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Hoehfrequenzverstärker.
Die Erfindung bezieht sich auf Verstärkerkreise, insbesondere auf Röhrenverstärker für hohe Radiofrequenzen.
Hauptgegenstand der Erfindung ist die Verbesserung von Radiofrequenzverstärkerkreisen mit Röhren der Schirmgitter-und Pentodenbauart, so dass sie bei sehr hohen Frequenzen stabiler arbeiten.
Vakuumröhren der Schirmgitterbauart werden seit einer Reihe von Jahren für die Verstärkung sehr hoher Radiofrequenzen verwendet. Es hat sich aber gezeigt, dass solche Radiofrequenzverstärker bei einigen der hohen Frequenzen, für die sie bestimmt waren, nicht immer entsprechend stabil arbeiten.
Da solche Verstärkereinheiten im allgemeinen sehr gut abgeschirmt und alle Zuführungen wirksam gesiebt sind, so kann die beobachtete Instabilität nur eine Folge der restlichen Kapazitätskopplung zwischen Anode und Gitter sein. Die wirksame Grösse der Anodengitterkapazitätskopplung macht sich mit wachsender Frequenz mehr und mehr im Hervorrufen von Regenerativ-oder Rückkoppelschwingungen geltend, weil die Reaktanz einer gegebenen Kapazitätskopplung mit wachsender Frequenz abnimmt. Es ist aber noch eine andere Ursache vorhanden, die den wirksamen Wert der Anodengitterkapazität bei Schirmgitterröhren zu vergrössern trachtet. Diese ist auf die Induktanz zurückzuführen, die dem Draht in der Röhre zwischen dem Schirmgitter und dem Sockel innewohnt.
Messungen haben ergeben, dass die Induktanz der Drahtlänge, die. vom Schirmgitter zu dem Sockel in einer üblichen Empfängerschirm- gitterröhre führt, ungefähr O'l Mikrohenry beträgt. Bei sehr hohen Frequenzen macht sich die Reaktanz dieses Induktanzbetrages schon bemerkbar, und es zeigt sich, dass der übliche Nebenweg-oder Über- brückungskondensator nicht mehr eine entsprechend unmittelbare Erdung des Schirmgitters für Radiofrequenzen ergibt. Die Wirkung dieser induktiven Reaktanz ist es, die Anodengitterkapazität zu vergrössern und so Instabilität hervorzurufen.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu vermeiden. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass an Stelle des üblichen grossen Nebenweg-oder Ableitkondensators ein kleinerer solcher Grösse verwendet wird, dass er Reihenresonanz mit der Induktanz der Schirmgitter-oder der Schutzgitterzuleitung oder mit beiden ergibt, wodurch eines oder beide dieser Gitter bei den Signaloder anderen Frequenzen, bei denen Regeneration auftritt, auf Erdpotential gehalten werden und so die Rückspeisung durch die Kapazität zwischen den Elementen der Röhre oder der Röhren verhütet wird.
Bisher wurden nämlich solche Gitter, wie das Schirmgitter einer Tetroden-oder Pentodenröhre, mittels eines grossen Kondensators zur Erde abgeleitet. Dieser Kondensator bot keinen in Betracht kommenden Widerstand für Radiofrequenzströme, und daher war auch bei den niedrigeren Radiofrequenzen das Schirmgitter wirksam auf Erdradiofrequenzpotential gehalten, so dass keine sogenannte Zwischenelement- oder Kapazitätsrückspeisung oder Rückkopplung von der Anode zum Steuergitter auftreten konnte, die unerwünschte parasitische Schwingungen hätte hervorrufen können.
Bei höheren Frequenzen aber bieten diese üblichen Ableitkondensatoren eine immer geringere Impedanz für die Radio-
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unerwünschte Regeneration oder Rückkopplung auf, die den Verstärker bei der Frequenz, auf die er abgestimmt ist, zum Schwingen zu bringen trachtet.
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Wie bereits erwähnt, wird diese unerwünschte Neigung zum Schwingen dadurch vermieden, dass das Schirmgitter mit Erde durch einen Kondensator mit einem solchen Kapazitätswert verbunden wird, dass er Resonanz mit der Induktanz der Schirmgitterzuleitung bei der Frequenz ergibt, bei der sich die Schwingneigung zeigt. Diese Reihenresonanz verringert die Schwingneigung über ein Frequenzband, in dessen Mitte ungefähr die Frequenz liegt, auf die der Schirmgitterableitkreis abgestimmt ist.
Wenn es nun erwünscht ist, einen Verstärker über ein beträchtliches Band von Frequenzen zu stabilisieren, so können mehrere solche Reihenresonanzkreise in dem Verstärkersystem angewendet werden, von denen jeder auf eine verschiedene Frequenz abgestimmt ist, die in bestimmten Abständen über das Frequenzband, bezüglich dessen die Stabilisierung erfolgen soll, verteilt sind ; wobei natürlich vorausgesetzt ist, dass zu diesem Zwecke mehrere Schirmgitter vorhanden sind, wie z. B. bei einem mehrstufigen Radiofrequenzverstärker. Im Falle der Verwendung von Pentoden kann die Reihenresonanz in dem Schutzgitterkreis ebensowohl wie bei dem Schirmgitter angewendet werden, wodurch sich bei einer Röhre zwei Reihenresonanzen mit verschiedener Frequenz anordnen lassen.
In gleicher Weise können in den verschiedenen Stufen eines Radiofrequenzverstärkers auf verschiedene Frequenzen abgestimmte Reihenresonanzkreise angewendet werden, und in dem Falle dass die Reihenabstimmwirkung jedes Gitters zu scharf sein sollte, kann die Reihenresonanzkurve jeder Erdverbindung verbreitert werden, z. B. indem ein Widerstand parallel zu dem die Gitterzuleitung auf Resonanz bringenden Kondensator gelegt wird.
Gegebenenfalls kann dieser Widerstand in Reihe mit dem Kondensator geschaltet werden, oder es kann eine gedrängte Induktanz (Spuleninduktanz) parallel oder in Reihe mit dem Kondensator verbunden werden, oder es können auch beide Massnahmen getroffen werden, um die Frequenz oder das Frequenzband noch weiter zu verändern, bei dem die Gitter durch Reihenresonanzwirkung auf Erdpotential gehalten werden.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand durch Ausführungsbeispiele schematisch veranschaulich.
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mit Schirmgitterröhren. Fig. 2 veranschaulicht einen Gittererdungskreis. Fig. 3 zeigt eine wünschenswerte Charakteristik des Erdungskreises, wie sie gemäss der Erfindung erhalten werden kann.
Fig. 4 ist ein Schaltplan eines Gegentakt-Radiofrequenzverstärkers mit der Schaltung gemäss der Erfindung, Fig. 5 ein Schaltplan einer andern Ausführungsform des Gegentakt-Radiofrequenzverstärkers. Fig. 6 zeigt einen Oszillator mit der Schaltung gemäss der Erfindung.
In Fig. l erregt die Antenne 1 den Eingangskreis 5, 6 des Verstärkers durch die geerdete Induktanz 2.
Ein geeigneter Schild 4 ist zwischen der Primärinduktanz 2 und. der Sekundärinduktanz 5 eingesetzt.
Der Eingangskreis wird durch einen veränderbaren Kondensator 6 abgestimmt. Die Vakuumröhre 7 der ersten Radiofrequenzstufe ist eine Pentode". Sie hat ausser dem üblichen Steuergitter 8 ein Schirmgitter 9,-das"normal Rückkopplung und daher unerwünschte Parasitsehwingungserzeugung verhütet ;
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klar ist.
Wie in Fig. 2 angedeutet ist, hat die Schirmgitterzuleitung von der Länge L eine beträchtliche Induktanz für sehr hohe Frequenzen. Diese wirksame Induktanz ist durch gestrichelt gezeichnete Induktanz versinnbildlicht. Um die bei sehr hohen Frequenzen, sich ergebende nachteilige induktive Reaktanz aufzuheben, wird diese Zuleitung L des Schirmgitters 9 durch Erdung über einen Kondensator 14, dessen kapazitive Reaktanz gleich gross wie die induktive Reaktanz von L und dieser entgegengesetzt ist, so abgestimmt, dass sie mit dem Kondensator in Reihenresonanz mit der Arbeitsfrequenz ist.
Da die Einführung eines veränderbaren Kondensators a, n dieser Stelle des Kreises die Abstimmung des Radiofrequenzverstärkers umständlicher machen würde, so empfiehlt es sich, feste vorausbestimmte Kapazitätswerte an jede Zuleitung zu legen, die Resonanz für verschiedene Frequenzen des Bereiches ergeben, in dem Schwierigkeiten infolge von Instabilität auftreten. Gemäss der Erfindung wird z. B. in einem Empfänger, der einen Bereich von 14 bis 18 m hat, jede der Schirmgitterzlleitungen durch einen entsprechenden Kondensator auf eine verschiedene Frequenz in dem gefährdeten Bereich, der natürlich in dem Gesamtarbeitsfrequenzbereich des Verstärkers eingeschlossen ist, abgestimmt.
So hat der Kondensator 14 einen solchen Kapatitätswert, dass er mit der Induktanz der Zuleitung L für eine Wellenlänge von 14 m oder eine Frequenz von 21. 430 Kilohertz Resonanz ergibt. Entsprechend ist der Wert des Kondensators15 so gewählt, dass er mit seiner Gitterzuleitung bei 15 m oder 20.000 Kilohertz Resonanz ergibt ; dasselbe gilt für Kondensator 14 a bei 16 m'oder 18*750 Kilohertz, für Kondensator M a bei 17 m oder 17.640 Kilo-
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hertz und gegebenenfalls für die andern Gitterkondensatoren bei verschiedenen andern Frequenzen, bei denen noch Parasitsehwingungen aufzutreten trachten.
Für den ganzen Empfänger ergibt sich dann eine Form einer Bandstabilisiereharakteristik, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist, in der die im grossen und ganzen ungefähr geltende Charakteristik striehliert angedeutet ist. Frequenzen dieses Bandes werden
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von Kondensatoren erhalten werden, z. B. durch Parallelschaltung eines Widerstandes zu jedem Kondensator. So sind die Widerstände 16 und 16 a parallel zu den Schutzgitter-Abstimmkondensatoren geschaltet. Um die Banddurchlässigkeit noch weiter zu ändern, können gedrängte Induktanzen (in der Form entsprechender Windungen oder Spulen) verwendet werden.
Fig. 4 zeigt eine Gegentakt-Radiofrequenzverstärkerstufe mit der primären Eingangsspule 30, dem elektrostatischen Schild j'l, der Sekundärspule 32, deren Mitte 33 mit C- (d. h. mit der Quelle für die negative Gittervorspannnng) verbunden ist und die durch gemeinsam bediente veränderbare Konden- statoren M und 35, die bei 36 geerdet sind, abgestimmt wird. Die Steuergitter 39 und 40 der Röhren 37 und 38 sind in Gegentakt mit der Sekundärwindung, 32 verbunden. Die Schutzgitter 41 und 42 der beiden Röhren sind durch einen Abstimmkondensator 48 3 mit einem Parallelwiderstand 44 geerdet. Ebenso sind die Sehirmgitter der beiden Röhren durch einen Kondensator 45 geerdet.
Die Anoden der Röhren sind mit der Primärspule 46 der nächsten Stufe, die gleichfalls durch ein Paar regelbarer Kondensatoren 47 und 48 abgestimmt wird, verbunden. Die Kathoden 49 und 50 sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, geerdet. Ein Schild 54 ist zwischen der Primärspule 46 und der Sekundärspule 55 eingesetzt. Der Kondensator 43 stimmt die Schutzgitteranordnung auf Reihenresonanz mit einer Frequenz ab, für die Stabilisierung gewünscht wird. Ebenso stimmt der Kondensator 45 die Sehirmgitterzuleitungen auf dieselbe oder eine andere Frequenz ab.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der der Fig. 4 dadurch, dass jedes Schirm-und jedes Schutzgitter einen eigenen Gitterzuleitungs-Abstimmkondensator hat, die entweder auf das gleiche Frequenzband oder auf weit voneinander abliegende oder benachbarte oder überlappende Frequenzbänder eingestellt sind. Die Anordnung der Fig. 5 enthält die primäre Eingangsspule 60, den Schild 61, die Sekundäre 62, deren Mitte wieder mit C-verbunden ist. Die gesamte Sekundäre ist durch einen veränderbaren Kondensator 63 abgestimmt. Die Röhren 64 und 65 haben gegebenenfalls durch Heizfäden 66 und 67 indirekt geheizte Kathoden 68 und 69 ; sie weisen ferner Steuergitter 70 und 71, Schirmgitter 72 und 73, Schutzgitter 74 und 75 und Anoden 76 und 77 auf.
Die einzelnen Ab- leitkondensatoren 78, 79, 80 und 81 haben einen vorausbestimmten Kapazitätswert, um die betreffenden Gitterzuleitungen auf Reihenresonanz abzustimmen. Die Verwendung getrennter Kondensatoren bietet den Vorteil einer entsprechenden Einstellung für jede einzelne Röhre. Die Widerstände 82 und 83 halten die Schutzgitter auf einem geeigneten Potential in bezug auf die Kathode und verbreitern auch die Abstimmung der aus Gitterzuleitung und Kondensator bestehenden Reihenschaltung. Weiters enthält die Anordnung der Fig. 5 noch den Abstimmkondensator 84, die Primärspule 85, den Schild 86 und die sekundäre Ausgangsspule 87.
Wenn auch die Fig. 1 eine Radiofrequenzverstärkeranordnung der üblichen Art zeigt, so versteht sich doch, dass auch andere Kreisanordnungen verwendet werden können, deren verschiedene Gitter auf den Bereich der Arbeits-oder Parasitfrequenzen, wie oben beschrieben, abgestimmt werden. Die Kreise können auch in abgeschirmten Abteilen untergebracht und die Energiezuleitungen durch Filter od. dgl. gründlich gegen Potentialschwankungen geschützt sein. Auch können die einzelnen Ableitkonden- autoren der Gegentaktanordnungen so gewählt werden, dass die Gitterzuleitungen auf verschiedene Frequenzbänder abgestimmt werden, so dass sich ein Überlappen, wie in Fig. 3 angedeutet, ergibt.
Die Erfindung ist auch nicht auf Empfänger beschränkt, sondern kann ebensogut auf Anordnungen mit höherer Energie, wie z. B. Radiosender, Anwendung finden. Für diesen Fall würde die Eingangsspule 30 der Fig. 4 eine Quelle von Radiofrequenzenergie bedeuten, die zu übertragen wäre, und die Ausgangsspule 46 würde die Energie einer weiteren Stufe oder einer Antenne zuführen.
Die Erfindung kann auch für Frequenzvervielfaehungsstufen eines Übertragungssystems verwertet werden, in welchem Falle die Anordnungen nach Fig. 4 und 5 durch geeignete Wahl der von Czugeführten Gittervorspannung und Abstimmung der Ausgangskreise auf harmonische Frequenzen als Frequenzmultiplikatoren dienen können. Es wird dann den Gittern 39,40 der Fig. 4 durch die Zufuhr Cund Spule 32 eine hohe negative Vorspannung erteilt, so dass nur positive Gipfel des durch die Primärspule 30 zugeführten Eingangspotentials Anodenstrom zum Fliessen bringen, so dass ungerade Harmonische in dem aus der Spule 46 und den Kondensatoren 47 und 48 gebildeten Ausgangskreis bei entsprechender Abstimmung auf die harmonische Frequenz erhalten werden können.
Um gerade Harmonische zu erhalten, wären die Anoden der Röhren 37, 38 parallel geschaltet mit einem geeigneten abgestimmten Kreis, bestehend in einer Parallelschaltung eines veränderbaren Kondensators und einer Induktionsspule, zu verbinden.
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Um das Entstehen parasitischer Schwingungen in einer Schaltung nach Fig. 4, wenn sie als Frequenzmultiplikator verwendet wird, zu verhüten, werden die Schirmgitter durch einen Kondensator 45 mit solchem Kapazitätswert geerdet, dass die Schirmgitterinduktanz in Reihenresonanz mit der unerwünschten Parasitfrequenz gebracht wird. Um die Abstimmungskurve zu verbreitern, kann der Kondensator mit einem entsprechenden Parallelwiderstand versehen und weiters zu dieser Parallelschaltung eine geeignete Induktionsspule parallel oder in Reihe geschaltet werden.
Wenn die Anordnung jedoch für Verstärkung oder Frequenzvervielfachung mit höherer Energie dienen soll, so ist es zweckmässig, einen besonderen Frdungskondensator für jede Gitterzuleitung jeder Röhre, wie in Fig. 5, zu verwenden, um getrennte Einstellungen zu ermöglichen. Durch Abstimmung jeder Gitterzuleitung auf ein verschiedenes Frequenzband wird dann ungefähr eine Charakteristik erhalten, wie sie in Fig. 3 durch die striehlierten Linien angedeutet ist.
Es ist zweckmässig, wenn die mittlere durch die Gegentaktanordnung der Fig. 5 übertragene Frequenz zwischen den Kurven B und C der Fig. 5 liegt ; es können die verschiedenen Kondensatoren aber auch so gewählt werden, dass die Kurven der Fig. 3 in eine einzige verschmelzen, oder in Verbindung mit Widerständen und Induktionsspulen auch so, dass sich wirksame Erdung der Gitter für weit voneinander getrennte Frequenzen oder Frequenzbänder ergibt.
Es kann auch jede Gitterzuleitung durch mehrere Kondensatoren parallel geerdet werden, von denen jeder dasselbe Gitter auf eine verschiedene Frequenz abstimmt. Auf diese Weise können die einzelnen Gitter über ein Band von Frequenzen oder für mehrere getrennte Frequenzen auf Erdpotential gehalten werden.
Die Schaltung gemäss der Erfindung kann auch für Oszillatoren oder Sender, z. B. zur Verhütung der Rückkopplung durch das Röhrensystem, verwendet werden. Regelbare Rückkopplung kann dann durch Verwendung einstellbarer Rückkoppelspulen oder regelbarer Kondensatoren erhalten werden.
Fig. 6 zeigt einen solchen Rüekkoppelkreis. Die Schirmgitterröhre 90 ist mit einem gemäss der Erfindung durch einen Abstimmkondensator 102 geerdeten Schirmgitter 100 versehen. Rückkopplung wird durch die mit dem Gitterkreis 106 gekoppelte Spule 104 erzielt. Ausgangsenergie kann dem abgestimmten Schwumg-oder Speieherkreis 108 entnommen werden. Bei Verwendung einer üblichen Röhre, wie z. B.
Radiotron 224 oder 236, hat die Schirmgitterzuleitung eine Induktanz von ungefähr 0. 1 Mikrohenry für eine parasitische Rückkoppelfrequenz von 20.000 Kilohertz. Die Reaktanz von 0'l Mikrohenry beträgt dann ungefähr 12-6 Ohm. Um diese Reaktanz in entsprechende Reihenresonanz zu bringen, ist daher eine Kapazität von 635 Mikromikrofarad für den Abstimmkondensator 102 erforderlich.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltung zur Verstärkung oder zur Erzeugung und allenfalls auch Verstärkung oder zur Frequenzvervielfachung und allenfalls auch Verstärkung von Radio-oder Hochfrequenzschwingungen mittels Mehrelektrodenröhren mit zwei oder mehr Gittern, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung eines oder mehrerer der Gitter durch eine kapazitive Verbindung geerdet ist, die so bemessen ist, dass sie in Reihe mit der Induktanz der Gitterzuleitung Resonanz derselben für die in Betracht kommenden Hochfrequenz- ströme ergibt, so dass das Gitter für diese Frequenzen auf Erdpotential gehalten wird.