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Anordnung zur Beseitigung störender Schwingungen elektrischer Kreise.
In Übertragungen mit hochfrequenten elektrischen Schwingungen, wie sie bekanntlich bei der drahtlosen Telegraphie und Telephonie Verwendung finden, erhält der Empfänger verschiedene auf mindestens zwei Frequenzen schwingende Kreise, von denen die einen auf der hohen Frequenz der vom Sender ausgestrahlten Wellen und die andern auf einer hörbaren Frequenz schwingen, die die Wiedergabe der Zeichen erlaubt.
Der Urheber der vorliegenden Erfindung hat in seinen früheren Anmeldungen Empfangsschaltungen für den drahtlosen Verkehr zur Kenntnis gebracht, in denen er ausser Schwingungen dieser beiden Frequenzen Schwingungen von Zwischenfrequenzen verwendet, nämlich zwischen der Frequenz der empfangenen Welle und der letzten Endes zum Hören verwandten : zu diesen Anordnungen gehört im besonderen die unter dem Namen Superhetérodyne bekannte.
Infolge dieser Zwischenfrequenzen erhält man bekanntlich, wie es der Erfinder gezeigt hat und wie es die Praxis bestätigt hat, die Beseitigung von Störwellen und besonders der Störwellen, die von den Entladungen atmosphärischer Elektrizität herrühren.
Die vorliegende Erfindung hat auch zum Gegenstand die Verwendung von Zwischenfrequenzen, aber sie werden mit anderen als den vom Erfinder bereits angegebenen Mitteln verwirklicht.
Die Schwierigkeiten, die bis zum heutigen Tage der Beseitigung der Störschwingungen entgegenstehen, seien im folgenden dargelegt :
Um eine für den Empfang genügend grosse Energie zu erhalten, muss man empfangsseitig Luftleiter-Antennen oder Rahmen - von grossen Dimensionen haben. Diese Kreise nehmen naturgemäss auch eine Menge Geräuschenergie auf, die vorzugsweise aus Störschwingungen besteht.
Ausserdem ist es wohl bekannt, dass die Störschwingungen in den Empfangskreisen, Antennen oder Rahmen, freie Schwingungen anstossen, deren Dämpfung-abhängig von dem Konstanten des Kreises-im allgemeinen schwach ist und deren Frequenz genau die Eigenfrequenz der Kreise ist.
Man sieht weiter, dass man, wenn diese Kreise genau auf die Frequenz der Empfangswellen abgestimmt sind, die grössten Schwierigkeiten haben wird. in den Empfangsapparaten die beiden Wellen genau derselben Frequenz zu trennen, von denen die eine von der Sendestation und die andere von den Störschwingungen herrührt.
Gegenstand der Erfindung ist, wie schon oben gesagt, eine vervollkommnete Methode der Beseitigung von Eigenschwingungen in Empfangskreisen, die bestimmt sind von Stör- schwingungen, eine Methode, die auf alle Fälle anwendbar ist auf Luftleiter kleiner Abmessungen wie auf Rahmenantennen.
Die neue Methode besteht darin, eine Verschiedenheit zu schaffen zwischen den freien, von einer störenden Ursache, atmosphärischenstörungen beispielsweise-bestimmtenschwingungen einerseits und den durch die Arbeit des Senders erzwungenen Schwingungen anderseits.
Die Verwirklichung dieser Verschiedenheit beruht auf der Tatsache, dass die zu beseitigenden freien Schwingungen immer und in jedem Augenblick die Eigenfrequenz des Kreises, die erzwungenen Schwingungen hingegen immer und in jedem Augenblick die Frequenz des Senders haben.
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Die Verwirklichung der Verschiedenheit besteht darin, die Eigenfrequenz ? des Kreises, z. B. periodisch (in bekannter Weise) mittels eines der später gekennzeichneten Mittel zu variieren. Auf diese Weise erhalten die Eigenschwingungen, die z. B. durch die atmosphärischen Störungen hervorgerufen sind, eine periodisch wechselnde Frequenz f ; anderseits haben die durch den Sender erzwungenen Schwingungen eine konstante Frequenz f ; die Schwankungen der Eigenfrequenz des Kreises rufen bezüglich der Empfangsfrequenz nur eine periodische Verstimmung hervor, die allein zur Wirkung hat, dass die Amplitude der erzwungenen Schwingungen in schwachem Masse periodisch vermindert wird.
Man schafft auf diese Weise eine beträchtliche Differenz zwischen den beiden Arten von Schwingungen ; die freien Schwingungen haben eine periodische Frequenz, was man dadurch ausdrücken kann, dass man sagt, sie sind, moduliert in der Frequenz" ; die erzwungenen Schwingungen behalten dieselbe Frequenz, aber ihre Amplitude verändert sich periodisch, was man dadurch ausdrücken kann, dass man sagt : sie sind, moduliert in der Amplitude".
Es ist noch zu bemerken, dass diese beiden Modulationen, wie sie soeben definiert wurden, von derselben Frequenz sind, nämlich der der Abstimmungsschwankungen des Empfangskreises, einer Frequenz, die im folgenden, Sekundärfrequenz" genannt und mit F bezeichnet wird.
Es ist jetzt leicht, die Trennung der beiden Wellen vorzunehmen. In der Tat kann man nach einer Gleichrichtung die Amplitudenmodulation in einem, auf die SekundärFrequenz F dieser Modulation abgestimmten Kreis in Erscheinung treten lassen, während die Störschwingungen in diesem Kreis nur einen Wechselstrom sehr niederer Frequenz ergeben, wie das im folgenden näher gezeigt werden soll. Man wird ebenfalls sehen, dass die Amplitudenmodulation sich aus Frequenzen Fund 2 F bilden muss und dass, da diese Sekundärfrequenz nach Belieben hörbar oder unhörbar bestimmt wird, man sie in dem letzteren Fall so hoch bestimmen kann,'wie man es wünscht.
Um gegenüber der Sekundärfrequenz F die Eigenperiode des Empfangskreises zu ver- ändern, kann man mechanische und elektrische Hilfsmittel verwenden. Die ersteren, die nur für niedrige Frequenzen verwendbar sind, bestehen darin, die Konstanten des Kreises, Selbstinduktion und Kapazität zu verändern, beispielsweise in geeigneter Form kurzzuschliessen. Um hohe Sekundärfrequenz zu erhalten, wird es notwendig sein, auf elektrische Mittel zurückzugreifen, wie sie noch näher beschrieben werden und die bekanntlich sind : a) Einfügen von mit dem Strom veränderlichen Widerständen, in Serie oder parallel in den Empfangskreis, z. B. Vakuumröhren. b) Verbinden von Selbstinduktionen und Kapazitäten, die man elektrisch verändert, mit dem Empfangskreis.
Die folgende Beschreibung und die angefügten Abbildungen geben als Ausführungsbeispiel verschiedene Methoden zur Verwirklichung der Erfindung an. Fig. 1 ist ein Schema einer Verwirklichungsart der Erfindung mit einem magnetischen Modulator. Fig. 2 ist ein Schema einer anderen Verwirklichungsweise, die einen Elektronenröhremodulator verwendet. Die Fig. 3 und 4 sind Schemata, die die Frequenztransformation erklären. Die Fig. 5 und 6 sind Schemata, die die Wirkung der Störschwingungen vor und nach der Gleichrichtung zeigen. Die Fig. 7 stellt als Beispiel das Schema eines elektromagnetischen Telephons dar.
In der Fig. 1 sind schematisch dargestellt zwei Drei-Elektroden-Röhren 1 und 5 mit ihrem Heizdraht 2 bzw. 6, Gitter 3 bzw. 7 und Anode 4 bzw. 8.
Die Kathoden der beiden Lampen werden geheizt durch die Batterie 9, die Anoden erhalten ihr Potential durch die Batterie 10.
Der Empfangskreis enthält in Hintereinanderschaltung einen Rahmen oder eine Antenne (in der Figur nicht dargestellt), die Spule 11, den Kondensator 12 und die beiden Selbstinduktionsspulen 15 und 16 ; der Empfangskreis ist unter Zwischenschaltung eines Kondensators 13 mit dem Gitter 3 der Röhre 1 verbunden, und dieses Gitter ist selbst wieder durch einen Widerstand 14 mit dem einen Ende des Heizfadens verbunden, was im ganzen für Röhre 1 die wohlbekannte Audionschaltung darstellt.
Die beiden Selbstinduktionsspulen 15 und 16 sind im entgegengesetzten Sinn auf einen Eisenkern 18 gewickelt, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet ; auf diesem Kern befindet sich ebenfalls eine Wicklung 17, deren Enden mit einer Batterie 26 und einem Wechselstromgenerator 19 von der Frequenz F (der Frequenz, die vorher als Sekundärfrequenz bezeichnet wurde) verbunden sind : diese Frequenz ist wesentlich niedriger als die der Empfangswellen ; um ein Beispiel zu geben, kann man annehmen, dass F gleich 10. 000 Hertz ist.
Dieser Generator 19, der auf Fig. 1 schematisch dargestellt ist, kann eine mechanische Anordnung sein, wenn die Sekundärfrequenz niedrig genug ist oder wenn sie hoch ist, eine Drei-Elektrodenröhre oder eine Gruppe von solchen Röhren, die als Schwingungserzeuger geschaltet sind. In dem Anodenkreis der Röhre 1 befindet sich die Rückkopplungsspule 20,
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doppelten Höhe der Sekundärfrequeiiz (7'*) des Generators 19 abgestimmt ist, gekuppelt ist.
Die Schwingungen des Kreises 21, 22 werden durch die Röhre 5, die mittels des Konden- sators 23 und des Widerstandes 24 als Audion geschaltet ist, gleichgerichtet. In den Anodenkreis der Röhre 5 ist das Empfangstelephon 25 eingeschaltet.
Der Gleichstrom, den die Batterie 26 durch die Wicklung 17 schickt, ruft in dem Eisenkern 18 einen magnetischen Fluss hervor, dessen Höhe man derart regeln kann, dass die An-und Abschwellungen des Flusses, die bedingt sind durch die Wirkung des Wechselstroms der Frequenz F des Generators 19, in dem Kern Änderungen der Permeabilität hervorrufen ; diesen Schwankungen der Permeabilität entsprechen Schwankungen der Selbstinduktion der Spulen 15 und 16 und infolgedessen Schwankungen der Frequenz p der Eigenschwingung des Empfangskreises.
Man kann die Anordnung leicht so treffen, dass ausser der Wirkung der Permeabilitätsschwankungen der Wechselstrom von 19 keine andere Wirkung auf die Spulen 15 und 16 hat. Dieser Strom ruft in der Tat in dem Eisenkern 18 eine magnetische Welle einer gewissen Länge hervor ; es genügt, die Spulen 15 und 16 auf dem Kern 18 in einen Abstand gleich einer magnetischen Wellenlänge anzuordnen, die sie durchsetzenden Flüsse werden dann in jedem Augenblick gleich sein und infolge des entgegengesetzten Wicklungssinnes werden die induzierten Ströme in jedem Augenblick gleich und entgegengesetzt sein ; sie heben sich daher gegenseitig auf.
Anderseits induziert jede der Spulen 15 und 16, in bezug auf die hohe Frequenz der Empfangswellen in dem Empfangskreis in dem Eisenkern einen magnetischen Fluss von sehr kurzer Wellenlänge ; diese Flüsse, die in jedem Augenblick entgegengesetzten Sinnes sind, heben sich auf.
Man versteht leicht, wie sich die Amplitudenmodulation gestalten wird, wenn man die Fig. 3 und 4 betrachtet, auf denen als Abszisse die Zeit und über der Linie OX (Abszisse) die variablen Eigenfrequenzen f'des Empfangskreises und darunter die Amplituden der Empfangswellen aufgetragen sind.
Die Schwankungen von y sind dargestellt durch eine z. B. sinusförmige Kurve I, die die Frequenz der Frequenzmodulation als Periode hat, d. h. die mittlere Ordinate hat einen Wert f Wenn der Empfangskreis derart abgestimmt ist, dass die mittlere Frequenz/, gleich der Frequenz f der Empfangswellen ist, d. h. f= fm, dann sieht man, dass eine Verstimmung auftreten wird, dass nämlich r mehr oder weniger von seinem mittleren Wert m jedesmal abweichen wird.
Die Abweichung wird jedesmal am grössten sein, wenn f'ein Maximum oder ein Minimum durchläuft ; die Amplitude der Empfangswelle ist dann um soviel grösser, wie die Abstimmung besser ist ; man sieht, dass diese Amplitude durchlaufen wird : a) ein Minimum, jedesmal wenn f'durch ein Maximum oder Minimum hindurchgeht, b) ein Maximum, jedesmal wenn f durch seinen Wert m gleich f hindurchgeht.
Man sieht bei Betrachtung der Figur, dass die Kurve II, die die Amplitude darstellt, periodisch sein wird, dass ihre Frequenz ein Doppel der Kurve f ist. Oder, anders ausgedrückt, in den betrachteten Fällen ist die Frequenz der Amplitudenmodulation doppelt so gross wie die der Sekundärfrequenz F.
Wenn anderseits die Abstimmung derart ist, dass die Frequenz der erzwungenen Senderschwingungen f grösser oder gleich dem Maximum von f'oder gar noch kleiner oder gleich seinem Minimum ist (dargestellt in Fig. 4.), dann werden die Maxima und Minima der Amplituden denen der Frequenzen f'entsprechen und infolgedessen ist in diesem Fall die Frequenz der Modulation gleich der Sekundärfrequenz F.
Diese Eigenschaften haben keineswegs zur Voraussetzung, dass die Kurve y sinusförmig ist ; es genügt, dass sie mit der Frequenz F periodisch ist.
Die Abstimmungsschwankung, die der Amplitude der Kurve 11 entspricht, kann übrigens von mehreren tausend Perioden pro Sekunde oder niedriger als eine Periode sein : In dem letzteren Fall reduziert sie sich zu einer Phasendifferenz. Wenn man fürchtet durch Stationen, die mit einer Frequenz in der Nähe von F arbeiten, gestört zu werden, wird man dafür sorgen, die Amplitude dieser Schwankungen sehr klein zu wählen, derart, dass man immer gegenüber den störenden Stationen hinreichend verstimmt ist, um diese nicht zu empfangen.
Zieht man zunächst in Betracht, um dem Gedanken nähere Gestalt zu verleihen, dass man sich im ersten der betrachteten Fälle befindet, nämlich dem, in dem die Amplitudenmodulation von der Frequenz 2 F ist, dann sieht man, dass nach der Gleichrichtung der Empfangswellen durch die Röhre 1 der Kreis 21/22 abgestimmt ist auf diese Frequenz 2 F und unterworfen sein wird : 1.) einem Strom von der hohen Frequenz f. der moduliert ist durch die Frequenz 2 F und 2. ) den Strömen, die durch die Störschwingungen hervorgerufen werden.
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. Jede. schwingende atmosphärische Entladung wird in dem Ernpfangskreis 11/12 in Form eines Zuges von mehreren Schwingungen auftreten, von denen jede in der Frequenz moduliert ist und langsam abschwingt, wie es Fig. 5 darstellt ; durch Gleichrichtung in der Röhre 1 wird jede gedämpfte Schwingung auftreten als eine Verminderung des mittleren Anodenstroms und infolgedessen wird der Strom in dem Kreis 21/22 dargestellt werden durch die Kurve der Fig. 6 ; diese Kurve ist, wie man sieht, periodisch, aber ihre Frequenz ist sehr niedrig, nämlich, entsprechend der Folge der durch die atmosphärischen Entladungen hervorgerufenen Wellenzüge, von ungefähr 15-20 Schwingungen pro Sekunde.
Diese Folge von Stössen, die durch die Störschwingungen hervorgerufen sind, übt nur eine sehr kleine Wirkung auf den Kreis 21/22 aus. Man kann sich dies hier leicht erklären, und es ist übrigens auch durch den Erfinder experimentell mit seinen Superheterodynapparaten bestätigt worden, die wie. die Apparatur der Fig. 1. aber mit andern Mitteln Anordnungen enthalten, die es erlauben, die Schwingungen des Empfangskreises durch eine Sekundärfrequenz zu modulieren.
Wenn der Empfänger für Radiotelegraphie eingerichtet ist, dann wird die akustische Frequenzmodulation der Empfangsströme des Übertragerkreises hervorgebracht auf Schwingungen der Sekundärfrequenz F oder 2 F, die in dem Kreis 21/22 bestehen ; nach der Gleichrichtung durch die Röhre 5 gibt das Telephon diese akustische Modulation wieder.
Wird im Fall der Radiotelegraphie der Empfänger mit nicht modulierten Wellen betrieben, dann erlaubt die Kopplung zwischen den Spülen 11 und 20 die Röhre 1 als Schwingungerzeuger arbeiten zu lassen, und eine leichte Verstimmung der mittleren Frequenz tut des Kreises 11-12-15-16 erlaubt in dem Kreis 8 ; 3 durch Überlagerung der empfangenen Welle und der lokalen Welle eine veränderliche Frequenz der Entladungen mit hörbarer Frequenz zu erhalten.
Die Fig. 2 stellt eine andere Form der Verwirklichung der Erfindung dar, in welcher die Veränderung der Eigenfrequenz des Empfangskreises nicht mehr durch einen magnetischen Modulator, wie in Fig. 1. sondern durch eine Elektronenröhre 26 hervorgebracht ist, die zugleich als Generator von Strömen hörbarer Frequenz wie als Modulator dient. Die Röhre 26 besitzt einen Heizfaden 27, Gitter 28 und eine Anode 29 ; sie ist-als Generator geschaltet mittels der Selbstinduktionsspulen 30/31 und der Kapazität 32, die Frequenz der erzeugten Schwingungen ist unhörbar ; ein veränderlicher Kondensator 33 verbindet die Anode der Röhre, 26 mit dem Ende der Selbstinduktionsspule 15 des Kreises 11-12-15, genau wie in Fig. 1, und dieser Kreis enthält einen Rahmen oder eine Antenne, die nicht dargestellt sind.
DerKreisAnode-Heizfaden derRühre26 bildet einenNebenschluss zurSelbstindunktion 15, und die Änderungen des Widerstandes dieses Kreises rufen Änderungen in der Eigenfrequenz des Kreises 11-12-15 hervor (der die nicht dargestellte Antenne enthält). Die Vorgänge spielen sich dann genau so ab, wie in der Schaltung der Fig. 1.
Auf Fig. 2 ist zwischen A'B'und AB eine künstliche Leitung dargestellt, welche die Stösse
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ihre Anordnung ist gleich wie in Fig. 1.
Man sieht, dass der Kreis 21/22 der Fig. 1 durchflossen wird von Strömen von Zwischen- frequenz, zwischen der der empfangenen Wellen und der der hörbaren Frequenz, die in dem Telephon aufgenommen wird, genau so wie dies auftritt in dem Zwischenfrequenzkreis der Superheterodynschaltung ; es ist leicht verständlich, dass man in dem Empfänger, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. alle Verbesserungen, die in den Anmeldungen über Superheterodyn desselben Erfinders beschrieben sind, anbringen kann.
Man wird bekanntlich auf jeder Frequenzstufe selektive oder nicht selektive Verstärker anordnen können, und wenn die Zahl dieser Stufen grösser als 2 ist, wird man eine Endverstärkung hinzufügen können, die sehr viel grösser ist, als eine solche, die man einem gewöhnlichen Apparat mit nur 2 Frequenzstufen geben kann.
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Kombinationen von Sehwingungskreisen.
Man wird eventuell an einem solchen Empfänger die bekannten Methoden der Heterodynisation, der Superheterodynisation und der Superreaktion anbringen können, z. B. mittels der Spulen 34, Fig. 1, die mit dem Kreis 11-12-15-16 gekoppelt sind, um den Primärkreis zu heterodynisieren und 35, die zur Heterodynisation des Sekundärkreises mit dem Kreis 21-22 gekoppelt sind.
Es erübrigt sich zu erwähnen, dass die beschriebenen Vorgänge mehrere Male hintereinander in demselben Empfangsapparat wiederholt werden können. Die beschriebene Anordnung zeitigt als Effekt einen Frequenzwechsel, und es ist ersichtlich, dass man zwischen der Anfangs-
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