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Anordnung zur Änderung der Eigenfrequenz von piezoelektrischen Kristallen
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Änderung der Eigenfrequenz von Steuerkristallen
für Oszillatoren durch rein elektrische Mittel.
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Während es bisher üblich war, die Eigenfrequenz von fertigbearbeiteten
Steuerkristallen durch Änderung des Elektrodenabstandes, der Temperatur oder durch
Zuschalten von Blindwiderständen zu ändern, wird im folgenden gezeigt, daß dies
auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes möglich ist. Setzt man einen Piezokristall
einem elektrischen Feld aus, dann erfährt er auf Grund des reziproken Piezoeffekts
eine mechanische Deformation. Diese Tatsache wird erfindungsgemäß benutzt, um die
Eigenfrequenz eines solchen Kristalls, die ja von den mechanischen Abmessungen und
dem inneren Spannungszustand abhängt, zu verändern. Es ist bereits bekannt, Kristalle,
deren Dielektrizitätskonstante und damit Kapazität von einer angelegten Spannung
abhängig ist, der Spule eines Oszillators als Abstimmkapazität parallel zu schalten,
um damit die Frequenz des Oszillators variieren zu können. In jener Anordnung wird
der Kristall als Kapazität benutzt, und er schwingt nicht in seiner Eigenfrequenz.
Demgegenüber unterscheidet sich die vorliegende Erfindung dadurch, daß der Kristall
selbst als Schwingkreis benutzt wird und in seiner Eigenfrequenz schwingt. Dadurch
erhält man eine wesentlich erhöhte Frequenzkonstanz. Ferner wird in der bekannten
Anordnung die Kapazität des Kristalls gesteuert, während nach der vorliegenden Erfindung
die mechanischen Abmessungen und der innere mechanische Spannungszustand des
Kristalls
gesteuert werden, um seine Eigenfrequenz zu verändern.
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Ferner ist es bereits bekannt, zur Frequenzmodulation eines piezoelektrischen
Kristalls einen mechanischen Druck von außen zuzuführen, und zwar soll dieser durch
die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Kondensatorplatten erzeugt werden.
Durch eine solche Anordnung wird jedoch nicht die gleiche Wirkung erzielt wie mit
der vorliegenden, -denn bei jener kann immer nur der Kristall zusammengedrückt,
also seine Frequenz erhöht werden, unabhängig von der Polung der modulierenden Spannung.
Dagegen besteht das Wesen der vorliegenden Erfindung darin, den reziproken piezoelektrischen
Effekt auszunutzen, bei dem je nach Polung der modulierenden Spannung Erhöhung oder
Erniedrigung der Kristallfrequenz möglich ist. Die Unterschiede äußern sich u..
a. darin, daß bei der bekannten Anordnung eine verzerrungsfreie Modulation nur schwierig
und unter Verzicht auf hohe Frequenzkonstanz durchführbar, dagegen erfindungsgemäß
mit einfachen Mitteln möglich ist.
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Im allgemeinen brauchen das hochfrequente und das frequenzändernde
elektrische Feld nicht die gleiche Richtung zu haben. Vielfach ist es jedoch zweckmäßig,
die beiden Felder unmittelbar zu überlagern, da man dann einen einfachen Aufbau
erhält. In Abb. r ist dieser Fall am Beispiel einer Schaltung gezeigt, die sich
aus der bekannten Pierce-Schaltung entwickeln läßt. Der Steuerkristall q. wird von
der Röhre 9 in an sich bekannter Weise zu Schwingungen erregt. Der Anodenschwingkreis
ro, r z ist nahezu auf Resonanz mit der Kristallfrequenz abgestimmt; die zur Schwingungserzeugung
notwendige Rückkopplung geschieht über die Gitter-Anoden-Kapazität der Röhre 9.
Die Hochfrequenz wird dem Kristall über den Hochpaß 5, 6, 7 zugeführt, der Widerstand
8 dient in bekannter Weise zur Erzeugung einer negativen Gittervorspannung. An die
Klemmen r, 2 kann die frequenzändernde Steuerspannung angelegt werden; sie wird
dem Kristall über den Tiefpaß 3 zugeführt. Der Tiefpaß ist notwendig, um ein Entweichen
der Hochfrequenz über die Klemmen r, 2 zu verhindern. Der Hochpaß 5, 6, 7 wird gebraucht,
um die frequenzändernde Steuerspannung vom Gitter der Röhre fernzuhalten. Als Hoch-
und als Tiefpaß können außer den im Beispiel der Abb. I gezeigten auch alle übrigen
bekannten Anordnungen verwendet werden, sofern sie, vom Kristall aus gesehen, für
die zu sperrenden Frequenzen einen genügend hohen Eingangswiderstand besitzen.
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Es ist zwar bereits bekannt, bei Kondensatoren mit spannungsgesteuertem
Dielektrikum aus Rochellesalzkristallen das hochfrequente und das steuernde elektrische
Feld mit den gleichen Elektroden unter Verwendung gegenseitig abgeriegelter Speisekreise
zuzuführen, jedoch dient dort diese Schaltungsmaßnahme dazu, einen Modulator, der
die Amplitude elektrischer Schwingungen variieren soll, zu vereinfachen. Im Gegensatz
hierzu wird nach der vorliegenden Erfindung ein in seiner Eigenfrequenz schwingender
piezoelektrischer Kristall beeinflußt, d. h., man, vereinfacht einen Oszillator,
dessen Amplitude konstant ist und dessen Frequenz variiert werden soll.
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Das erwähnte Prinzip, einen Steuerkristall zwei elektrischen Feldern
gleichzeitig auszusetzen, ist nicht auf die Pierce-Schaltung beschränkt, sondern
kann auch bei anderen Oszillatorschaltungen mit Erfolg angewendet werden. Während
der Kristall in der Pierce-.Schaltung in Parallelresonanz, also hochohmig, schwingt,
wird er z. B. in der Heegner-und in der Meacham-Schaltung in Reihenresonanz, also
niederohmig, verwendet. Deshalb müssen Tief-und Hochpaß bei den Schaltungen mit
Parallelresonanz des Kristalls ebenfalls hochohmig sein, was in manchen Fällen Schwierigkeiten
bereitet. Diese Schwierigkeiten sind bei den Schaltungen mit Reihenresonanz des
Kristalls geringer, so daß es mitunter zweckmäßig ist, hiervon Gebrauch zu machen.
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Wenn die durch Anlegen der Steuerspannung erzielbare Frequenzänderung
zu klein ist, dann kann man den Effekt vergrößern, indem man die Kristallfrequenz
vervielfacht. Wird hierbei die vervielfachte Frequenz zu hoch, dann kann man sie
wieder auf einen kleineren Wert transponieren. Die Frequenzänderung erhöht sich
im Maße der Vervielfachung und bleibt beim Transponieren konstant. Um mit kleinem
Aufwand auszukommen, kann man die Vervielfachung im Oszillator selbst vornehmen,
indem man diesen übersteuert und die gewünschte Harmonische im Oszillator selbst
ausfiltert. Das Transponieren geschieht ebenfalls zweckmäßig mit Hilfe einer Kristallschwingung.
Die erzielbare Frequenzänderung läßt sich vergrößern, indem man den zum Transponieren
verwendeten Kristall durch die gleiche Steuerspannung wie den Oszillatörkristall
mitsteuert. Die Frequenzänderung wird noch größer, wenn man nicht die Grundwelle
des zum Transponieren verwendeten Kristalls, sondern eine Harmonische verwendet.
Da es sich in den meisten Fällen um eine Differenzbildung handelt, muß man hierfür
die Frequenz beider Kristalle in entgegengesetzter Richtung steuern. Bei einer derartigen
Anordnung kann man dann nicht mehr den als Oszillator und den zum Transponieren
verwendeten Kristall voneinander unterscheiden, sondern beide üben die gleiche Funktion
aus.
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Es ist bereits bekannt, bei einem Hu.th-Kühn-Oszillator mit abgestimmtem
Gitter- und Anodenkreis sowohl der Gitter- als auch der Anodenspule je einen spannungsgesteuerten
Kristall zur Abstimmung parallel zu schalten. Dort erhalten beide Kristalle die
gleiche Frequenz, sie schwingen jedoch nicht in ihrer Eigenfrequenz. Dagegen unterscheidet
sich die vorliegende Erfindung dadurch, daß sie zwei Oszillatoren mit je einem Kristall
verwendet, die beide als Schwingkreis benutzt werden und in ihrer Eigenfrequenz
schwingen; beide Kristalle erzeugen verschiedene Frequenzen.
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Eine Schaltung, die die erwähnten Prinzipien mit möglichst wenig Aufwand
verwirklicht, ist in Abb. 2 dargestellt. Die obere Hälfte entspricht der Abb. r.
Im Anodenkreis der Oszillatorröhre 9 befindet sich
noch ein weiterer
Schwingkreis 12, 13, der auf eine Harmonische der Frequenz des Kristalls 4 abgestimmt
ist. Die untere Hälfte der Schaltung entspricht der oberen Hälfte, jedoch wird eine
andere Frequenz erzeugt. Die am Schwingkreis 12, 13 abgenommene Harmonische der
Frequenz des Kristalls 4 wird über die Kondensatoren 14 und 15 dem Modulator 17
zugeführt. Am Schwingkreis 12', 13' wird eine Harmonische der Frequenz des Kristalls
4' abgenommen und über die Kondensatoren 15 und 16 ebenfalls dem Modulator 17 zugeleitet.
An dessen Ausgangsklemmen 18,19 können die durch Mischung entstandenen Frequenzen
entnommen und nach Bedarf gefiltert und weiter verwendet werden. Ein Zahlenbeispiel
sei für die Wirkungsweise der Schaltung angegeben: Soll z. B. eine Frequenz von
5 MHz erzeugt werden, dann kann man den Kristall 4 auf 2o MHz und den Kristall 4'
auf 21 MHz schwingen lassen, den Kreis 12, 13 auf die 5. Harmonische, also ioo MHz,
und den Kreis 12', 13' ebenfalls auf die 5. Harmonische, also 105 MHz, einstellen.
Hinter der Mischstufe 17 wird dann die Differenzfrequenz 105 - loo = 5 MHz
ausgesiebt. Die Kristalle 4 und 4' müssen durch die an 1, 2 angelegte Spannung entgegengesetzt
gesteuert werden; damit erhält man dann insgesamt die iofache absolute Frequenzänderung,
verglichen mit der Grundwelle eines Kristalls allein.