DE927157C - Anordnung zur Ausuebung eines Verfahrens zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichenkonstanten Ausgangsleistung bei Ultrakurzwellenroehren - Google Patents

Description

• Anordnung zur Ausübung eines Verfahrens zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten Ausgangsleistung bei Ultrakurzwellenröhren Zusatz zum Patent 908'743 Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Steuervorrichtung zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten Ausgangsleistung b i Ultrakurzwellenröhren mit phasenmoduliertem Elektronenstrahl. Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung der in dem Patent 908 743 beschriebenen Röhren, bei denen ein konzentrierter Elektronenstrahl erzeugt und mit ultrahohen Frequenzen moduliert wird.
• Ein Elektronenstrahl, welcher zwischen den Elektroden einer Vakuumröhre fließt, kann entweder in der Elektronengeschwindigkeit oder in der Ladungsdichte moduliert werden. Bei der ersten Modulationsart werden systematische Unregelmäßigkeiten in der Elektronengeschwindigkeit von Punkt zu Punkt längs des Strahls erzeugt. Die zweite Modulationsart betrifft die Erzeugung von Ladungsdichteänderungen, wobei diese Änderungen aus systematischen Unregelmäßigkeiten in der Elektronengruppierung bestehen.
• Bei den üblichen elektrischen Entladungsgefäßen wird zwischen diesen beiden Modulationsarten nicht unterschieden. Beim Arbeiten mit ultrakurzen Wellen ist die ersterwähnte Geschwindigkeitsmodulation jedoch vorteilhaft. Entladungsgefäße, in denen die Geschwindigkeitsmodulation angewendet wird, werden allgemein als Laufzeitröhren bezeichnet.
• Gegenstand des Hauptpatents ist nun im Prinzip ein Verfahren zum Betrieb von Laufzeitröhren, und zwar in der Weise, daß die einem Elektronenstrahl in einer Steuereinrichtung aufgedrückte Geschwindigkeitsmodulation erst außerhalb des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodula.tion umgewandelt wird. Dadurch werden die Verluste in der Steuereinrichtung, welche bei den üblichen Ultrakurzwellenröhren auftreten, stark herabgesetzt. Die auf diese Weise erwirkte Geschwindigkeitsmodulation kann sodann in eine Ladungsdichtemodulation von höherer Größenordnung umgeformt werden, ,so daß Verstärkerwirkungen auftreten. Im Hauptpatent .sind ferner Vorrichtungen zur Ausübung dieses Verfahrens angegeben, bei denen der so in seiner Dichte modulierte Elektronenstrahl zur Anregung einer Auskoppelvorrichtung verwendet wird, der dann die verstärkten Ultrakurzwellen entnommen werden können.
• Erfindungsgemäß wird nun eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach dem Hauptpatent zur Verstärkung von Wellen mit konstantem Ausgangspegel. bei veränderlichem Eingangspegel in der Weise verwendet, daß von den verstärkten Wellen in der Auskopplungsvorrichtung eine Regelspannung abgeleitet wird, welche der Anordnung derart zugeführt wird, daß sie einer Änderung des Ausgangspegels entgegenwirkt. In der Zeichnung ist in zum Teil schematischer Weise ein Ausführungsbeisplel nach der Erfindung dargestellt. Die Elektronenstrahlröhre besteht aus einem Vakuumgefäß mit einem länglichen Schaftteil i o und. einem breiten, die Anode enthaltenden Teil i i. Das Gefäß selbst besteht vorzugsweise aus Glas, Quarz oder einem anderen äquivalenten Isolierstoff. Innerhalb des Schaftteiles io befindet sich das Strahlerzeugungssystem, welches im wesentlichen aus einer Kathode i q. (punktiert dargestellt) und einem Fokussierungszylinder 15 besteht. Dieser Fokussierungszylinder ist entweder direkt mit der Kathode verbunden oder liegt an einer wenige Volt negativeren Spannung zur Kathode. Zur Beschleunigung der Elektronen dient die Beschleunigungselektrode 16, welche an :einer zur Kathode positiven Spannung liegt. Beispielsweise beträgt die Potentialdifferenz mehrere hundert Volt. Das Entladungsgefäß ist in seinem mittleren Teil von einer Reihe von Zwischenelektroden 21 umgeben, die vorzugsweise aus leitenden Metallringen bestehen, die auf die innere Wandung des Gefäßes aufgebracht sind. Diese Zwischenelektroden sind mit äußeren Kontaktanschlüssen 23 versehen. Zur Verhinderung der Streuung der Elektronen dienen magnetische Fokussierungsspulen 25. Manchmal kann es auch vorteilhaft sein, diese Spulen durch elektrostatische Strahlfokussierungseinrichtungen zu ersetzen.
• Nachdem der Elektronenstrahl das Gefäß durchquert hat, wird er von einer Anode 18, die beispielsweise aus Graphit oder einem anderen geeigneten Werkstoff besteht, aufgefangen. Zur Verhinderung der Rückkehr von von der Anode emittierten Sekundärelektronen in den Entladungsraum dient die rohrförmige Bremselektrode i g.
• Beim Betrieb der Anordnung liegen die Zwischenelektroden 2 i an Erde, die I<-:athode an einer ein bis mehrere tausend: Volt negativeren Spannung und die Anode 18 an einer ein bis mehrere tausend Volt positiveren Spannung in bezug zur Kathode. Das Bremsgitter i9 liegt an einer Spannung, welche 5o bis ioö Volt niedriger als die Anodenspannung ist. Die Spannungen werden von einer geeigneten Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie 2;, geliefert. Die eben beschriebene Anordnung dient zur Erzeugung eines gerichteten Elektronenstrahls mit im wesentlichen konstanter Durchschnittsintensität und -geschwindigkeit. Zur Modulation des Elektronenstrahls dient eine Modulationskammer, welche sich zwischen den rohrförmigen Elektroden 31 und 32 befindet. Innerhalb dieses Raumes wird der Elektronenstrahl von einer rohrförmigen Steuerelektrode3o umgeben. Die Elektroden 31 und 32 sind geerdet. Durch abwechselndes Erhöhen und Erniedrigen der Spannung an der Elektrode 3o in bezug zu den Elektroden 31 und 32 wird die Geschwindigkeitsmodulation des Strahls bewirkt. Der Modulationsgrad wird aln höchsten sein, wenn die Länge-der rohrförmigen Elektrode3o in einer derartigen Beziehung zur Strahlgeschwindigkeit steht, daß die Laufzeit durch diese Elektrode wenigstens ungefähr einer Halbperiode der Steuerspannung oder ,einer ungeraden Anzahl solcher Halbperioden entspricht. Wenn ,diese Bedingung erfüllt ist, wird ein Elektron, welches in den Modulationsraum zu einem Zeitpunkt eintritt, wenn die Spannung an der Steuerelektrode 30 ihr Maximum erreicht hat, beschleunigt. Da das Elektron aus der Elektrode ,eine Halbperiode später, d. h. wenn die Elektrodenspannung ihr Minimum erreicht hat, heraustritt, wird ferner eine zweite Beschleunigung erfolgen. In entsprechender Weise wird ein Elektron, welches beim Eintreten in den Modulationsraum verzögert wird, auch beim Verlassen des Modulationsraumes nochmals verzögert werden. Der aus der Modulationskammer heraustretende Strahl wird also aus Elementen bestehen, deren Geschwindigkeit über der Durchschnittsgeschwindigkeit des Strahls, und aus Elementen, deren Geschwindigkeit unter dieser Durchschnittsgeschwindigkeit liegt. Zur Modulation des Strahls mit Hilfe der 'Steuerelektrode 3o dient beispielsweise. eine mit einem Signal modulierte Trägerfrequenz. Das Signal kann entweder Tonfrequenz oder auch eine den Fernsehfrequenzen entsprechende Frequenz besitzen. Die Modulationskammer ist über eine koaxiale Rohrleitung 35, 36 mit der Antenne od. dgl. verbunden.
• Wenn nur schwache Steuerspannungen zur Verfügung stehen, wird die bewirkte Geschwindigkeitsmodulation nur verhältnismäßig gering -sein. Die Geschwindigkeitsmodulation kann jedoch in eine Ladungsdichtemodulation von wesentlich höherer Größenordnung umgeformt werden. Der aus der Modulationskammer heraustretende Strahl besteht nämlich aus abwechselnden Gruppen von schnellen und langsamen Elektronen. An der Austrittsstelle ist der Strahl im wesentlichen gleichmäßig, soweit es die Ladungsdichtemodulation anbelangt. Zu einem späteren Zeitpunkt werden jedoch die schnelleren Elektronen die langsamen Elektronen eingeholt haben, so daß Elektronenansammlungen von Punkt zu Punkt längs des Strahls entstehen. Diese Elektronenansammlungen entsprechen Ladungsdichtemaxima bzw. -minima. Der Strahl ist somit in seiner Ladungsdichte moduliert. Zur Umformung der Geschwindigkeitsmodulation in :eine Ladungsdichtemodulation ist lediglich eine gewisse Zeit sowie die Abwesenheit von fremden Einflüssen, welche entgegengesetzt auf den Strahl einwirken könnten, erforderlich. Zu diesem Zweck wird der Elektronenstrahl nach dem Durchqueren der Modulation.skammer durch einen Laufraum geführt, in dem die Elektronengruppierung stattfinden kann. Der Laufraum befindet sich innerhalb der. rohrförmigen Elektrode 32. Wenn dieser Laufraum lang genug ist, kann ein verhältnismäßig geringer Ges,chwind@igl-,eitsmodulationsgrad in eine weit höhere Ladungsdichtemodulation umgeformt werden, so d.aß eine Verstärkerwirkung erzielt wird. Wenn die Eingangssteuerspannung oder das Signal jedoch zu schwach ist, genügt eine einfache Verstärkerstufe nicht, um eine genügende Ausgangsleistung zu erzielen. Es ist daher vorteilhaft, eine mehrstufige Verstärkung vorzunehmen. In diesem Fall wird beispielsweise eine zweite Kammer, genannt Modulationsverstärkungskammer, vorgesehen, die sich zwischen den rohrförmigen Elektroden 32 und 38 erstreckt. Innerhalb dieser Kammer befindet sich eine Steuerelektrode 4o,, welche ähnlich wie die Elektrode 30 ausgebildet ist. Durch die Stromänderungen in dem in seiner Ladungsdichte modulierten Strahl werden in der Elektrode 40 periodisch veränderliche Ströme mit einer Frequenz, welche der Modulationsfrequenz entspricht, erzeugt. Die Größe dieses induzierten Stromes wird ihren Maximalwert erhalten, wenn die Länge der Elektrode 40 ungefähr der Entfernung zwischen aneinandergrenzenden Ladungsdichtemaxima und -minima entspricht.
• Die Elektrode 4o und die Elektroden 32 und 38 sind über eine koaxial abgestimmte Rohrleitung miteinander verbunden. Diese Rohrleitung besteht aus einem inneren Leiter 42, welcher mit der Elektrode 4o verbunden ist, und einem äußeren Leiter 43, welcher den inneren Leiter umgibt. Die beiden Leiter sind an ihren Enden, nämlich an der Stelle 44, miteinander verbunden. Dieser Punkt 44 ist ungefähr eine Viertelwellenlänge von dem offenen Ende der koaxialen Zuleitung entfernt. An die gleiche Modulationiskammer ist ferner eine weitere kosaxiale Rohrleitung 50, 5 i angeschlossen, deren Länge einer halben Wellenlänge entspricht. Diese Rohrleitung führt zu einem weiteren elektrischen Entladungsgefäß 6o, welches im folgenden weiter erläutert wird.
• Bei der oben beschriebenen Anordnung werden durch den in der Elektrode 40 induzierten Strom stehende Wellen in der koaxialen Rohrleitung erzeugt, und zwar wird das Spannungsmaximum bzw. der Spannungsbauch zwischen der Elektrode 4o und den Elektroden 32 und 38 liegen. Diese periodisch veränderliche Spannung besitzt eine Frequenz, die durch die Frequenz der ursprünglichen Geschwindigkeitsmodulationsspannung bestimmt ist.
• Aus Analogie zur Elektrode 30 wird durch die Elektrode 40 eine zusätzliche Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls bewirkt. Da die Spannungsschwankungen an der Elektrode 4o wesentlich größer sind ,als an der Eingangselektrode 3o, wird auch die Größe der neuen Geschwindigkeitsmodulation entsprechend größer als die ursprüngliche Modulation sein. Folglich wird der aus der Elektrode 4o heraustretende Strahl in seiner Geschwindigkeit stark moduliert sein, und zwar nach einem Modulationsmuster, welches durch die an die Eingangselektrode 33 gelegte Signalspannung bestimmt ist. In dem Laufraum, welcher sich innerhalb des Metallrohres 38 befindet, wird die Geschwindigkeitsmodulation in eine Ladungsdichtemodulation umgeformt. Das Rohr 38 muß lediglich die entsprechende Länge besitzen, damit die Umformung möglichst vollständig erfolgt.
• Die Ausgangsleistung wird mit Hilfe einer dritten rohrförmigen Elektrode 46, welche zwischen dem Rohr 38 und dem Rohr 47 angeordnet ist, ausgekoppelt. Durch den die Elektrode 46 durchquerenden modulierten Strahl werden in derselben Ströme induziert, die der Modulation des Strahls entsprechen. Damit diese Wirkung möglichst groß ist, muß die axiale Länge der Elektrode ungefähr gleich der Entfernung zwischen an.einandergrenzenden Ladungsdichtemaxima und -minima sein.
• Die in der Elektrode 46 induzierten Ströme werden einem entsprechenden Ausgangskreis mit hohem Wellenwiderstand zugeführt. Zu diesem Zweck ist eine abgestimmte koaxiale Rohrleitung vorgesehen, welche aus den Leitern 52 und 53 besteht. Diese Leiter besitzen wenigstens eine Länge, die einer Viertelwelle entspricht. Die mit Hilfe der Elektrode 46 aus dem Strahl ausgekoppelte Leistung wird durch eine entsprechende Kopplung dem Verbraucherkreis 54 zugeführt.
• Beim Betrieb der oben beschriebenen Anordnung ist es wünschenswert, Änderungen in der Ausgangsleistung, welche durch Signalschwund und Seitenbandstörungen herrühren, zu vermeiden. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Anordnung so ausgebildet, daß eine bestimmte Ausgangsleistung eingehalten wird. Zu diesem Zweck ist eine Anerdnung vorgesehen, welche zum automatischen Aufrechterhalten des Resonanzzustandes der Rohrleitung 5o, 5 i dient. Jede Änderung der Abstimmung der Leitungen 5o, 5 i wird nämlich einen Einfluß auf die sekundäre Modulation des in der Röhre io fließenden Strahls haben, welche durch die Elektrode 4o bewirkt wird. Eine maximale Modulation wird erhalten, wenn die Leitungen 50, 5 i genau abgestimmt sind, während eine Änderung der Abstimmung die Modulationsamplitude vermindern wird. Eine Modulationsänderung wird jedoch einen entsprechenden Rückgang der Ausgangsleistung an der Elektrode 46 zur Folge haben.
• Zur Änderung des Resonanzzustandes der Leitungen 5o, 51 dient eine andere Elektronenstrahlröhre 6o, welche ebenfalls mit den Leitern 5o und 51 gekoppelt ist. Um eine möglichst wirksame Kopplung zu erzielen, sind rohrförmige Leiter 63, 64, 65 vorgesehen, welche mit dem äußeren bzw. inneren Leiter der Verbindungsleitung verbunden sind.
• Die Röhre 6o ist in entsprechender Weise wie die Röhre io aufgebaut, und zwar enthält sie eine Kathode 67, eine Beschleunigungselektrode 68, eine Anode 69 und ein Bremsgitter 70. Zur Fokussierung dienen die Spule 73 und eine Zwischenelektrode 74, welche den Elektroden 2 i und den Spulen 25 der Röhre io entsprechen. Zur 'Speisung der Elektroden wird eine Batterie 76 benutzt.
• Durch die Spannungsänderung in der Elektrode 63 werden Geschwindigkeitsänderungen des durch die Röhre 6o fließenden Elektronenstrahls bewirkt. Durch diese Modulationswirkung -wird durch den Elektronenstrahl Hochfrequenzleistung absorbiert, so d.aß der Resonanzzustand der Leitungen 5o, 51 entsprechend der absorbierten Leistung geändert wird. Da, die absorbierte Leistung von dem Elektronenstrom abhängt, werden durch Stromänderungen des Elektronenstrahls Änderungen des Resonanzzustandes bewirkt.
• Die durch die Rohrleitung 5o, 51 bewirkte sekundäre Modulation des durch die Röhre io fließenden Elektronenstrahls wird also von dem Elektronenstrom in der Röhre 6o abhängen. Die Erfindung macht von dieser Tatsache Gebrauch, indem. die Anordnung so ausgebildet wird, . daß der Strom in der Röhre 6o bei Änderungen der an dem Ausgangskreis der Röhre i o liegenden Spannung entsprechend geändert wird. Die Anordnung ist im folgenden im einzelnen beschrieben.
• Der in der Röhre 6o fließende Strahlstrom wird direkt durch eine rohrförmige Elektrode 8o gesteuert, die die Kathode 67 umgibt und als Steuergitter dient. Diese Elektrode liegt im allgemeinen an positivem Potential, und zwar durch Anschluß an eine Batterie 81. Die Potentialdifferenz zur Kathode 67 wird durch einen Kreis geregelt, welcher mit den Ausgangselektroden der Röhre io gekoppelt ist. Dieser Kreis besteht aus. einer koaxialen Rohrleitung 83, 84, die induktiv mit der Elektrode 46 gekoppelt ist. Die Spannung wird über ,einen Gleichrichterkreis geführt, welcher einen Zweielektrodengleichrichter und eine aus einem Widerstand 86 und einem Kondensator 87 bestehende Kombination enthält. Bei dieser Anordnung ist die Spannung an der Widerstand-Kondensator-Kombination durch die mittlere Ausgangsleistung an der Elektrode 46 bestimmt. DieZeitkonstante der Widers;tand-Kondensator-Kombination muß groß genug sein, damit die Klemmenspannung nicht den periodischen Änderungen der Nachrichtenüberrnittlungs- oder Tonfrequenz folgt, mit der das Signal moduliert ist. Sie soll jedoch klein genug sein, damit die Klemmenspannung sogleich den bestimmten Änderungen der mittleren Spannungshöhe des Signals folgen kann, soweit diese durch die Trägerfrequenzspannung bestimmt sind.
• Über die Zuleitungen 88 wird die gleichgerichtete Spannung an einen Kondensator 89 gelegt, welcher in einem Stromkreis mit dem Gitter 8o liegt. Folgli-ch wird der Strahlstrom durch die Röhre 6o die gleichen Änderungen wie die Durchschnittsausgangsleistung an der Elektrode 46 aufweisen. Bei einer Vergrößerung der Ausgangsleistung wird die positive Spannung. an der Elektrode 8o gesteigert und somit auch der Strahlstrom durch die Röhre 6o erli öht.
• Um eine Abgleichwirkung zu erzielen, ist es zweckmäßig, den Strahlstrom durch die Röhre 6o so einzustellen, daß der Schwingungskreis 50,51 nicht ganz in Resonanz steht, wenn die Signalspannung den gewünschten Wert besitzt. Ferner soll der Schwingungskreis so abgestimmt sein, daß bei einer Verminderung des Strahlstromes eine bessere Resonanz erzielt -wird. Bei diesen Bedingungen wird eine Erhöhung der Ausgangsleistung an der Elektrode 46 eine Verminderung der Modulationswirkung durch die Elektrode 4o herbeiführen. Folglich wird die Ausgangsleistung auf den gewünschten Wert zurückgeführt. In umgekehrter Weise wird eine Verminderung der Ausgangsleistung eine Vergrößerung der Modulationswirkung der Elektrode 4o herbeiführen.
• Das im vorhergehenden beschriebene Abgleichsystem ist besonders vorteilhaft bei einer Verstärkeranordnung, welche Modulationsverstärkungsmittel verwendet, wie sie beispielsweise durch die Elektrode 4o und den Schwingungskreis 42, 43, 50 und 51 dargestellt sind. Die Abstimmung einer derartigen Anordnung ist atlBerordentlich scharf, so daß - die Einwirkung auf die verschiedenen Frequenzen nicht gleichmäßig erfolgt. Daher wird, wenn der die Röhre i o durchquerende Strahl durch ein Signal moduliert wird, welches sowohl Träger als ,auch Seitenbandfrequenzen besitzt, ein verhältnismäßig hoher Grad von Seitenbandverzerrungen auftreten, was sich in Änderungen der Ausgangsleistung an der Elektrode 46 auswirkt. Diese Wirkung kann jedoch durch das Abgleichsystem nach der Erfindung vermindert werden. Da der Resonanzzustand des Kreises 5o, 51 selbsttätig mit den Änderungen der Ausgangsleistung geändert wird, welche von den Veränderungen der Seitenbandfrequenzen herrühren, wird das System als Ganzes im wesentlichen frequenzünabhängig sein.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i.. Anordnung zur Ausübung eines Verfahrens nach Patent 9o8 743, bei dem ein Elektronenstrahl durch eine Steuereinrichtung mit sehr kurzen Wellen derart in seiner Geschwindigkeit moduliert wird, daß sich die Geschwindigkeitsmodulation erst außerhalb des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodulation umwandelt, die ihrerseits eine Auskoppeleinrichtung anregt, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Verstärkung von Wellen mit konstantem Ausgangspegel bei veränderlichem Eingangspegel, in der Weise, daß von den verstärkten Wellen in der Auskoppelvorrichtung eine Regelspannung abgeleitet wird, welche der Anordnung derart zugeführt wird, daß sie einer Änderung des Ausgangspegels entgegenwirkt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Resonanzkreis mit dem Ausgang der Anordnung gekoppelt ist, dessen Spannung über einen Gleichrichter an eine Widerstand-Kondensator-Kombination geleitet ist, an der die Regelspannung abgegriffen wird, wobei die Zeitkonstante der Widerstand - Kondensator - Kombination derart groß gewählt ist, daß einerseits die abgeleitete Regelspannung nicht den Änderungen der Nachrichtenübermittlungsfrequenzen folgt, mit der die zu verstärkenden Wellen moduliert sind, und daß andererseits die abgeleitete Regelspannung noch den Schwankungen des Ausgangspegels entgegenwirkt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Entladungsstrecke vorgesehen ist, welcher die Regelspannung zugeführt wird, und daß diese Entladungsstrecke derart angeordnet ist, daß sie eine Steuereinrichtung der Verstärkungsanordnung durchsetzt. q.. Anordnung nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung mehrstufig ausgebildet ist.