DEP0028873DA

DEP0028873DA - Non-linear reactance circles with ceramic material of high dielectric constant

Info

Publication number: DEP0028873DA
Authority: DE
Inventors: Arthur Mansfield Curtis
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Publication date: 1950-09-07

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf spannungsabhängige Kapazitäten und Kreise, die solche Kapazitäten benutzen.This invention relates to voltage dependent capacitances and circuits using such capacitances.

Ein Gegenstand dieser Erfindung ist, kompakte, stabile, nicht lineare Kapazitäten zu schaffen, und das Arbeiten von Frequenz-, Amplitude- und Phasenmodulatoren zu verbessern, die von spannungsabhängigen Kapazitäten Gebrauch machen.An object of this invention is to provide compact, stable, non-linear capacitances and to improve the operation of frequency, amplitude and phase modulators which make use of voltage dependent capacitances.

Grundzüge der Erfindung sind: die Schaffung einer Vorspannung durch ein elektrisches Feld und eine Gleichstrom-Vorspannung von wechselnder Polarität für Titankondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante und deren Gebrauch als Reaktanzen von hoher Dielektrizitätskonstante im Besitzt von einer nicht linearen Spannungs-Ladungscharakteristik in automatisch gesteuerten Oszillator- und Resonanzkreisen.The main features of the invention are: the creation of a bias voltage by an electric field and a direct current bias voltage of alternating polarity for titanium capacitors with high dielectric constant and their use as reactances of high dielectric constant having a non-linear voltage-charge characteristic in automatically controlled oscillator and resonance circuits .

Die vorliegende Erfindung gebraucht keramische Stoffe von hoher und veränderlicher Dielektrizitätskonstante, bemerkenswerterweise Bariumtitanate und ähnliche, welche in Einklang mit der Erfindung als im Besitz optimaler Eigenschaften in der Anpassung an diese Ziele gefunden wurden.The present invention makes use of high and variable dielectric constant ceramics, notably barium titanates and the like, which have been found in accordance with the invention to have optimal properties in conforming to these goals.

Keramische Stoffe können in der Hauptsache als organische Oxyde oder deren Mischungen definiert werden, die auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 400 Grad Celsius oder mehr, erhitzt werden, wodurch eine harte, dauerhafte Substanz (Keramik) gebildet wird, welche in ihrer Natur kristallin oder amorph sein kann. Beispiele dafür sind Glas, Porzellan, Magnesiumsilikate und die Titanate.Ceramic substances can mainly be defined as organic oxides or their mixtures that are heated to a high temperature, for example 400 degrees Celsius or more, heated, forming a hard, permanent substance (ceramic) which can be crystalline or amorphous in nature. Examples are glass, porcelain, magnesium silicates and the titanates.

Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und geringem Verlust, effektiv über einen großen Frequenzbereich und anwendbar bei gewöhnlichen Temperaturen, sind sehr wünschenswert im Bereich der Anwendungen. Rutil, eine natürlich vorkommende Form von Titandioxyd, und auch das chemisch gebildete Titandioxyd, sind in ihrer Art wohl bekannt und sind gekennzeichnet durch einen geringen Verlust und eine Dielektrizitätskonstante von annähernd 100.High dielectric constant, low loss materials, effective over a wide range of frequencies and applicable at ordinary temperatures, are very desirable in the field of applications. Rutile, a naturally occurring form of titanium dioxide, and also the chemically formed titanium dioxide, are well known of their kind and are characterized by a low loss and a dielectric constant of approximately 100.

In dem höchsten bekannten Bereich der Dielektrizitätskonstanten, nämlich 1000 bis 10.000, sind die einzig bekannten Substanzen augenscheinlich Beignette-Salz von der gewöhnlichen und der Schwerwasser-Type, und eine keramische Substanz, nämlich Bariumtitanat oder dessen Mischung mit Stromtiumntitanat.In the highest known range of dielectric constants, namely 1000 to 10,000, the only known substances are apparently Beignette salt of the common and heavy water types, and a ceramic substance, namely barium titanate or its mixture with stromtium titanate.

Titanate der Metalle der 2. periodischen Gruppe können in 3 Hauptklassen eingeteilt werden gemäß der Größe ihrer Dielektrizitätskonstante. Die erste Klasse, gekennzeichnet durch <Nicht lesbar> kleiner 100 umfaßt die Titanate von Magnesium (<Nicht lesbar> = 17), Zink (<Nicht lesbar> = 30), Cadmium (<Nicht lesbar> = 62), Beryllium (<Nicht lesbar> = 70). Die 2. Klasse mit einem <Nicht lesbar> zwischen 100 und 1000 schließt die Titanate von Calcium (<Nicht lesbar> = 115) und Strontium (<Nicht lesbar> = 155) ein. Die 3. Klasse mit <Nicht lesbar> > 1000 schließt Bariumtitanat und seine Mischung mit Strontiumtitanat ein. Die Werte der Dielektrizitätskonstanten, in Klammern stehend, gelten für Raumtemperaturen und eine Frequenz von etwa MHz. Die Dielektrizitätskonstante für jede der Klassen wächst hauptsächlich mit wachender elektrischer Polarisation des Metallions an. Für Titanate, wie Barium, Calcium und Strontium, welche Kristallgitter der Perovakit-Type bilden, wächst die Dielektrizitätskonstante mit dem Abstand zwischen den Zentren des Sauerstoffs und des Titanium-Ions an und erreicht besonders hohe Werte bei Bariumtitanat.Titanates of the metals of the 2nd periodic group can be divided into 3 main classes according to the size of their dielectric constant. The first class, characterized by <illegible> less than 100, includes the titanates of magnesium (<illegible> = 17), zinc (<illegible> = 30), cadmium (<illegible> = 62), beryllium (<not readable> = 70). The 2nd class with a <Illegible> between 100 and 1000 includes the titanates of calcium (<Illegible> = 115) and strontium (<Illegible> = 155). The 3rd grade with <Illegible>> 1000 includes barium titanate and its mixture with strontium titanate. The values of the dielectric constants in brackets apply to room temperatures and a frequency of about MHz. The dielectric constant for each of the classes increases mainly as the electrical polarization of the metal ion increases. For titanates such as barium, calcium and strontium, which form crystal lattices of the perovakite type, the dielectric constant increases with the distance between the centers of oxygen and the titanium ion and reaches particularly high values for barium titanate.

Der Ausdruck "nichtlinearer Kondensator" solle eine nichtlineare Beziehung zwischen angelegter Spannung und Ladung kennzeichnen.The term "non-linear capacitor" is intended to denote a non-linear relationship between applied voltage and charge.

Im Einklang mit der Erfindung wurde gefunden, daß die Gleichstromkapazität von keramischen Kondensatoren, und im besonderen von Bariumtitankondensatoren von der angelegten Spannung abhängig ist, nichtlinear mit der Spannung anwächst bei hohem Prozentgehalt, und daß deren effektive Kapazität für Wechselströme eine ähnliche Änderung zeigt. Ebenfalls wurde im Einklang mit der Erfindung gefunden, daß die Leistung von Bariumtitankondensatoren oder dergleichen, in Anwendung auf Nieder- oder Hochfrequenzkreise bedeutend verbessert werden kann durch eine Gleichstrom-Vorspannung, und weiter im besonderen durch Anwendung einer Vorspannung, die intermittierend in der Polarität wechselt.In accordance with the invention it has been found that the DC capacitance of ceramic capacitors, and in particular of barium titanium capacitors, is dependent on the applied voltage, increases non-linearly with voltage at a high percentage, and that their effective capacitance for AC currents shows a similar change. It has also been found in accordance with the invention that the performance of barium titanium capacitors or the like, when applied to low or high frequency circuits, can be significantly improved by a direct current bias, and more particularly by the use of a bias which intermittently changes polarity.

Im Einklang mit der Erfindung entwickelte Kreise, welche Bariumtitankondensatoren oder dergleichen von hoher Dielektrizitätskonstante enthalten, beispielsweise <Nicht lesbar> > 1000, sind gekennzeichnet durch Einfachheit, kompakten Aufbau und außergewöhnliche Stabilität im Hinblick auf mechanische, physikalische, chemische und Temperaturänderungen. Im einzelnen stellen diese Kreise in dem Anwendungsbereich verbesserte Formen von nichtlinearen Reaktanzen dar, empfindliche Impedanz-Regleer und automatische Abstimmer, welche durch Spannungsänderung die hohe Kapazität der besprochenen Titanatkondensatoren verändern.Circuits developed in accordance with the invention which contain barium titanium capacitors or the like of high dielectric constant, for example <Illegible>> 1000, are characterized by simplicity, compact structure and exceptional stability with respect to mechanical, physical, chemical and temperature changes. In detail, these circles represent improved forms of non-linear reactances in the field of application, sensitive impedance regulators and automatic tuners which change the high capacitance of the titanate capacitors discussed by changing the voltage.

Weiter sind, im Einklang mit der Erfindung, Kreise mit Titanatkondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante <Nicht lesbar> > 1000 fähig, Frequenz-, Phasen- und Amplitudenmodulation bei gewöhnlichen Temperaturen und über einen weiten Frequenzbereich zu bilden. Wenn ein Wechselstromträger und eine Modulationsspannung von bedeutend niedrigerer Frequenz zugleich an einen keramischen Kondensator von Bariumtitanat oder ähnlichem angelegt werden, wechselt dessen effektive Kapapzität für den Träger mit der Modulationsspannung. Die Amplitude, Frequenz und Wellenform des modulierten Ausganges hängen nicht allein von modulierenden Eingang ab, sondern davon, ob eine Polarisationsspannung n die Kondensatoren angelegt ist, und wielange sie angelegt worden ist oder nicht. Diese Änderung mit der Zeit ist unwünschenswert. Die Polarisationsspannung oder Vorspannung wird im Einklang mit der Erfindung in häufigen Zwischenräumen umgekehrt, wobei der nicht wünschenswerte Effekt auf ein Minimum gebracht wird, und stabile Leistung und verbesserte Charakteristiken für den Modulator erzielt werden.Further, in accordance with the invention, high dielectric constant titanate capacitor circuits <Illegible>> 1000 are capable of producing frequency, phase and amplitude modulation at ordinary temperatures and over a wide range of frequencies. If an alternating current carrier and a modulation voltage of significantly lower frequency are applied simultaneously to a ceramic capacitor made of barium titanate or the like, its effective capacitance for the carrier changes with the modulation voltage. The amplitude, frequency and waveform of the modulated output do not only depend on the modulating input, but also on whether a polarization voltage is applied to the capacitors and how long it has been applied or not. This change over time is undesirable. The polarization voltage or bias voltage is reversed at frequent intervals in accordance with the invention, minimizing the undesirable effect, and achieving stable performance and improved characteristics for the modulator.

In einigen Beispielen wurden geeignete Kapazitätsvariationen mit einer Trägerwelle von 52 kHz und Modulationsfrequenzen von 10 - 7000 Schwingungen pro Sekunde und Modulations- spannungen bis hinunter zu 2,5 V erzeugt.In some examples, suitable capacitance variations with a carrier wave of 52 kHz and modulation frequencies of 10 - 7000 oscillations per second and modulation voltages down to 2.5 V generated.

Die Beziehung zwischen Modulationsspannung und (Delta) C (der Kapazitätsänderung des Bariumtitankondensators) ist beinahe linear bis zu einer durch die Polarisations-Gleichspannung bestimmten Eingangsspannung.The relationship between the modulation voltage and (Delta) C (the change in capacitance of the barium titanium capacitor) is almost linear up to an input voltage determined by the DC polarization voltage.

Die Beziehung zwischen der Modulationsfrequenz und (Delta) C mit einer Trägerfrequenz von 36 kHz ist praktisch bis 2000 Hz geradlinig und nur 6 Zehntel bei 4000 Hz abgefallen. Wenn die Trägerfrequenz auf 49 kHz vergrößert ist, wird die Gradheit der Charakteristik verbessert, und die Modulationsempfindlichkeit wächst.The relationship between the modulation frequency and (Delta) C with a carrier frequency of 36 kHz is practically straight up to 2000 Hz and only dropped 6 tenths at 4000 Hz. When the carrier frequency is increased to 49 kHz, the smoothness of the characteristic is improved and the modulation sensitivity increases.

Die Empfindlichkeit für eine Modulationsspannung wächst direkt proportional mit der Dickenabnahme des Dielektrikums, und ist direkt proportional mit der pro Dickeneinheit angelegten Spannung. Die Änderung der Dielektrizitätskonstanten hängt ab von dem Potentialgradienten in dem Dielektrikum. So würde die für irgendeinen gegebenen Prozentsatz der Kapazitätsänderung nötige Spannung proportional der Dicke des Dielektrikums sein.The sensitivity to a modulation voltage increases in direct proportion to the decrease in the thickness of the dielectric, and is directly proportional to the voltage applied per unit thickness. The change in the dielectric constant depends on the potential gradient in the dielectric. So the voltage required for any given percentage of change in capacitance would be proportional to the thickness of the dielectric.

Figur 1 zeigt einen spannungsgesteuerten Resonanzkreis gemäß der Erfindung.Figure 1 shows a voltage-controlled resonance circuit according to the invention.

Figur 1 A zeigt eine nicht lineare Charakteristik, verglichen mit einer linearen Charakteristik der früheren Art.Figure 1A shows a non-linear characteristic compared to a linear characteristic of the earlier type.

Figur 1 B zeigt eine spannungsgesteuerte Impedanz zum Einschalten in Wechselstromkreise.FIG. 1B shows a voltage-controlled impedance for switching on in AC circuits.

Figuren 2,3,4 und 6 zeigen verschiedene <Nicht lesbar> von Modulatorkreisen gemäß der Erfindung.FIGS. 2, 3, 4 and 6 show various <illegible> modulator circuits according to the invention.

Figur 5 zeigt einen abgeglichenen Modulatorkreis.Figure 5 shows a balanced modulator circuit.

Figur 7 zeigt einen Frequenzmodulatorkreis.Figure 7 shows a frequency modulator circuit.

Figur 8 zeigt in graphischer Darstellung die Wirkung, die Vorspannung eines Bariumtitankondensators auf den frequenzmodulierten Ausgang hat.Figure 8 graphically shows the effect that biasing a barium titanium capacitor has on the frequency modulated output.

Der in Figur 1 gezeigte Kreis stellt einen spannungsgesteuerten Resonanzkreis dar, mit einem nichtlinearen Kondensator von Bariumtitanat oder ähnlichem für eine automatische Abstimmung desselben. Der Kreis enthält eine Selbstinduktionsspule L in Serie mit einem keramischen Kondensator C von Bariumtitanat. Die Eingangsspannung E wird von einer Wechselspannungquelle mit einer etwas niedrigeren Frequenz geliefert als die, für die L-C-Kombination bei einer niedrigeren Spannung in Resonanz ist.The circuit shown in FIG. 1 represents a voltage-controlled resonance circuit, with a non-linear capacitor made of barium titanate or the like for automatic tuning of the same. The circuit contains a self-induction coil L in series with a ceramic capacitor C made of barium titanate. The input voltage E is provided by an AC voltage source at a slightly lower frequency than that for which the L-C combination resonates at a lower voltage.

Die spannungsabhängige Charakteristik von Bariumtitanat ist so, daß dessen Dielektrizitätskonstante mit E wächst, was ein Anwachsen der effektiven Kapazität C verursacht, und L und C näher zur Resonanz bringt. Auf diese Weise wird eine Selbstabstimmung durch Spannungssteuerung erhalten. Wie graphisch in Figur 1 A gezeigt (Kurve I), wachsen EC, die Spannung über dem Bariumtitanatkondensator, und I, der Strom in dem Resonanz-L-C-Kreis, schneller als E. Dies veranschaulicht, daß der Bariumtitanatkondensator eine nicht-linerare Charakteristik in gegensätzlichem Unterschied zu der linearen Charakteristik von gewöhnlichen Kondensatoren, wie in Kurve II dargestellt, hat. Wenn der Kreiswiderstand R der LC-Kombination klein genug ist, erfolgt der Übergang in Resonanz plötzlich bei einer gewissen kritischen Spannung.The voltage-dependent characteristic of barium titanate is such that its dielectric constant increases with E, causing the effective capacitance C to increase and bringing L and C closer to resonance. In this way, self-tuning is obtained through voltage control. As shown graphically in Figure 1A (curve I), EC, the voltage across the barium titanate capacitor, and I, the current in the resonant LC circuit, grow faster than E. This illustrates that the barium titanate capacitor has a non-linear characteristic in opposite difference to the linear characteristic of ordinary capacitors as shown in curve II. If the circular resistance R of the LC combination is small enough, the transition in resonance suddenly takes place at a certain critical voltage.

In einem Beispielsfalle wurde ein Strom mit einer Einzelfrequenz von etwa 1000 Perioden pro Sekunde angewandt. Die effektive Kapazität von C, die durch die Resonanzbedingung mit einer festen Tätigkeit L bestimmt ist, nahm um etwa 20% zu, sobald die angewandte Spannung von 10 auf 100 V Effektivwert erhöht wurde.In one example case, a current with a single frequency of about 1000 cycles per second was applied. The effective capacity of C, which is determined by the condition of resonance with a fixed activity L, increased by about 20% as soon as the applied voltage was increased from 10 to 100 V rms.

Wenn Bariumtitanat von der Dicke des Dielektrikums eines praktisch bemessenen Kondensators benutzt wird, hat man gefunden, daß die scheinbare Kapazität, wenn solch ein Kondensator in einem abgestimmten Kreis benutzt wird, um etwa 100% anwächst, wenn 300 V Scheitelwert einer bestimmten Frequenz angelegt werden, dies gilt wenigstens für die niedrigen Frequenzen.When barium titanate the thickness of the dielectric of a practical sized capacitor is used, it has been found that when such a capacitor is used in a tuned circuit, the apparent capacitance increases by about 100% when 300 volts peak of a given frequency is applied, this is true at least for the low frequencies.

Ein einfacher spannungsgesteuerter Kreis unter Benutzung eines Bariumtitanatkondensators ist in Figur 1B gezeigt. Der Kreis gestattet feine Änderungen in der Impedanz unter der Steuerung einer sanft-variierten Gleichstromspannung. Der Kreis ist in Differenzschaltung und enthält ein Paar gleicher Impedanzen Z und einen Bariumtitankondensator C als Shunt, welcher mit einem Arbeitskreis über symmetrisch angeordnete Verriegelungskondensatoren C' verbunden werden kann. Ein Potentiometer P sieht eine veränderliche Einstellung der von der Batterie B gelieferten Spannung vor, wodurch die Dielektrizitätskonstante und damit die Kapazität des Bariumtitanatkondensators verändert werden kann. Die Verriegelungskonden- satoren sind viel größer als der gesteuerte keramische Kondensator C, während die Impedanzen Z groß genug sind, um ihren Wechselstromdurchgang vernachlässigbar zu machen. Die Kapazität des Kondensators C kann über einen beträchtlichen Bereich und in sehr kleinen Stufen verändert werden, abhängig davon, wie fein das Potentiometer ist.A simple voltage controlled circuit using a barium titanate capacitor is shown in Figure 1B. The circuit allows subtle changes in impedance under the control of a gently-varied DC voltage. The circuit is in differential circuit and contains a pair of equal impedances Z and a barium titanium capacitor C as a shunt, which can be connected to a working circuit via symmetrically arranged locking capacitors C '. A potentiometer P provides a variable setting of the voltage supplied by the battery B, whereby the dielectric constant and thus the capacity of the barium titanate capacitor can be changed. The locking condensate Sators are much larger than the controlled ceramic capacitor C, while the impedances Z are large enough to make their AC passage negligible. The capacitance of the capacitor C can be varied over a considerable range and in very small steps, depending on how fine the potentiometer is.

Der in Figur 2 abgebildete Kreis stellt eine Schaltung dar, bei der unter Benutzung eines keramischen Kondensators von Bariumtitanat oder ähnlichem Phasen- oder Amplitudenmodulation einer Trägerwelle hervorgerufen wird. In der Schaltung sind 2 Maschen von abgestimmten Kreisen C1L1 und C2L2 durch eine kleine Induktivität L3 gekoppelt, die in Serie mit einem relativ großen Verriegelungskondensator C(sub)3 zur Trennung von Träger und Modulationsspannungen geschaltet ist. Die Kondensatoren C(sub)1 und C(sub2) sind nichtlineare keramische Kondensatoren von Bariumtitanat oder dessen Mischung mit Strontiumtitanat.The circle shown in FIG. 2 represents a circuit in which phase or amplitude modulation of a carrier wave is produced using a ceramic capacitor of barium titanate or the like. In the circuit, 2 meshes of tuned circuits C1L1 and C2L2 are coupled through a small inductor L3 which is connected in series with a relatively large locking capacitor C (sub) 3 to separate carrier and modulation voltages. The capacitors C (sub) 1 and C (2) are non-linear ceramic capacitors of barium titanate or its mixture with strontium titanate.

Die Trägerspannung Fc besitzt eine auf oder in der Nähe der Resonanzfrequenz der Schaltung liegende Frequenz und ist über einen Transformator T(sub)1 an den Resonanz-Kreis C(sub)1L(sub)1 angelegt. Die Modulation wird im Ausgang entweder direkt oder nach Demodulation beobachtet. Die Modulationsspannung Em, die z.B. durch Tonsignale ausgelöst werden können wie gezeigt, oder getastete Tonfrequenz-Telegraphen-Signale, wird über den Blockierungskondensator C(sub)3 in Serie mit der Gleichstrom-Vorspannung gelegt, welche automatisch über gleiche Perioden von einer oder mehr Sekunden umgepolt wird. Die Vorspan- nung wird mit einer Batterie E(sub)B oder einer ähnlichen Spannungsquelle abgenommen und in Verbindung mit den Wechselstromspannungen Fc und Em bewirkt sie an den kramischen Kondensatoren C(sub)1 und C(sub)2 eine nichtlineare Kapazitätsänderung, wodurch eine in Amplitude und Phase modulierte Ausgangsleistung erzeugt wird.The carrier voltage Fc has a frequency at or near the resonance frequency of the circuit and is applied to the resonance circuit C (sub) 1L (sub) 1 via a transformer T (sub) 1. The modulation is observed in the output either directly or after demodulation. The modulation voltage Em, which can be triggered e.g. by audio signals as shown, or keyed audio frequency telegraph signals, is placed in series with the direct current bias voltage via the blocking capacitor C (sub) 3, which is automatically applied over equal periods of one or more seconds polarity is reversed. The preload voltage is taken from a battery E (sub) B or a similar voltage source and, in conjunction with the alternating current voltages Fc and Em, it causes a non-linear change in capacitance at the capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2, which results in a change in amplitude and Phase modulated output power is generated.

Die umkehrbare Polarität der Vorspannung wird durch ein Relais (REL) erzeugt, dessen Kontakt zwischen dem positiven und negativen Pol der Batterie <Nicht lesbar> in angemessenen Intervallen umgeschaltet wird. Widerstände r1 und r2 sind in dem Batteriekreis eingesetzt, um das Maß von Ladung und Entladung der Kondensatoren C(sub)1 und C(sub)2 zu steuern.The reversible polarity of the bias voltage is generated by a relay (REL), the contact of which is switched between the positive and negative pole of the battery <Illegible> at appropriate intervals. Resistors r1 and r2 are used in the battery circuit to control the amount of charge and discharge on capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2.

Anstatt einer Batteriespannung, die in Abständen durch ein Relais umgekehrt wird, kann die von dem Anodenkreis eines Multivibrators (nicht gezeigt) abgenommen werden, der auf niedriger Frequenz schwingt.Instead of a battery voltage that is periodically reversed by a relay, it can be taken from the anode circuit of a multivibrator (not shown) which oscillates at a low frequency.

Die Polarisationsspannung kann selbstverständlich auch in jeder anderen passenden Weise an den keramischen Kondensator angelegt werden, so z.B. parallel mit der Modulations-Eingangsspannung, wobei eine passende Impedanz in den Kreis eingeschaltet ist, um zu verhindern, daß die Batterie die Modulations-Eingangsspannung um einen unzulässigen Betrag schwächt.The polarization voltage can of course also be applied to the ceramic capacitor in any other suitable manner, for example in parallel with the modulation input voltage, with a suitable impedance being switched into the circuit to prevent the battery from increasing the modulation input voltage by an impermissible level Amount weakens.

Wenn die Polarisationsspannung weggelassen wird, wird die Hauptkomponente des modulierten Ausganges die doppelte Frequenz des Modulations-Eingangsstromes haben, und die Wirksamkeit der Modulation wird beträchtlich vermindert sein.If the polarization voltage is omitted, the main component of the modulated output will be twice the frequency of the modulation input current and the effectiveness of the modulation will be considerably reduced.

Es ist selbstverständlich, daß verschiedene Abänderungen in der Schaltung der Figur 2 vorgenommen werden können, z. B. die Zahl der Stromkreise kann vergrößert werden, oder die Kopplung zwischen den IC-Kreisen kann induktiv statt kapazitiv sein.It will be understood that various modifications can be made in the circuit of Figure 2, e.g. B. the number of circuits can be increased, or the coupling between the IC circuits can be inductive instead of capacitive.

Die in Figur 3 gezeigte Schaltung ist eine Abänderung von der in Figur 2 dargestellten, welche auch dazu dient, Phasen- und Amplitudenmodulation zu erzeugen. Ihr Hauptunterschied gegenüber der Schaltung von Figur 2 besteht in der Einschaltung eines Frequenzhalbierers in den Weg zwischen den Modulations-Eingangsströmen und den nichtlinearen Bariumtitanatkondensatoren C(sub)1 und C(sub)2.The circuit shown in FIG. 3 is a modification of that shown in FIG. 2, which is also used to generate phase and amplitude modulation. Their main difference from the circuit of Figure 2 is the inclusion of a frequency halver in the path between the modulation input currents and the non-linear barium titanate capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2.

Der Gebrauch einer Frequenzhalbiererschaltung als ein Ersatz für die Gleichstromvorspannung der Kondensatoren C(sub)1 und C(sub)2 wird vorgezogen, wo der Strom des Modulationssignals aus einer Einzelfrequenz oder einer Anzahl von Einzelfrequenzen besteht, die über eine Oktave oder ähnlich verteilt sind. Durch Benutzung der Frequenzhalbierungskonstruktion von Figur 3 läßt sich eine auf einen Träger modulierte verständliche Sprache übertragen.The use of a frequency bisector as a substitute for the DC bias of capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2 is preferred where the modulation signal flow consists of a single frequency or a number of single frequencies distributed over an octave or similar. Using the frequency halving construction of Figure 3, intelligible speech modulated onto a carrier can be transmitted.

Die in Figur 4 dargestellte Schaltung ist eine Abänderung der in Figur 2 gezeigten Schaltanordnung, bei der die Kopplung zwischen den Resonanzkreisen L1C1 und L2C2 kapazitiv ist und durch einen Kondensator C(sub)3 bewirkt wird. Eine Drosselspule L(sub)3 in dem Modulationseingang dient dazu, die Wege des Trägers und der Modulation zu trennen. Anstatt die nichtlinearen Bariumtitanatkondensatoren C(sub)1 und C(sub)2 durch eine Batterie zu polarisieren, wie in Figur 2 gezeigt, wird die Modulationswechselstromspannung mittels Halbwellengleichrichter H(sub)1, H(sub)2 gleichgerichtet, was die unerwünschte Doppelfrequenzkomponente, die vorher erwähnt ist, in dem modulierten Ausgang erheblich reduziert, wenn auch nicht vollständig, aufhebt. Dies wird durch das Anlegen nur einer Polarität an die Kondensatoren C(sub)1 und C(sub)2 durch die Gleichrichter H(sub)1, H(sub)2 bedingt.The circuit shown in FIG. 4 is a modification of the circuit arrangement shown in FIG. 2, in which the coupling between the resonance circuits L1C1 and L2C2 is capacitive and is effected by a capacitor C (sub) 3. A choke coil L (sub) 3 in the modulation input serves to separate the paths of the carrier and the modulation. Instead of the barium titanate non-linear capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2 To polarize by a battery, as shown in Figure 2, the modulation AC voltage is rectified by means of half-wave rectifiers H (sub) 1, H (sub) 2, which considerably reduces, if not not, the undesirable double frequency component mentioned earlier in the modulated output completely, cancels. This is due to the application of only one polarity to the capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2 by the rectifiers H (sub) 1, H (sub) 2.

Um die Gleichstromkomponente der gleichgerichteten Modulationsspannung davon abzuhalten, in den Kondensatoren C(sub)1C(sub)2 eine absorbierte gegensätzliche Spannung zu erzeugen, ist es notwendig, die Verbindungsrichtung der Gleichrichter zu den keramischen Kondensatoren C(sub)1 C(sub)2 in häufigen und gleichen Intervallen mittels des Schaltrelais umzukehren. Eine geeignete Begrenzung des Impedanzwertes, auf welche der Gleichrichter wirkt, kann durch den dem Kopplungskondensator C(sub)3 parallel geschalteten Widerstandszweig R(sub)3 vorgesehen werden.In order to prevent the DC component of the rectified modulation voltage from generating an absorbed opposite voltage in the capacitors C (sub) 1C (sub) 2, it is necessary to change the direction of connection of the rectifiers to the ceramic capacitors C (sub) 1 C (sub) 2 to reverse at frequent and equal intervals using the switching relay. A suitable limitation of the impedance value on which the rectifier acts can be provided by the resistor branch R (sub) 3 connected in parallel with the coupling capacitor C (sub) 3.

Die Schaltungen der Figuren 2,3,4 erfordern, daß die Trägerfrequenz vielmals höher ist als die höchste Modulationsfrequenz, um eine halbwegs gradlinige Beziehung zwischen dem Träger Fc und dem modulierten Ausgang zu haben. Dies eignet sich für die einfache, gezeigte Methode der Trennung von Träger- und Modulationsweg. In Schaltungen wie diesen wurde die Amplituden- und Phasenmodulation mit Modulationsfrequenzen von 300 Hz und mit Trägern bis 5000 Hz in einigen beispielhaften Aufbauten erzeugt. Eine wirksamere Trennung von Träger- und Modulationsweg ist möglich, wenn die nichtlinearen Kondensatoren und die mit ihnen verbundenen Schaltungs- komponenten so angordnet sind, daß eine abgeglichene Beziehung zwischen den Trägerklemmen und Modulationsklemmen besteht.The circuits of Figures 2,3,4 require that the carrier frequency be many times higher than the highest modulation frequency in order to have a reasonably straight relationship between the carrier Fc and the modulated output. This is suitable for the simple method shown of separating the carrier and modulation path. In circuits like these, the amplitude and phase modulation has been generated with modulation frequencies of 300 Hz and with carriers up to 5000 Hz in some exemplary setups. A more effective separation of the carrier and modulation path is possible if the non-linear capacitors and the circuitry connected to them components are arranged so that there is a balanced relationship between the beam terminals and modulation terminals.

Figur 5 stellt eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Phasen- und Amplitudenmodulation dar, bei der eine wirksamere Trennung von Trägerweg und Modulationsweg mittels einer abgeglichenen Beziehung zwischen den Trägerklemmen und den Modulationsklemmen erreicht ist. In dieser Abänderung wird die ganze Modulationsspannung Em an beide Bariumtitanatkondensatoren C(sub)1 und C(sub)2 angelegt. Die Kapazitäten dieser Kondensatoren sind so gewählt, daß sie die Streureaktanz der Eingangs- und Ausgangstransformatoren T(sub)1 und T(sub)2 abstimmen, wodurch ein geringer Verlust für die Trägerwelle gegeben ist, wenn die Kondensatoren nicht durch eine Modulations-Einmgangsspannung, die bei <Nicht lesbar> angelegt wird, betrieben werden. Die Vorspannung, entnommen der Batterie B, wird in Intervallen durch ein polarisiertes Relais, das durch eine Niederfrequenz-Wechselstromquelle oder dergleichen in der beschriebenen Weise von Figur 2 betrieben wird, umgekehrt.FIG. 5 shows a circuit arrangement for generating phase and amplitude modulation, in which a more effective separation of the carrier path and modulation path is achieved by means of a balanced relationship between the carrier terminals and the modulation terminals. In this modification, the full modulation voltage Em is applied to both barium titanate capacitors C (sub) 1 and C (sub) 2. The capacitances of these capacitors are chosen so that they match the leakage reactance of the input and output transformers T (sub) 1 and T (sub) 2, which results in a low loss for the carrier wave if the capacitors are not affected by a modulation input voltage, which is created at <Illegible>, can be operated. The bias voltage taken from the battery B is reversed at intervals by a polarized relay operated by a low frequency AC power source or the like in the manner described in FIG.

Die in Figur 6 gezeigte Schaltung stellt eine Anordnung zur Erzeugung von Amplituden- und Phasenmodulation mittels eines Resonanzkreises dar. Eine Wheatstonsbrücke von 4 gleichen nichtlinearen Bariumtitanatkondensatoren ist in den Resonanzkreis eingeschaltet. Die Induktivitäten L(sub)1 und (sub)2 sind gleich, während die Kapazitäten C und die Nebenschluß-Widerstände R so gewählt sind, daß sie eine maximale Übertragungsdämpfung für einen Strom von etwas verschiedener als der angelegten Frequenz geben, welche so gewählt werden kann, daß sie auf dem schrägen Teil der Übertragungs-Dämpfungskurve liegt, wenn die Kondensatoren unmoduliert sind.The circuit shown in FIG. 6 represents an arrangement for generating amplitude and phase modulation by means of a resonance circuit. A Wheatstone bridge of 4 identical non-linear barium titanate capacitors is switched into the resonance circuit. The inductances L (sub) 1 and (sub) 2 are the same, while the capacitances C and the shunt resistors R are chosen so that they give a maximum transmission loss for a current of slightly different than the applied frequency, which are chosen can, that it lies on the sloping part of the transmission attenuation curve when the capacitors are unmodulated.

Das Anlegen von Spannung an die Enden A, B der Wheatstonebrücke W (gegenüberliegend jenen Ecken, die mit den Induktivitäten L(sub)1 und L(sub)2 und der gemeinsamen Zuleitung verbunden sind) verursacht dann eine Phasen- und Amplitudenänderung der Trägerwelle in der Impedanz Z(sub)2. Die in Figur 6 gezeigte Batterie, deren Spannung in Abständen mittels des Relais REL umgepolt wird, liefert eine Polarisationsspannung an die Kondensatoren C der Wheatstonsbrücke W. Jeder der gleichen Kondensatoren C wird durch denselben hohen Widerstand R geshuntet, um die glatte und schnelle Zerstreuung der elektrischen Ladung daran zu sichern. Die Ecken A B der Wheatstonebrücke W oder der Modulationseingangstransformator T(sub)3 können irgendeiner Impedanz oder einem Stromkreis geshuntet werden, der geeignet ist, eine gewünschte Beziehung zwischen den Frequenzen der Modulations-Eingangsspannung und der an A,B angelegten Spannung herzustellen.The application of voltage to the ends A, B of the Wheatstone bridge W (opposite those corners that are connected to the inductances L (sub) 1 and L (sub) 2 and the common supply line) then causes a phase and amplitude change of the carrier wave in the impedance Z (sub) 2. The battery shown in Figure 6, the voltage of which is reversed at intervals by means of the relay REL, supplies a polarization voltage to the capacitors C of the Wheatstone bridge W. Each of the same capacitors C is shunted by the same high resistance R to ensure the smooth and rapid dissipation of the electrical To secure cargo to it. The corners A B of the Wheatstone bridge W or the modulation input transformer T (sub) 3 can be shunted to any impedance or circuit suitable to establish a desired relationship between the frequencies of the modulation input voltage and the voltage applied to A, B.

In einem praktischen Aufbau der in Figur 6 gezeigten Schaltung wurde ein Träger von 100000 Hz moduliert bei nacheinanderfolgenden verschiedenen Frequenzen bis zu einer Frequenz von etwa 5000 Hz. Als die Modulationsfrequenz sich der des Trägers näherte, war die resultierende Frequenz, die Summen- und die Differenzfrequenz in dem modulierten Ausgang höher.In a practical setup of the circuit shown in Figure 6, a carrier of 100,000 Hz was modulated at successive different frequencies up to a frequency of about 5000 Hz. When the modulation frequency approached that of the carrier, the resulting frequency was the sum and difference frequency higher in the modulated output.

Schaltungen der vorher beschriebenen Type sind auch fähig, die Kapazität von nichtlinearen Bariumtitankondensatoren dergleichen bei beträchtlich höheren Frequenzen zu modulieren als jene, die in den Beispielaufbauten gezeigt wurden. Das anlegen von Gleichstrom-Vorspannung an die keramischen Kondensatoren von hohen Dielektrizitätskonstanten <Nicht lesbar> > 1000 ist wünschenswert für gutes Arbeiten bei niedrigen und hohen Frequenzen, und die Umkehrung der Vorspannungspolarität verursacht eine beträchtliche Verbesserung in der Natur der Modulations-Produkte.Circuits of the type described above are also capable of the capacitance of non-linear barium titanium capacitors to modulate the like at considerably higher frequencies than those shown in the example setups. Applying DC bias to the high dielectric constant <Illegible>> 1000 ceramic capacitors is desirable for good performance at low and high frequencies, and reversing the bias polarity causes a significant improvement in the nature of the modulation products.

Figur 7 stellt eine Schaltung für die Frequenzmodulation eines Oszillators durch Kapazitätsänderungen eines nichtlinearen Bariumtitanatkondensators dar, der in dessen Frequenzsteuerkreis enthalten ist. Der Oszillator H ist in der bekannten induktiven Dreipunktschaltung Hartley-Schaltung) so geschaltet, daß er durch eine Wheatstonebrücke W von 4 gleichen Kondensatoren C von Bariumtitanat oder dergleichen in den Zweigen derselben gesteuert wird. Die Modulations-Eingangsspannung Em ist an die Wheatstonebrücke an einem Eckenpaar AB derselben angelegt, und der Oszillator H ist mit dem gegenüberliegenden Paar der Ecken F,G der Brücke verbunden. Die Anordnung der Vorspannungsbatterie ist ähnlich der in Figur 6 gezeigten. Dem Oszillator folgt ein Verstärker (Amp) und ein zweistufiger Begrenzer, um jegliche Amplitudenmodulation am Ausgang des Verstärkers fernzuhalten. Dem Begrenzer folgt ein Belastungskreis, welcher einen Kathodenstrahloscillographen enthält.FIG. 7 shows a circuit for the frequency modulation of an oscillator by changing the capacitance of a non-linear barium titanate capacitor which is contained in its frequency control circuit. The oscillator H is connected in the known inductive three-point circuit Hartley circuit) so that it is controlled by a Wheatstone bridge W of 4 identical capacitors C of barium titanate or the like in the branches of the same. The modulation input voltage Em is applied to the Wheatstone bridge at a pair of corners AB thereof, and the oscillator H is connected to the opposite pair of corners F, G of the bridge. The arrangement of the bias battery is similar to that shown in FIG. The oscillator is followed by an amplifier (amp) and a two-stage limiter to keep out any amplitude modulation at the output of the amplifier. The limiter is followed by a load circuit which contains a cathode ray oscillograph.

Bezugnehmend auf die graphische Darstellung in Figur 8 werden 3 Kurven vorgeführt, die die Beziehung zwischen dem frequenzmodulierten Ausgang und der Modulationsspannung von 1000 Hz für die Schaltung von 7 zeigt, für die Fälle, wo (1) keine Vorspannung, (2) 50 V Vorspannung, (3) 100 V Vorspannung an die Bariumtitanatkondensatoren angelegt sind, die beiden letzteren sind dabei einmal pro Sekunde in der Polarität umgekehrt.Referring to the graph in FIG. 8 3 graphs are presented showing the relationship between the frequency modulated output and the modulation voltage of 1000 Hz for the circuit of Fig. 7 for the cases where (1) no bias, (2) 50 V bias, (3) 100 V bias the barium titanate capacitors are applied, the latter two are reversed in polarity once per second.

Mit keiner Vorspannung an den Kondensatoren C ist der Ausgang 2 <Nicht lesbar> mit einer schwachen Komponente von <Nicht lesbar> . Mit der 50- und 100 V-Vorspannung ist die Ausgangsspannung angenähert sinusförmig bis zu der Stelle, wo die Modulationsspannung die Vorspannung überschreitet und die Kurve sich beugt.With no bias on capacitors C, output 2 is <Illegible> with a weak component of <Illegible>. With the 50 and 100 V bias, the output voltage is approximately sinusoidal up to the point where the modulation voltage exceeds the bias and the curve bends.

Verschiedene Anordnungen der in Figur 7 gezeigten Kondensatorbrücke W können ohne wesentliche Änderung des Modulationskreises in seinem Arbeiten gebraucht werden. Zum Beispiel können 2 der Brückenzweige ersetzt werden durch gleiche Widerstände oder Induktivtäten; in diesem Fall kann jeder der Kondensatoren C in seiner Größe geändert werden, um eine Änderung der Oscillatorfrequenz zu vermeiden.Various arrangements of the capacitor bridge W shown in FIG. 7 can be used in its work without significant change in the modulation circuit. For example, 2 of the bridge arms can be replaced by the same resistors or inductors; in this case, each of the capacitors C can be changed in size to avoid changing the oscillator frequency.

Obgleich die keramischen Titanatkondensatoren hauptsächlich als Elemente von IC-Kreisen dargestellt werden, ist es verständlich, daß sie auch in RC-Schaltungen benutzt werden können, um Phasen- und Amplitudenmodulation eines Trägers während des Laufs durch die Schaltung zu erzeugen, entsprechend der Modulationsspannung, die an den Bariumtitanatkondensator oder dergleichen angelegt ist.Although ceramic titanate capacitors are represented primarily as elements of IC circuits, it will be understood that they can also be used in RC circuits to produce phase and amplitude modulation of a carrier as it moves through the circuit, according to the modulation voltage that is applied to the barium titanate capacitor or the like.

Claims

1. Nonlinear electrical capacitor, characterized in that the dielectric consists of a ceramic material, the dielectric component of which changes as a function of the applied voltage.

2. Capacitor according to claim 1, characterized in that the dielectric contains a tintanate of a metal of the 2nd group of the periodic system.

3. Capacitor according to claim 2, characterized in that the dielectric contains barium titanate or a mixture of barium titanate and strontium titanate.

4. Capacitor according to claim 1, characterized in that the dielectric contains an alkaline earth titanate.

5. Switching arrangement for a capacitor according to one of the preceding claims, characterized in that it is provided with a bias voltage of a constant or intermittently reversed direct current potential.

6. Switching arrangement for a resonance circuit with an inductance and a nonlinear capacitor according to any one of claims 1-5, characterized in that it is fed by an alternating current potential source.

7. Variable impedance arrangement with a nonlinear capacitor according to any one of claims 1-5, characterized in that the capacitor by a with a

DC potential source connected potentiometer is controlled.

8. modulator circuit, connected to a source of carrier sources and a source of modulation waves, with one or more non-linear capacitors according to any one of claims 1-5, characterized in that the capacitors are used to modulate the carrier waves in accordance with the modulation waves applied to them.

9. modulator circuit according to claim 8, characterized by means for halving the frequency of the waves which are fed from the source of the modulation waves.

10. modulator circuit according to claim 8, characterized in that the capacitors are biased by an intermittently reversed direct current potential with the aid of a relay which is connected between the positive and negative poles of a battery.

11. modulator circuit according to claim 8, characterized in that the capacitors are biased by an intermittently reversed DC potential with the aid of a relay connected between the terminals of a rectifier which supplies positive and negative rectified components from the modulation waves.

12. Modulator circuit according to any one of claims 8-11, characterized in that two tuned resonance circuits are mutually connected to the carrier wave source and an output circuit and each has a non- A linear capacitor according to any one of claims 1-5, wherein the resonance circuits are coupled through an inductor in series with a capacitor to which the modulation voltage is applied.

13. Modulator circuit according to one of claims 8-11, characterized in that it is arranged as a balanced bridge circuit in which the non-linear capacitors are distributed on opposite sides of the bridge between the terminals of the carrier and the modulation wave.

14. modulator circuit according to one of claims 8-11, characterized in that the non-linear capacitors are arranged in the branches of a Wheatstone bridge such that their opposing pairs of elements are each connected to the modulation wave source and an impedance to which the carrier waves are applied.

15. modulator circuit with one or more non-linear capacitors according to one of claims 1-5, characterized in that the capacitors are arranged in a resonance circuit connected to an oscillator and a modulation wave source so that it modulates the frequency of the oscillator.

16. modulator circuit according to claim 15, characterized in that the oscillator is in the per se known inductive three-point circuit (Hartley circuit) is switched so that it is controlled by a Wheatstone bridge, which contains the non-linear capacitors in its branches, and in which the modulation wave source is connected to an opposite pair of terminals of the bridge and the oscillator is connected to the other pair of terminals.