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Kristallfilter veränderbarer Bandbreite, insbesondere für Empfänger
Üblicherweise verwendet man Schwingkreise zur Herstellung der notwendigen Trennschärfe
in Hochfrequenzempfängern. Selbst eine große Zahl von Kreisen gestattet aber nicht,
unter eine bestimmte Bandbreite herunterzukommen. Durch. Entdämpfung mittels Rückkopplung
läßt sich allerdings die Bandbreite weiter verringern, gleichzeitig ändert sich
aber die Amplitude. Man war daher bestrebt, die Erhöhung der Trennschärfe durch
andere Mittel herbeizuführen. MancheKristalle, insbesondereOuarzkristalle, zeichnen
sich durch außerordentlich scharfe Resonanzen aus und sind daher für die Verwendung
in Filtern geeignet. Ihre volle Trennschärfe ist jedoch nur in Einzelfällen erwünscht.
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Man könnte bei einem Quarzfilter die Bandbreite veränderbar machen,
indem man parallel oder in Reihe zu dem Quarz, je nachdem ob er als Anodenwiderstand
oder als Längswiderstand geschaltet ist, einen regelbaren Ohmschen Widerstand legt.
Eine solche Schaltung hätte jedoch den Nachteil, daß die Verstärkung sich etwa in
demselben Maße wie die Bandbreite ändert, z. B. bei einer Bandbreitenregelung von
2o auf 5ooo Hz im Verhältnis r :250, was man durch eine gegensinnige Verstärkungsänderung
wieder ausgleichen müßte.
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Es ist bekannt, einen Quarz als Kopplungselement zwischen zwei Schwingungskreise
eines Empfängers zu schalten und den einen Schwingungskreis zur Bandbreitenregelung
mehr oder weniger gegen die Durchlaßfrequenz zu verstimmen. Hierbei tritt aber der
Nachteil auf, daß die Verstärkung mit der Wurzel aus der Bandbreite sinkt, also
bei einer durch eine Verringerung der Verstimmung bewirkten Zunahme der Bandbreite
abnimmt.
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Es wäre also sehr vorteilhaft, wenn man die Bandbreite eines Quarzfilters
in weitesten Grenzen regelbar machen könnte, ohne daß sich die Verstärkung wesentlich
ändert. Diese Aufgabe wird von der Erfindung gelöst, die insbesondere im Zwischenfrequenzteil
eines Empfängers anwendbar ist.
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Die Erfindung geht von dem zuletzt erwähnten Kristallfilter veränderbarer
Bandbreite
aus, bei dem der Kristall (Quarz) allein oder mit Schaltelementen
zur Beseitigung seiner Parallelkapazität als Längsglied zwischen zwei als Querglieder
geschalteten Schwingungskreisen liegt. Die Erfindung besteht darin, daß zur Bandbreitenregelung
eine Einrichtung dient, welche entweder gleichzeitig die beiden Schwingungskreise
gleich- oder gegensinnig verstimmt oder gleichzeitig die Kopplungen zwischen dem
Kristall und den beiden Kreisen in gleichem Sinne ändert.
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Im folgenden wird die Erfindung nun näher erklärt.
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Ein Kristall, insbesondere ein Quarz, hat ein Ersatzbild nach Abb.
r. Die Größenordnung der Elemente dieses Schaltbildes ist grundlegend verschieden
von den sonst in der Hochfrequenztechnik gebräuchlichen Werten. Die Induktivität
L liegt beispielsweise bei 1,5 MHz (2oo in) in der Größenordnung von 0,3 Hy, der
Ohmsche Widerstand in der Größenordnung von 2o Ohm und die Kapazität C beträgt etwa
einige hundertstel pF. Der Quarz würde abseits von seiner Durchlaßresonanz unendlich
gut sperren, wenn er nicht eine Parallelkapazität hätte. Also gilt es zunächst,
diese Parallelkapazität aufzuheben, indem man entweder die Quarzkapazität durch
eine parallel liegende Selbstinduktion oder zur Erleichterung der Abstimmung durch
einen Schwingkreis (Abb. a) wegstimmt oder sie durch eine Brückenschaltung nach
Art einer Wheatstoneschen Brücke (Abb. 3) - oder auch durch eine N eutralisationsschaltung
(Abb. 4) praktisch unwirksam macht. Das so hergestellte Quarzglied wird im folgenden
einfach als Quarz bezeichnet und auch in Schaltbildern mit dem Quarzsymbol dargestellt.
Dieser Quarz besitzt also in der Nähe der Resonanz, also in dem Gebiet, auf das
es ankommt, keine Parallelkapazität mehr.
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Abb. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Schwingkreisen,
die zur Bandbreitenregelung mehr oder weniger gegen die Durchlaßresonanzfrequenz
verstimmt werden. Bei genauer Abstimmung ist die Bandbreite am größten. Die Wirkungsweise
ist leicht einzusehen, wenn man alles vom Quarz aus ansieht, indem man sich die
Schaltung an dieser Stelle aufgeschnitten denkt. Dann wirkt die Schaltung auf den
Quarz wie eine Stromquelle mit einer Leerlaufspannung und einem inneren Widerstand.
Die Leerlaufspannung ist offenbar gleich der ohne Quarz im Anodenkreis auftretenden
Spannung C-s.Nz. , wenn S die Steilheit und CS" die Gitterwechselspanneng und Ra
der jeweilige Scheinwiderstand des Schwingungskreises ist, da der innere Widerstand
der Vorröhre, für die man ja im allgemeinen eine Schirmgitterröhre wählen wird,
dann nicht in Betracht kommt. Der innere Widerstand der auf den Quarz wirkenden
Schaltung ist gleich der Summe der beiden Schwingkreisscheinwiderstände. Der Blindteil
dieser Summe interessiert nicht, da er wegen der großen Blindwiderstände des Quarzes
die Eigenfrequenz der Schaltung nur geringfügig vorschiebt und da sich bei der Eigenfrequenz
die Blindwiderstände gegenseitig aufheben. Der Wirkteil dagegen bedämpft den Verlauf
der Quarzresonanz, da mit dem Quarz die Wirkteile der beiden Schwingkreisscheinwiderstände
in Reihe liegen.
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Bei einer Bandbreitenerhöhung durch Annäherung der Schwingkreisresonanzen
von derselben oder von entgegengesetzten Seiten her an die Quarzdurchlaßresonanz
steigt die Leerlaufspannung, d. h. die zugeführte Spannung. Die vom Resonanzstrom
am Ausgangsschwingungskreis entstehende Spannung würde wegen des Anwachsens des
Scheinwiderstandes des Ausgangsschwingungskreises ebenfalls ansteigen, wenn nicht
der Resonanzstrom wegen der gleichzeitigen Zunahme der Dämpfung in demselben Maße
sinken würde, wie die entenstehende Rechnung zeigt. Die Verstärkung bleibt also
konstant, und zwar solange die eingestellte Bandbreite nennenswert größer als die
Eigenbandbreite des Quarzes ist. Im folgenden ist mit X" der reelle Teil von W,
bezeichnet: dann ist nach dem Vorstehenden (ohne Berücksichtigung des Quarzwiderstandes)
der Resonanzstrom
und daher die Ausgangsspannung
Nun ist bei einem Schwingkreis mit dem Resonanzwiderstand R,.es
ist (/:= Eigenfrequenz, 4 / = Verstimmung,
R = Dämpfungswiderstand,
coL = induktiver Widerstand des Schwingungskreises).
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Dann ist also
Hieraus folgt Verstärkung
Also ist die Verstärkung konstant.
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Die genaue Formel, welche die Änderung der Verstärkung in der Nähe
der Eigenbandbreite b0 des Quarzes unter Berücksichtigung des Ouarzwiderstandes
angibt, lautet .
wenn b die jeweils eingestellte Bandbreite ist. Ein guter Quarz hat Eigenbandbreiten
von etwa 5 Hz bei 1,5 MHz; wenn man als niedrigste einstellbare Bandbreite 2o Hz
festsetzt, so ändert sich mithin von der kleinsten bis zur größten Bandbreite die
Verstärkung nur um 25 °/o. Je größer der Resonanzwiderstand der Kreise ist, desto
breiter wird die Kurve.
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Hierdurch ist also bei vorgeschriebener maximaler Bandbreite der Resonanzwider:
stand gegeben. Da die Verstärkung genau wie beim gewöhnlichen Zwischenfrequenzverstärker
dem Resonanzwiderstand proportional ist, kann man die maximale an sich erreichbare
Verstärkung zunächst nicht ausnutzen. Man kann aber die volle Verstärkung der Röhre
erhalten, wenn man den Quarz nur an einen so großen Teil des Schwingungskreises
ankoppelt, daß der heruntertransformierte Resonanzwiderstand des Schwingungskreises
den für die größte Bandbreite benötigten Höchstwert besitzt. Man kann also tatsächlich
bei einem richtig aufgebauten Quarzfilter dieselben Verstärkungen erreichen wie
bei einem üblich aufgebauten Zwischenfrequenzverstärker.
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Durch geeigneten Plattenschnitt oder Verwendung eines Stufenschalters
kann man den Übergang von Breit- auf Schmalschaltung beliebig gestalten.
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Anstatt die Schwingungskreise zu verstimmen, kann man erfindungsgemäß
auch die Kopplungen, die den Quarz mit den Schwingkreisen verbinden, stetig oder
stufenweise verändern. So zeigen Abb.6 und 7 Beispiele, bei welchen der Quarz kapazitiv
bzw. induktiv unterangekoppelt ist. Die Schwingungskreise können gegen die Ouarzdurchlaßfrequenz
verstimmt sein, wenn die Bandbreite nicht den vollen an sich erreichbaren Wert zu
haben braucht.
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Weiter bietet sich eine Möglichkeit, die beiden Scheinwiderstände
bzw. die beiden Kopplungen nicht gleichartig zu ändern; man kann der Verstärkung
einen beliebigen Verlauf in Funktion der Bandbreite geben.