DE843559C

DE843559C - Demodulator fuer frequenzmodulierte Traegerwellen

Info

Publication number: DE843559C
Application number: DEH5507A
Authority: DE
Inventors: Jasper James Okrent
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1942-05-06
Filing date: 1950-09-23
Publication date: 1952-07-10
Also published as: US2343263A; BE469561A; FR937602A

Description

In Empfängern für frequenzmodulierte Trägerwellen wird die empfangene Trägerwelle an irgendeiner Stelle des Empfängers in eine amplitudenmodulierte Trägerwelle verwandelt, damit sie dann durch einen gewöhnlichen Demodulator demoduliert werden kann. Diese Umwandlung und die nachfolgende Demodulation wird durch einen Frequenzdemodulator bewirkt, der ein Netzwerk mit frequenzabhängiger Dur-chlässigkeit und einen Gleichrichter enthält. Derartige Frequenzdemodulatoren sind jedoch im allgemeinen auch für diejenigen Amplitudenänderungen der Trägerwelle empfindlich, welche beispielsweise auf atmosphärische Verhältnisse oder elektrische Störungen zurückzuführen sind, und aus diesem Grunde wird dem Demodulator ein Amplitudenbegrenzer vorgeschaltet, der diese störenden Amplitudenänderungen beseitigen soll. Die Verwendung von getrennten Frequenzdemodulatoren und Amplitudenbegrenzern hat zahlreiche Nachteile, wie beispielsweise die Erhöhung der Herstellungskosten und der Betriebskosten der Empfänger, die Vermehrung der Anzahl der wartungsbedürftigen Röhren des Empfängers usw. Überdies haben sowohl die bekannten Amplitudenbegrenzer als auch die üblichen Frequenzdemodulatoren gewisse, auf ihre Konstruktion und ihre Arbeitsweise zurückzuführende zusätzlichen Nachteile.

Zwecks Vermeidung der vorgenannten Nachteile wurde bereits die Verwendung eines aus einer einzigen Röhre bestehenden vereinigten Amplitudenbegrenzers und Frequenzdemodulators vorgeschlagen. Die hierzu verwendete Röhre enthält zwei Eingangselektroden, von denen der einen die Zeichenspannung und der anderen eine von der Zeichenspannung abgeleitete

Spannung zugeführt wird, deren Phasenverhältnis der Zeichenspannung von der jeweiligen Frequenzabweichung der Trägerwelle abhängt. Beide Eingangselektroden erhalten hierbei selbsttätig erzeugte Vorspannungen. Die Röhre bewirkt infolge der Begrenzung ihrer Wirksamkeit auf das Gebiet zwischen dem Eintreten einer Gittergleichrichtung und dem Sperren des Anodenstroms eine Amplitudenbegrenzung, die zwar gegenüber der mit Hilfe einer getrennten Begrenzerröhre erzielbaren Amplitudenbegrenzung etwas vermindert ist, aber doch ausreichend sein kann. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß das Maß der Amplitudenbegrenzung von den Zeitkonstanten der zur selbsttätigen Erzeugung der Vorspannung der beiden Eingangselektroden dienenden Netzwerke abhängt, so daß also durch einfallende Störimpulse verursachte vorübergehende Amplitudenschwankungen kurzer Zeitdauer nicht beseitigt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Betriebscharakteristik des Frequenzdemodulators hierbei von der Stärke der empfangenen Zeichen abhängt, da die Vorspannung der Eingangselektroden der Röhre durch diese Zeichenstärke bestimmt wird. Die Wirkung der bekannten Anordnung beruht auf einer Röhrenkennlinie von der Formel I_a = k · e_gl- e_g2, wobei /„ den Anodenstrom, e_gl die Spannung am ersten Steuergitter und e_g2 die Spannung am zweiten Steuergitter bezeichnet. Der Anodenstrom ist also während jeder Periode mit beiden Eingangsspannungen veränderlieh. Infolge der genannten selbsttätigen Erzeugung der Vorspannungen an den Steuergittern der Röhre ist die Arbeitsweise der Anordnung derart verwickelt, daß es sehr schwer ist, mit ihr sowohl eine verzerrungsfreie Demodulation als auch eine wirksame Amplitudenbegrenzung zu erreichen, vind zwar insbesondere dann, wenn sich die Stärke der empfangenen Zeichen in weiten Grenzen ändert. Die Erreichung der gewünschten Arbeitsweise hat eine lineare Kennlinie der Röhre zur Voraussetzung, die ja bekanntlich nur mit großen Schwierigkeiten erreicht werden kann, so daß also derartige Anordnungen für die Massenherstellung kaum geeignet sind.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines kombinierten Amplitudenbegrenzers und Frequenzdemodulators der vorgenannten Art, der jedoch eine lineare Frequenzcharakteristik aufweist und gleichzeitig eine nur durch ihre Schaltelemente bestimmte von der Stärke der empfangenen Zeichen unabhängige Begrenzerwirkung besitzt. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß den Steuergittern der Röhre derartige feste Vorspannungen erteilt werden, daß der Arbeitspunkt auf den zumindest annähernd linearen Teil ihrer Kennlinien zu liegen kommt und die Amplitudenänderungen der Anodenspannung der Röhre einesteils durch Sperrung des Anodenstroms bei einem vorbestimmten Mindestwert der Amplitude der Zeichenspannung und anderenteils durch Herbeiführung einer Anodenstromsättigung bei einem vorbestimmten Höchstwert der Amplitude der Zeichenspannung so begrenzt werden, daß sie im wesentlichen nur mit den Frequenzänderungen der Zeichenspannung veränderlich sind. Diese Art der mit der Frequenzdemodulation kombinierten Amplitudenbegrenzung hat den Vorteil, daß die Röhre von der Stärke der empfangenen Zeichen unabhängige feste Vorspannungen hat und die Verzerrungsfreiheit der Demodulation nur von der Form der Anodenstromkennlinie und von der Linearität der Änderungen des Phasenunterschiedes zwischen den der Röhre zugeführten beiden Eingangsspannungen als Funktion der Frequenzabweichungen der empfangenen Trägerwelle abhängt, so daß also sowohl die Stärke der empfangenen Zeichen als auch die Betriebsspannungen der Röhre in verhältnismäßig weiten Grenzen schwanken können, ohne die Wirkung der Anordnung zu beeinträchtigen. Die Tatsache, daß die in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete Röhre keine lineare Kennlinie zu haben braucht, die Wirkungsweise der Anordnung vielmehr gerade auf der normalerweise vorhandenen starken Nichtliniarität der Kennlinien beruht, bringt den weiteren überaus wichtigen Vorteil mit sich, daß die erfindungsgemäße Anordnung sich sehr gut für die Massenfabrikation eignet, da ihre Herstellung unter Gewährleistung ihrer erwünschten Arbeitsweise ohne Schwierigkeiten möglieh ist.

Die Erfindung wird an Hand ihrer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 1 und 3 stellen zwei verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung dar, wäh- rend Fig. 2 ein die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. ι erläuterndes Diagramm zeigt.

Fig. ι zeigt einen vollständigen Empfänger für frequenzmodulierte Trägerwellen. Dieser enthält einen mit der Antenne 11, 12 verbundenen Hochfrequenzverstärker 10, an welchen eine Überlagererstufe 13, ein Zwischenfrequenzverstärker 14, ein Frequenzdemodulator 15, ein Niederfrequenzverstärker 16 und ein Tonwiedergabegerät 17 angeschlossen ist. Die Teile 10 bis 14, 16 und 17 können üblicher Art sein, so daß sich eine nähere Erläuterung ihres Aufbaues und ihrer Wirkungsweise erübrigt.

Der Frequenzdemodulator 15 enthält eine Elektronenröhre 20 mit zwei Steuergittern 21, 22, einer Anode 23, einer Kathode 24, einem Schirmgitter 25 sowie einem Raumladungsgitter 36, welches an eine positive Vorspannungsquelle + SG angeschlossen ist. Mit den Eingangsklemmen 18, 19 des Frequenzdemodulators ist über einen Kondensator 28 die an das Steuergittef 21 angeschlossene Primärwicklung 27 eines Transformators 26 verbunden, dessen Sekundärwicklung an das Steuergitter 22 angeschlossen ist. Beide Wicklungen des Transformators 26 sind mittels Kondensatoren 30 und 31 auf die Mittelfrequenz der den Eingangsklemmen 18, 19 zugeführten Zeichenspannung abgestimmt, so daß also die sich an den beiden Transformatorwicklungen ergebenden Spannungen bei dieser Frequenz gegeneinander um 90° phasenverschoben sind. Dieser Phasenunterschied ist mit der Abweichung der Frequenz der Zeichenspannung von der genannten Mittelfrequenz linear veränderlich. Diese lineare Veränderlichkeit wird dadurch erreicht, daß die Gütezahl Q der abgestimmten Kreise 27, 30 und 29, 31, d. h. das Verhältnis ihres Blindwiderstandes zu ihrem Ohmschen Widerstand, auf einem verhältnismäßig geringen Wert vermindert

wird, und zwar entweder durch entsprechende Bemessung der Kreiskonstanten, oder aber durch Parallelschaltung von Dämpfungswiderständen R zu den allgestimmten Kreisen, oder zu einem von ihnen. Diese Dämpfungswiderstände sind mit gestrichelten Linien gezeichnet, weil sie von dem Eigenwiderstand der Schaltelemente ζη, 29, 30 und 31 gebildet sein können.

Die Steuergitter 21 und 22 erhalten von den Spannungsquellen — C und — C derartige negative Vorspannungen, daß der Arbeitspunkt der Röhre 20 auf den geradlinigen Teil der Röhrenkennlinien zu liegen kommt. Das Schirmgitter 25 erhält von der Spannungsquelle 4- Sc eine positive Spannung, während die Anode 23 ihre Spannung von der Spannungsquelle + B über den Arbeitswiderstand 34 erhält. Der genannte Arbeitswiderstand ist an die Ausgangsklemmen 32, 33 des Frequenzdemodulators angeschlossen und ist hochfrequenzmäßig durch einen geerdeten Kondensator 35 überbrückt.

Die Wirkungsweise der Anordnung wird an Hand der Fig. 2 erläutert. Die den Eingangsklemmen 18 und 19 vom Zwischenfrequenzverstärker 14 zugeführte Zeichenspannung, deren augenblickliche Frequenz von ihrer Mittelfrequenz jeweils um ein der Modulation d(T empfangenen Trägerwelle entsprechendes Maß abweicht, ergibt an den beiden Wicklungen des Transformators 26 zwei Spannungen, deren gegenseitiger Phasenunterschied mit der Frequenzabweichung der zugeführten Z?ichenspannung veränderlich ist. Das Raumladungsgitter 36 erzeugt in der Nähe der Kathode ein elektrostatisches Feld annähernd gleichbleibender Stärke und führt dadurch eine Sättigung des Anodenstroms der Röhre beim Wert I_s (Fig. 2) herbei, sobald die Spannung an jedem der Steuergitter 21, 22 den verhältnismäßig kleinen Wert e_x erreicht. Der Anodenstrom wird beim Abfall der Eingangsspannung auf e₂ auf den Wert Null vermindert, d. h. die Röhre wird gesperrt.

Die Einstellung der Vorspannung der Steuergitter 21, 22 erfolgt zweckmäßig in folgender Weise: Zunächst wird dem Steuergitter 21 eine derart hohe positive Spannung zugeführt, welche normalerweise eine Sättigung des Anodenstroms zur Folge hätte und hierauf wird die Vorspannung — C des Steuergitters 22 auf einen Wert eingestellt, der in der Mitte zwischen denjenigen Werten liegt, bei welchen der Anodenstrom der Röhre gesättigt bzw. gesperrt ist. Zwecks Einstellung der Vorspannung des Steuergitters 21 wird dem Gitter 22 eine derartige positive Vorspannung zugeführt, bei welcher der Anodenstrom der Röhre normalerweise gesättigt wäre, und dann wird die Vorspannung — C des Stcuergitters 21 auf einen Wert eingestellt, der in der Mitte zwischen denjenigen Werten liegt, bei welchen der Anodenstrom der Röhre gesättigt bzw. gesperrt wird.

Die Kurve E₂₁ stellt die dem Steuergitter 22 zugeführte Hilfsspannung dar, wenn die Frequenz "der Zeichenspannung ihren Mittelwert hat und die Hilfsspannung infolgedessen eine Phasenverschiebung von 90' gegenüber der Zeichenspannung aufweist.

Jedes der beiden Steuergitter 21 und 22 sperrt den Anodenstrom in der Röhre 20, sobald seine Spannung unter den Wert e₂ fällt. Hieraus ergibt sich, daß ein Anodenstrom nur dann fließen kann, wenn die Span- 6j nung an beiden Steuergittern oberhalb des Wertes e₂ fließt. Diese Bedingung ist nur während eines kleinen Teiles jeder Periode der Zeichenspannung erfüllt, der in Fig. 2 durch die schraffierten Flächen dargestellt ist. Der größtmögliche Wert des Anodenstroms ist gleich dem Sättigungsstrom /, und dieser ist von der maximalen Amplitude der positiven Halbwelle der Zeichenspannung unabhängig. Der kleinstmögliche Wert des Anodenstroms ist natürlich der Nullwert und ist demnach von der maximalen Amplitude der. negativen Halbwellen der Zeichenspannung ebenfalls unabhängig. Hieraus folgt also, daß die Amplitude der sich am Arbeitswiderstand 34 ergebenden Ausgangsspannung den Amplitudenänderungen der Zeichenspannung nur in sehr kleinem Maße folgt.

Es sei nun angenommen, daß die Frequenz der Zeichenspannung von ihrem Mittelwert abweiche. Dann weicht auch der Phasenunterschied zwischen der dem Steuergitter 21 zugeführten Zeichenspannung und der dem Steuergitter 22 zugeführten Hilfsspannung von ihrem ursprünglichen Wert von 90⁰ um den Winkel Φ ab. Die Kurve E₂₂ zeigt die Hilfsspannung für den Fall, daß der Phasenunterschied jetzt 90⁰ -\- Φ betrage. Es ist offenbar, daß der Anodenstrom in der Röhre 20 jetzt nur während eines g₀ kleineren Teiles jeder Periode der Zeichenspannung fließt. Folgende mathematische Analyse der Arbeitsweise des Demodulators zeigt, daß der Durchschnittswert des Anodenstroms während einer Periode der Zeichenspannung mit der Abweichung des Phasen-Unterschiedes zwischen der Zeichenspannung und der Hilfsspannung vom W⁷ert 90⁰ linear veränderlich ist. Als Ausgangspunkt dieser Analyse sei bemerkt, daß die gesamte schraffierte Fläche in Fig. 2 den Summenwert der während jeder Periode der Zeichenspannung fließenden Anodenströme darstellt. Es kann gezeigt werden, daß diese Fläche, d. h. also der summierte Anodenstrom, angenähert den Wert

I υ —

L i

dt _

π 11

(ι)

hat, wobei I_p der Summenwert des Anodenstroms der Röhre 20, i_p der Augenblickswert des Anodenstroms der Röhre 20, / die Periodendauer der dem Demodulator zugeführten Zeichenspannung und I_s der no Sättigungsstrom der Röhre 20 ist. Der durchschnittliche Anodenstrom während jeder Periode der Zeichenspannung ist daher:

* ρ (av.) —

π I,

(2)

Wenn Φ einen vom Null abweichenden Wert hat, ergibt sich der Wert des summierten Anodenstroms zu:

p — Ό ^l)i — ■*«

(3)

Demnach hat also der durchschnittliche Anodenstrom während einer Periode der Zeichenspannung den Wert:

I₈ {π — Φ)

Ι,_Φ

Ein Vergleich der Gleichungen 2 und 4 zeigt, daß der durchschnittliche Anodenstrom der Phasenänderung Φ linear veränderlich ist. Die Konstanten der Transformatorwicklungen 27 und 29, der Kopplungskoeffizient dieser Wicklungen, die Konstanten der Kondensatoren 31 und 30 sowie die Gütezahl der abgestimmten Kreise 27, 30 und 29, 31 werden so gewählt, daß die Phasenänderung Φ innerhalb eines vorbestimmten Bereiches, beispielsweise innerhalb von 20°, mit der Frequenzabweichung der dem Demodulator zugeführten Zeichenspannung linear veränderlich sei. Dann ändert sich auch die Ausgangsspannung des Demodulators linear mit der Frequenzabweichung der Zeichenspannung und die ist von den Amplitudenänderungen der Zeichenspannung nahezu unabhängig, so daß also der Demodulator nur für die Frequenzabweichungen der Zeichenspannüng empfindlich ist, während er auf Amplitudenänderungen der Zeichenspannung nicht anspricht. Diese Wirkung wird, wie dies aus der vorstehenden Beschreibung offenbar ist, durch das Raumladungsgitter 36, seine Vorspannungsquelle + SG sowie durch die Vorspannungsquellen — C und — C der Steuergitter 21 und 22 herbeigeführt, da diese Organe eine Sättigung des Anodehstroms der Röhre 20 bei verhältnismäßig niedrigen Werten der dem Demodulator zugeführten Zeichenspannung und eine Sperrung des Anodenstroms der Röhre bei einem gewissen unteren Grenzwert der Zeichenspannung herbeiführen.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 darin, daß die Zeichenspannung dem Bremsgitter 37 und die Hüfsspannung dem Steuergitter 21 einer Elektronenröhre 20' zugeführt wird. Die Wirkungsweise der Anordnung ist dieselbe wie diejenige der Anordnung gemäß Fig. 1, mit dem Unterschied, daß derjenige Teil des Schirmgitters 25, der zwischen dem Steuergitter 21 und dem Raumladungsgitter 36 liegt, zusammen mit dem letzteren den Sättigungsstrom I_s der Röhre bestimmt und infolgedessen die diesen beiden Gittern von den Spannungsquellen + SG und + Sc zugeführten Spannungen so bemessen werden müssen, daß sie den gewünschten Wert des Sättigungsstroms I_s ergeben.
Natürlich können an Stelle der in den dargestellten Ausführungsbeispielen gezeigten Mitteln zur Ableitung der Hüfsspannung aus der Zeichenspannung und zur Erzielung einer Sättigung der Röhre bei verhältnismäßig kleinen Werten der Zeichenspannung auch andere Mittel verwendet werden, ohne daß man dadurch den Rahmen der Erfindung verlassen würde.

Claims

PaTENTANSPRC'CHE:

i. Demodulator für frequenzmodulierte Trägerwellen, mit einer Elektronenröhre mit zumindest zwei Steuergittern, von denen dem einen die Zeichenspannung und dem anderen eine von der Zeichenspannung abgeleitete Hüfsspannung zugeführt wird, welche gegenüber der Zeichenspannung eine mit der jeweiligen Abweichung der Frequenz der Zeichenspannung von ihrem Mittelwert veränderliche Phasenverschiebung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuergittern der Röhre derartige feste Vorspannungen erteilt werden, daß der Arbeitspunkt auf den zumindest annähernd linearen Teil ihrer Kennlinien zu liegen kommt und die Amplitudenänderungen der Anodenspannung der Röhre einesteils durch Sperrung des Anodenstroms bei einem vorbestimmten Mindestwert der Amplitude der Zeichenspannung und anderenteils durch Herbeiführung einer Anodenstromsättigung bei einem vorbestimmten Höchstwert der Amplitude der Zeichenspannung so begrenzt werden, daß sie im wesentlichen nur mit den Frequenzänderungen der Zeichenspannung ■»·■ veränderlich sind.
2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre eine mit einer positiven Spannungsquelle verbundene Elektrode enthält, welche so angeordnet und ausgebildet ist, daß sie das elektrostatische Feld in der Nähe der Kathode auf einem annähernd konstanten, von den Spannungsänderungen an den Steuergittern unabhängigen Wert hält.
3. Demodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode und dem ihr zunächst gelegenen Steuergitter ein mit einer positiven Spannungsquelle verbundenes Raumladungsgitter vorgesehen ist.
4. Demodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Vorspannungen der Steuergitter, daß ihre Arbeitspunkte auf ihren Kennlinien etwa in die Mitte zwischen demjenigen Punkt, in welchem der Anodenstrom gesperrt wird und demjenigen Punkt, in welchem die Sättigung des Anodenstroms eintritt, zu liegen kommen.
5. Demodulator nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüfsspannung der auf die Mittelfrequenz der Zeichenspannung abgestimmten Sekundärwicklung eines Transformators entnommen wird, dessen auf dieselbe Frequenz abgestimmter Primärwicklung die Zeichenspannung zugeführt wird.
6. Demodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Blindwiderstand und dem Ohmschen Widerstand der abgestimmten Kreise des Transformators derart bemessen ist, daß der Phasenunterschied der Hüfsspannung gegenüber der Zeichenspannung mit der Frequenzabweichung der Zeichenspannung linear veränderlich sei.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 675 jjS.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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