DE959022C

DE959022C - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Untervielfachen einer gegebenen Frequenz

Info

Publication number: DE959022C
Application number: DER8135A
Authority: DE
Inventors: Lowell Ellsworth Norton
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1951-01-22
Filing date: 1952-01-23
Publication date: 1957-02-28
Also published as: NL166858B; US2688701A; NL80271C; FR1054245A; GB718620A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzteiler zur Herstellung einer periodisch verlaufenden Spannung einer zweiten Frequenz aus einer periodisch verlaufenden Spannung einer ersten Frequenz, wobei die zweite Frequenz in einem ganzzahligen Verhältnis zur ersten Frequenz steht und niedriger ist als diese. Die tiefere zweite Frequenz wird dabei im folgenden als ein Untervielfaches der ersten Frequenz bezeichnet.

Genaue derartige Untervielfache von gegebenen Signalfrequenzen sind für Normalzeitanlagen, für photographische und für Fernsehzwecke, für Modulatoren und für andere Anwendungsgebiete anwendbar.

Die bisher verwendeten Frequenzteilereinrichtungen sind nicht nur hinsichtlich ihres Frequenzbereichs nur beschränkt verwendbar und manchmal unstabil, sondern sind auch in unerwünschtem Maße verwickelt sowie mit vielen zugehörigen Anordnungen belastet. Gewöhnliche Frequenzteiler, welche auf dem Prinzip einer Zählung beruhen, haben aus Zeitkonstantengründen eine obere Frequenzgrenze von etwa 20 bis 25 MHz. Rückgekoppelte Frequenzteiler unter Verwendung von Vielgittermodulatoren können nicht bei sehr hohen Frequenzen verwendet werden, da bei derartigen Röhren im allgemeinen hohe innere Kapazitäten zwischen den räumlich sehr nahe benachbarten Röhrenelektroden auftreten. Gute Hochfrequenz-Dreipolröhren, die heute zur Verfügung stehen, arbeiten jedoch bis zu Frequenzen von selbst 5000 MHz noch befriedigend.

Es sind bereits Frequenzteilerschaltungen bekannt, bei welchen in einer Überlagerungsstufe die Differenzfrequenz zwischen der gewünschten zu teilenden Frequenz und einer Harmonischen der gewünschten

Frequenz gebildet wird. Diese bekannten Einrichtungen enthalten jedoch getrennte Röhrenstufen für den Überlagerungsvorgang, für die Verstärkung und für die Erzeugung der Harmonischen der gewünschten Ausgangsfrequenz.

Weiterhin sind Frequenzteilerschaltungen bekannt, die abgestimmte Schwingkreise für die Eingangsfrequenz und die geteilte Ausgangsfrequenz besitzen, wobei der auf die gewünschte, geteilte Frequenz abgestimmte Ausgangskreis über einen Rückkopplungszweig mit dem Eingang verbunden ist und eine Harmonische der Ausgangsfrequenz mit der Eingangsfrequenz zur Überlagerung gebracht wird. Die bekannten Anordnungen verwenden dabei u. a. Rückkopplungsverstärker, Übertrager, Ringmodulatoren und ähnliche Bauelemente. Sie haben außer dem erheblichen Aufwand den Nachteil, daß sie für sehr hohe Frequenzen unbrauchbar sind.

Schließlich sind auch Schaltungen bekannt, die mit einem RC-Phasenschieberoszillator arbeiten. Die Frequenzteilung erfolgt in der Weise, daß die zu teilende Frequenz mit einer bestimmten Oszillator-Harmonischen vereinigt und dadurch die Oszillator-Grundfrequenz auf den genauen Frequenzwert des gewünschten Untervielfachen mitgezogen wird. Da es sich um einen selbsterregten Schwingungsgenerator handelt, ergibt sich der beträchtliche Nachteil, daß auch bei Abwesenheit der synchronisierenden Eingangsfrequenz Ausgangsschwingungen geliefert werden und mithin eine Frequenzteilung vorgetäuscht wird.

Die erfindungsgemäße Frequenzteilerschaltung beruht ebenfalls auf dem Überlagerungsprinzip unter Verwendung einer einzigen Dreipolröhre, die in einem nichtlinearen Kennlinienbereich als Oberwellenerzeuger, Überlagerer und Verstärker für die Ausgangsfrequenz arbeitet. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anode dieser Dreipolröhre und Masse ein auf die Ausgangsfrequenz oder die betreffende Harmonische derselben abgestimmter Serienresonanzkreis eingeschaltet ist, dessen Hochspannung führender Punkt an das Gitter der Dreipalröhre angeschlossen ist.

Da Dreipolröhren für sehr hohe Frequenzen gebaut werden können, eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung in besonderem Maße auch für hohe Frequenzen.

Wenn die Schaltung sich in Betrieb befindet und der Ausgangskreis auf das gewünschte Untervielfache der Eingangsfrequenz abgestimmt ist, wird durch eine geeignete Einstellung der Röhrenvorspannung dafür gesorgt, daß die Ausgangsspannung sehr oberwellenreich wird. Diese Oberwellen werden durch die Rückkopplungsleitung auf die Eingangsseite zurückgekoppelt. Der Eingangskreis kann mit der Rückkopplungsleitung selektiv auf eine Harmonische des Ausgangssignals abgestimmt werden, die bei Überlagerung mit dem gegebenen Signal der zu teilenden Frequenz in der Röhre eine Differenzfrequenz ergibt, welche die gewünschte Ausgangsfrequenz äufrechterhält.

Fig. ι a ist ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer äußeren kapazitiven Rückkopplung und eines abgestimmten Eingangsgitterkreises für eine Frequenzteilung eines gegebenen Signals von 1 MHz und einem Teilerverhältnis von 2.

Fig. ib ist ein schematisches Schaltbild einer Abwandlung des Frequenzteilers nach Fig. la, die sich insbesondere für den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen eignet und lediglich von den inneren Röhrenkapazitäten zur Rückkopplung Gebrauch macht.

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Kathoden-Ankopplung auf der Eingangsseite und eines abgestimmten Gitterkreises.

In allen Figuren sind übereinstimmende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. ι a enthält die Frequenzteilerschaltung eine Hochfrequenz-Dreipolröhre 1 mit dem Steuergitter 3, der Anode 5, und der Kathode 7. Der Signaleingangskreis besteht aus einer Spule 11 und einem Widerstand 13, die in Reihe zueinander zwischen die Steuerelektrode 3 und Erde geschaltet sind. Eine Rückkopplungsleitung zur Zurückführung von Energie aus dem Anodenkreis auf den Signaleingangskreis besteht aus einem Kondensator 9 zwischen Gitter 3 und Anode 5. Der Rückkopplungskondensator 9 liegt in Reihe mit dem Signaleingangskreis. Der Ausgangskreis des Frequenzteilers besteht aus einem zu einer Spule 17 parallel geschalteten Kondensator 15, wobei dieser Resonanzkreis auf die gewünschte Ausgangsfrequenz — abgestimmt ist. Dabei ist ω die Frequenz

des zugeführten gegebenen Signals und α eine ganze Zahl, welche das Teilungsverhältnis bedeutet. Die Kathodenvorspannung wird durch die Parallelschaltung eines Widerstandes 19 mit einem Kondensator 21 geliefert.

Für eine Frequenzteilung im Verhältnis 2:1 kann die Röhre so vorgespannt werden, daß sie auf einem gekrümmten Teil der Gitter-Anoden-Kennlinie arbeitet.

Der Anodenkreis wird auf die Frequenz — abgestimmt

und wird bei der Inbetriebnahme durch einen Einschaltvorgang angestoßen. Eine Energie von der

Frequenz — wird mittels des Kondensators 9 aus dem

Anodenkreis auf den Eingangskreis zurückgekoppelt, der mit seiner Spule 11 und seinem Widerstand 13 mit der Rückkopplungsleitung in Reihe geschaltet ist. Die Reihenschaltung des Kondensators 9 und der Spule 11 wird auf die gewünschte Differenzfrequenz — = —- abgestimmt. Die rückgekoppelte

Energie von der Frequenz — wird in der Dreipolröhre ι mit der gegebenen Signalfrequenz ω gemischt, so daß sich die Summen- und die Differenzfrequenz

ω + —1 und I ω — — 1 ergibt. Die Summenfrequenz „ ¹ 2) \ 2) ° ^

wird nicht verwendet und kann daher außer Betracht bleiben. Die Differenzfrequenz — verstärkt und

unterstützt die gewünschte Ausgangsfrequenz ~. Für eine Eingangsfrequenz von 1 MHz und eine

Frequenzteilung durch 2 sind die Größen der Schaltelemente in Fig. ι a und 2 angegeben.

Der Kondensator g im Rückkopplungszweig und die Spule ii im Signaleingangskreis sind in ihrer Größe nicht kritisch, solange ihre Blindwiderstände solche Werte haben, daß ein großer Teil der Rückkopplungsspannung am Gitterkreis der Röhre ι auftritt. Der Widerstand 13 des Signaleingangskreises ist so klein, daß der Q-Wert des Kreises hoch genug ist, um zur Selektivität beizutragen und groß genug, um die Schaltung am Selbstschwingen zu verhindern, so daß bei Abschaltung der Eingangsspannung keine falsche Ausgangsfrequenz erzeugt werden kann.

Der Rückkopplungskondensator 9 und die Eingangsspule 11 brauchen nicht auf Resonanz abgestimmt zu sein. Die gewünschte Ausgangsspannung der Röhre 1 wird durch die Größe der Rückkopplungsspannung gegeben, und der Gesamtleitwert der Teilerschaltung ist bei der gewählten Differenzfrequenz (ω — —] ebenfalls durch die Größe der Rückkopplungsspannung bestimmt. Wenn der Kondensator 9 und die Spule 11 auf Reihenresonanz für die Rückkopplungsfrequenz abgestimmt sind, ist die Gitterkathodenspannung weitgehend durch den Q-Wert der Reihenschaltung des Kondensators 9 mit der Spule 11 und dem Widerstand 13 bestimmt. Man kann dann eine hohe Ausgangsspannung bei der

Frequenz — mit einem mäßigen Gesamtleitwert der

Teilerschaltung bei der Differenzfrequenz ία> -

erzielen.

Bei hohen Frequenzen von 50 MHz oder höher kann es vorteilhaft sein, die konzentrierten Schaltelemente der Schaltung durch geeignete Längen von Übertragungsleitungen zu ersetzen.

Es sind auch größere Frequenzteilerverhältnisse

als 2 erzielbar. Wenn die Ausgangsspannung — betragen soll, werden der vorzugsweise auf Reihenresonanz abzustimmende Rückkopplungszweig und

der Signaleingangskreis auf eine Harmonische

der Ausgangssignalfrequenz abgestimmt, wobei η eine ganze Zahl und — die gewünschte Ausgangs-

Cl

frequenz ist. Die Frequenz

überlagert sich mit

der gegebenen Signalfrequenz ω und hält die Ausgangsfrequenz — aufrecht. Wenn das untere Seitenband benutzt wird, so gilt

ω ω

ω — η — = —
α α

ft»

{η + τ)

Zur Erreichung einer Frequenzteilung durch 6 muß beispielsweise der Ausgangskreis auf — abgestimmt

werden. Die ganze Zahl 11 beträgt dann 5. Die Reihenschaltung des Rückkopplungszweiges und des Eingangskreises werden auf die fünfte Harmonische ^- der Ausgangsfrequenz — abgestimmt und mit der zugeführten Signalfrequenz ω in der Röhre ι überlagert, so daß sich eine Differenzfrequenz (ω — ~-\ = -^- ergibt und die gewünschte Ausgangsspannung aufrechterhalten wird. Eine entsprechende Gleichung

/(O \ (O ■, (O (O ·ι, r·· 1· Hi

In 0 = — oder — = gilt fur die Ab-

\ α ja α (η—ι) ^σ

Stimmung der Serienschaltung des Rückkopplungskreises und des Eingangskreises auf eine Frequenz ober- halb der zugeführten Signalfrequenz ω. Für eine Frequenzteilung durch 6 kann die Reihenschaltung auf der Eingangsseite auf eine Signalfrequenz von -^- abgestimmt werden, die sich mit dem Eingangssignal der Frequenz ω überlagert und eine Differenzfrequenz von

— wie oben ergibt. Es ist jedoch vorzuziehen, den

Eingangskreis auf eine tiefere als die Eingangsfrequenz abzustimmen, um eine Gegenkopplung hinsichtlich der Phase und der Frequenzmodulation des Ausgangs zu erzielen, da sich dann ein stabilerer Betrieb ergibt.

Wenn die Zahl η hoch wird, muß ein sehr hoher Q-Wert gewählt werden, um selektiv Schwingungen von beispielsweise der achten, der neunten, der zehnten oder einer höheren Harmonischen zu erreichen. Unter allen hier besprochenen Verhältnissen werden die Röhren- und Schaltkapazitäten bei der Bestimmung des Frequenzteilerverhältnisses berücksichtigt.

Das Haupterfordernis für die Erreichung hoher Frequenzteilerverhältnisse besteht darin, daß die Röhre die nötigen Harmonischen des Äusgangssignals mit ausreichender Amplitude ergibt, um eine Rückkopplung auf den Eingangskreis und die Aufrechterhaltung der Schwingungen auf der Ausgangsseite zu ermöglichen. Durch eine geeignete Einstellung der Vorspannung der Röhre 1 wird der Arbeitspunkt auf eine Stelle der Gitter-Anoden-Kennlinie von stärkerer Krümmung verschoben, so daß eine starke Oberwellenerzeugung der gewünschten Ausgangsfrequenz

— stattfindet. Eine an Oberwellen reiche Ausgangsspannung der Frequenz — läßt sich auch dadurch

erreichen, daß man die Schaltelemente für die Reihenschaltung des Rückkopplungszweiges und des Eingangskreises so wählt, daß der Q-Wert dieser Reihenschaltung steigt. Bei dieser Erhöhung des Q-Wertes wird der Arbeitspunkt stärker verschoben, so daß die Röhre 1 in einem stark nicht linearen Bereich der Gitter-Kathoden-Kennlinie arbeitet und daher Oberwellen erzeugt.

Die Fig. ib veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform für die Benutzung bei sehr hohen Frequenzen, bei der die Elektrodenkapazität 10, d. h. die Gitter-Anoden-Kapazität die Rolle des Kondensators 9 in Fig. ι a übernimmt. Durch diese Gitter-Anoden-Kapazität wird dann Energie aus dem Ausgangskreis in den Eingangskreis übertragen, und die Gitter-Anoden-Kapazität ist also dann ein Teil der vorzugsweise auf Serienresonanz abzustimmenden

Eingangsschaltung. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. ib ist im übrigen die gleiche wie die der Schaltung nach Fig. la.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, arbeitet mit der Erzeugung der gegebenen Eingangsfrequenz ω an einer Spule 23 und einem parallel dazu liegenden Kondensator 25 in der Kathodenzuleitung der Hochfrequenzröhre 1, wobei die Spule 23 und der Kondensator 25 auf die gegebene Signalfrequenz ω abgestimmt sind. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist die gleiche wie die in Fig. 1 a und ib. Energie von der gewünschten Ausgangsfrequenz — wird vom Ausgangskreis auf den Eingangs-

kreis zurückgekoppelt, der auf eine bestimmte Harmonische η — der gewünschten Ausgangsfrequenz

— abgestimmt ist. Diese harmonische Signalfrequenz

η — überlagert sich mit der zugeführten Signalfrequenz ω und bildet eine Differenzfrequenz, welche mittels des Rückkopplungskondensators 9 die Ausgangsfrequenz — aufrechterhält.

Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Frequenzteiler, der bei hohen Frequenzen arbeiten kann. Der erfindungsgemäße Teiler kann sehr stark verschiedenen gewünschten Teilungsverhältnissen angepaßt werden. Man kann, wenn man eine höhere Ausgangsleistung zu erreichen wünscht, auch mehrere Verstärkerröhren parallel schalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Schaltungsanordnung für Frequenzteiler, insbesondere für sehr hohe Frequenzen zur Erzeugung einer ein gewünschtes Untervielfache einer gegebenen Eingangsfrequenz darstellenden Ausgangsfrequenz, wobei ein Rückkopplungszweig zur Übertragung der Ausgangsfrequenz oder einer Harmonischen derselben auf den Eingang der Frequenzteilerschaltung vorgesehen ist und die rückgekoppelte Frequenz mit der Eingangsfrequenz überlagert wird, derart, daß eine Modulationsfrequenz gebildet wird, welche die in dem auf das gewünschte Untervielfache der Eingangsfrequenz abgestimmten Ausgangskreis auftretende Ausgangsfrequenz mitzieht, und zwar auf den genauen Frequenzwert des gewünschten Untervielfachen, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler in für die Teilung niedriger Frequenzen an sich bekannter Weise nur eine einzige Dreipolröhre enthält, die in einem nichtlinearen Kennlinienbereich als Oberwellenerzeuger, Überlagerer und Verstärker für die Ausgangsfrequenz arbeitet, daß aber zwischen die Anode dieser Dreipolröhre und Masse ein auf die Ausgangsfrequenz oder die betreffende Harmonische derselben abgestimmter Serienresonanzkreis, dessen Hochspannung führender Punkt an das Gitter der Dreipolröhre angeschlossen ist, eingeschaltet ist.
2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Serienresonanzkreis die Kapazität an die Anode und die Induktivität an Masse angeschlossen ist.
3. Frequenzteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienresonanzkreis über einen ein Selbstschwingen des Frequenzteilers bei Abwesenheit der zu teilenden Eingangsfrequenz verhindernden Widerstand an Masse geführt ist.
4. Frequenzteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsfrequenz an den genannten Widerstand gelegt wird.
5. Frequenzteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Serienresonanzkreises durch die Anoden-Gitterkapazität der Röhre gebildet wird.
6. Frequenzteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, gekennzeichnet durch einen zwischen die Kathode der Röhre und Masse eingeschalteten, auf die Eingangsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis, an den die Eingangsfrequenz gelegt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 812561, 864274; französische Patentschriften Nr. 925 114, 926 571; »Electronics«, Juni 1950, S. in bis 113;

»Zeitschrift für technische Physik«, 1938, S. 460 bis 465;

»TFT«, 1938, Heft 5, S. 185 bis 191; »ENT«, 1943, Heft 2, S. 29 bis 38;

Dissertation von H. Schlicke »Über die Synchronisierung selbsterregter Röhrensender«, Techn. Hochschule Dresden, 1938;

»Vorläufige Beschreibung des Zwölfbandsystems 41« Heft i, Anlage 9, Abb. 2, herausgegeben vom Reichspostzentralamt, August 1943;

»FTZ«, 1948, Heft 5, S. 113 bis 119.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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