DE2454334A1

DE2454334A1 - Verfahren und anordnung zur frequenzregelung

Info

Publication number: DE2454334A1
Application number: DE19742454334
Authority: DE
Inventors: Andre Besson; Francois Oriol
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-06-25
Filing date: 1974-11-15
Publication date: 1976-01-15
Also published as: SE7413867L; IT1021779B; NL7414577A; GB1477155A; US3996588A; SE404636B

Description

PATENTANWÄLTE

D'PTftlCH LEWINSKY

HEMZ-JOACHIM HUBER 8106-IV/K

REiNER PRIETSCH

Thomson-CSF, Paris, BId.Haussmann 173 (Frankreich)

"Verfahren und Anordnung zur Frequenzregelung"

Priorität vom 25.Juni 1974 aus der französischen Patentanmeldung Ik 22 066

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Frequenz eines Oszillators auf diejenige des Trägers eines Impulses, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Regelung der Frequenz eines Oszillators auf diejenige des Trägers eines Impulses sehr kurzer Dauer ist ein Problem, das sich insbesondere bei den Empfängern von Radaranlagen stellt, die mit Impulsen sehr kurzer Dauer einer sich von Impuls zu Impuls ändernden Frequenz arbeiten. Die Frequenz des Überlagerungsoszillators des Empfängers muß sich folglich ebenfalls ändern, nämlich derjenigen des Impulses nachgeregelt werden, damit die Zwischenfrequenz mit einer mit der Bandbreite des Empfängers vereinbaren Genauigkeit auf ihrem Nennwert bleibt.

Die bekannten Verfahren, die darin bestehen, die Regelung während der Dauer des Impulses vorzunehmen, sind nicht mehr wirksam, sobald die Dauer der Impulse unter einer Mikrosekunde liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu seiner Durchführung zu schaffen, die eine Frequenzregelung auch bei Impulsen mit einer wesentlich kürzeren Dauer als einer Mikrosekunde, also beispielsweise einer Dauer von 0,25/US, gestatten.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

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Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß lediglich die Frequenz innerhalb eines durch die Impulsdauer vorgegebenen Zeitintervalls aufgezeichnet bzw. gespeichert werden muß, was bekanntlich sehr rasch erfolgen kann.

In der Zeichnung ist das Verfahren nach der Erfindung anhand von beispielsweise gewählten Anordnungen zu seiner Durchführung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des Verfahrens nach der Erfindung,

eine Variante des Blockschaltbildes nach Fig. 1, ein erstes Beispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, eine Variante der Anordnung nach Fig. 3, eine erste Weiterbildung der Regelschaltung nach der Erfindung,

eine bevorzugte Variante der Schaltung nach Fig. 5, ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung in Anwendung auf ein Radargerät, Fig. 8 eine zweite Weiterbildung der Regelschaltung nach der Erfindung in Verbindung mit einem Radarempfänger,

Fig. 9 eine Variante der Schaltung nach Fig. 8, Fig.10 ein Beispiel eines Höchstfrequenz-Diskriminators

mit veränderlicher Mittenfrequenz, Fig.11 eine Amplitudenregelschleife und Fig.12 ein Beispiel eines Frequenz/Spannungs-Wandlers mit veränderlicher Mittenfrequenz, der in einer mittleren Frequenzlage arbeitet.

In Fig. 1 ist mit CL ein frequenzgesteuerter Oszillator, sowie mit A ein Eingangsanschluß bezeichnet. An letzterem ist ein Impuls auf bzw.mit einer Trägerfrequenz verfügbar, auf die die

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Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5
Fig.	6
Fig.	7

Frequenz des Oszillators 0, geregelt bzw. nachgeführt werden soll. Eine Frequenzmeßschaltung D₂ mißt die Frequenz F, des Impulses.

Das Ergebnis dieser Messung wird in einem Speicher M gespeichert, der durch jeden neuen Impuls auf 0 zurückgestellt wird. Bei R ist eine Steuerschaltung für die Nullstellung des Speichers dargestellt. Die Frequenz des Oszillators O₁ wird in der Schaltung D₁ gemessen, die von gleicher Art und von gleichem Aufbau wie die Schaltung D₂ ist. Die Ergebnisse dieser beiden Messungen werden in dem Vergleicher CP gemessen, der das Steuersignal liefert, welches an der Steuerschaltung CT für den Oszillator O₁ anliegt.

Dieses Blockschaltbild ist sehr stark verallgemeinert und setzt keine bestimmteruGrößenordnungen für die beteiligten Frequenzen voraus und demzufolge auch nicht die Art der verschiedenen Schaltungen. Das Blockschaltbild soll lediglich das Verfahren nach der Erfindung verdeutlichen, dessen wesentlichstes Merkmal darin besteht, daß die für die Regelung des Überlagerungsoszillators notwendige Zeit unabhängig von der Dauer des Impulses ist, da diese Regelung im wesentlichen nach dem Impuls stattfindet, wobei der Wert der Frequenz des Impulses gespeichert ist.

In den meisten Fällen sind die Frequenzen F, (des Oszillators) und F, (des Impulses) nicht gleich sondern unterscheiden sich um eine Konstante.

Diese Konstante kann in die Schaltung entweder in Höhe des Vergleichers oder vor der Messung zumindest einer der Frequenzen durch Frequenzumsetzung eingefügt werden. Die Frequenzmessung geschieht vorteilhaft mittels Frequenz/Spannungs-Wandlern oder Frequenzdiskriminatoren; es ist wesentlich, daß die Frequenz/ Spannungs-Kennlinien derselben genau übereinstimmen.

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Von dieser Forderung kann man sich freimachen und gleichzeitig die Schaltung vereinfachen, indem man gemäß Fig. 2, in der die gleichen Elemente wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, für beide Messungen dieselbe Frequenzmeßschaltung D₁ verwendet.

Ein beispielsweise durch den Impuls selbst gesteuerter Schalter SW, verbindet den Eingang dieser Schaltung entweder mit dem Anschluß A während des Vorhandenseins des.Impulses oder mit dem Oszillator 0·,; synchron mit dem Schalter SW, verbindet ein zweiter Schalter SW₂ den Ausgang der Meßschaltung entweder mit dem Speicher M, der hier zwischen der Meßschaltung D. und dem Vergleicher liegt, oder mit dem nicht mit dem Speicher verbundenen Eingang des Vergleichers.

In diesem Fall ist es, sofern die Frequenzen F-, und F, sich um eine Konstante unterscheiden, notwendig, eine Frequenzumsetzung vor dem Schalter SW, durchzuführen. :

Fig. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel für diesen Fall an. Es kann sich hier beispielsweise um den Fall einer Anordnung zur Funkortung mittels Zufallfrequenzen handeln.

Gleiche Elemente wie in den vorhergehenden Figuren sind wiederum; mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Oszillator 0. ist hier der überlagerungsoszillator des Empfängers und die auf der Frequenz F, (unter Vernachlässigung der Dopplerfrequenz F^) empfangenen Echos werden bei X, mit dem Signal der Frequenz F, gemischt: Die Differenzfrequenz F₅-F₁ soll somit konstant und gleich der ' Zwischenfrequenz F. der Verstärker- und Filterschaltungen des Empfängers gehalten werden.

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Die Frequenz F, schwankt um eine mittlere Frequenz F, _n und j j ·^u

kann geschrieben werden F, = F, _n + AF, worin ZiF positiv oder negativ und klein im Verhältnis zu F, _n ist. Die Schaltung zur Regelung der Frequenz F., auf die Frequenz F, befindet sich innerhalb des in gestrichelter Linie wiedergegebenen Blockes.

Zwei Oszillatoren Op, O₁,, die feste Frequenzen Fp und F^ liefern, welche voneinander um die Zwischenfrequenz F. abweichen, liefern die Hilfsschwingungen für die Frequenzumsetzung um das Signal des Überlagerungsoszillators und dasjenige des Impulses auf dieselbe Frequenz umzusetzen.

Hierzu liefert ein Mischer X, ein Signal der Frequenz Fj, - F, und ein Mischer Xp liefert das Signal der Frequenz Fp- F_. °i^e Meßschaltung D₁ ist hier ein auf die Frequenz F. abgestimmter Frequenzdiskriminator. Die Frequenz F^. wird derart gewählt, daß F₁₁ : F, ₀ + F_i> Man kann folglich schreiben F^ - F₃ = F₁ + AF + F₂ - F, = F. + AF,, worin AF- fallweise positiv oder negativ ist.

Während des Impulses, wenn sich die Schalter in ihrer unteren Stellung befinden, läßt die Differenz AF am Ausgang des Diskriminators D.. eine Spannung AV entstehen, die proportional zu AF ist und in den Speicher M eingespeichert ist, der hier aus einer Kapazität besteht. Dieser Wert wird einem der Eingänge des Vergleichers CP (bestehend beispielsweise aus einem Differenzverstärker) zugeführt. Nach dem Impuls, wenn sich die Schalter in ihrer oberen Stellung befinden, liefert der Diskriminator eine Spannung AV₁, die proportional zu AF₁ ist.

Wenn der überlagerungsoszillator frequenzmäßig richtig abgestimmt ist, d.h. wenn F - F₁ = F₁, ergibt SiChAF₁ = AF, da ^F ₂ ~ ^P4 ⁼ F- und folglich AV₁ = Δν: An der Steuerschaltung, die durch eine Kapazitätsdiode dargestellt ist, liegt keine Steuerspannung an und die Frequenz F₁ ändert sich nicht.

Ist demgegenüber ΔΡ Φ -F-,, erscheint am Ausgang des Vergleichers bzw. Differenzverstärkers CP eine Spannung, die proportional ZuUV₁ - Av₂ ist und die die Frequenz des Oszillators O₁ ändert bis LF₁ = „F.

Die Speicherung des frequenzproportionalen Spannungsimpulses, der von dem Frequenzdiskriminator abgegeben ist, beinhaltet zwei sieh widersprechende Forderungen. Die Ladezeit des Kondensators soll wenigstens drei- bis viermal kürzer als die Impulsdauer sein, um die Speicherung des Spitzenwertes desselben sicherzustellen; jedoch soll die Entladezeit, die die Stabilität der Zwischenfrequenz während der gesamten Wiederhol- oder Wiederkehrperiode bedingt, etwa das Dreihundertfache bis Vierhundertfache als diese letztere betragen. Die Lösung, die darin besteht, mehrere Speicher in Kaskade anzuordnen um Kondensatoren auf größere Werte aufzuladen, vermehrt die Schwierigkeiten der Umschaltung und die der Anordnung zueigenen Störsignale ganz erheblich.

Diesem Nachteil muß durch Verwendung einer Anordnung mit Differenzspeichern, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, abgeholfen werden, welche Anordnung praktisch den Effekt des Ladungsverlustes auf den gespeicherten Wert beseitigt.

In dieser Figur sind die Elemente der Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen übernommen. Jedoch sind die Oszillatoren 0„ und O₁, sowie der Mischer X, aus Gründen der Klarheit weggelassen. Die beiden verschiedenen Elemente, aus denen sich ein Frequenzdiskriminator im allgemeinen zusammensetzt, sind einzeln gezeichnet: Die Filter- und Hüllkurvendetektors ehalt ung, die zwei Kanäle d., bzw. d₂ umfaßt, welche auf die Frequenzen F^+ £bzw. F^-e abgestimmt sind, worin £ gleich dem Maximalwert von IF ist, wobei die Kanäle in Bezug auf F. symmetrisch ausgebildet sind und ein Subtraktionsglied, das die Differenz der von den beiden Kanälen D₁ und D₂ abgegebenen Signale liefert.

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Bei dieser Ausführungsform wird ein Subtraktionsglied-S für das Signal Pp - P₁ und ein anderes Subtraktionsglied S für das Signal P, - Fh verwendet (die Subtraktionsglieder sind im allgemeinen Differenzverstärker). Das Ausgangssignal jedes Diskriminatorkanals wird am Eingang des Subtraktionsgliedes S₂ gespeichert, das folglich die Differenz der gespeicherten Werte mißt, welche Differenz unabhängig von den Verlusten, Leckströmen usw. der Speicher ist, wenn diese korrekt gepaart sind. Der Schalter SWp ist folglich durch einen Doppelschalter SW₂ , SW₂, ersetzt.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine erste Weiterbildung der Erfindung, die auf alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen anwendbar ist.

Ein Freqüenzdiskriminator ist gekennzeichnet durch eine Mittenfrequenz und eine Durchlaßbandbreite, d.h. die zulässigen Frequenzablagen um die Mittenfrequenz.herum. Im allgemeinen paßt man die für den Diskriminator zulässige Amplitude der maximalen Prequenzablage an die maximale Frequenzabweichung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen an.

Jedoch können Einflußgrößen, wie die Temperatur oder die Alterung der Bauelemente den Mittelwert der Frequenz der Impulse durch Änderung ihrer Eigenschaften langsam verändern. Es passiert dann, daß die Frequenz einiger Impulse außerhalb des für den Diskriminator zulässigen Frequenzbereiches liegt. Die Frequenzregelung ist dann gestört.

Gemäß der Erfindung umfaßt die Prequenzumsetzerschaltung für den Impuls in Verbindung mit dem Mischer X₁ einen Oszillator O^ steuerbarer Frequenz, dessen Steuereingang mit einer sogenannten · langsamen Regelschaltung für die Frequenz des Oszillators auf den Mittelwert der Frequenz der Impulse verbunden ist.

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Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, die eine sog. langsame Regelschaltung umfaßt. Sie enthält zusätzlich zu den Elementen der Fig. 3 einen auf die Frequenz F. abgestimmten Diskriminator Dp, eine Ausblendeinrichtung E, einen Speicher N, und einen Integrator In. Die langsame Regelschaltung liegt zwischen dem Ausgang des Mischers X, und dem Steuereingang des Oszillators CK. Der Oszillator O^ wird folglich als überlagerungsoszillator für eine erste Frequenzumsetzung in dem Empfänger verwendet und der Oszillator 0, ist an ^l einer zweiten Frequenzumsetzung beteiligt.

Seine Arbeitsweise ist folgende. Der Mischer X₁ liefert ein Signal der Frequenz F^ - F, = F^ + HF während des Impulses. Die Differenz AF läßt am Ausgang des Diskriminators D₂ eine Spannung AV entstehen, die proportional zu AF ist und über die Ausblendeinrichtung E, die die Ladung des Speichers während des Impulses ermöglicht, in den Speicher M, eingespeichert wird. Diese Spannung wird der Integrierschaltung In zugeführt, die eine Steuerspannung erzeugt, welche an dem Oszillator O₁. anliegt. Die Zeitkonstante des Integrators soll groß gegenüber der Wiederholperiode der Impulse sein, so daß die Steuerspannung eine Gleichspannung ist, deren Wert gleich dem Mittelwert der in den Speicher M^ eingespeicherten Spannungen ist. Die Frequenz des Oszillators ; O₁J wird in einer solchen Richtung verschoben, daß der Mittelwert der Frequenz der Impulse, der an den Eingängen der Diskrimina- ' toren D₁ und D₂ vorhanden ist, den Wert F^ hat. ,

Die Eigenschaften einer solchen Schaltung sind folgende: Einerseits arbeiten die Diskriminatoren D₁ und D₂ auf Frequenzen, deren Mittelwert stets gleich der Frequenz F. ist, trotz etwaiger Frequenzdrift oder Frequenzänderungen. Andererseits ist der Mittelwert jeder in Μ_χ oder M- eingespeicherten Spannung stets Null, Die Leckverluste in diesen Speichern sind folglich minimal.

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Die langsame Regelschaltung kann auch auf die Anordnung gemäß Fig. 4 angewendet werden.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 5· Der Diskriminator D_, die Ausblendeinrichtung E und der Speicher M, sind weggelassen. Die in M gespeicherte Spannung stimmt tatsächlich nämlich mit derjenigen überein, die in M, gespeichert ist, da die Arbeitsweise der Schalter SW, und SW« identisch mit derjenigen der Ausblendeinrichtung E während des Impulses ist. Der Integrator In ist folglich direkt mit dem Speicher M, verbunden. Die Arbeitsweise der Anordnung bleibt im übrigen die gleiche wie diejenige der vorhergehenden.

Fig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung auf ein Radar mit veränderlicher Frequenz,das beispielsweise ein Magnetron K umfaßt. Dieses liefert Impulse an eine Antenne R. Die gesendete Frequenz ändert sich von einem Impuls zum nächsten. Ein Bruchteil der Energie der Impulse gelangt auf den Eingang A der Schaltung zur automatischen Frequenzregelung über einen Koppler C. Auf der Empfangsseite leitet ein Zirkulator das empfangene Signal dem Eingang des Radarempfängers zu. Dieser Empfänger umfaßt einen ersten Mischer X₁-, der einerseits das Empfangssignal und andererseits das sinusförmige, von dem überlagerungsoszillator Ou der langsamen Regelschaltung gelieferte Signal erhält und demzufolge ein Empfangssignal auf der Zwischenfrequenz F., liefert. Ein zweiter Mischer X, erhält einerseits dieses Signal auf der Frequenz F.. und andererseits das sinusförmige, von dem überlagerungsoszillator CL der Schaltung zur automatischen Frequenzregelung gelieferte Signal. Er liefert folglich ein Empfangssignal auf der stabilen Zwischenfrequenz _; F.p. Bei diesem Radartyp wird die Änderung der Frequenz der Impulse durch mechanische Einwirkung auf den Hohlraum des Magnetrons erhalten. Geeignete, in dem Magnetron K enthaltene und in der

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Figur nicht dargestellte Einrichtungen liefern eine Spannung, die eine ungefähre Punktion der Frequenz der Impulse ist. Beispielsweise werden für den Fall, daß die Frequenzänderung durch Verformung des Hohlraumes des Magnetrons erhalten wird, diese Einrichtungen durch ein Potentiometer gebildet, zwischen dessen Enden eine bestimmte und konstante Potentialdifferenz aufrechterhalten wird. Dieses Potentiometer ist mit Einrichtungen zur mechanischen Verformung derart verbunden, daß die zwischen einem festen Anschluß und dem Schleifer des Potentiometers abgenommene Spannung ein Abbild der erzeugten Verformung und folglich der Sendefrequenz des Magnetrons K ist. Diese Spannung dient dann ,. zur Voreinstellung der Frequenz des Überlagerungsoszillators O₁, einen kurzen Augenblick vor dem Senden jedes Impulses. Hierzu ist eine Spannungsaddierschaltung A, zwischen dem Oszillator O^ und dem Integrator In eingefügt. Die von dem Magnetron K in einem bestimmten Augenblick gelieferte Voreinstellspannung wird dieser Addierschaltung A, zugeführt. Diese Voreinstellspannung kann mittels einer Ausblendschaltung und eines Speichers (beides nicht dargestellt in der Figur) entnommen werden. Die erhaltene Voreinstellung ist nur grob. Die Anordnung nach der Erfindung hat den Zweck, die restlichen Frequenzabweichungen zu kompensieren.

Die langsame Regelung wirkt auf die Frequenz des Oszillators O^ ein. Sie umfaßt den Mischer X, der die gesendeten Impulse über den Koppler C und das Ausgangssignal des Oszillators O^ erhält. Während jedes Impulses befinden sich die Schalter SW, und SW„ in der Stellung I. Der Diskriminator D erhält das Ausgangssignal des Mischers X, und liefert eine in M, gespeicherte Spannung, so daß der Mittelwert dieser Spannung zur Regelung der Frequenz des Oszillators O₁, über den Integrator In und den Addierer Ad dient.

Die rasche Regelung wirkt auf die Frequenz des Oszillators O₁

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durch Vergleich der in M, gespeicherten Spannung mit der Ausgangsspannung des Diskriminators D₁ ein, sobald die Schalter sich in der Stellung II befinden, wobei die gespeicherte Spannung für die Frequenz des Oszillators O^ nach Frequenzumsetzung zufolge des Mischers X₂ und des Festfrequenzoszillators 0« ist.

Die Arbeitsweise dieser Regelungen stimmt ansonsten mit derjenigen der in den vorhergehenden Figuren dargestellten Anordnungen überein.

Die vorstehend beschriebene Anordnung besitzt den Nachteil, daß eine doppelte Frequenzumsetzung im Empfangskanal notwendig ist. Die erste Frequenzumsetzung führt zu einer ersten Zwischenfrequenz,deren Mittelwert konstant ist, deren Augenblickswert jedoch mit der restlichen Frequenzablage zwischen dem Sender und dem überlagerungsoszillator zufolge der nicht vollständig genauen Voreinstellung der Frequenz des letzteren behaftet ist. Die rasche Frequenzregelung überträgt diese Restablage nach Betrag und Vorzeichen auf die Frequenz des Überlagerungsoszillators für die zweite Frequenzumsetzung. Der Restfehler der zweiten Zwischenfrequenz wird somit auf akzeptable Werte in der Größenordnung von einigen hundert Kilohertz vermindert.

Der relativ hohe Wert der ersten Zwischenfrequenz führt insbesondere zu einer leichten Verschlechterung des Rauschfaktors. Darüber hinaus tauchen bei Anwendung der Anordnung auf Monopuls-Radargeräte Probleme hinsichtlich der Übereinstimmung der Kanäle nach Amplitude und Phase in Abhängigkeit von der Frequenz auf.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, wird eine automatische Frequenzregelanordnung zur Verwendung in einem Funkortungsempfänger vorgeschlagen, die lediglich eine einzige Frequenzumsetzung im Empfangskanal erfordert. Die automatische Frequenzregelanordnung

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führt dann sämtliche Operationen durch, die für eine gute Frequenznachführung des Überlagerungsoszillators notwendig sind.

Die in Fig. 8 wiedergegebene Anordnung wird beispielsweise in

ι einem Radar mit veränderlicher Frequenz verwendet um direkt in j der Höchstfrequenzlage beim Senden die augenblickliche Korrektur ! der Frequenz des Überlagerungsoszillators des Empfängers durchzuführen. Im Verlauf jeder Wiederholung ist der überlagerungs- j Oszillator auf eine Frequenz eingestellt, die von derjenigen des , Senders um den Wert der gewählten Zwischenfrequenz mit der benötigten Genauigkeit abweicht. Somit werden die Radarechos in dem Empfänger auf einer etwa konstanten Zwischenfrequenz empfangen. Wie bei den vorhergehenden Figuren sind für die Elemente der Anordnung dieselben Symbole verwendet.

Von dem Sender ist lediglich das Magnetron K dargestellt. Dieses· ist mit der Antenne R über einen Zirkulator G gekoppelt. Der Empfänger enthält abgesehen von dem Zirkulator lediglich einen Mischer X,, der ein Bezugssignal von der in dem gestrichelten Block befindlichen Anordnung erhält, welche den gesteuerten Oszillator 0, und das automatische Frequenzregelsystem nach der Erfindung enthält. Am Ausgang des Mischers X, sind die Empfangssignale in die Zwischenfrequenz F. umgesetzt.

Das Magnetron K arbeitet mit einer Augenblicks frequenz F-, in einem Frequenzbereich der Breite 2 AF, die ausgehend von einer Steuerung Y erhalten wird, welche mit einem Zyklus von einigen zehn bis einigen hundert Hertz arbeitet. Während jedes Zyklus sendet das Magnetron Impulse mit Hilfe eines Modulators und einer Synchronisierschaltung für die ganze Radaranlage, welche Komponenten in der Figur nicht dargestellt sind. Die Arbeitsfre-j quenz des Magnetrons kann auf zwei verschiedene Arten festgestellt werden. Sie ist einerseits feststellbar durch eine Nachführeinrichtung, die einen Bestandteil des Magnetrons selbst

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bildet und ein der Abstimmfrequenz des Magnetrons mit einer gewissen, relativ großen Unsicherheit proportionales Gleichspannungssignal liefert. Diese Nachführeinrichtung besteht beispielsweise aus einem Potentiometer, das mit dem elektromagnetischen oder elektromechanischen Vorrichtungen zur Abstimmung des Hohlraumes des Magnetrons gekuppelt ist. In der Figur ist die Nachführspannung an dem Anschluß k, an dem Magnetron K verfügbar. Die Frequenz kann andererseits direkt am Höchstfrequenzausgang k„ des Magnetrons mittels eines Kopplers und eines Frequenzdiskriminators beispielsweise festgestellt werden.

Der geregelte Oszillator O₁ ist mittels einer Spannung frequenzsteuerbar. Er arbeitet auf einer Frequenz F, = F, - Fi. Er muß den Frequenzbereich 2AF überdecken, den das Magnetron überdeckt, ergänzt um die jeweiligen Frequenzabweichungen des Magnetrons und des Oszillators.

Um dies zu erzielen, umfaßt die automatische Frequenzregelung einen Frequenz/Spannungs-Wandler D₁, der entweder das Oszillatorsignal nach Frequenzumsetzung mittels des Mischers X_? und des Oszillators 0_? über einen im Höchstfrequenzbereich arbeitenden Schalter. SW₁ oder das Signal auf der Frequenz F erhält, letzteres über einen Koppler C, der ein Bruchteil des Ausgangssignales des Magnetrons entnimmt, ein einstellbares Dämpfungsglied R und den Schalter SW₁. Der Ausgang des Wandlers D, ist über einen im Videofrequenzbereich arbeitenden Schalter SWv, entweder mit dem positiven Eingang eines Spannungsvergleichers CP oder mit dem negativen Eingang desselben Vergleichers und mit einem durch eine Kapazität symbolisierten Speicher M, verbunden. Der Ausgang des Vergleichers CP ist mit einem Verstärker und Frequenzkorrekturglied AC verbunden, dessen Ausgang mit dem Frequenzsteuereingang des Oszillators 0, über einen Addierer Ad₁ verbunden ist.

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Die Gesamtheit dieser Schaltung bildet die schnelle Regelschleife für die Frequenz des Oszillators O . Eine langsame Regelung des Mittelwertes der Mittenfrequenz des Frequenz/Spannungs-Wandlers wird ausgehend von der in M.. gespeicherten Spannung erhalten. Diese Spannung liegt an einem Verstärker- und Integrierglied in an, dessen Ausgang über einen Addierer Ad_? mit einem Steuereingang 22 für die Mittenfrequenz des Frequenz/Spannungs-Wandlers D, verbunden ist. Die diesem Steuereingang zugeführte Spannung ermöglicht eine Verschiebung der Mittenfrequenz des Wandlers in Bezug auf welche die Frequenzmessung durchgeführt wird. Die Figuren 10 und 12 veranschaulichen die Art, in der diese Verschiebung der Mittenfrequenz durchgeführt wird, genauer.

Neben diesen Regelungen existiert noch eine Schaltung zur Voreinstellung der Frequenz des Oszillators 0 und der Mittenfrequenz des Wandlers D.. Diese Voreinstellung verwendet das am Ausgang k, des Magnetrons verfügbare Nachführsignal. Dieses Signal liegt an einer Austast- und Sperrschaltung Eb₁ an, deren Ausgang mit den Addierern Ad, und Ad_? verbunden^ist. Die Anordnung arbeitet wie folgt: Kurz vor dem Senden eines Impulses wird die Nachführspannung von der Austast- und Sperrschaltung Eb, gespeichert und bewirkt eine Voreinstellung der Frequenz des Oszillators 0, und der Mittenfrequenz des Frequenz/Spannungs-Wandlers D, um in der Regelschleife einen zu großen Frequenzsprung zu vermeiden. Insbesondere bleibt durch Voreinstellung der Mittenfrequenz des Frequenz/Spannungs-Wandlers diese stets in der Nähe der Sendefrequenz. Der benutzte Arbeitsbereich des Wandlers wird auf diese Weise vermindert und sein Wirkungsgrad verbessert. Die Voreinstellspannung bleibt während der gesamten Sende- und Empfangsperiode konstant. Nach dieser Periode wird sie bis zum folgenden Impuls neu festgestellt.

Die rasche Frequenzregelung ist während jeder Periode wirksam,

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in der die Voreinstellung fest bleibt. Während der Dauer des Sendens eines Impulses befinden sich die Schalter SW, und SWp in der Stellung I. Der Frequenz/Spannungs-Wandler D^ liefert an den Speicher M, eine für die Frequenz des Magnetrons kennzeichnende Spannung.

Nach Durchführung dieses Vorganges gehen die Schalter in die Stellung II. über. Der Frequenz/Spannungs-Wandler liefert nun eine die Frequenz der von dem Oszillator 0 abgegebenen Welle kennzeichnende Spannung. Diese Spannung wird in dem Vergleicher CP mit der zuvor in dem Speicher M.. gespeicherten Spannung verglichen und die Ablage wird durch das Verstärkungs- und Korrekturglied AC verstärkt. Der Ausgang des letzteren ist mit dem Frequenzsteuereingang des Überlagerungsoszillators 0 verbunden und schließt damit die Schleife um den Wert dieser Ablage möglichst klein zu halten.

Diese Regelschleife bringt somit die Spannung am Ausgang des Frequenz/Spannungs-Wandlers in Übereinstimmung mit dem zuvor im Moment des Sendens des Impulses gespeicherten Wert. Es ergibt sich hieraus, daß bis auf einen Fehler der Schleife, der Funktion der Schleifenverstärkung ist, die Frequenz des Überlagerungsoszillators auf einem für den Empfang der Radarechos geeigneten Wert festgehalten wird.

Die in der Figur als elektromechanische Schalter dargestellten Schalter SW₁ und SWp sind in Wirklichkeit aus elektronischen Bauteilen aufgebaut. Der erste elektronische Schalter SW, arbeitet im Höchstfrequenzbereich, der zweite Schalter SWp im Videofrequenzbereich. Derartige Schalter sind dem Fachmann bekannt. _:

Fig.9 zeigt, daß es im übrigen auch möglich ist, ganz ohne solche Schalter auszukommen. Abgesehen von den beiden hier entfallenen

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Schaltern sind alle anderen Schaltungen der Fig.8 in Fig. 9 wieder enthalten und arbeiten in gleicher Weise.

Der Höchstfrequenzschalter SW, ist entfallen. Der Ausgang des
Mischers X« ist direkt mit dem Eingang des Frequenz/Spannungs- j Wandlers D, verbunden. Das Sendesignal des Magnetrons liegt hier j direkt über einen Koppler C an dem Wandler. Solange nicht gesen- '' det wird, ist es das Ausgangssignal des Mischers Xp, das an den
Wandler übertragen wird. Während des Sendens eines Impulses wird dieses Signal durch Unterbrechung der Speisequelle AC des Oszillators 0.. mittels eines Schalters SW-, unterdrückt.

Am Ausgang des Wandlers ist der Schalter SWp entfallen. Der Wandler ist direkt mit dem positiven Eingang des Vergleichers CP verbunden. Zwischen dem Ausgang des Wandlers und dem negativen Eingang des Vergleichers liegt eine Austast- und Sperrschaltung Eb_?. Sie arbeitet synchron mit dem Schalter SW,. Der Speicher M- ist
entfallen. Dessen Funktion Übernimmt die Austast- und Sperrschaltung. Die Anordnung arbeitet wie folgt: Während des Impulses
wird die Spannung entsprechend der Frequenz des Magnetrons in der Austast- und Sperrschaltung Ebp gespeichert. Gleichzeitig hört
der überlagerungsoszillator zu arbeiten auf, damit der Wandler
nur die Welle des Magnetrons erhält. Nach dem Impuls wird die ge-: speicherte, am negativen Eingang des Vergleichers anliegende < Spannung mit der Ausgangsspannung des Wandlers verglichen, die
die Frequenz des Oszillators 0, wiedergibt und am positiven Eingang anliegt. Im übrigen ist die Arbeitsweise identisch mit der- ; jenigen der Anordnung nach Fig. 8.

Fig.10 zeigt ein Beispiel eines Frequenz/Spannungs-Wandlers oder Frequenzdiskriminators, der im Höchstfrequenzbereich arbeitet ! und eine steuerbare Mittenfrequenz besitzt. Er besteht wie die
meisten Höchstfrequenz-Diskriminatoren aus einem 3-db-Richtkopp- :

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ler 11 am Eingang_a dessen einer Eingang 10 das Höchstfrequenzsignal erhält und dessen anderer Eingang mit einem Abschlußwiderstand 12 verbunden ist, einem 3-db-Richtkoppler 13 am Ausgang, dessen Ausgänge mit den Detektoren 14 und 15 verbunden sind und einem Vergleicher 16, der das Ausgangssignal an einen Anschluß 9 abgibt, sowie zwischen den zwei Richtkopplern zwei Höchstfrequenzverbindungen gleicher elektrischer Länge. Die eine der Verbindungen umfaßt einen Hohlraumresonator 17, die andere Verbindung ein einstellbares Dämpfungsglied 18 in Serie mit einem Phasenschieber 19, die zur Herstellung und Einstellung der Gleichheit der elektrischen Längen und der Gleichheit der Verstärkungen der beiden Verbindungen bei der Mittenfrequenz dienen. Die Mittenfrequenz des Diskriminators ist durch die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 17 festgelegt. Diese Frequenz ist mittels eines Elementes 20 mit veränderlicher Reaktanz wie etwa einer Kapazitätsdiode veränderbar, die mit dem Hohlraum verbunden ist und auf die die an dem Anschluß 22 anliegende Prequenzsteuerspannung einwirken kann. Diese Spannung ändert die Kapazität der Diode und folglich die Abstimmfrequenz der aus der Diode und dem Hohlraum bestehenden Gesamtanordnung. Am Ausgang der Detektoren 14 und 15 haben die Signale gleiche Phase und gleiche Amplitude, solange die Frequenz der am Eingang 10 eintretenden Welle gleich der Resonanzfrequenz des Hohlraumes ist. Das Ausgangssignal bei 9 ist Null. Außerhalb der Abstimmfrequenz ist das Ausgangssignal proportional zu der Ablage der Frequenz der am Eingang anliegenden Welle von der Resonanzfrequenz des Hohlraumes.

Bei einem Diskriminator dieses Typs ist es notwendig, daß die Amplituden der Eingangssignale im Verlauf der beiden aufeinanderfolgenden Vorgänge der Einspeicherung und des Vergleiches ge-.nauestens gleich sind. Dies wird entweder durch eine Amplitudenbegrenzerschaltung, die dem Eingang des Diskriminators vorgeschaltet ist oder durch eine Schaltung zur augenblicklichen Rege-

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lung der Amplitude erreicht.

Die erstere Möglichkeit erscheint nach dem gegenwärtigen Stand der Technik für Betriebsfrequenzen, die unter 1000 MHz liegen, empfehlenswert. Oberhalb dieser Grenze muß eine rasch arbeitende Amplitudenregelschleife verwendet werden. Dies ist der Fall bei der Anordnung nach Fig. 11. Das Arbeitsprinzip dieser Amplitudenregelschleife ist dasselbe wie dasjenige der Frequenzregelschleife. Ein rasch arbeitendes, veränderliches Dämpfungsglied 40 liegt zwischen dem Mischer X₂ und dem Schalter SW . Ein Pegeldetektor 4l ist mit dem Schalter SW, verbunden und liefert je nach Lage des Schalters SW^ ein Signal entweder an einen Speicher 44 und den negativen Eingang eines Vergleichers 43 (Stellung I) oder an den positiven Eingang des Vergleichers (Stellung II). Ein Verstärkungs- und Korrekturglied 45 schließt die Schleife zwischen dem Vergleicher 43 und dem Verstärkungssteuereingang des Dämpfungsgliedes 40. Die Schalter SW₁, SW₂ und SWj, arbeiten synchron. In der Stellung I wird ein die Amplitude des von dem Koppler C abgenommenen Signales darstellendes Signal in den Speicher 44 eingespeichert. In der Stellung II wird das die Amplitude des von dem Mischer X₂ abgegebenen Signals darstellendes Signal mit dem gespeicherten Wert verglichen, der Unterschied wird verstärkt und bringt mit Hilfe des Dämpfungsgliedes die Amplituden auf gleichen Wert. Um Kopplungen zwischen der Amplitudenregelschleife und der Frequenzregelschleife zu vermeiden, ist die Bandbreite der Amplitudenregelschleife größer als diejenige der Frequenzregelschleife.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel eines Frequenz/Spannungs-Wandlers D₁, der einen Frequenzdiskriminator 50 verwendet, der nicht mehr in der Höchstfrequenzlage sondern bei einer niedrigeren Frequenz von beispielsweise 150 MHz arbeitet. Der Diskriminator 50 ist beispielsweise/Foster-Seeley-Typ. ihm ist ein Begrenzerverstärker

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vorgeschaltet, was den Entfall einer Amplitudenregelschleife ermöglicht. Vor dem Begrenzer wird durch einen Mischer 52 eine Frequenzumsetzung vorgenommen; der Mischer 52 erhält die Eingangssignale in der Höchstfrequenzlage von dem Schalter SW₁ sowie außerdem eine Bezugswelle von einem Höchstfrequenz-Hilfsoszillator 53 steuerbarer Frequenz. Dessen Steuereingang 22 erhält die Summe aus der Voreinstellspannung und der Spannung der langsamen Regelschleife wie in den Figuren 8 und 9 dargestellt. Die linearisierung der Frequenzsteuerungen der Oszillatoren im Fall eines Empfängers mit nur einer Frequenzumsetzung ist nicht im gleichen Maße kritisch wie diejenige, die für Empfänger mit doppelter . Frequenzumsetzung notwendig ist. Die Arbeitsbedingungen der Anordnung erfordern keine große Stabilität der Mittenfrequenz des Frequenz/Spannungs-Wandlers (beispielsweise - 2 bis 3 MHz); erforderlich ist lediglich eine gute Linearität der Frequenz/Spannungs-Kennlinie. Die Genauigkeit hängt nur von der Identität der Arbeitspunkte auf der Frequenz/Spannungs-Kennlinie im Verlauf der beiden Vorgänge Einspeicherung einerseits und Vergleich andererseits ab.

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Claims

PATENTANWÄLTE «

DiF-TRICH LEWINSKY ^IJ

THOMSON-CSP HEINZ-JOACHIM HUBER 8IO6-IV/K

REINER PRIETSCH

Patentansprüche:

Iy Verfahren zur Regelung der Frequenz eines Oszillators auf diejenige des Trägers eines Impulses, dadurch gekennzeichnet, daß während der gesamten Impulsdauer ein für den Wert der Trägerfrequenz charakteristischer Parameter gemessen wird, daß das Ergebnis dieser Messung gespeichert wird, daß derselbe Parameter für die zu regelnde Frequenz gemessen wird und daß die Regelung nach dem Impuls durch Vergleich des zweiten, gemessenen Parameters mit dem ersten, gespeicherten Para-, meter durchgeführt wird. ;

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Frequenz/Spannungs-Wandler, gekennzeichnet durch einen ' Speicher (M.), einen Vergleicher (CP) mit zwei Eingängen, des-, sen einer mit dem Speicher verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Oszillators verbunden ist, und zwei , synchronisierte Schalter (SW., SW„), die an den Eingang des \ Wandlers (D) entweder bei fehlendem Impuls das Ausgangssignal des Oszillators oder den Impuls anlegen und den Ausgang des Wandlers entweder mit dem zweiten Eingang des Vergleichers oder mit dem Speicher verbinden. i

3. Anordnung nach Anspruch 2, zur Verwendung für den Fall, daß ;

die Oszillatorfrequenz sich um eine Konstante Fi von der Fre- I quenz des Impulses unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingangsanschlüssen des ersten Schalters (SWJ einerseits und dem Ausgang des Oszillators bzw. dem Eingang für den Impuls andererseits je eine Frequenzumsetzerschaltung (0_2J X₂, und O₁₁, X₁) liegt und die Hilfssignale für die Umsetzung jeweils gemischt mit den Signalen der Frequenz F₁ bzw. F,, voneinander um die Konstante Fi abweichen.

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" · JUf.

3. Anordnung nach Anspruch 3_swobei der Speicher ein kapazitiver Speicher ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Effekte aufgrund der parasitären Ladung der Kapazität ein Frequenz/Spannungs-Wandler mit zwei symmetrischen Kanälen (d^, d₂), denen zwei Differenzverstärker (S., Sp) zugeordnet sind, vorgesehen ist und daß ein kapazitiver Speicher jedem der beiden Eingänge eines der Verstärker parallel geschaltet ist und daß der zweite Schalter ein Doppelschalter (SW₂ , SW_2t)) ist, der die beiden Ausgänge der beiden Kanäle entweder mit dem kapazitiven Speicher oder mit den nicht mit den Speichern verbundenen Eingängen des Verstärkers verbindet.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzumsetzerschaltung (Qj,* X₁) einen Oszillator (Ou) mit steuerbarer Frequenz umfaßt, dessen Steuereingang mit einer sogenannten langsamen Regelschaltung für die Regelung der Frequenz des Oszillators (O₁.) auf den Mittelwert der Frequenz des Impulses verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die langsame Regelschaltung in Serie einen Frequenz/Spannungs-Wandler (Dp) eine Ausblendeinrichtung (E), eine Speicherschaltung (M,) und einen Integrator (In) umfaßt und zwischen dem Ausgang des Mischers (X₁) und dem Steuereingang des Oszillators (O₄) liegt.

7. Anordnung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die langsame Regelschaltung einen zwischen der Speicherschaltung (M₁) und dem Steuereingang des Oszillators (Oj liegenden Integrator (In) umfaßt.

8. Impulsradarempfänger mit einer Anordnung nach Anspruch 6 oder 7 und zwei aufeinanderfolgenden Frequenzumsetzerschaltungen für das Empfangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß die erste _:

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Frequenzumsetzerschaltung einen mit dem Oszillator (O₂,) der langsamen Regelschaltung verbundenen Mischer (X_c) umfaßt und

daß die zweite Frequenzumsetzerschaltung einen mit dem Oszillator (0.) der Schaltung zur automatischen Frequenzregelung verbundenen Mischer (X-,) umfaßt.

9. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, mit einem Frequenz/Spannungs-Wandler steuerbarer Mittenfrequenz, der einen Frequenzsteuereingang besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine sog. langsame Regelschaltung zur Regelung der Mittenfrequenz des Wandlers auf den mittleren Wert der Frequenz des Impulses vorgesehen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei der Frequenz/Spannungs-Wandler ein Höchstfrequenz-Diskriminator ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Amplitudenregelschleife vorgesehen ist, die ein einstellbares Dämpfungsglied (40) zwischen dem zu regelnden Oszillator, und dem Diskriminator (D.), einen mit dem Eingang des Diskriminator verbundenen Amplitudendetektor (41), Speichereinrichtungen (42, 44) für das die Amplitude des Impulses wiedergebende Ausgangssignal des Detektors, Vergleicher (43) zum Vergleich des die Amplitude des Oszillatorsignals wiedergebenden Detektorausgangssignals mit dem gespeicherten Signal und eine Amplitudenkorrektureinrichtung (45) zwischen den Vergleichern und dem Verstärkungssteuereingang des Dämpfungsgliedes umfaßt.

11. Anordnung nach Anspruch S₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenz/Spannungs-Wandler (12) einen Frequenzdiskriminator (50) umfaßt, dem ein Begrenzerverstärker (51) und Frequenzumsetzungseinrichtungen, bestehend aus einem Mischer (52) und einem Hilfsoszillator (53) steuerbarer Frequenz, der das Voreinstellungssignal und das langsame Regelsignal erhält, vorgeschaltet sind.

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-Jr-

12. Impulsradarempfänger mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 9j 10 oder 11 sowie einer Prequenzumsetzerschaltung für das Empfangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß die Prequenzumsetzerschaltung einen mit dem geregelten Oszillator
(Ou) verbundenen Mischer (X·,) umfaßt.

12. Radarantenne nach Anspruch 12, mit einem Magnetron, das außer den Sendeimpulsen ein die gesendete Frequenz wiedergebendes Nachführsignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur selbsttätigen Frequenzregelung einen ersten
Addierer (Ad-.) zur Hinzufügung des Nachführsignales zu dem
durch die Regelung erzeugten Prequenzsteuersignal für den geregelten Oszillator (0.) und einen zweiten Addierer (Ad₂)
zur Hinzufügung des Nachführsignales zu dem durch die langsame Regelschaltung erzeugten Prequenzsteuersignals für den Frequenz/Spannungs-Wandler (D_-1) umfaßt.

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