Mit 1 ist hierbei die Ortskurve der Diodenkombination D bezeichnet. Der Widerstand r D ist die Impedanz der Diodenkombination D bei fehlender Modulation und mittlerer Nachstimmspannung. Bei Ansteuerung ergibt sich der Winkelhub 2 Δ · R l D . Wird eine Leitung der Länge R l L vorgeschaltet, so wird eine Drehung der Ortskurve im Uhrzeigersinn bewirkt, bis r D&min; →∞. 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 Δ · R l D&min; = 2Δ R l D&min; .
-
Man erhält also durch diese Leitungsankopplung ein völlig symmetrisches Verhalten. Bei mittlerer Diodenkapazität erfolgt keine Verstimmung, es ist r D&min; →∞ und Δ f = 0. Kapazitäten kleiner als die mittlere Kapazität ergeben eine Verstimmung in Richtung größerer Frequenzen, also nach +Δ f, Kapazitäten größer als die mittlere Frequenz ergeben eine Verstimmung in Richtung kleinerer Frequenzen, also nach -Δ 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.
-
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 Nachstimmspannung 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 Beeinflussung 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 D 1 in Gegentaktschaltung, über eine Leitung L 1 (Wellenwiderstand Z 1, elektrische Länge R l L ) und die Modulationsdioden, eine Diodenkombination D 2 in Gegentaktschaltung, über eine Leitung L 2 (Wellenwiderstand Z 2, elektrische Länge R l 2) an den Topfkreis K angekoppelt. In den Leitungsweg zwischen den Modulationsdioden D 2 und der Leitung L 2 kann ein Linearisierungsnetzwerk N für die Modulationsdioden eingeschaltet werden, das in der Figur strichliert eingezeichnet ist.
-
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 R l) transformierte Diodenimpedanz über eine Koppelschleife S an den Hohlraum angekoppelt. 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 Reaktanz X →∞ gehen.