DE876716C - Schaltung zur Frequenzmodulation einer Traegerschwingung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neue und verbesserte Schaltung zur Modulation der Frequenz einer Hochfrequenzenergie beliebiger Frequenz. Die Erfindung ist insbesondere auf die Nachrichtenübermittlung mit ultrahohen Frequenzen anwendbar. Sie ermöglicht die Anwendung eines außerordentlich breiten Bandes von Signalspannungen und die lineare Änderung der Frequenz der Hochfrequenzenergie in Abhängigkeit von dem breiten Band der Signalspannungen. Das Frequenzband der Modulationsspannungen kann das für Telefonie-, Fernseh-, Bildübertragungszwecke usw. verwendete sein.

Allgemein umfaßt die Erfindung einen Schwingungserzeuger beliebiger Art, durch welchen Hochfrequenzleistung der gewünschten Frequenz erzeugt und hinsichtlich der Frequenz moduliert wird. Die Betriebsfrequenz des Erzeugers wird mindestens zum Teil durch die Reaktanz des Generatorkreises bestimmt. Wo ein Röhrengenerator verwendet wird, kann die Reaktanz aus den Elektrodenzuführungen innerhalb so und außerhalb des Vakuumgefäßes bestehen. Inwieweit die äußeren Verbindungen die Reaktanz bilden, hängt letzten Endes von der erzeugten Frequenz ab. Gemäß der Erfindung besteht ein Teil der Reaktanzen aus einer Röhrenreaktanz, die im C-Betrieb arbeitet, as Diese besteht aus einer Elektronenröhre mit einem Paar Elektroden, die mit dem die Frequenz bestimmenden Kreis verbunden sind und ein Teil desselben bilden. Ferner sind Mittel vorgesehen, die erzeugten Schwingungen einem Paar Elektroden phasenverschoben aufzudrücken, um eine Reaktanzwirkung zwischen diesen Elektroden, die mit dem die Frequenz bestimmenden Kreis verbunden sind, zu erzeugen. Durch Modulieren der Impedanz der Reak-

tanzröhre mit der Signalfrequenz wird die Reaktan in dem die Frequenz bestimmenden Kreis entsprechend geändert, wodurch die Frequenz der erzeugten Schwingungen ebenfalls verändert wird. Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden, in der

Abb. x eine. Schaltung darstellt, die die wichtigsten Elemente eines frequenzmodulierten Schwingungserzeugers gemäß der Erfindung umfaßt; ίο Abb. 2 ist ein Vektordiagramm, das zur Darstellung der Beziehung der verschiedenen Spannungen, Ströme usw. zueinander im Betrieb der Schaltung gemäß Abb. ι dient;

Abb. 3 ist das äquivalente Ersatzschaltbild zu der Schaltung gemäß Abb. 1;

Abb. 3 a ist ein zusätzliches Strom- und Spannungsvektordiagramm zur weiteren Erklärung der Beziehung der verschiedenen Ströme und Spannungen in dem Oszillatorkreis I gemäß Abb. 1 zur Erzeugung von Schwingungen. Dieses stellt auch dar, in welcher Weise die im Kreis II erzeugte Reaktanz, die mit dem Kreis I gekoppelt ist, die Betriebsfrequenz des Generators verändert;

Abb. 4 zeigt eine abgeänderte Form des Frequenzmodulators gemäß Abb. 1;

In Abb. 4 ist die Reaktanz induktiv, während sie in Abb. ι kapazitiv ist;

Abb. 4a ist das dazugehörige Vektordiagramm. In Abb. ι stellt I einen Oszillator und II die Mittel zur Modulation dieses Oszillators dar. Der Oszillator kann aus einer Elektronenröhre 4 bestehen, deren Steuergitter 6 und Anode S mit Reaktanzkreisen zur Erzeugung von Schwingungen verbunden sind. Die Kreise enthalten eine Induktanz 10, die mit der Induktanz 12 gekoppelt ist. Die letztere kann die des Ausgangskreises sein und ist mit den beiden Ausgangsleitungen verbunden. Ein Punkt der Induktanz 12 ist, wie dargestellt, mit der Anode 14 einer Elektronenröhre 16 mit zwei Elektrodensystemen innerhalb des gleichen Kolbens verbunden. Statt dessen können auch Elektrodensysteme mit getrennten Vakuumgefäßen verwendet werden. Ein Punkt der Induktanz ist ferner über einen Phasenschieber-Kondensator C mit dem Steuergitter 20 verbunden:' Der Kondensator C arbeitet mit einem phasenverschiebenden Widerstand R, dem eine Induktanz L₂, deren Zweck später erklärt wird, parallel geschaltet ist, zusammen. Ein anderer Punkt der Induktanz 12 ist in gleicher Weise mit der Anode 22 und dem Gitter 24 des anderen Elektrodensystems verbunden. Auch hier wird ein phasenverschiebender Kondensator C, ein Widerstand R und eine Induktanz L₂ verwendet.

Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, bilden diese beiden Röhrensysteme eine symmetrische Reaktanz parallel zu der Induktanz 12, die mit der Induktanz 10 gekoppelt ist, so daß die symmetrische Reaktanz auf die Schwingungserzeugenden und frequenzmodulierenden Kreise, die die Induktanz 10 enthalten, einwirkt. Wie später noch im einzelnen näher beschrieben wird, wird, wenn die Impedanzen des Elektrodensystems durch gleichphasige Modulationsspannungen in ihrer Phase moduliert werden, d. h. ihre Phase mit der Signalfrequenz verändert .

wird, die Reaktanzwirkung zwischen den Anöden und Kathoden der Elektronenröhre verändert und diese Reaktanzwirkung, die einen Teil der Reaktanz des die Reaktanz 10 enthaltenden Kreises bildet, verändert die Frequenz der erzeugten Schwingungen mit Signalfrequenz. Modulationsspannungen können von einer beliebigen Quelle, beispielsweise durch Abtasten eines Gegenstandes, durch die Zuleitung 30 über Widerstände R und Induktanzen L₂ den Gittern oder Steuerelektroden 20 oder 24 in Phase zugeführt werden. Wie oben bereits beschrieben, wird die Betriebsfrequenz des Oszillators durch Verändern der Am- plitude des zu den beiden Anoden der Röhre fließenden Stromes in Abhängigkeit von der Modulationsspannung verändert.

Die Hochfrequenzspannungen an den Anoden 14 und 22 und den Steuergittern 20 und 24 der Röhre 16 sind im Gegentakt, d. h. die Spannung an einer Anode ist gegenüber der Spannung an der anderen Anode um i8o° phasenverschoben und die Spannungen an beiden Gittern sind ebenfalls um i8o° gegeneinander phasenverschoben, während die Spannungen an Gitter und Anode eines jeden Elektrodensystems gegeneinander um etwa 90⁰ phasenverschoben sind. Ein Vorteil der Symmetrieschaltung ist der, daß der Mittelpunkt der Gitterspulen L₂ für Hochfrequenz nicht kurzgeschlossen zu werden braucht. Hierdurch bleibt die im Nebenschluß zum Modulatorausgang liegende Kapazität sehr klein.

Zwischen den Anoden der Röhre 16 wird durch die in dem Kreis I fließenden Ströme eine Spannung erzeugt. Die an die Steuergitter der ,Röhre 16 angelegte Spannung ist durch die Kondensatoren C und die Widerstände S um nahezu 90° gegenüber der Anodenspannung verschoben. Daher eilen die Stromstöße, die jede Anode erreichen, der Spannung an dieser Anode um etwa 90⁰ voraus, und die durch den Elektrodenstrom erzeugte Reaktanz ist kapazitiv. Die Amplitude dieser Stromstöße wird durch die Modulationsspannung, die bei 30 den Steuergittern gleichphasig zugeführt wird, gesteuert. Wenn die Steuergitter durch die Modulationsspannung positiver werden, vergrößert sich die Amplitude der Stromstöße und die durch den Elektronenstrom erzeugte Reaktanz verkleinert sich, da die Amplituden der Spannungen an den Anoden 16 annähernd konstant bleiben. Diese Reaktanz ist gleich der anderen no Hochfrequenzspannung zwischen Anode und Erde, ;eteüt durch die Grundkompönente des Stromstoßes zu jeder Anode. Diese Reaktanzänderung ergibt eine Verschiebung der Oszillatorfrequenz.

Die Hochfrequenzspannung an den Steuergittern kann vergrößert und nahezu vollkommen um 90⁰ gegenüber der Anodenspannung verschoben werden, wenn man die Gitterkathodenkapazität, die dem Widerstand R parallel liegt, kompensiert. Wenn man die Impedanz zwischen Gitter und Kathode ganz wenig induktiv macht, kann man eine Phasenverschiebung von genau 90° erreichen. Hierzu dienen die Gitterspulen L₂, die dem Widerstand R parallel liegen.

Man kann die Spannung an den Steuergittern egenüber den entsprechenden Änodenspannungen

voreilen lassen, wenn man die Lage von R und C vertauscht oder die phasenverschiebenden Kreise kreuzt, so daß sie zwischen Anode und Gittern verschiedener Röhren liegen. Hierdurch erhält man in dem Oszillatorkreis eine induktive Reaktanz. Ein Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer induktiven Reaktanz ist in Abb. 4 dargestellt.

Die Röhre 16 kann entweder als yi-Verstärker oder C-Verstärker betrieben werden. Beim ^4-Betrieb müssen die Steuergitter eine lang auslaufende Kennlinie haben, so daß sich die Amplitude der Wechselstromkomponente des Elektronenstromes ändert, wenn der Arbeitspunkt durch die Modulationsspannung verschoben wird. Die Amplitude der Hochfrequenz-Steuerspannung an den Steuergittern ist konstant. Wenn die Anodenverlustleistung begrenzt ist, kann ein größerer Frequenzmodulationsgrad erhalten werden, wenn die Röhre 16 als C-Verstärker betrieben wird. Der Betrieb ist dann dem eines gewöhnlichen gittergesteuerten C-Verstärkers ähnlich. Natürlich kann eine Frequenzmodulation auch durch Anodenspannungsmodulierung der Röhre 16 erzielt werden. Dies hat den Vorteil einer geringeren Verzerrung und den Nachteil, daß eine größere Modulationsleistung erforderlich ist.

Die Beziehung der Spannungen und Ströme in der Abb. ι ist durch das Vektordiagramm der Abb. 2 gegeben. Die in diesem Diagramm gewählten Bezeichnungen entsprechen denen der Abb. 1. Die Hochfrequenzscheitelspannung zwischen Anode und Erde einer Röhreneinheit ist durch den Vektor ep dargestellt. Sämtliche Spannungen und Ströme der anderen Einheit sind um i8o° gegenüber den entsprechenden dargestellten Vektoren verschoben, ix ist der Hochfrequenzstrom, der von der Anode über den die Phase verschiebenden Kondensator C fließt. Nach dem Durchfließen von C fließt der Strom ix über drei Zweige zur Erde ab, nämlich über die Kapazität zwischen Steuergitter und Erde, den Widerstand R und die Induktivität L 2. Diese Ströme sind durch die Vektoren icg, iR, iL 2 dargestellt, eg ist die Spannung zwischen Gitter und Erde und ist mit iR in Phase und eilt dem Vektor ep, wie erforderlich, um 90⁰ voraus. Die Emissionsstromstöße durch die Röhre sind mit eg in Phase und eilen daher ep um 90⁰ voraus. Daher wird die Röhrenimpedanz wegen ihrer Konvektionsströme zu einer kapazitiven Reaktanz. iL 2 ist größer als icg, so daß i 1 gegenüber iR etwas nacheilt. Der Spannungsabfall an C ist die Differenz zwischen den Vektoren eg und ep und ist durch die punktierte Linie, die ihre Pfeile verbindet, dargestellt, ix muß um 90⁰ nacheilen, da C eine reine kapazitive Reaktanz ist. Daher muß auch ix gegenüber iR etwas nacheilen.

Abb. 3 ist das Ersatzschaltbild für Abb. 1. Die Selbsterregungsbedingung des Kreises 1 ist, daß eg' in Phase mit ix ist, wie in Abb. 3a dargestellt ist. Daher ändert sich, wenn ZT (die durch den Elektronenstrom der Röhre 16 erzeugte Reaktanz) verändert wird, 12, und der Faktor —ja> M iz verschiebt

die Phase von ig' gegenüber ix. Eine Änderung in der Reaktanz von Lx und Ci und damit eine Änderung der Betriebsfrequenz ist notwendig, um die Resonanzbedingung wieder herzustellen. Im einzelnen entspricht in Abb. 3 der Kreis I dem Oszillatorkreis I der Abb. 1. Lx ist die Selbstinduktion dieses Kreises, Cx die Kreiskapazität und rp der Röhreninnenwiderstand und der Kreiswiderstand, e'g ist die äquivalente, von dem Oszillator erzeugte Reihenspannung. Die nötige Voraussetzung zur Schwingungserzeugung ist, daß e'g mit dem Strom ix des Kreises I in Phase sein muß. Das bedeutet aber, daß der Kreis I einschließlich der von dem Kreis II hineintransformierten Impedanzen sich in Resonanz befinden muß. L2 ist die zwischen den beiden Anoden liegende Induktanz des Kreises II in Abb. 1. C 2 ist die Kapazität zwischen Anode und Erde der beiden in Reihe geschalteten Elektrodensysteme der Röhre 16. Z¹T ist die der Modulatorröhre 16 entsprechende Reihenimpedanz, die durch die Konventionsströme erzeugt wird. Die erzeugte Spannung e'g ist gleich der Vektorsumme des Spannungsabfalls ix [r'p +/ (XLx—XCx)], die von der Selbstinduktion von I herrührt und der Gegen-EMK —jm M iz in I, die von dem Strom«2 in II erzeugt wird. Die Spannung02 wird durch den Strom ix von I in II induziert. 12 ist der in II infolge der induzierten Spannung e2 fließende Strom, xL 2 ist die Reaktanz von L 2 bei der Betriebsfrequenz, XC 2 die Reaktanz von C 2 usw.

Wie bereits weiter oben beschrieben, kann auch eine induktive Reaktanz erzeugt und zum Zwecke der Frequenzmodulation der in I erzeugten Schwingungen mit der Signalfrequenz gesteuert werden. Eine solche Anordnung zeigt die Abb. 4. Hier ist die Lage von R und C vertauscht, und die Induktanz Z 2 liegt in Reihe mit R und ihre Reaktanz ist bei der Betriebsfrequenz gleich der Reaktanz von C gemacht worden. Ein Trennkondensator B liegt in Reihe mit R, um die Anodenspannung von dem Steuergitter fernzuhalten. C kann dann durch die Kapazität zwischen Gitter der Röhre und Erde dargestellt werden. Der Trennkondensator B hat für die Hochfrequenzströme eine sehr kleine Impedanz. R, L 2 und C bilden einen Reihenresonanzkreis, der zwischen Anode und Erde liegt. Die Steuergitter sind mit diesem Reihenresonanzkreis zwischen L 2 und C verbunden. Die Reaktanz von L 2 ist bei Betriebsfrequenz gleich der Reaktanz von C gemacht. Der Strom ix, der in dem Reihenkreis fließt, ist mit der Spannung zwischen Anode und Erde ep, wie in dem Vektordiagramm der Abb. 4 a dargestellt ist, in Phase. Der Spannungsabfall el. 2 an L 2 ist gleich dem Spannungsabfall eg an C, aber um 180° gegenüber letzterem verschoben. Die Spannung eg eilt gegenüber Zx und ep um 90⁰ nach, und deshalb eilen die Anodenströme der Anodenspannung ebenfalls um 90⁰ nach, und die durch diesen Elektronenstrom gebildete Reaktanz ist daher induktiv. Die Induktanzen L 3 haben für Hochfrequenzströme eine hohe Impedanz, d. h. sie wirken für die Trägerfrequenzströme als Drossel und haben für die Signal- oder Modulationsströme eine kleine Impedanz. L 3 kann so bemessen sein, daß sie für Fernsehmodulationsfrequenzen als Reihenresonanzspule wirkt. C 2 ist ein Trennkondensator mit für die niedrigste Frequenz der Modulationsspannung geringer Impedanz. Rg ist ein Gitterwiderstand und Ec ist die Vorspannung für die Steuergitter 20 und 24.

Der Ausgang des Modulators kann einem beliebigen Kreis zugeführt werden. In der Praxis wird die frequenzmodulierte Ausgangsleistung des Modulators einem Frequenzvervielfacher zugeführt, dem eine Pufferstufe und ein zusätzlicher Frequenzverdreifacher folgt. Bei einer solchen Anordnung wurden die folgenden Frequenzen verwendet, wobei der Betrieb über den ganzen Bereich sehr zufriedenstellend war. Der Oszillator erzeugte eine Frequenz von 55,5 MHz und wurde mit Fernsehsignalen frequenzmoduliert, die eine Bandbreite von etwa 4 MHz umfaßten. Der Modulationsindex betrug ο,ΐΐΐ. Die modulierte Ausgangsleistung des Oszillators wurde dann auf eine mittlere Frequenz von 166,6 MHz verdreifacht, so daß der Träger nunmehr einen 'Modulationsindex von o,333 besaß. Mit dieser Spannung wurde eine Pufferverstärkerstufe gesteuert, der wiederum ein Verdreifacher folgte, so daß eine Trägerschwingung mit einer mittleren Frequenz von etwa 500 MHz erzielt und mit einem Modulationsindex von weniger so als ι ein Frequenzspektrum von etwa 8 MHz bestrichen wurde.

Claims (1)

1. Patentanspruch·.

   Schaltung zur Frequenzmodulation einer Trägerschwingung, bei der mit dem Schwingungskreis eines Oszillators zwei hochfrequenzmäßig gitter- und anodenseitig in Gegentakt liegende, als kapazitive oder induktive Reaktanzen geschaltete Röhren gekoppelt sind, deren Gitter durch die Modulationsspannungen im Gleichtakt gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt der beiden als Reaktanzen geschalteten Röhren so gewählt ist, daß beide Röhren im C-Betrieb arbeiten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   f 5001 5.53