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Hochfrequenzspektrometer nach dem Suchfrequenzprinzip
Das erfindungsgemäß
vorgeschlagene Gerät dient der quantitativen Anlayse von hochfrequenten Spektren,
insbesondere von solchen mit breiten Frequenzbändern und großen Amplitudenunterschieden
zwischen den Schwingungen verschiedener Frequenz. Geräte dieser Art werden beispielsweise
benötigt, wenn man den Oberwellengehalt von Funksendern ermitteln oder auch Störspektren
analysieren will.
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Es ist bekannt, ein Schwingungsspektrum unmittelbar anschaulich dadurch
darzustellen, das man es unter lSenutzung eines periodisch frequenzveränderlichen
Überlagerers nach dem Suchfrequenzverfahren abtastet, verstärkt und gleichrichtet
und die so ermittelten Amplituden der einzelnen Schwingungen in Abhängigkeit von
der Frequenz auf dem Leuchtschirm einer lrauiischen röhre zur Anzeige bringt, beispielsweise
als vertikals Auslenkungen voneiner horizontalen Frequenzachse aus.
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Die bisher üblichen Geräte dieser Art eignen sich jedoch nicht für
die Darstellung von Spektren mit breiten Frequenzbändern und großen Amplitudenunterschieden
zwischen den einzelnen Schwingungen.
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Der Grund hierfür liegt vor allem darin, daß sich die Bildung zusätzlicher
Störfrequenzen im Gerät selbst ohne besondere Maßnahmen im allgemeinen nicht vermeiden
läßt.
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Derartige Störfrequenzen entstehen durch Nichtlinearitäten der Kennlinien
des Verstärkers, den das Spektrometer als notwendigen Bestandteil enthält.
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Bei Frequenzbändern, die mehr als die Breite einer Oktave umfassen,
fallen die Oberwellen in den Anzeigebereich. Die von den Schwingungen großer Amplitude
verursachten Störschwingungen über-
decken häufig infolge ihrer
Stärke vollkommen die kleineren Amplituden des zu untersuchenden Spektrums. Eine
störende Anzeige nicht vorhandener Schwingungen wird häufig auch dadurch vorgetäuscht,
daß bei dem IDurchlaufen der Bandfilterkurve Ausschwingungsvorgänge entstehen, die
sich grundsätzlich nur durch eine sehr langsame Veränderung der Suchfrequenz kleinhalten
lassen. Eine derartige N'erlangsamung ist jedoch im E-linblick auf die erwiinschte
flimmerfreie Anzeige auf dem Leuchtschirm nicht tragbar.
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Zur Verhinderung der Bildung von Störfrecl"zcn im Hochfrequenzspektrometer
sellxst wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Verstärkung im wesentlichen erst
in der letzten Verstärkerstufe der Zwischenfrequenzteile sowie in dem nach der Gleichrichtung
folgenden Niederfrequenzteil vorzunehmen und die vorhergehenden frequenzselektiven
Stufen weitgehend gitterstromfrei arbeiten zu lassen. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung
des Erfindungsvorschlages betreibt man die einzelnenVerstärkerstufen mit in Richtung
auf die Endstufe ansteigenden negativen Gittervorspannungen, um so jeweils den günstigsten
Wert von Verstärkung und Verzerrungsfreiheit zu er ! halten.
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Eine weitere Verbesserung läßt sich einer Weiterbildung der Erfindung
gemäß dadurch erreichen, daß für die Gleichrichtung an Stelle einer Röhre ein Organ
mit hoher Spannungsempfindlichkeit, vorzugsweise ein Detektor, verwendet wird, der
gegebenenfalls gegen Überlastung geschützt wird.
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Auf diese Weise kommt man mit einer erheblich geringeren Spannung
am Gleichrichter aus und kann dadurch den Gesamtverstärkungsgrad und damit die Verzerrungen
der vorgeschalteten Verstärkerstufen kleinhalten. Die störende Wirkung der Ausschwingvorgänge
des Ban, dfilters kann' dadurch unterdrückt werden, daß die Zeitkonstante des Gleichrichterkreises
so bemessen wird, daß die Ausschwingvorgänge gerade eben geglättet werden.
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In vielen Fällen ist eine quantitative Analyse des auf dem Leuchtschirm
dargestellten Spektrums erforderlich, und zwar kommt es häufig, z. B. bei der Feststellung
des Oberwellengehaltes von Funksendern, auf eine genaue Ermittlung von Relativzahlen
an, die in der Größenordnung von mehreren Zehnerpotenzen liegen. Derartige Fälle
lassen sich auch hei Anwendung der bekannten logarithmischen Amplitudendarstellung
nicht erfassen. Es wird daher gemäß einer Weiter, bildung des Erfindungsgedankens
vorgeschlagen, vor den Eingang des Gerätes einen an sich bekannten geeichten Spannungsteiler
zu schalten und gegebenenfalls außerdem zwecks Messung der Absolutwerte und der
hochfrequenten Spannungskomponenten einen in seiner Amplitude geeichten Oszillator
vorzusehen. Diese Maßnahmen tragen in verstärkter Weise zur Lösung der Hauptaufgabe:
Verhinderung der Bildung innerer Störfrequenzen, bei.
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Es kommen auch Fälle mit extrem hohen Spannungsunterschieden zwischen
den verschiedenen Komponenten des Spektrums vor, bei denen sich das Auftreten von
Störfrequenzen trotz Durchführung der obengenannten Maßnahmen nicht vermeiden läßt.
Für diese Zwecke wird vorgeschlagen, einen abstimmbaren Sperrkreis zur Unterdrückung
extrem hoher Spannungskomponenten des Spektrums im Eingang des Gerätes vorzusehen.
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Das beschriebene Spektrometer kann auch in solchen Fällen Anwendung
finden, in denen die Dämpfungskurven hochfrequenter Schaltelemente in Abhängigkeit
von der Frequenz dargestellt werden sollen. Hierfür wird vorgeschlagen, ein dichtbesetztes
Spektrum aus Schwingungen unter sich gleicher Amplitude mit entsprechender Bandbreite
auf den Eingang des zu untersuchenden Schaltelementes zu geben und das am Eingang
resultierende Spektrum auf den Eingang des Hochfrequenzspektrometers zu geben. Am
Ausgang des Hochfrequenzspektrometers erscheint dann der gesuchte Dämpfungsverlauf
des untersuchten Schaltelementes als Hüllkurve des angezeigten Spektrogramms. Infolge
der Störfreiheit des erfindungsgemaßen Spektrometers wirkt eine solche Vielzahl
gleichzeitig auftretender Meßfrequenzen nicht mehr gegenseitig störend. Der Erfindungsgedanke
wird anschließend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeichnung. bedeuten
: Abb. I ein Blockschalthild des Hochfrequenzspektrometers, Abb. 2 ein beispielsweises
Spektrogramm eines Funksenders mit starkem Oberwellengehalt als Leuchtschirmbild
der Braunschen Röhre, Abb. 3 einen Ausschnitt aus dem Leuchtschirmbild mit stark
vergrößertem Seitenmaßstab zur Darstellung der Wirkungsweise einer richtigen Bemessung
der Zeitkonstanten des Gleichrichterkreises, Abb. 4 die Dämpfungskurve eines hochfrequenten
Filters als Hüllkurve eines auf dem Leuchtschirm dargestellten Spektrums.
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In Abb. I bedeutet I den hochfrequenten Generator, dessen Spektrum
untersucht werden soll. Bei der Untersuchung eines Funksenders wird dieser Generator
beispielsweise durch eine Empfangsantenne dargestellt. Vom Generator I wird das
Spektrum gegebenenfalls über einen Sperrkreis 2 zur wahlweisen Unterdrückung übermäßig
starker Komponenten des Spektrums auf den geeichten Spannungsteiler 3 und von dort
weiter auf die Eingangsstufe 4 des Verstärkers gegeben, in dem lin der üblichen
Weise eine direkte Hoclhfrequenzverstärkung vorgenommen wird. In Stufe 5 erfolgt
die Mischung mit der vom Generator 6 gelieferten frequenzveränderlichen Uberlagererspanlnung
und anschließend in Stufe 7 die Weiterverstärkung auf einer bzw. durch mehrmalige
Transponierung auch auf mehreren Zwischenfrequenzen.
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In denZwischenfrequenzstufen wird zugleich eine Siebung mittels sehr
schmaler Filter vorgenommen ; die Breite des hier durchgelassenen Frequenzbandes
ist für das Auflösungsvermögen maßgebend.
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In der darauffolgenden Stufe 8 wird die Gleichrichtung und Niederfrequenzverstärkung
bis zu solchen Amplituden vorgenommen, die für eine Auslenkung des Elektronenstrahls
der nachgeschalteten Braunschen Röhre g ausreichen. Während
die
verstärkten Amplituden des Frequenzspektrums dem vertikalen I'lattenpaar zugeführt
werden, erhält atlas horizontale Platteniiaar eine frequenzproportionale Ablenkspannung.
die im t'l'erlagerungsgenerator 6 erzeugt wird.
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Ein typisches Beispiel für ein auf diese Weise auf dem Leuchtschirm
einer Braunschen Röhre zur Anzeige gel) raclltes. Spektrogramm ist in A>l>.
2 wiedergegeben. Das Spektrogramm zeigt eine Schwingung auf I MHz, die bei 2, 3
und 4 MHz starke Oberwellen enthält.
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Auf den Eingang der Schaltungsanordnung kann statt des zu untersuchenden
Spektrums vom Eichoszillator 10 aus eine definierte Spannungsamplitude zwecks Durchführung
einer Absoluteichung gegelien werden.
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Mit 1 1 ist ein hochfrequentes Schaltelement, z. B. ein Filter, bezeichnet,
dessen Dämpfungskurve in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden soll. mit
12 ein ein Generator zur Erztugung eines dicht besetzten Spektrums amplitudengleicher
Spannungen.
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Bei der Betrachtung der Wirkungsweise der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Maßnahmen muß man davott ausgehen, daß der Amplitudenbereich der zu untersuchenden
Hochfrequenzspektren sich häufig von Spannungen in der Größenordnung von Mikrovolt
bis in die Größenordnung von Volt erstreckt, In der Eingangsstufe 4 und den ersten
Teilstufen der Zwischenfrequenzstufe 7 wird die Verstärkung nur so hoch gewählt,
daß noch keine Spur von Oberwellenbildung bemerkbar ist. Andererseits muß man beispielsweise
im Eingangskreis die Verstärkung so groß machen, daß bei der mittleren Stufe 5 keine
wesentliche Verschlechterung des Verhältnisses zwischen Nutzspannung und Störpegel
eintritt. Dieser Umstand ist auch für die Bemessung der Gittervorspannung der Mischstufe
5 maßgebend; bei zu großer negativer Vorspannung würde sich eine Verringerung der
Mischsteilheit ergeben, Die Verwendung stark negativer Gittervorspannungen erfordert
die Benutzung hoher Schirmgitterspannungen, was schaltungsmäßige Nachteile mit sich
bringt. Aus diesem Grunde erfolgt die Bemessung der Gittervorspannung in den Stufen
4. 5 und 7 so, daß nach dem Ende hin stärker negative Vorspannungen verwendet werden,
so daß die erwöhnten Schwierigkeiten auf die letzten Stufen des Verstärkers beschränkt
sind. Für die Verwendung eines Gleichrichters mit hoher Spannungsempfindlichkeit
(z. B. eines Detektors) an Stelle einer Röhre im Ilingang der Stufe 8 ist die Uberlegniig
ausschlaggebend, daß ein Detektor heispielsweise nur Spannungen von einigen Millivolt
benötige. bei denen in dem vorgeschalteten Verstärker jede Verzerrung mit Sicherheit
vermieden werden kann.
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Erst die. die Anwendung der vorgenannten erfindungsgemäßen M maßnahmen
macht es sinnvoll, auch weitere Maßhamen zu treffen. die einer Verfeinerung der.
Anordnung dienen. Hierzu zählt vor allem eine zweckentsprechende Dimensionierung
der Zeitkonstante in der Gleichrichterstufe. Die Wirkungsweise der vorgeschlagenen
Maßnahme ist in Abb. 3 erläutert. Die Abbildung stellt unter starker Vergrößerung
des Horizontalmaßstabes einen Ausschnitt aus einem Spektrogramm auf dem Leuchtschirm
nach Art der Abb. 2 dar. In Abb. 3 bedeutet Kurve leine Bandfilterkurve des Zwischenfrequenzteils
7, wie sie bei langsamem Durchdrehen des Überlagerungsgenerators 6 erhalten wird.
Wird der Generaotr 6 scheller durchgedreht, was in Hinblick auf eine stehende flimmerfreie
Anzeige erforderlich ist, so entsteht ein verzerrter Verlauf der Filterkurve nach
Art der Kurve II, in dem zwei durch Ausschwingvorgänge verursachte Nebenmaxima deutlich
bemerkbar sind. Durch entsprechende Dimensionierung der Zeitkonstante der Gleichrichtung
in Stufe 8 läßt sich erreichen, daß ein Kurvenverlauf nachAnt der Kurve III entsteht,
in dem die Nebenmaxima nicht mehr in Erscheinung treten.
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In Abb. 4 ist beispielsweise ein Leuchtschirmbild dargestellt, das
dann entsteht, wenn ein hochfrequentes Schaltelement 11. z. B. ein Filter, mit Hilfe
eines zusätzlich vorgeschalteten Generators 12 von einem dichthesetzten Spektrum
amplitudengleicher Schwingungen beaufschlagt wird. Die einzelnen Linien des Spektrums
werden je nach Art des zu prüfenden Schaltelementes mehr oder weniger stark gedämpft.
Die Umrandungskurve des auf dem Leuchtschirm dargestellten Linienspektrums entspricht
also dem gesuchten Dämpfungsverlauf.
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Den Frequenzhub des Überlagerungsgenerators paßt man dabei zweckmäßig
dem zu untersuchenden Dämpfungsverlauf an.
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PATENTANSPnOCHE : I. Hochfrequenzspektrometer nach dem Suchfrequenzprinzip
mit direkter Anzeige des Spektrums auf dem Leuchtschirm einer Braunschen Röhre,
vorzugsweise für Untersuchung breiter Frequenzbänder mit großen Amplitudendifferenzen,
dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verhinderung der Bildung innerer Störfrequenzen
die Verstärkung im wesentlichen erst in der letzten zwischenfrequenten Verstärkungsstufe
sowie in dem an die Gleichrichterstufe anschließenden Niederfrequenzteil vorgenommen
wird und die vorhergehenden frequenzselektiven Stufen weitgehend gitterstromfrei
arbeiten.
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2. Hochfrequenzspektrometer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Verstärkerröhren mit in Richtung auf die Endstufe hin wachsenden
negativen Steuergittervorspannungen betrieben werden.
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3. Hochfrequenzspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Gleichrichtung an Stelle einer Röhre ein Organ
mit hoher Spannungsempfindlichkeit, vorzugsweise ein Detektor, verwendet wird.