DE1014603B

DE1014603B - Mixing stage for additive mixing

Info

Publication number: DE1014603B
Application number: DET11118A
Authority: DE
Inventors: Erwin Willwacher
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1955-07-08
Filing date: 1955-07-08
Publication date: 1957-08-29

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft eine Mischstufe zur additiven Mischung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen mit am Hochfrequenzeingang der Mischstufe liegendem Filter.The invention relates to a mixer for the additive mixing of very short electromagnetic waves with am High-frequency input of the mixer with a horizontal filter.

Zur Mischung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen unterhalb des Meterwellenbereiches werden fast ausschließlich Dioden oder Detektoren verwendet, da sich mit den im Rundfunkbereich gebräuchlichen Mehrgittermischröhren, wie z. B. Hexoden oder Oktoden, im Bereich der Dezimeter- und Zentimeterwellen wegen der Laufzeiteffekte und der unvermeidbar langen Zuleitungen keine ausreichende Mischempfindlichkeit erzielen läßt.To mix very short electromagnetic waves below the meter wave range are almost exclusively Diodes or detectors are used, because with the multigrid mixer tubes commonly used in the broadcasting sector, such as B. hexodes or octodes, in the range of decimeter and centimeter waves because of the transit time effects and the unavoidably long supply lines do not allow sufficient mixing sensitivity to be achieved.

Bei der mit Dioden oder Detektoren möglichen additiven Mischung entstehen außer der Zwischenfrequenz noch eine Vielzahl Oberwellen, von denen besonders die Spiegelfrequenz einen starken Einfluß auf den Mischwirkungsgrad und damit die Empfindlichkeit der Mischstufe ausüben kann. Dieser Einfluß der Spiegelfrequenz ist stark frequenzabhängig, so daß die mit derartigen Anordnungen übertragbaren Frequenzbänder nur sehr schmal sein können, da die Pegelschwankungen ein gewisses Maß nicht überschreiten dürfen.In addition to the intermediate frequency, additive mixing is possible with diodes or detectors a large number of harmonics, of which the image frequency in particular has a strong influence on the mixing efficiency and thus can exercise the sensitivity of the mixer stage. This influence of the image frequency is highly frequency-dependent, so that the frequency bands that can be transmitted with such arrangements are only very can be narrow, since the level fluctuations must not exceed a certain amount.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Rückwirkung der Spiegelfrequenz auf die Mischstufe zu beseitigen, und damit die Bandbreite von Mischstufen mit additiver Mischung zu vergrößern.The object of the invention is to eliminate the effect of the image frequency on the mixer stage, and thus increasing the range of mixing stages with additive mixing.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwischen Empfangsfilter und Mischstufe einen Vierpol mit richtungsabhängiger Dämpfung derart einzuschalten, daß in Richtung von der Mischstufe zum Filter laufende Wellen aufgebraucht oder zumindest stark gedämpft, in entgegengesetzter Richtung laufende Wellen nicht oder nur unbedeutend geschwächt werden.According to the invention, it is proposed that a quadrupole with a directional function be installed between the reception filter and the mixer Switch on attenuation in such a way that waves running in the direction from the mixer to the filter used up or at least strongly attenuated, waves running in the opposite direction not or only are insignificantly weakened.

Es ist zwar eine Meßeinrichtung zur Untersuchung der Eigenschaften von Ferriten im Hochfrequenzfeld bekannt, bei welcher zwischen dem Meßsender, in diesem Falle ein Klystron, und einer Mischstufe die zu untersuchende Ferritprobe innerhalb einer Hohlleitung angebracht ist. Hier handelt es sich jedoch nur um die reine Untersuchung der Eigenschaften der Ferrite, und die Aufgabe, eine Reflexion von unerwünschten Schwingungen, die in einer additiven Mischschaltung neben den gewünschten Zwischenfrequenzschwingungen entstehen, an einem vorgeschalteten Filter oder einer vorgeschalteten Verstärkerstufe zu unterbinden, ist hier nicht gestellt.Although a measuring device for investigating the properties of ferrites in the high-frequency field is known, in which between the measuring transmitter, in this case a klystron, and a mixer stage the one to be examined Ferrite sample is attached within a hollow pipe. However, this is only a matter of pure investigation the properties of ferrites, and the task of providing a reflection of unwanted vibrations that occur in a additive mixing circuit in addition to the desired intermediate frequency oscillations arise at an upstream Preventing filters or an upstream amplifier stage is not provided here.

Nachstehend sollen zunächst an sich bekannte Vierpole mit richtungsabhängiger Dämpfung beschrieben werden. An Hand der Abb. 1 sollen dann eine bekannte Mischstufe und die hierbei auftretenden Störeffekte, an Hand der Abb. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mischstufe beschrieben werden.In the following, four-pole connections, known per se, with direction-dependent damping will first be described. On the basis of Fig. 1, a known mixer stage and the disruptive effects that occur in this case, should then be used on the basis of the Fig. 2 an embodiment of a mixer according to the invention are described.

Eine Gruppe von richtungsabhängigen Dämpfungsgliedern nutzt den Faraday-effekt aus, wie er beispielsweise in ferromagnetischen Materialien (z. B. Ferriten) oder in sogenannten Gasentladungsplasmen (das sindA group of directional attenuators uses the Faraday effect, such as that used in ferromagnetic materials (e.g. ferrites) or in so-called gas discharge plasmas (that are

Mischstufe zur additiven MischungMixing stage for additive mixing

Anmelder:Applicant:

Telefunken G. m. b. H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71Telefunken G. mb H.,
Berlin NW 87, Sickingenstr. 71

Erwin Willwacher, Ulm Donau-Söflingen,
ist als Erfinder genannt wordenErwin Willwacher, Ulm Donau-Söflingen,
has been named as the inventor

Gase, in denen sich unter dem Einfluß einer SpannungGases in which are under the influence of a voltage

: freie Elektronen und Ionen bilden) auftritt. Der Faradayeffekt hat die Wirkung, daß die Polarisationsebene einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle bei Anlegen eines axial gerichteten Magnetfeldes gedreht wird. Der Sinn der Polarisationsdrehung ist dabei abhängig von der Richtung der magnetischen Feldstärke, dagegen unabhängig von der Fortpflanzungsrichtung der Welle. Das Maß der Drehung ändert sich mit der Länge des ferromagnetischen Körpers bzw. des Gasentladungsplasmas und der Feldstärke des angelegten Magnetfeldes.
Derartige Vierpole können z. B. in der Weise aufgebaut sein, daß im Zuge einer Hochfrequenzleitung ferromagnetisches Material oder ein Gasentladungsplasma angeordnet ist, an welches in axialer Richtung ein Magnetfeld solcher Stärke angelegt ist, daß die Polarisationsebene im ferromagnetischen Körper oder im Gasentladungsplasma um 45° gedreht wird. Vor und hinter dem ferromagnetischen Körper oder dem Gasentladungsplasma ist je eine Schicht aus wellenabsorbierendem Material angeordnet. Die Ebenen dieser Dämpfungsschichten liegen derart in der Leitung, daß der elektrische Vektor einer in der Durchlaßrichtung laufenden Welle stets senkrecht zu den Dämpfungsschichten steht. Eine in der Sperrichtung laufende Welle, z. B. eine reflektierte Welle, wird im ferromagnetischen Körper oder im Gasentladungsplasma derart gedreht, daß ihr elektrischer Vektor nach Durchlaufen des ferromagnetischen Körpers bzw. des Gasentladungsplasmas parallel zur Ebene der eingangsseitigen Dämpfungsschicht verläuft und damit die Welle durch die Dämpfungsschicht absorbiert oder zumindest stark gedämpft wird. Zur Erzielung einer guten Anpassung empfiehlt es sich, den ferromagnetischen Körper bzw. das Gasentladungsplasma enthaltende Glasgefäß und die Dämpfungsschichten an den Enden zu tapern. Die Dämpfung derartiger Vierpole beträgt in der Sperrichtung etwa 30 db, die maximale: free electrons and ions form) occurs. The Faraday effect has the effect that the plane of polarization of a linearly polarized electromagnetic wave is rotated when an axially directed magnetic field is applied. The sense of the polarization rotation is dependent on the direction of the magnetic field strength, but independent of the direction of propagation of the wave. The degree of rotation changes with the length of the ferromagnetic body or the gas discharge plasma and the field strength of the applied magnetic field.
Such four poles can, for. B. be constructed in such a way that ferromagnetic material or a gas discharge plasma is arranged in the course of a high frequency line, to which a magnetic field is applied in the axial direction of such strength that the plane of polarization in the ferromagnetic body or in the gas discharge plasma is rotated by 45 °. A layer of wave-absorbing material is arranged in front of and behind the ferromagnetic body or the gas discharge plasma. The planes of these damping layers lie in the line in such a way that the electrical vector of a wave running in the forward direction is always perpendicular to the damping layers. A wave running in the reverse direction, e.g. B. a reflected wave is rotated in the ferromagnetic body or in the gas discharge plasma in such a way that its electrical vector runs parallel to the level of the input-side damping layer after passing through the ferromagnetic body or the gas discharge plasma and thus the wave is absorbed or at least strongly attenuated by the damping layer. To achieve a good match, it is advisable to taper the ferromagnetic body or the glass vessel containing the gas discharge plasma and the damping layers at the ends. The attenuation of such quadrupoles is about 30 db in the reverse direction, the maximum

709t 659/303709t 659/303

Dämpfung in der Durchlaßrichtung hegt etwa zwischen 0,1 und 0,2 db.Attenuation in the forward direction is between 0.1 and 0.2 db.

Ebenfalls eine richtungsabhängige Übertragongsdämpfung erzielt man mit der Anordnung, die sich besonders für in der H₁₀-Schwingungsart betriebene Hohlrohrleitungen rechteckigen Querschnitts eignet. Bei dieser Anordnung ist ein Streifen ferromagnetisohen Materials geringer Dicke (etwa 0,5 mm) unsymmetrisch im Querschnitt einer Hohlrohrleitung angeordnet, wobei die Längsrichtung des ferromagnetischen Streifens in Achsrichtung der Hohlrohrleitung, die größere der Querabmessungen in Richtung der elektrischen Feldstärke verläuft. Ebenfalls in Richtung der elektrischen Feldstärke ist ein Magnetfeld angelegt, dessen Feldstärke derart gewählt ist, daß in dem ferromagnetischen Streifen ferromagnetische Resonanz auftritt. Derartige Vierpole mit richtungsabhängiger Dämpfung weisen etwas ungünstigere Dämpfungswerte auf als die Vierpole, die den Faradayeffekt ausnutzen, sind diesen jedoch bezüglich ihres einfachen Aufbaues und der sehr guten Anpassung überlegen.Direction-dependent transmission damping is also achieved with the arrangement which is particularly suitable for hollow pipelines with a rectangular cross section operated _{in the H 10 mode.} In this arrangement, a strip of ferromagnetic material of small thickness (about 0.5 mm) is arranged asymmetrically in the cross section of a hollow pipeline, the longitudinal direction of the ferromagnetic strip in the axial direction of the hollow pipeline, the larger of the transverse dimensions in the direction of the electric field strength. A magnetic field is also applied in the direction of the electrical field strength, the field strength of which is selected such that ferromagnetic resonance occurs in the ferromagnetic strip. Such quadrupoles with direction-dependent damping have somewhat less favorable damping values than the quadrupoles that use the Faraday effect, but are superior to these in terms of their simple structure and very good matching.

Abb. 1 zeigt im Blockschaltbild die eingangsseitig gelegenen Schaltungsteile eines bekannten Empfängers für sehr kurze elektromagnetische Wellen. Der Niederfrequenzverstärker und die nachfolgenden Stufen des Verstärkers sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Durch eine Antenne A wird das auf einen Hochfrequenzträger von der Frequenz fs modulierte Signal empfangen und über eine Antennenzuleitung L₁ einem Hochfrequenzfilter F zugeführt. Das Filter F hat die Aufgabe, die Empfangsfrequenz fß zum Empfänger durchzulassen und alle übrigen Frequenzen, insbesondere auch die von außen kommenden Spiegelfrequenzschwingungen, auszusperren. Der Ausgang des Filters F ist über eine Leitung L₂ mit dem Hochfrequenzeingang einer Mischstufe M, die beispielsweise eine Mischdiode oder einen Mischdetektor enthält, verbunden. In den zweiten Eingang der Mischstufe M wird eine in einem Oszillator O erzeugte Oszillatorfrequenz fo eingespeist. An den Ausgang der Mischstufe, an dem die Zwischenfrequenz fz Hegt, ist der Zwischenfrequenzverstärker ZF angeschlossen. Fig. 1 shows in a block diagram the circuit parts of a known receiver for very short electromagnetic waves located on the input side. The low frequency amplifier and the subsequent stages of the amplifier are omitted for the sake of clarity. The signal modulated on a high-frequency carrier by the frequency fs is received by an antenna A and fed to a high-frequency filter F via an antenna feed line L _1. The function of the filter F is to allow the receiving frequency fb to pass to the receiver and to block out all other frequencies, in particular also the image frequency oscillations coming from outside. The output of the filter F is connected via a line L ₂ to the high-frequency input of a mixer stage M, which contains, for example, a mixer diode or a mixer detector. An oscillator frequency fo generated in an oscillator O is fed into the second input of the mixer M. The intermediate frequency amplifier ZF is connected to the output of the mixer stage at which the intermediate frequency fz is present.

In der Mischstufe entsteht außer der Zwischenfrequenz und verschiedenen Oberwellen die »inneres Spiegelfrequenz fs = 2fo — fie- Diese Spiegelfrequenz fs tritt über den Hochfrequenzeingang aus und wird an der Ausgangsseite des Empfangsfilters F, das für die Spiegelfrequenz einen reinen Blindwiderstand darstellt, in die Mischstufe reflektiert. Praktische Versuche, wie auch theoretische Überlegungen haben gezeigt, daß die Größe und die Phase der in die Mischstufe reflektierten Spiegelfrequenz und damit der Wert des Widerstandes am hochfrequenzseitigen Eingang der Mischstufe einen starken Einfluß auf den Mischwirkungsgrad ausübt. Sowohl der Blindwiderstand des Filters F als auch die elektrische Länge der Leitung L₂ sind starken Änderungen mit der Frequenz unterworfen, so daß innerhalb eines breiten Frequenzbandes starke Änderungen des Mischwirkungsgrades und damit starke Pegelschwankungen auftreten. Der selektive Einfluß der Leitung L₂ könnte zwar dadurch vermieden werden, daß die Länge der Leitung L₂ so kurz wie möglich gewählt wird; die Blindwiderstandsschwankungen des Filters F mit der Frequenz sind jedoch unvermeidbar. Darüber hinaus ist es oft erwünscht, das Filter F räumlich entfernt von der Mischstufe anzuordnen, d. h. der Leitung L₂ eine endliche Länge zu geben. Die bei diesen bekannten Anlagen auftretenden Widerstandsänderungen auf der Hochfrequenzeingangsseite und damit die Pegelschwankungen am Ausgang der Mischstufe überschreiten bei breiten zu übertragenden Frequenzbändern das zulässige Maß, so daß diese Anordnungen nur zur Verstärkung relativ schmaler Bänder Verwendung finden können. Der gleiche störende Effekt tritt beispielsweise auch bei Anordnungen auf, bei denen vor der Mischstufe eine Hochfrequdnzverstärkerstufe angeordnet ist, da der Ausgangskreis der Hochfrequenzverstärkerstufe für die Spiegelfrequenz ebenfalls einen Blindwiderstand darstellt und reflektierend wirkt. ii||.j ■■ ... In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfinduBgs^ gemäßen Anordnung dargestellt, bei der zwischen $ks Empfangsfilter F und die Mischstufe M ein Vierpol KP mit richtungsabhängiger Dämpfung eingeschaltet ist. In den übrigen Teilen entspricht die Schaltungsanordnung nach Abb. 2 der in Abb. 1 dargestellten. Gleiche Teile sind deshalb auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Vierpol VP mit richtungsabhängiger Dämpfung ist derart in die Leitung L₂, L₂' eingeschaltet, daß von der Mischstufe zum Filter laufende Wellen aufgebraucht oder zumindest geschwächt, in entgegengesetzter Richtung (Pfeilrichtung) laufende aber nicht oder nur schwach gedämpft werden. Für eine am Hochfrequenzeingang der Mischstufe austretende Welle, also auch für die »innere« Spiegelfrequenz fs, herrscht in einem praktisch unbegrenzten Frequenzbereich Anpassung, d. h., dife Spiegel- : frequenz wird bei dieser Schaltung nicht zur Miscnsfetfe, reflektiert. Hierdurch wird auch der Misch wirkungsgrad unabhängig vom jeweiligen Blindwiderstand des Filters F und von der Länge der Leitung L₂' und damit unabhängig von der Frequenz, so daß die Bandbreite sehr groß gewählt werden kann. Die Einschaltungsstelle des Vierpols mit richtungsabhängiger Dämpfung in die Leitung L_n, L₂' sowie die Längen der Leitungen L₂, L₂' könnenIn addition to the intermediate frequency and various harmonics, the mixer stage produces the »internal image frequency fs = 2fo - fie This image frequency fs exits via the high-frequency input and is reflected into the mixer stage at the output side of the receiving filter F, which represents a pure reactance for the image frequency . Practical tests as well as theoretical considerations have shown that the size and phase of the image frequency reflected in the mixer stage and thus the value of the resistance at the high-frequency input of the mixer stage have a strong influence on the mixing efficiency. Both the reactance of the filter F and the electrical length of the line L ₂ are subject to strong changes with frequency, so that strong changes in the mixing efficiency and thus strong level fluctuations occur within a wide frequency band. The selective influence of the line L ₂ could be avoided by making the length of the line L ₂ as short as possible; however, the reactance fluctuations of the filter F with frequency are unavoidable. In addition, it is often desirable to arrange the filter F spatially remote from the mixing stage, ie _{to give the line L 2} a finite length. The resistance changes occurring in these known systems on the high-frequency input side and thus the level fluctuations at the output of the mixer exceed the permissible level for wide frequency bands to be transmitted, so that these systems can only be used to amplify relatively narrow bands. The same disruptive effect also occurs, for example, in arrangements in which a high-frequency amplifier stage is arranged in front of the mixer, since the output circuit of the high-frequency amplifier stage for the image frequency also represents a reactance and has a reflective effect. ii || .j ■■ ... FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an arrangement according to the invention, in which a four-pole KP with direction-dependent damping is switched on between $ ks receiving filter F and mixer M. In the remaining parts, the circuit arrangement according to FIG. 2 corresponds to that shown in FIG. The same parts are therefore also provided with the same reference numerals. The quadrupole VP with directional damping is switched into line L ₂ , L ₂ 'in such a way that waves running from the mixer to the filter are used up or at least weakened, but waves running in the opposite direction (arrow direction) are not or only weakly attenuated. For a wave emerging at the high-frequency input of the mixer, i.e. also for the "inner" image frequency fs, there is a practically unlimited frequency range of adaptation, ie the difference in image frequency is not reflected in this circuit for the purpose of mixing. This also makes the mixing efficiency independent of the respective reactance of the filter F and of the length of the line L ₂ 'and thus independent of the frequency, so that the bandwidth can be selected to be very large. The connection point of the quadrupole with directional attenuation in the line L _n , L ₂ 'and the lengths of the lines L ₂ , L ₂ ' can

beliebig gewählt werden, so daß es möglich ist, das can be chosen arbitrarily so that it is possible to use the

Filter F beliebig weit von der Mischstttfe eratüfernl," beispielsweise am Antennenausgang, anzuordnen.Filter F can be arranged as far as desired from the mixing station, for example at the antenna outlet.

Die erfindungsgemäße Einschaltung eines Vierpols mit richtungsabhängiger Dämpfung ist nicht nur auf eine Empfängeranordnung nach Abb. 2 beschränkt, sondern kann immer dann Anwendung finden, wenn in einem Verstärker eine Frequenzumsetzung mittels additiver Mischung vorgenommen werden soll.The inventive inclusion of a four-pole with directional damping is not only on one Receiver arrangement according to Fig. 2 is limited, but can always be used when in a Amplifier a frequency conversion by means of additive mixing is to be made.

Claims

1. Mixer for the additive mixing of very short electromagnetic waves with a filter or preamplifier located in front of the high-frequency input of the mixer, characterized in that a four-pole with directional damping is included between the filter or preamplifier and the mixer so that in the direction from the mixer to the filter running waves used up or at least * strongly damped, in the opposite direction | running waves are not or only insignificantly weakened η. _: |

2. Four-pole with directional damping for; Use in a mixing stage according to claim 1; characterized in that a ferromagnetic body is arranged in a hollow pipe Ϊ line section that means of such a size are provided for generating an axial magnetic field in the ferromagnetic body that the polarization direction ■ of a | Shaft is rotated by 45 °, and that in the Hohlrolir- i line on both sides of the ferromagnetic !! j body damping layers arranged in such a way siadj-, | that the electrical vector, one the ^quadrupole with lf | direction-dependent attenuation in the forward direction _; | j passing wave, perpendicular to the planes of the damping layers.

3. four-pole with directional damping for use in a mixer according to claim 1, characterized in that a gas discharge plasma is arranged in a hollow pipe section is that provided for generating an axial magnetic field in the gas discharge plasma means of such a size are that the polarization direction of a wave passing through the gas discharge plasma by 45 ° is rotated, and that in the hollow pipeline on both sides of the gas discharge plasma damping layers are arranged so that the electrical Vector, a wave passing through the quadrupole with direction-dependent damping in the forward direction, perpendicular to the planes of the damping layers.

4. four-pole with directional damping for use in a mixer according to claim 1, characterized in that in a hollow tube

line section a strip of ferromagnetic material is arranged asymmetrically, such that its longitudinal direction parallel to the hollow tube axis and its larger transverse dimension in the direction of the electrical Field lines runs, and that in the direction of the electric field lines a magnetic field of such strength is applied that ferromagnetic resonance occurs in the ferromagnetic strip.

5. Arrangement according to claim 1, characterized in that the quadrupole with direction-dependent Attenuation in the train of a high-frequency line between mixer and filter or preamplifier is switched on.

Considered publications:

The Bell System Technical Journal, Jan. 1955, pp. 24 and 25.

1 sheet of drawings