DE2125341A1

DE2125341A1 - Resonator mit veränderlicher Resonanzfrequenz

Info

Publication number: DE2125341A1
Application number: DE19712125341
Authority: DE
Inventors: Toshi; Tokuzawa Yukimichi; Kadoma Osaka Anbe (Japan). HOIp 3-02
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-05-21
Filing date: 1971-05-21
Publication date: 1971-12-02
Also published as: CA929617A; US3766494A; DE2125341B2; NL7106982A; DE2125341C3; JPS5132252B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Resonator und insbesondere auf einen Resonator mit veränderlicher Resonanzfrequenz, der Pestkörpervorrichtungen mit veränderlicher Reaktanz aufweist.

Es sind verschiedene Resonatoren mit veränderlicher Resonanzfrequenz bekannt, beispielsweise ein Resonator, der einen veränderlichen Kondensator verwendet, welcher mechanisch bewegliche Elektrodenpaare besitzt. Diese Kondensatorart gilt gegenwärtig als ziemlich veraltet und ist für automatisch gesteuerte Resonatoren praktisch unbrauchbar. Eine andere Resonatorart verwendet eine Varactor-Diode mit einer veränderlichen Kapazität,

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die in einer Verarmungsschicht (Sperrschicht) gebildet ist. Dieser Resonator ist wegen seiner hohen Ansprechgeschwindigkeit, Steuerbarkeit usw. vorteilhaft. Es tritt jedoch ein Problem auf beim Einbauen einer Vielzahl von Resonatoren dieser Art in ein einziges Systen, beispielsweise einen Superheterodyn-Radioempfanger und einen mehrstufigen abgestimmten Verstärker, da es schwierig ist, die Varactor-Dioden verfügbar zu haben, die miteinander koinzidierende Kapazitätsänderungseigenschaften besitzen.

Durch die Erfindung wird ein Resonator mit veränderlicher Resonanzfrequenz geschaffen, der ein Ferrit-Streifenleitungselement besitzt mit einer inneren leitenden Platte, zumindest einer äußeren leitenden Platte, die der inneren leitenden Platte gegenüberliegt, und mit zumindest einer Ferrit-Platte, die zwischen der inneren und äußeren leitenden Platte angeordnet ist, eine Varactor-Diode mit Anoden- und Kathodenanschlüssen,

die jeweils mit der inneren und äußeren leitenden Platte an fc deren einem Ende verbunden sind, eine Vorspannungsquelle, die mit den Anoden-und Kathodenanschlüssen zum Anlegen einer Sperrspannung an die Varactor-Diode verbunden ist, und eine Solenoideinrichtung, die von einer Energiequelle zum Anlegen eines mag-

_^ netischen Feldes an die Ferrit-Platte erregt wird.

■r- Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer

"** Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Resonators;

Pig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Äquivalenzschaltung der Resonators nach Fig. 1;

Pig. 3 zeigt ein Schaltbild eines Oszillators, der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators verwendet; und

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines zweistufigen abgestimmten Verstärkers, bei dem eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßn Resonators verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Resonator besitzt ein Ferritstreif enleitungselement und eine Varactordiode, die sich einander ergänzen.

Die in Fig. 1 allgemein mit der Bezugsziffer 11 bezeichnete vorzugsweise gewählte Ausführungsform des Resonators dieser Art besitzt ein Perrxtstreifenleitungselement SL, das einen Streifenleitungsaufbau aufweist, der durch ein Paar Aussenleiter 12 und 12· und einen Innenleiter 13 gebildet ist, der zwischen und in Abstand von den Außenleitern 12 und 12* angeordnet ist, und ein Paar Ferritplatten I¹I und 14', die als Isolatoren zwischen den Innenleiter 13 und die Außenleiter 12 und 12' gesetzt sind. Wenn zwar die Ferritplatten Ik und 14· hier im Abstand dargestellt sind, können sie sich vorzugsweise in Berührung miteinander befinden, wobei der Innenleiter 13 dazwischen eingeschoben ist. Die Außenleiter 12 und 12' sind

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elektrisch miteinander verbunden, so daß sie ein gemeinsames elektrisches Potential besitzen. Im Bedarfsfall kann einer der Außenleiter 12 und 12' zur Erleichterung der Herstellung weggelassen werden, was mehr oder weniger von einem verschlechterten Leistungsgrad begleitet ist. Ein Ende des Innenleiters 13 ist über eine Leitung 16 und einen Kondensator 17 mit einem Kathodenanschluß einer Varactordiode VD verbunden. Der Anodenanschluß dieser Varactordiode ist über eine Leitung 16' mit dem Teil des Leiters 12 oder 12' verbunden, der dem oben erwähnten Ende des Innenleiters 13 am nächsten ist. Ein positiver und ein negativer Anschluß einer veränderlichen Gleichspannungsquelle 18 ist jeweils mit dem Anoden- und Kathodenanschluß der Varactordiode VD verbunden. Die Leitungen 16 und 16' sind ebenfalls mit Eingangsanschlüssen 19 und 19' verbunden, über die ein Wechseläpannungssignal von einer Wechselspannungssignalquelle 21 anliegt. Die Varactordiode VD wird von der Gleichspannungsquelle 18 in Sperrichtung vorgespannt, und die Kapazität C der Varactordiode VD wird proportional zur Änderung der Gleichspannung von der Quelle 18 geändert. Andererseits wird ein magnetisches Feld H an die Ferritstreifenleitung SL angelegt, wie dies durch einen Pfeil 19 gezeigt ist. Dieses magnetische Feld wird von einem Solenoid 22 erzeugt, dessen Kern von einer veränderlichen Gleichspannungsquelle 22 energiert wird. In Übereinstimmung mit der Intensitätsänderung des magnetischen Feldes H wird eine effektive Permeabilität jeder Ferritplatte Ik und I¹I¹ geändert. Die Intensität des magnetischen Feldes H liegt innerhalb eines magnetischen Resonanzbereichs von 1000 bis 3000 Gauss, beispielsweise um eine steile Änderung der ef-

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fektiven Permeabilität in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Feldes zu erhalten. Ein die Ferritplatten bildendes Ferritmaterial sollte die höchst mögliche Änderungsrate der effektiven Permeabilität innerhalb des magnetischen Resonanzbereichs haben. In dieser Ausführungsform sind die Außenleiter 12 und 12' mit ihren den Leitungen 16 und 16' entgegengesetzten Enden unmittelbar mit dem Innenleiter 13 verbunden. Zum Trennen der Sperrvorspannungsquelle und des Streifenleitungsaufbaus des Streifenleitungselements SL voneinander kann eine andere Form verwendet werden. Beispielsweise kann der Kondensator 17 in die Leitung 16 eingesetzt sein und die Quelle 18 und die Signalquelle 21 miteinander in Serie angeordnet sein.

Ist die Länge der Außenleiter 12 und 12' durch 1 gegeben, ist der Resonator nach Fig. 1 für diesen Fall durch eine Äquivalen schaltung 11 in Fig. 2 gezeigt. Ein veränderlicher Kondensator 24 mit einer Kapazität C entspricht der Varactordiode VD, und ein Paar Leitungen 25 und 25'· mit der Länge 1 Repräsentieren die Ferritstreifenleitungselemente SL. Der Wellenwiderstand Zo (charakteristische Impedanz) der Leitungen 25 und 25' ist gegeben mitj-^- , wobei p, und £ jeweils die wirksame Permeabilität und die Dielektrizitätskonstante der Ferritplatten 14 und I¹I¹ darstellen.

Da der Widerstand und Konduktanz des Ferritstreifenleitungselements SL vernachlässigbar klein sind, ist hier die Reaktanz des Ferritstreifenleitungselements SL gegeben mit Zo* tanß. Daher ist eine Winkelgeschwindigkeit ω einer Resonanz-

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frequenz des Resonators 11 definiert durch

to ²«C«Zo.tanßZ = 1 (1),

wobei iß-J

Aus Gleichung (1) ergibt sichj daß die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators 11 nach Pig. I bewirkt wird, indem entweder das magnetische Feld H oder die Vorspannung V, geändert wird.

Liegt ein Wechselspannungssignal mit einer Wellenlänge \ , deren Bereich durch X»/8 = ^ definiert ist, an dem Resonator 11 an, gilt folgende Gleichung:

dann kann die Gleichung (1) umgeformt werden in

JZ.CIA..I = 1 (2),

dann ωΛ^ _ _1/2 (3),

oder woe C - 1/2 (i|).

Aus den obigen Ausdrücken (3) und (4) ist ersichtlich, daß die Kapazität C und die Permeabilität die Resonanzfrequenz des Resonators 11 im wesentlichen unabhängig voneinander definieren, soweit die WellenlängeA in einem Bereich X /8^[ liegt.

Dabei ist zu bemerken« daß tanß I größer als 0 ist, da 1098A9/1342

die Winkelgeschwindigkeit O real sein sollte. Die Länge ^ wird damit ausgedrückt mit

ηλ ^/ (2η+1)λ (5),

— <X < Ij

wobei n = 0, 1, 2, ....

Wenn zwar Innen- und Außenleiter gemäß Darstellung in der vorliegenden Ausführungsform an einem ihrer Enden miteinander elektrisch verbunden sind, kann vorzugsweise ein abgeändertes Fer-'itstreifenleitungselement verwendet werden, dessen Innen- und Außenleiter voneinander isoliert sind. In diesem Fall ist die charakteristische Reaktanz (Blindwellenwiderstand) gegeben mit Zo»cotß£ . und die Gleichung (1) kann ersetzt werden durch:

o²«C»Zo«cotß£ = 1 (l)^r.

In gleicher Weise ist die Länge / gegeben mit

(2η+1)λ- sit/ (n+1) Λ- (5)',

wobei η = 0, 1, 2 ....

Der Vergleich zwischen den Ausdrücken (5) und (5)' läßt annehmen, daß das erstere Ferritstreifenleitungselement mit kurzgeschlossenen Außen- und Innenleitern wegen seiner Kompaktheit vorteilhaft gegenüber dem letzteren ist.

In Fig. 3 ist eine abgeänderte Form des erfindungsgemäßen Resonators in seiner Verwendung für einen Ortsoszillator

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31 dargestellt, der mit einem Frequenzkonverter eines Superheterodyn-Radioempfängers zusammenarbeitet. Dieser Osziallator besitzt einen Transistor TR, dessen Basis über einen Widerstand R₁, mit einer negativen Sammelleitung 32 verbunden ist, die über einen Durchführungskondensator C. mit einem negativen Anschluß einer Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Basis dieses Transistors liegt über einen Widerstand Rp an Masse, zu dem ein Kondensator C₂ im Nebenschluß geschaltet ist. Der Emitter des Transistors TR ist über einen Widerstand R, mit der negativen Sammelleitung 32 verbunden, und sein Kollektor ist mit einem Ende eines Innenleiters eines Streifenleitungselements SL verbunden, dessen anderes Ende unmittelbar mit Außenleitern verbunden ist und ebenfalls an Masse liegt. An dem Streifenleitungselement SL liegt ein geeignetes magnetisches Feld H. Der Kollektor ist ebenfalls mit einem Trimmerkondensator oder einstellbaren Kondensator C-verbunden, der seinerseits an einen Anodenanschluß einer Varactordiode VD angeschlossen ist, die durch einen Trimmerkondensator C₁. überbrückt ist. Der Kathodenanschluß der Varactordiode VD liegt an Masse.

Von einer folgenden Stufe, beispielsweise einem Zwischenfrequenzverstärker, liegt über einen Widerstand R₁₁ eine AFC-Spannung (AFC = automatische Frequenzsteuerung) an dem Anodenanschluß der Varactordiode 18, In einem Normalzustand ist die AFC-Spannung auf einen vorbestimmten Pegel festgelegt, und der Oszillator 31 schwingt mit einer Resonanzfrequenz des Resonators 11, die durch das gegebene magnetische Feld und die AFC-Spannung definiert ist. Dabei ist zu bemerken, daß eine

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Frequenz eines Signals von einer Rundfunkstation von der Zentralfrequenz abweichen kann und damit die Leistungsfähigkeit des Radioerapfängers beeinflussen kann. Die AFC-Spannung kann von dem vorbestimmten Pegel proportional zur Frequenzabweichung des, beispielsweise über eine Antenne, empfangenen Signals abweichen. Dazu wird die Kapazität der Varactordiode 18 proportional zur Frequenzabweichung des empfangenen Signals geändert. Dadurch wird die Resonanzfrequenz des Resonators 12, d.h. .die Schwingungsfrequenz des Oszillators 31» eingestellt. Diese Einstellung wird durch die hohe Ansprechgeschwindigkeit der Varactordiode VD schnell erreicht, selbst wenn die Frequenz des empfangenen Signals mit einer hohen Geschwindigkeit abweicht.

Es ist zu bemerken, daß der Ortsoszillator 31 einen weiten Frequenzbereich liefern kann, da der Änderungsbereich der Reaktanz der Ferritstreifenleitung derart eingestellt werden kann, daß er weiter als der der Varactordiode ist. Außerdem wird die wirksame Permeabilität^ der Ferritplatte bei der Herstellung leicht gesteuert, so daß es einfach ist, Ferritplatten zu erhalten, die gleiche Permeabilität besitzen und für den Verfolgungsbetrieb (Nachführbetrieb) zwischen dem Ortsoszillator und einem - nicht dargestellten - Abstimmgerät (Tuner) geeignet sind.

In Fig. 4 ist eine andere abgeänderte Form des erfindungsgemäßen Resonators dargestellt, der mit einem zweistufigen Abstimraverstärker kombiniert ist, welcher Transistoren TR₁ und enthält. Eine Eingangsleitung 41, beispielsweise ein Innen-

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leiter einer Coaxialleitung, ist mit einem Zwischenpunkt des Innenleiters 13 einer Streifenleitung SLjVerbunden. Der Innenleiter 13 liegt mit einem Ende an Masse und mit dem anderen an einem KathodenanschluL einer Varactordiode VD₁ und über einen Koppelkondensator C., an dem Emitter des Transistors TR.. Dieser Emitter ist über einen Widerstand R₁₁ und einen Durchführungskondensator C₁C- mit einer negativen Spannungsquelle verbunden. Ein Vorspannungspotential wird an der Basis B des Transistors TR₁ durch einen Widerstand R₁₂ und einen Widerstand ^R13 ß^et)i^ldet> ^{von dem e}iⁿ Ende an Masse liegt. Das andere Ende des Widerstandes R₁, ist mit der Basis B des Transistors ₁ und einem Ende des Widerstandes R₁₂ verbunden, der mit seinem anderen Ende an der negativen Spannungsquelle liegt. An die Basis B₁ ist ein Nebenschlußkondensator C₁₁. angeschlossen, der an Masse liegt, um eine Signalkomponente hindurchzuleiten. Der Kollektor C₁ des Transistors TR₁ ist mit einem Ende eines Innenleiters 13' eines zweiten Streifenleitungselements SL_ einer zweiten Stufe verbunden.

Zur Ergänzung der Varactordiode VD₁ sind einstellbare Kondensatoren C₁₁ und C₁₂ vorgesehen. Ein Anschluß des Kondensators C₁₁ ist mit der Anode der Varactordiode VD₁ verbunden, und der andere Anschluß liegt an Masse. Ein Anschluß des Kondensators C₁₂ ist mit der Kathode der Varactordiode verbunden, und der andere Anschluß liegt an Masse.

Ein Anschluß des Innenleiters 13* liegt an Masse, und

It einer zweiten
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das andere Ende ist mit einer zweiten Varactordiode VD_? verbun-

den. Der Emitter E₂ des Transistors TR₂ ist über einen Koppelkondensator Cp-, mit einem geeigneten Zwischenpunkt des Innenleiters 13' verbunden. Der Emitter E₂ ist über einen Widerstand R₂₁ und einen Durchführungskondensator C₂₅ mit einer negativen Vor-Gleichspannungsquelle verbunden. Durch Widerstände R₂₂ und R₂, wird ein Potential der Basis B«, des Transistors TR_ gebildet. Ein Anschluß des Widerstandes Rp₂ ist über den Durchführungskondensator C₂C mit der negativen Vorspannungsquelle verbunden, und der andere Anschluß ist mit der Basis B₂ und einem Anschluß des Widerstandes R₂, verbunden, dessen anderer Anschluß an Masse liegt. An die Basis B₂ ist ein Nebenschlußkondensator C₂J, angeschlossen, der an Masse liegt, um eine Signalkomponente hindurchzuleiten. Der Kollektor C₂ des Transistors TR₂ ist mit einer folgenden Stufe (nicht gezeigt) verbunden. Zur Ergänzung der Varactordiode VD₂ sind einstellbare Kondensatoren C₂₁ und C₂₂ vorgesehen. Ein Anschluß des Kondensators C₃₁ ist mit der Anode der Varactordiode VD₂ verbunden, und der andere Anschluß liegt an Nasse. Ein Anschluß des Kondensators C₂₂ ist mit dem Kathodenanschluß der Varactordiode VD₂ verbunden, und der andere Anschluß des Kondensators C₂₂ liegt an Masse. Zum Vorspannen der Varactordioden VD₁ und VD₂ wird eine stufenweise geänderte negative Gleichspannung über einen Anschluß S, einen Widerstand Rq und Induktivitäten L₁ und L₂ an die jeweiligen Anodenanschlüsse der Varactordioden VD₁ und VD_? angelegt. Andererseits werden die Ferritstreifenleitungselemente SL₁ und SL₂ einem gemeinsamen magnetischen Feld H ausgesetzt.

Liegen beim Betrieb eine Vielzahl von hochfrequenten 109849/1342

Signalen über die Eingangsleitung Hl an der Streifenleitung SL₁ an, werden die Eingangssignale, die die gleiche Frequenz wie die Resonanzfrequenz des aus der Streifenleitung SL. und der Varactordiode VD. gebildeten Resonators 111 haben, einzeln selektiv zu dem einen Ende 13a übertragen. Dieses Signal liegt über den Koppelkondensator an dem Emitter E. an und wird dann durch den Transistor TR. verstärkt. Das verstärkte Signal liegt an dem einen Ende 13'a der Streifenleitung 13' an. Nach Filterung durch den Resonator 211, der durch die Streifenleitung SL₂ und die Varactordiode VD₂ gebildet ist, liegt das Signal über den Koppelkondensator C₂, an dem Emitter E_? an und wird dann von dem Transistor TR_ verstärkt. Das so verstärkte Signal wird über den Kollektor C- auf die folgende Stufe übertragen.

Andererseits werden das magnetische Feld H, das an den Streifungsleitungselementen SL. und SL_ anliegt, bzw. die Spannung an dem Anschluß S reguliert, um die entsprechenden Resonanzfrequenzen der Resonatoren 111 und 211 einzustellen.

Dieser Verstärker findet eine besonders vorteilhafte Anwendung bei einem Empfänger für drahtlose Kommunikation, um unter mehreren Trägerwellen eine Trägerwelle selektiv zu empfangen, die einem innerhalb eines bestimmten Bandes befindlichen Kanal entspricht. In diesem Fall wird das magnetische Feld H zuerst derart eingestellt, daß ein Band gewählt wird, in dem eine Anzahl an Trägerkanälen liegen. Dann wird die Spannung an dem Anschluß S derart gewählt, daß eine der Trägerwellen gewählt wird, die sich in dem zuerst gewählten Band befin-

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den. Ist eine weitere Regulierung der Resonanzfrequenz gewünscht, kann das magnetische Feld H reguliert werden.

Da der erfindungsgemäße Resonator keine mechanisch beweglichen Elemente aufweist und in einfacher Weise aufgebaut ist, bringt er nicht nur eine hohe Zuverlässigkeit mit sich sondern ist auch für wirtschaftliche Herstellung geeignet.

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Claims

Patentansprüche

1.J Resonator mit veränderlicher Resonanzfrequenz, gekennzeichnet durch ein Ferritstreifenleitungselement (SL) mit einer inneren Leiterplatte (13)ι zumindest einer äußeren Leiterplatte (12, 12'), die der inneren Leiterplatte (13) gegenübersteht, und zumindest einer zwischen der inneren und der äußeren Leiterplatte angeordneten Ferritplatte (I¹I, 14¹), eine Varactordiode (VD) mit Anoden- und Kathodenanschlüssen, die mit der inneren und der äußeren Leiterplatte (12, 13) jeweils an deren einem Ende verbunden sind, eine Vorspannungsquelle (18), die mit den Anoden- und Kathodenanschlüssen zum Zuführen einer Sperrspannung zu der Varactordiode (VD) verbunden ist, und eine Solenoideinrichtung (22), die zum Anlegen eines magnetischen Feldes an die Ferritplatte (1*1, I¹I¹) von einer Energiequelle (23) erregt wird.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden- und Kathodenanschlüsse über zumindest einen Kondensator (17) mit dem einen Ende der inneren und äußeren Leiterplatte (12, 13) verbunden sind und daß die innere und äußere Leiterplatte (12, 13) am anderen Ende miteinander verbunden sind.

3. Resonator nach Anspruch l,oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld in einem Bereich magnetischer Resonanz der Ferritplatte (14, I¹I¹) geändert wird.

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4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Paar äußerer Leiterplatten (12), die zur Erreichung eines gemeinsamen elektrischen Potentials miteinander verbunden sind.

5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Kondensator, der der Varactordiode (VD) parallel liegt.

6. Resonator _f insbesondere nach Anspruch 1, der in einen Oszillator eingebaut ist, gekennzeichnet durch ein Ferritstreifenleitungselement (SL) mit einer inneren Leiterplatte, die an einem Ende an Masse liegt und mit dem gegenüberliegenden Ende mit einem Kollektor oder einem Emitter eines Transistors (TR) verbunden ist, zumindest einer äußeren Leiterplatte, die mit beiden Enden an Masse liegt, und „umindest einer Ferritplatte, die zwischen den inneren und äußeren Leiterplatten angeordnet ist und einem veränderlichen magnetischen Feld ausgesetzt ist, durch eine Varactordiode (VD), mit einer Anode, die über einen Kondensator (C,) mit dem Ende der inneren Leiterplatte, das an den Kollektor oder den Emitter des Transistors (TR) angeschlossen ist, und mit einer veränderlichen positiven Spannungsquelle verbunden ist_e und mit einem an Masse liegenden Kathodenanschluß.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Varactordiode (VD) von einem zusätzlichen Kondensator (C₁,) überbrückt wird.

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8. Resonator, insbesondere nach Anspruch I₃ der in einen abgestimmten Verstärker mit zumindest einem Transistor eingebaut ist, gekennzeichnet durch ein Perritstreifenleitungselement (SL₁) mit einer inneren Leiterplatte (13), die mit einem Ende an Masse liegt und mit dem anderen Ende über einen Koppelkondensator (C₁,) mit einem Kollektor oder einem Emitter des Transistors (TR₁) verbunden ist und an ihrem Zwischenabschnitt mit einer Eingangsleitung (4l) verbunden ist, mit zumindest einer äußeren Leiterplatte, die mit beiden Enden an Masse liegt, und mit zumindest einer Perritplatte, die zwischen den äußeren und inneren Platten angeordnet ist und einem veränderlichen magnetischen Feld ausgesetzt ist, und durch eine Varactordiode (VD₁) mit einer Kathode, die mit dem an dem Emitter oder Kollektor des Transistors (TR₁) liegenden Ende der inneren Leiterplatte (L3) verbunden ist, und eine Anode, die mit einer veränderlichen negativen Gleichspannungsquelle verbunden ist.

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