DE977600C - Mitnahmeoszillator fuer den Empfang frequenzmodulierter Wellen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 22. JUNI 1967

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Es sind Empfangsschaltungen für frequenzmodulierte Wellen mit Mitnahmeoszillator bekannt, bei denen der Oszillator auf der Synchronisationsfrequenz selbst schwingt und zugleich zur Phasendemodulation dient (z.B. Bradley-Oszillator).

Andere bekannte Schaltungen erreichen demgegenüber eine bessere Selektion und Amplitudenbegrenzung, indem der Oszillator auf einer Subharmonischen der Synchronisationsfrequenz schwingt und zur Demodulation ein besonderer FM-Demodulator benutzt wird (z. B. Locked-in-Oszillator).

Die Synchronisation erfolgt hierbei in der Weise, daß bestimmte Oberwellen des Oszillatorstromes mit dem synchronisierenden Signal zur Mischung gelangen und daß der Interferenzstromanteil, dessen Frequenz mit der freien Oszillatorfrequenz annähernd übereinstimmt, den Oszillatorkreis durchfließt und je nach seiner Phasendifferenz gegenüber dem Oszillatorstrom eine elektronische Nachstimmung des Oszillators im Sinne der Synchronisation bewirkt.

Die Mischung der Oberwellen der Oszillatorfrequenz und der Synchronisationsfrequenz kann bekanntlich sowohl multiplikativ als auch additiv vorgenommen werden.

Bei der multiplikativen Mischung wird die Synchronisationsspannung nicht dem Oszillatorgitter, sondern einem zweiten Steuergitter der als Oszillator benutzten Mehrgitterröhre zugeführt. Dem Vorteil, daß das Oszillatorsteuergitter und das Synchronisationssteuergitter rückwirkungsarm voneinander getrennt sind, steht der Nachteil einer geringen Mitnahmeempfindlichkeit gegenüber. Ferner wird die an sich gute Amplitudenbegrenzung der multiplikativen Anordnung mit dem weiteren erheblichen Nachteil eines kleinen Mitnahmebereichs erkauft. Dieser muß durch entsprechende Maßnahmen, wie z. B. verstimmte, mit dem Oszillatorkreis gekoppelte Hilfsschwingungskreise auf den erfor-

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derlichen Wert erhöht werden, der durch den maximalen Frequenzhub und die Abstimmungstoleranzen gegeben ist. Die Abstimmung und die Stabilitä der Hilfsschwingungskreise führt in der Serienfertigung zu großen Schwierigkeiten.

Mit additiver Mischung werden die zuvor angeführten Nachteile zum Teil vermieden, aber dafür ergeben sich zunächst andere entscheidende Nachteile. Bei kleiner Oszillatoramplitude ist zwar die ίο Mitnahmeempfindlichkeit gut und der Mitnahmebereich groß, jedoch wird normalerweise die Amplitudenbegrenzung schlecht. Die als Abhilfe empfohlene Maßnahme, eine hohe Oszillatoramplitude zu wählen, ergibt wiederum eine schlechte Mitnahmeempfindlichkeit und einen kleineren Mitnahmebereich.

Eine weitere naheliegende Maßnahme zur Erzielung einer auch bei der Anwendung der additiven Mischung guten Amplitudenbegrenzung trotz kleiao ner Oszillatoramplitude wäre die Verschaltung einer entsprechend bemessenen Vorbegrenzerstufe vor dem Mitnahmeoszillator. Wenn die am Eingang des Mitnahmeoszillators zulässige Signalamplitude sehr klein ist, ergibt sich aber für die Vorbegrenzerstufe zwangläufig eine solche Dimensionierung, daß diese Stufe nicht nur keine Verstärkung, sondern sogar eine Schwächung des Signals bei kleiner Signalamplitude bewirkt. Während dieser Nachteil durch einen Mehraufwand an Verstärkung ausgeglichen werden kann, hat eine derart wirksam bemessene Vorbegrenzerstufe einen weiteren entscheidenden Nachteil, der die Nachbarkanalselektion des Mitnahmeoszillators betrifft.

Die grundsätzliche Überlegenheit eines Mitnahmeoszillators nach Art des Locked-in-Oszillators liegt bekanntlich darin, daß eine am Eingang des Mitnahmeoszillators liegende Störsignalspannung, sofern sie nur wenig außerhalb des Mitnahmebereichs liegt, auch dann nicht empfangen wird, wenn sie sehr viel größer ist als eine innerhalb des Mitnahmebereichs liegende Nutzsignalspannung. Die Selektion des Mitnahmeoszillator kann dabei durch diesen Effekt Werte erreichen, die mit normalen Mitteln wie Selektionskreisen nicht erzielbar sind. Je niedriger nun die Einsatzschwelle des Vorbegrenzers liegt, um so kleiner sind die Werte der Störsignalspannung, die zur Aussteuerung des Begrenzers genügen und die zwangläufig zu einer Unterdrückung des schwächeren Nutzsignals führen, ehe dieses den Mitnahmeoszillator erreicht.

Berücksichtigt man, daß die Signalspannungswerte in einem Intervall von 1 :1 000 000 schwanken können, so ist einleuchtend, daß die verschiedenen, an den Mitnahmeoszillator bzw. die Empfangsanordnung zu stellenden Forderungen ·— hohe Selektion, gute Mitnahmeempfindlichkeit, großer Mitnahmebereich und gute Amplitudenbegrenzung — nicht ohne weiteres gleichzeitig optimal erfüllt werden können. Dies gilt sowohl für Schaltungen mit multiplikativer als auch für solche mit additiver Mischung, obgleich die letztere jedoch wegen des leichter erreichbaren großen Mitnahmebereichs immerhin als günstiger zu bezeichnen ist. In diesen Schwierigkeiten ist der Grund zu suchen, daß Empfangsschaltungen für frequenzmodulierte Wellen mit Mitnahmeoszillator bisher nicht serienmäßig angewandt wurden. Der normalerweise erforderliche Mehraufwand gegenüber anderen FM-Empfangsschaltungen an Röhren und Schaltmitteln dürfte nur dann in Kauf zu nehmen sein, wenn auch die möglichen Vorteile eines Mitnahmeoszillators gleichzeitig weitgehend erfüllt werden können.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei einem Mitnahmeoszillator für frequenzmodulierte Wellen, der nicht als Demodulator dient, sondern einem eigentlichen Demodulator vorgeschaltet ist und der von einem Hochfrequenzsignal, dessen Frequenz' ein Vielfaches der Oszillatorfrequenz beträgt, dergestalt mitgenommen wird, daß der durch additive Mischung des Signalstromes mit bestimmten Oberwellen des Oszillatorstromes gebildete Interferenzstrom, dessen Frequenz derjenigen des Oszillators gleich oder annähernd gleich ist, den Oszillatorkreis durchfließt und in Abhängigkeit von seiner Phasendifferenz gegenüber dem Oszillatorstrom eine elektronische Nachstimmung der Oszillatorfrequenz auf den gewünschten Wert bewirkt, die angeführten Nachteile und Schwierigkeiten der bekannten Schaltungen zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird der überraschende Vorteil einer hohen Mitnahmeempfindlichkeit eines großen Mitnahmebereichs und einer zugleich guten Amplitudenbegrenzung bei optimalen Selektionsverhältnis.sen dadurch erreicht, daß der Oszillator so· bemessen ist, daß er im überspannten Zustand arbeitet.

Zur Erläuterung der im Fall der erfindungsgemäßen Anordnung sehr komplizierten Zusammenhänge und des Lösungsgedankens sei folgendes ausgeführt.

Es ist so, daß zur Synchronisation eines Oszillators, der auf einer Subharmonischen der synchronisierenden Frequenz schwingt, eine ausreichende Amplitude bestimmter Oberwellen der i°5 Gitterwechselspannung gegeben sein muß. Diese Oberwellen können bekanntlich durch Gittergleichrichtung gebildet werden, und der Oberwellenanteil der Gitterwechselspannung wird um so stärker, je wirkungsvoller die Gleichrichter-Strecke arbeitet, no Das ist z. B. der Fall, wenn die Gitterwechselspannung groß ist, d. h. unter Umständen auch bei Anwendung einer starken Rückkopplung. Dabei wirkt also die starke Oberwellenbildung günstig in bezug auf die Mitnahmeempfindlichkeit, da der zur Synchronisation benötigte, durch Mischung gebildete Interferenzstrom zunimmt. Die Zunahme der itterwechselspannung selbst wirkt jedoch ungünstig in bezug auf die Mitnahmeempfindlichkeit, so daß der Vorteil der stärkeren Oberwellenbildung nicht oder nur zum Teil zur Auswirkung kommen kann.

Im Fall der Synchronisation einer Subharmonischen wird also die Mitnahmeempfindlichkeit um so besser, je höher der Anteil der gebildeten nützichen Oberwellen an der Gitterwechselspannung ist

und je kleiner in bezug auf eine gegebene Synchronisierspannung die Gitterwechselspannung selbst ist. Es bleibt nun zu untersuchen, in welcher Weise die wirksame Rückkopplung diesbezüglich von Einnuß ist.

Das Problem der Selbsterregung wird in der einschlägigen Literatur erschöpfend behandelt. Nach H. Barkhausen, Elektronenröhren, Bd. III, §2, ist das Produkt von »Rückkopplungsfaktor« und ίο »Verstärkungsfaktor« für den Grad der Selbsterregung bestimmend. Für eine transformatorisch fest gekoppelte Oszillatorschaltung, wie sie in dem Gegenstand der Erfindung zur Anwendung kommt, wird der Rückkopplungsfaktor durch das Windungsverhältnis von Gitter- und Anodenwicklung festgelegt.

Der Verstärkungsfaktor ist dagegen durch die Daten der Röhre und durch die Impedanz des Anodenschwingungskreises gegeben. Der Verstärkungsfaktor ist um so größer, je höher der Kreiswiderstand ist. Dieser nimmt wiederum zu, wenn bei gegebener Kreisgüte das sogenannte LC-Verhältnis erhöht wird, d. h., wenn bei gegebener Frequenz die Windungszahl der Anodenwicklung und damit deren Induktivität erhöht wird.

Zum besseren Verständnis seien nun im folgenden zwei mögliche Variationen des Produktes von Rückkopplungs- und Verstärkungsfaktor diskutiert, und zwar wenn erstens der Rückkopplungsfaktor und wenn zweitens der Verstärkungsfaktor erhöht wird.

Wird mit Bezug auf die erfindungsgemäße Anordnung zunächst die Windungszahl der Gitterwicklung vergrößert, so steigt der Rückkopplungsfaktor an. Das hat ein Ansteigen der Gitterwechselspannung zur Folge, bis durch die zunehmende Gitterstrombegrenzung erneut ein stabiler Zustand eintritt. Infolge dieser Begrenzung nimmt die Gitterwechselspannung nicht in gleichem Maße zu wie der Rückkopplungsfaktor. Wegen der transformatorischen Kopplung zwischen Gitter und Anodenwicklung nimmt damit zwangläufig die Amplitude der Anodenwechselspannung und die Anodenspannungsaussteuerung ab. Im Zeitpunkt der positiven Gitterspannung wird damit die Anodenspannung höher bleiben. Dadurch nimmt aber die Wirksamkeit der Gitterstrombegrenzung wieder ab, so daß die Gitterwechselspannung um einen größeren Betrag zunimmt, als es ohne die Rückwirkung der verminderten Anodenwechselspannung geschehen würde.

Diese Variation der Betriebsbedingungen des Oszillators in Richtung auf einen »unterspannten Zustand« bewirkt im Sinne der Erfindung keine Verbesserung der Mitnahmeempfindlichkeit.

Ganz anders liegen die Verhältnisse, wenn die Windungszahl der Anodenwicklung erhöht wird. Damit steigt der Verstärkungsfaktor an, während der Rückkopplungsfaktor abnimmt. Das Produkt beider Faktoren und damit die wirksame Rückkopplung wird hierbei wiederum zunehmen, da der Verstärkungsfaktor stärker ansteigt, als der Rückkopplungsfaktor abnimmt. Gleichfalls steigt die Anodenwechselspannung an, so daß die Anodenspannung, die im Augenblick der positiven Gitterspannung vorhanden ist, geringer wird. Wird nun die Anodenspannung im Augenblick der positiven Gitterspannung niedriger als die positive Gitterspannung selbst, so wird der sogenannte »überspannte Zustand« erreicht. Der Begriff des »überspannten Zustandes« ist in der einschlägigen Literatur klar definiert (siehe z. B. H. Barkhausen, Elektronenröhren, § 6, S. 32).

Mit Bezug auf den Erfindungsgegenstand ist es nun von entscheidender Bedeutung, diese Einstellung für den Mitnahmeoszillator zu wählen. Allein die Anwendung des überspannten Schwingzustandes ermöglicht es, in Verbindung mit der in diesem Fall überaus günstigen additiven Mischung, die Vorteile einer hohen Mitnahmeempfindlichkeit eines großen Mitnahmebereichs und einer guten Amplitudenbegrenzung bei optimaler Selektion gleichzeitig zu erzielen.

Durch die nicht übliche, erfindungsgemäße Einstellung des Oszillators auf den überspannten Zustand wird erreicht, daß bei einer vorgegebenen benötigten Anodenwechselspannung mit einer möglichst kleinen Gitterwechselspannung eine optimale Gitterstrombegrenzung eintritt. Die dadurch sehr starke Oberwellenbildung bewirkt mit der gleichzeitig kleinen Gitterwechselspannung die hohe Mitnahmeempfindlichkeit. Da die Impedanz im Anodenkreis zur Erzielung des überspannten Zustandes hoch gewählt wurde, wird gleichzeitig auch der Mitnahmebereich groß, weil bei der hohen Impedanz ein geringer Interferenzstrom ausreicht, um die Synchronisation durch die blinde Komponente aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig ist aber die Amplitudenbegrenzung ebenfalls gut, weil die Amplitude der Anodenwechselspannung infolge des überspannten Zustandes praktisch durch die Anodenbetriebsspannung festgelegt wird und weil trotz des kleinen Rückkopplungsfaktors das wirksame Produkt von Rückkopplungs- und Verstärkungsfaktor doch so groß ist, daß eine Änderung des Potentials am Steuergitter in einem relativ großen Variationsbereich möglich ist, ohne den überspannten Zustand zu verlassen.

Da durch die erfindungsgemäße Bemessung des Oszillators einerseits nur eine sehr kleine Syn- no chronisierspannung erforderlich, andererseits aber auch eine relativ sehr hohe Synchronisierspannung zulässig ist, werden auch optimale Werte bezüglich der Nachbarkanalselektion erreicht. Diese wird wesentlich durch das Verhältnis der maximal zulässigen zur mindestens notwendigen Synchronisier-Signal-Spannung bestimmt. Da dieses Verhältnis nach dem Erfindungsgedanken auf ein Optimum gesteigert wird, ist in einem großen Signalspannungsintervall eine Vorbegrenzung überflüssig, die bei Vorhandensein eines starken Nachbarsignals die Unterdrückung schwacher Nutzsignale und damit ine Selektionsverminderung zur Folge haben würde.

Eine besonders günstige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine einzige Triode als

Oszillator und Mischer verwendet wird, deren Kathode für Wechselspannung an Masse liegt, an deren Steuergitter das Hochfrequenzsignal in Reihe mit der rückgekoppelten Oszillatorspannung eingespeist wird und von deren Anode die mitgenommene Oszillatorfrequenz über einen Koppelkondensator abgenommen und zwecks Demodulation zu einem Diskriminator geleitet wird. Bei Verwendung einer Triode als Oszillator kann die Einstellung des

ίο überspannten Schwingzustandes leicht realisiert werden. Außerdem ist der Aufwand an Schaltmitteln gering. Durch die Nachschaltung eines besonderen Demodulators über einen für Hochfrequenz bemessenen Koppelkondensator wird verhindert, daß die bei der additiven Mischung von Amplitudenschwankungen des Synchronisiersignals verursachten niederfrequenten Schwankungen des mittleren Anodenstromes der Oszillatorröhre in den Niederfrequenzverstärker gelangen können.

Um bei sehr hohen Signalspannungswerten, die bei der gegebenen Vorverstärkung des Empfängers schließlich doch eine Übersteuerung des Mitnahmeoszillators bewirken wurden, eine einwandfreie Arbeitsweise sicherzustellen, ist es gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorteilhaft, daß vor den Mitnahmeoszillator eine solche Begrenzer- oder Regeleinrichtung geschaltet wird, die nur das Auftreten von Signalspannungswerten, welche einen höchstzulässigen, durch die Höhe der Oszillatoramplitude gegebenen Wert übersteigen, verhindert, während sie bei kleinen Signalspannungswerten nicht in Funktion tritt. Im Gegensatz zu der üblicherweise zweckmäßigen Einstellung einer Begrenzerstufe ist hier also die Einsatzschwelle des Vorbegrenzers so hoch zu wählen, wie es die Aussteuerungsgrenze des Mitnahmeoszillators gerade noch erlaubt. Dadurch ergibt sich als zusätzlicher Vorteil ein Verstärkungsgewinn in der Vorbegrenzerstufe.

Zur Übersicht zeigt Abb. 1 das Blockschaltbild eines Mitnahmeoszillators mit separatem Demodulator und beispielsweise angenommenen Frequenzen von Synchronisiersignal und Oszillator.

Abb. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel eines mit einer einzigen Triode bestückten Mitnahmeoszillators, bei dem die Rückkopplung am Oszillatorkreis II sowie die Betriebsspannung erfindungsgemäß eingestellt werden und der nachgeschaltete Demodulator über einen Kondensator gespeist wird.

Abb. 3 zeigt schematisch eine Weiterbildung der Erfindung in Form einer vorgeschalteten Begrenzerstufe BIR vor dem Mitnahmeoszillator MO.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Mitnahmeoszillator für den Empfang frequenzmodulierter Wellen, dem ein Demodulator nachgeschaltet ist und der von einem Hochfrequenzsignal, dessen Frequenz ein Vielfaches der Oszillatorfrequenz beträgt, dergestalt mitgenommen wird, daß der durch additive Mischung des Signalstromes mit bestimmten Oberwellen des Oszillatorstromes gebildete Interferenzstrom, dessen Frequenz derjenigen des Oszillators gleich oder annähernd gleich ist, den Oszillatorkreis durchfließt und in Abhängigkeit von seiner Phasendifferenz gegenüber dem Oszillatorstrom eine elektronische Nachstimmung der Oszillatorfrequenz bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator so bemessen ist, daß er im überspannten Zustand arbeitet.
2. 2. Mitnahmeoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Triode als Oszillator und Mischer verwendet wird, deren Kathode für Wechselspannung an Masse liegt, an deren Steuergitter das Hochfrequenzsignal in Reihe mit der rückgekoppelten. Oszillatorspannung eingespeist wird und von deren Anode die mitgenommene Oszillatorfrequenz über einen Koppelkondensator abgenommen und zwecks Demodulation zu einem Diskriminator geleitet wird.
3. 3. Mitnahmeoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Mitnahmeoszillator eine Begrenzer- oder Regeleinrichtung geschaltet ist, die nur das Auftreten von Signalspannungswerten, welche einen höchstzulässigen, durch die Höhe der Oszillatoramplitude gegebenen Wert übersteigen, verhindert, während sie bei kleinen Signalspannungswerten nicht in Funktion tritt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 546840, 580440; _g5 britische Patentschrift Nr. 562993; »Funktechnik«, August 1952, S. 404;

   Pitsch, »Lehrbuch der Funkempfangstechnik«, 1948, S. 303 und 398;

   Barkhausen, »Elektronenröhren«, Bd. III, 1944, S. 32;

   Rothe—Kleen, »Elektronenröhren als End- und Senderverstärker«, Bd. IV, S. 92 bis 93;

   »Proc. IRE«, 1937, S. 614; und Dezember 1944, S. 730 und 731;

   »Electronics«, März 1951, S. 120 bis 125; und August 1944, S. 108 und in;

   Henney, »Radio Engineering Handbook«, 1950·, S. 520;

   »Electronics Manual for Radio Engineers«, 1949, no S. 598 bis 603.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 864 274.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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