DE1219997B - Schaltungsanordnung zur probenweisen Gewinnung kurzer impulsaehnlicher Schwingungsformen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIs

Deutsche Kl.: 21 a4-48/61

Nummer: 1219 997

Aktenzeichen: M 52796IX d/21 a4

Anmeldetag: 9. Mai 1962

Auslegetag: 30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur probenweisen Gewinnung kurzer impulsähnlicher Schwingungsformen aus den über einem Hochfrequenzparallelschwingkreis, beispielsweise einem schmalbandigen Filter, in einem Impulsradargerät auftretenden Schwingungen und ist dort besonders vorteilhaft zur probenweisen Gewinnnung kurzer Schwingungsformen aus relativ langen Impulsen verwendbar, die beispielsweise bei bekannten Impulsradargeräten großer Leistung mit zeitlicher Impulskompression verwendet werden.

Eine bekannte Schaltungsanordnung dieser Art enthält einen Gleichrichter für die Schwingungen, einen Kondensator, in welchem die gleichgerichtete Spannung gespeichert wird, und einen impulsmäßig betriebenen Röhren-, Transistor- oder anderen Schalter, welcher die gespeicherte Energie zur Messung oder zu anderen Auswertezwecken entnimmt. Diese Schaltungsanordnung besitzt zahlreiche Nachteile; so ist es beispielsweise schwierig, mit gutem Wirkungsgrad die Schwingkreisenergie auszuwerten, ohne die Belastung des Schwingkreises während dieser Auswertung zu ändern, was unvermeidlich meist unerwünschte und unvorhersehbare Veränderungen in der Bandbreite des Schwingkreises zur Folge hat. Darüber hinaus entnimmt der Schalter, wenn er geschlossen ist, nicht immer die gesamte Energie aus dem Kondensator, wodurch bis zur nächsten Entnahme eine teilweise Aufladung des Kondensators aufrechterhalten wird, die einen Fehler bedingt. Ferner nähern sich die Ausgangsschwingungsformen der bekannten Schaltungsanordnung einem exponentiellen Verlauf an, obgleich eine Annäherung an eine Gaußsche Kurvenform mehr erstrebenswert wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu vermeiden, und besteht darin, daß die beiden Endanschlüsse des Parallelschwingkreises über jeweils einen Gleichrichter gleicher Polarität mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden sind und daß zwischen dem gemeinsamen Schaltungspunkt und dem Mittelanzapfungspunkt der Induktivität des Parallelschwingkreises oder einem anderen Punkt, jedoch gleichen Hochfrequenzpotentials eine Serienschaltungsschleife vorgesehen ist, die eine weitere Induktivität, einen Ausgangs- oder Lastwiderstand und eine Schalteinrichtung enthält, derart, daß bei geschlossener Schalteinrichtung fast die gesamte Schwingenergie des Parallelschwingkreises demselben zur Erzeugung eines Spannungsimpulses über dem Ausgangs- bzw. Lastwiderstand entzogen wird.

Schaltungsanordnung zur probenweisen
Gewinnung kurzer impulsähnlicher
Schwingungsformen

Anmelder:

The Marconi Company Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,

Hannover, Göttinger Chaussee 76

Als Erfinder benannt:

Wilfrid Sinden Mortley,
Vicarage Lane, Great Baddow;
Stanley F. Clarke, Chelmsford, Essex;
Stuart N. Radcliffe, Shenfield, Essex
(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 10. Mai 1961 (17 011),
vom 13. Februar 1962

Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine feste Koppelung zwischen den zwei Teilen der angezapften Induktivität verwendet. Dann ist es oft vorteilhaft, die erfindungsgemäße Anordnung durch den Ersatz des Schwingkreiskondensators durch zwei Kondensatoren abzuändern, von denen jeder die doppelte Kapazität des einzigen ersetzten Kondensators besitzt und von denen jeder über einem verschiedenen Teil der angezapften Spule liegt. Es kann dieser einzige Kondensator aber gelegentlich auch durch einen Kondensator mit der vierfachen Kapazität des ersetzten Schwingkreiskondensators ersetzt werden, wobei dieser Ersatzkondensator jedoch nur über einen Teil der Spule angeschlossen ist. Falls gewünscht, können über dem Kondensator bzw. über jedem der Kondensatoren zur Vergrößerung der Bandbreite Shuntwiderstände vorgesehen sein.

Um die gewonnene Schwingungsform über dem Ausgangswiderstand zu verbessern, ist es zweckmäßig, den Ausgangswiderstand durch eine Verzögerungsleitung (bzw. ein Verzöge'rüngskabel) zu shun-

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ten, welche an ihrem Ende kurzgeschlossen oder mit einem derartigen Abschlußwiderstand abgeschlossen und derart ausgelegt ist, daß sie über ihrem Eingang einen umgepolten reflektierten Impuls erzeugt, der angenähert um die Anstiegszeit des anstoßenden Impulses verzögert und von angenähert der gleichen Amplitude ist, die der anstoßende Impuls nach der zweifachen Zeit des Anstiegs besitzt. Wenn eine hohe Ausgangsimpedanz nicht gewünscht ist, wird die reflektierende und dämpfende Verzögerungsleitung zweckmäßig durch einen Kondensator über dem Ausgangswiderstand ersetzt, welcher derart dimensioniert ist, daß eine kritische Dämpfung erfolgt. Eine weitere Verbesserung der gewonnenen Schwingungsform ist dadurch erreichbar, daß die Ausgangsimpulse, welche über dem Ausgangswiderstand auftreten, in an sich bekannter Weise über ein Tiefpaßfilter geleitet werden.

Ein bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, daß dieselbe für den Ausgangswiderstand und eine Spannung der einen Polarität eine annähernd unendlich große Impedanz darstellt, Falls üblicherweise verfügbare Typen von Halbleiterdioden als Gleichrichter bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung benutzt werden, kann die der Last erscheinende Impedanz, wenn die Schalteinrichtung offen ist, auch für Spannungen der entgegengesetzten Polarität hinreichend groß genug gemacht werden, indem Mittel zur Zuführung einer geeigneten negativen Vorspannung auf die Dioden, wenn die Schalteinrichtung geöffnet ist, vorgesehen werden. In dem bevorzugten Fall, in dem die Schalteinrichtung einen Transitstor als Schalter enthält, welcher normalerweise gesperrt und welcher derart angeordnet ist, daß er bei Zuführung eines Impulses auf seine Basis geschlossen wird, wobei die Schalteinrichtung durch die Emitter-Kollektor-Strecke dargestellt wird, enthalten die erwähnten Mittel zur Zuführung der negativen Vorspannung zweckmäßigerweise einen in Serie mit einer Batteriespannungsquelle liegenden Widerstand, wobei die Reihenschaltung aus Widerstand und Batteriespannungsquelle zwischen Erde und derjenigen Elektrode des Transistors liegt, welche mit dem Hochfrequenzkreis verbunden ist.

.Selbstverständlich ist die Erfindung in ihrer Anwendung nicht zur probenweisen Gewinnung kurzer impulsähnlicher Schwingungsformen aus Schwingungen beschränkt, die in einem Impulsradargerät über einem Parallelschwingkreis des einfachen Typs auftreten, welcher aus. einem einzigen abgestimmten Schwingkreis besteht, sondern kann gleichermaßen in Verbindung mit anderen, beispielsweise mehrkreisigen Filtern angewendet werden..

Tm folgenden sei die Erfindung an Hand der Zeichnungen und der darin gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Bei der Anordnung nach F i g, 1 werden lange Hochfrequenzimpulse über eine Spule 1 der in der Mitte angezapften Spule 2 eines Hochfrequenzparallelschwingkreises zugeführt, der im einfachsten Fall aus dieser Spule 2 und dem dieser Spule parallelgeschalteten Kondensator 3 besteht. Die Halbleiterdioden 4 und 5 verbinden die beiden Endanschlüsse des Schwingkreises mit einem gemeinsamen Punkt 6, welcher über eine Induktivität 7 und einen hierzu in Serie liegenden Lastwiderstand 8 an Erde liegt. Der Mittelanzapfungspunkt der Spule 2 ist über eine Schalteinrichtung mit Masse verbunden. Diese Schalteinrichtung enthält einen Transistor, der zur probenweisen Gewinnung kurzer impulsähnlicher Schwingungsformen durch Zuführung eines kurzen negativen Impulses auf seine Basis 9 geschlossen wird. Der Emitter 10 dieses Transistors liegt an Masse, während sein Kollektor Xl mit dem Mittel· anzapfungspunkt der Spule 2 verbunden ist. Die Werte der Bauelemente 2, 3, 7 und 8 werden im folgenden mit L₁, C₁, L₂ bzw. R_L angegeben.

ίο Die Wirkungsweise ist die folgende: Wenn der Transistor sperrt — was der normale Betriebszustand ist —, ist der Schwingkreis nicht belastet, so daß in dem Kreis Energie gespeichert wird. Wenn der Basis des Transistors ein Impuls zugeführt und der Transistör dadurch in den leitenden Zustand versetzt wird und sich effektiv dadurch die Schalteinrichtung schließt, leiten die Dioden 4 und 5 abwechselnd, wodurch in der Induktivität 7 und dem Lastwiderstand 8 Strom fließt, bis die halbe Spannung über dem Kon-

ao densator 3 der Spannung über dem Lastwiderstand 8 gleich ist. Darauf beginnt der Strom abzufallen, jedoch fließt er weiter infolge der Energie in der Induktivität 7. Zunächst fällt hierbei die Schwingenergie auf Null ab, und dann leiten beide Dioden gleichzeitig, wobei in die beiden Hälften der Spule 2 symmetrische Ströme fließen. Während dieses Zeitraumes ist der Stromabfall des Ausgangsimpulses exponentiell.
Wenn man die Schwingungen mit zweifacher Frequenz unberücksichtigt läßt, die ja — falls gewünscht — in jedem Fall später ausgesiebt werden können, erscheint der Kreis, gesehen von der Induktivität? her, bei Beginn des Probeimpulses als ein aufgeladener Kondensator mit der Kapazität C₂, weleher mit einer Spannung F₂ aufgeladen wird, die als das gleichgerichtete Mittel der halben Spitzenspannung V₁ über dem Kondensator 3 angesehen werden kann. Dann gilt:

Da die Energie in dem Ersatzkondensator der Größe C₂ derjenigen im Kondensator 3 gleich ist, besteht die Beziehung

²

₂ -

wobei

C₁

Demnach verhält sich der Kreis während der Periode t_v in welcher der Strom anwächst, sehr ähnlich dem in F i g, 2 gezeigten Kreis, vorausgesetzt, daß der Schalter S, der das Ersatzschaltbild des Transistors darstellt, geschlossen ist. Nach dieser Periode Z₁ hört die Diode D₁ in der Ersatzschaltung zu leiten auf, und der Stromzufluß wird von der Diode 2 übernommen.

Der resultierende Strom i durch den Lastwiderstand verläuft, falls das Verhältnis -^- nicht zu klein

JiL

6g in bezug auf die Periode Z₁ ist, angenähert wie im oberen Teil der F i g, 3 dargestellt. Im unteren Teil der F i g. 3 ist der Abfall der Spannung V₁ über der gleichen Zeitskala t eingetragen. Während der Peri-

ode J₁ nähert sich die im oberen Teil der F i g, 3 gezeigte Kurve des Stromes i einer Viertel Sinuswelle an, woraufhin sie angenähert eine exponentiell abfallende Kurve wird. Eine bestimmte Zeit t₁ lang kann das Produkt L₂ C₁ wie folgt bestimmt werden:

w =s

wobei w die Frequenz / im Kreisfrequenzmaßstab ist; damit wird

■^2 ^ 3 " ~ _ „

und aus Gleichung (3)

L₂ C₁ =

Die Impulsform kann gegenüber der im oberen Teil der F i g. 3 gezeigten verbessert werden, indem über dem Lastwiderstand 8 eine nicht gezeigte dämpfende, reflektierende Leitung (bzw. ein solches Kabel) angeschlossen wird, welche an ihrem entfernten Ende kurzgeschlossen und derart bemessen ist, daß über dem Lastwiderstand 8 eine umgepolte reflektierte Signalform erzeugt wird, die um etwa die Zeit t verzögert und um einen Betrag gedämpft ist, den der Impuls gemäß dem oberen Teil der F i g. 3 am Ende einer Periode 21₁ aufweist. In dieser Art wird der Rest des abfallenden Teiles des Impulses gelöscht.

Falls die Zeitkonstante-—groß ist, ist der erforderliche Betrag für die Dämpfung der Leitung klein, und eine derartige Leitung sollte dann einen Wellenwiderstand besitzen, der gleich R_L ist. Für kürzere Zeitkonstanten könnte die Dämpfungsvorrichtung einen Wellenwiderstand aufweisen, der etwas von R_L abweicht, obgleich es im allgemeinen günstiger sein wird, diese Dämpfungsvorrichtung an R_L über ein π- oder T-Widerstandsnetzwerk in an sich bekannter Weise anzupassen. Weiterhin könnte der Kurzschluß der Leitung an Erde durch einen Widerstand der Größe

ersetzt werden, wobei

Die angenäherten Gleichungen für den ansteigenden und abfallenden Teil der im oberen Teil der F i g. 3 gezeigten Kurve sind in der F i g. 3 eingetragen.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die der Anordnung nach F i g. 1 ähnlich ist, wobei in Serie mit einer Spannungsquelle 13 jedoch ein Widerstand 12 zwischen dem Mittelanzapfungspunkt der Spule 2 und Erde vorgesehen ist. Hierdurch wird eine negative Vorspannung an die Dioden 4 und S gelegt, wenn die Schalteinrichtung geöffnet ist. In dieser Weise kann die Impedanz, welche dem Lastwiderstand dargeboten wird und welche bereits — abgesehen von dem Zeitraum, wenn die Probe stattfindet — für positive Impulse praktisch unendlich groß ist, auch für negative Impulse erhöht werden. Der Widerstand 12 begrenzt die zusätzliche Komponente des Transistorstromes auf einen oberen Grenzwert, der von dem maximalen Transistorsperrstrom abhängig ist. Eine Erscheinung, die bei dieser Anordnung auftritt, ist diejenige, daß die Diodenkapazität auf einen kleinen konstanten Wert aufgeladen wird, welcher durch den Probeimpuls auf den Lastwiderstand abgegeben wird. Ohne

ίο Vorspannung ist — wenn man Sperrschichtdioden annimmt ·— diese Aufladung im wesentlichen der quadratischen Wurzel der Signalspitzenspannung proportional, und die Energie ist der dritten Potenz dieser Spitzenspannung proportional, wobei der Betrag der Aufladung von der Legierungsfläche abhängt, so daß er bei verschiedenen Dioden sehr stark variieren kann.

Die Anordnung nach F i g. 4 enthält gleichzeitig Mittel, um die Gleichrichtereigenschaften der Diode zu verbessern. Übliche Halbleiterdioden haben eine kleine, ihnen eigentümlich innere Spannungsbarriere, welche die Gleidhrichtung bei kleinen Amplituden unmöglich macht. Bei der Anordnung nach F i g. 4 ist zur Vermeidung dieses Nachteils eine Spannungsquelle 14 vorgesehen, welche eine geeignete Vorspannung Vf zur Kompensation des Effektes dieser Spannungsbarriare abgibt. Übliche Werte für diese Vorspannung sind 0,2 V im Falle von Germaniumdioden und 0,6 V im Falle von Siliziumdioden. Zu hohe Vorspannungswerte ergeben beim Ausgangsimpuls Impulsformen, welche einen sogenannten Sockel enthalten.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Filter eine Anzahl (im gezeigten Fall drei, nämlich X, Y und Z) von angekoppelten Kreisen hat. Wenn Probeimpulse aus dem Kreis Z zugeführt werden, verbleibt immer ein gewisser Energiebetrag in den Kreisen X und Y. Um den Übergang dieser Energie auf den Kreis Z und damit Einschwingvorgänge zu vermeiden, sind Mittel, welche gleichzeitig mit dem Probeimpuls arbeiten, zur Dämpfung der Energieanteile in den Kreisen X und Y vorgesehen. Dies kann beispielsweise durch Einfügung jeder dieser Kreise jeweils in Serie mit einer Diode 15 zwisehen Erde und dem Kollektor des Schalttransistors erfolgen. Da in diesem Fall die gesamte in den Kreisen X bzw. Y gespeicherte Energie in der zugehörigen Diode 15 und dem Transistor, welcher wie die Dioden eine niederohmige Anordnung darstellt, vernichtet wird, ist es zweckmäßig, den Strom gering zu halten, indem in jedem Fall ein Serienwiderstand 16 derartiger Größe zur Diode 15 vorgesehen wird, daß eine kritische Dämpfung auftritt, d.h. im Fall nach Fig. 5, daß der Widerstand 16 einen Wert ^LC be-

sitzt, wobei L die Induktivität und C die Kapazität des abgestimmten Schwingkreises sind.

In der Anordnung nach F i g. 5, bei der die gleiche Transistorschalteinrichtung den Probekreis und die Dämpfungskreise schaltet, wird die Kapazität der Probediode auf die höchste Spitzenspannung des Signals aufgeladen, welches in einem beliebigen der Schwingkreise Z, Y und Z auftritt. Dies kann — falls gewünscht — durch eine Anordnung nach F i g. 6 vermieden werden, in welcher ein zusätzlicher Schalttransistor mit den Elektroden 110, 111 und 112 vorgesehen ist, welcher gleichzeitig mit dem anderen Transistor geschaltet wird, wobei der zusätzliche

Transistor die Dämpfungskreise X und Y schaltet. Die Widerstände 17 in den Basisverbindungsleitun-' gen sind derart dimensioniert, daß eine geeignete Aufteilung des Basisstromes während des Auftretens des Probeimpulses bewirkt wird.

Offensichtlich kann, da die Elemente 7 und 8 mit der Transistorschalteinrichtung und der Diodenkombination 2, 3, 4 und 5 in einem geschlossenen Kreis in Serie liegen, die Reihenfolge, in welcher diese in Serie liegenden Teile der Schaltung auftreten, verändert werden. In den Anordnungen nach den F i g. 5 und 6 liegt die Induktivität 7 zwischen dem Schalter und dem abgestimmten Schwingkreis anstatt zwischen dem Schwingkreis und dem Lastwiderstand.

Claims (7)

Patentansprüche: 15

1. Schaltungsanordnung zur probenweisen Gewinnung kurzer impulsähnlicher Schwingungsformen aus den über einem Hochfrequenzparallelschwingkreis auftretenden Schwingungen in einem Impulsradargerät, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endanschlüsse des Parallelschwingkreises über jeweils einen Gleichrichter gleicher Polarität mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt verbunden sind und daß zwischen dem gemeinsamen Schaltungspunkt und dem Mittelanzapfungspunkt der Induktivität des Parallelsehwingkreises oder einem anderen Punkt, jedoch gleichen Hochfreqüenzpotentials eine Serienschaltungsschleife vorgesehen ist, die eine weitere Induktivität, einen Ausgangs- oder Lastwiderstand und eine Schalteinrichtung enthält, derart, daß bei geschlossener Schalteinrichtung fast die gesamte Schwingenergie des Parallelsehwingkreises demselben zur Erzeugung eines Spannungsimpulses über dem Ausgangs- bzw. Lastwiderstand entzogen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines impulsbetriebenen Transistors oder einer impulsbetriebenen Röhre als Schalteinrichtung.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine feste Koppelung der zwei Hälften der mittenangezapften Spule.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswiderstand durch eine Verzögerungsleitung'¹ geshuntet ist, welche an ihrem anderen Ende kurzgeschlossen oder mit einem Widerstand derart abgeschlossen ist, daß sie an ihrem Eingang einen umgepolten Impuls zur Verfugung stellt, welcher angenähert um die Anstiegszeit des anstoßenden Impulses verzögert und von einer Amplitude ist, welche angenähert gleich der Amplitude des anstoßenden Impulses nach der . zweifachen Zeit des Anstiegs ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswiderstand mittels eines Kondensators derartiger Größe geshuntet ist, daß kritische Dämpfung erfolgt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaßfilter an den Ausgangswiderstand angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Transistors dieser normalerweise gesperrt ist und derart angeordnet ist, daß er bei Zuführung des Impulses auf seine Basis in den leitenden Zustand versetzt wird, und die Schalteinrichtung durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors gebildet wird sowie Mittel zur Zuführung einer Vorspannung vorgesehen sind, weiche einen Widerstand in Serie mit einer Vorspannungsquelle enthalten, welch letztere zwischen Erde und derjenigen Elektrode des Transistors eingeschaltet ist, mit der der Hochfrequenzschwingkreis verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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