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Anordnung zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer Wellen grosser Leistung.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Hochleistungsverstärkung kurzer und ultrakurzer Wellen. Bei dem Bau von Kurzwellensendern verursachen die mit zunehmender Leistung steigenden Abmessungen der Senderöhren verschiedene Schwierigkeiten. Zunächst wachsen die inneren und äusseren Kapazitäten der Röhren, so dass die Arbeitswellenlänge nicht mehr beliebig klein gemacht werden kann. Ferner nehmen die Induktivitäten der inneren und äusseren Röhrenverbindungen und der Elektroden selbst Werte an, die nicht mehr vernachlässigt werden können. Dies gilt insbesondere bei neutralisierten Hochfrequenzstufen, da bei diesen trotz Einstellung des Brückengleichgewichtes auf Entkopplung des Eingangskreises vom Ausgangskreis eine Rück-oder Gegenkopplung auftreten kann, die in den meisten Fällen unerwünscht ist.
Diese zusätzliche Kopplung ist darauf zurückzuführen, dass der durch die Verbindungsleitung des Gitters mit dem entsprechenden Punkt der zur Neutralisation dienenden Röhrennachbildung fliessende Schwingkreisstrom wegen der Eigeninduktivität dieser Leitung einen Spannungsabfall hervorruft, so dass die zwischen Gitter und Kathode herrschende Potentialdifferenz von Stelle zu Stelle der Leitung verschieden ist und in der Röhre selbst ihren grössten Wert besitzt.
Bei Anlegung einer Hoehfrequenzsteuerspannung zwischen Gitter-und Kathodenzuleitung besteht also zwischen Gitter und Kathode nicht nur diese Steuerspannung, sondern darüber hinaus eine durch die Zuleitungsinduktivitäten verursachte gegen-oder rückkoppelnde Spannung, deren Beseitigung Gegenstand der Erfindung ist.
Gemäss der Erfindung ist die Verbindungsleitung zwischen der Kathode der Röhre und dem der Kathode entsprechenden Punkt der zur Neutralisation dienenden Röhrennachbildung auf ihrer ganzen oder annähernd der ganzen Länge von der Verbindungsleitung zwischen dem Gitter der Röhre und dem Gitter der Nachbildung umschlossen. Durch diese Massnahme ist die Kathodenleitung mit der Gitterleitung derartig gekoppelt, dass der an der Gitterleitung auftretende Spannungsabfall einen genau gleichen Spannungsabfall an der Kathodenleitung hervorruft. Zwischen den beiden Leitungen herrscht dann an keiner Stelle eine zusätzliche Potentialdifferenz, und die durch die Leitungsinduktivitäten hervorgerufene Rück-oder Gegenkopplung ist vollständig beseitigt.
Eine zwischen Gitterund Kathodenzuleitung angelegte Steuerspannung herrscht in gleicher Grösse an allen Stellen der Leitung und kann zur völlig unbeeinflussten Steuerung der Röhre dienen.
An Hand der Zeichnung, welche zwei besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt, soll der Erfindungsgedanke näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt eine normale neutralisierte Hochfrequenzverstärkerstufe. Dem Eingang der Röhre wird über eine Energieleitung E die Steuerenergie zugeführt und die verstärkten Schwingungen von der Ausgangsinduktivität L abgenommen. Die Anodenspannung A wird der Anordnung über eine Drossel Dr in der Mitte der Induktivität L zugeleitet. Die Schwingkreiskapazitäten sind nicht eingezeichnet, da sie bei kurzen Wellen meistens durch die natürlichen Streukapazitäten und inneren Kapazitäten der Röhre gebildet werden. Zur Neutralisierung dient eine konstruktiv völlig mit der Röhre R übereinstimmende Röhrennachbildung N, durch welche nicht nur die Gitter-Anoden-Kapazität, sondern auch die Gitter-Kathoden-Kapazität und die Zuleitungsinduktivitäten neutralisiert werden.
Wie man aus der Abbildung ohne weiteres ersieht, wird der Schwingkreis durch die Induktivität
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von Röhre und Nachbildung und weiterhin durch die Induktivität der Verbindungsleitung G gebildet.
Die Induktivität dieser Verbindungsleitung G wurde schon oben erwähnt, da der an ihr auftretende Spannungsabfall eine Rückkopplung oder Gegenkopplung hervorruft.
Erfindungsgemäss wird diese Leitung mit der Kathodenverbindungsleitung K so stark gekoppelt, dass derselbe Spannungsabfall an der Kathodenleitung auftritt und dass keine Rück-oder Gegenkopplung eintreten kann. Die Induktivität dieser Leitung bestimmt aber weiterhin, wie ebenfalls schon erwähnt, die kürzeste zu erreichende Wellenlänge. Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird daher die Verbindungsleitung zwischen den beiden Gittern so kurz wie irgend möglich gehalten. Dies zeigt die Fig. 2 an einer wassergekühlten Röhre und einer ebenso gebauten Nachbildung. A sind die beiden Anoden, mit H sind die Haltevorrichtungen angedeutet, welche den Glaskolben Gl der Röhre gegen mechanische Belastungen schützen.
Im Innern der Röhre sind Kathode, Gitter und Anode konzentrisch angeordnet, wie man es beispielsweise auf der rechten Seite der Fig. 3 erkennen kann. Röhre und Nachbildung sind nun derart angeordnet, dass die gitterseitigen Enden einander gegenüber liegen und dass die Längsachsen beider annähernd eine gerade Li ie-büden. Die Kathodenleitung K (dieselbe
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besteht vorteilhaft aus einer konzentrischen Leitung mit innen liegender Hochfrequenzleitung, während der Aussenmantel auf Kathodenpotential liegt. Diese Leitung ist also umgekehrt angeordnet, wie die Verbindungsleitung zwischen den beiden Röhren. Der Grund hiefür ist, dass es bei der Energiezuführungsleitung auf die Strahlungslosigkeit und bei der Verbindungsleitung auf die enge Kopplung ankommt.
Zwischen den beiden Anoden, welche durch ihre räumliche Anordnung die kleinste zu erreichende gegenseitige Streukapazität besitzen, kann die Schwingkreisinduktivität angeordnet sein. Dies ist jedoch bei kurzen Wellen nicht nötig, da die gesamte Röhrennachbildungsanordnung selbst als Induktivität wirkt und deshalb nur die äussere Kapazität auf den richtigen Wert abgestimmt zu werden braucht. Dies geschieht dadurch, dass um das ganze Gebilde ein auf Kathodenpotential befindlicher Metallzylinder gelegt wird, dessen Kapazität mit den Anoden von Röhre und Nachbildung als Schwingkreiskapazität dient.
In diesem Falle bildet die Anordnung einen völlig geschlossenen Schwin- gungskreis. Es ist aber auch möglich, den auf Kathodenpotential befindlichen (in den Figuren nicht eingezeichneten) Metallzylinder wegzulassen und die Anordnung als selbststrahlende Dipolantenne zu verwenden. Die Anoden von Röhre und Nachbildung bilden hiebei nur Dipolhälften. In Fig. 2 ist der Kraftlinienverlauf für den letzteren Fall eingezeichnet, woraus hervorgeht, dass die Anordnung völlig als Strahler wirkt. Gegenüber der nicht strahlenden Ausbildung mittels eines auf Kathodenpotential befindlichen Abschirmrohre hat die strahlende Ausbildung den Vorteil einer maximalen Dämpfung, so dass die zu übertragende Frequenzbandbreite besonders gross gewählt werden kann.
Bei der Verwendung als strahlungsloser Zwischenkreis wird die zu erzielende Bandbreite wegen der Verringerung der Dämpfung verringert.
Die Anpassung des Strahlers der Fig. 2 (die Einstellung auf die grösste Leistung) ist durch getrennte Längenabstimmung und Wellenwiderstandseinstellung möglich. Der Strahlungswiderstand hängt nämlich lediglich von dem Verhältnis der Strahlerlänge zur Wellenlänge ab, während der Blindwiderstand des Strahlers am Symmetriepunkt ausserdem eine Funktion des Wellenwiderstandes des Strahlers ist. Statt dessen ist auch eine Anpassung durch zum Strahlereingang (den beiden Anoden) parallel geschaltete induktive oder kapazitive Impedanzen möglich. Um die Einschaltung von Drosseln in die zweite Heizzuleitung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, auch die zweite Kathodenausführung in die
Mitte der ganzen Anordnung zu verlegen.
Dies lässt wiederum die Fig. 3 erkennen, wo die beiden Heiz- zuführungen h in der Mitte ausgeführt sind und wegen der Symmetrie der ganzen Anordnungen auf keinem Hochfrequenzpotential liegen.
Ein besonderer Vorteil des Strahlers der Fig. 2 ist der, dass die sonst unvermeidlichen Energieverluste in der Hochfrequenzleitung zwischen dem eigentlichen Sender und der Antenne vollständig vermieden sind, da ja das Zuführungskabel zu dem Strahler nur die Steuerenergie führt. Gleichzeitig hat man die Möglichkeit, eine Mehrzahl von synchron-und konphasgesteuerten, unter Umständen getrennt modulierten Einzelstrahlern, Richtantennen aufzubauen, oder die Leistung erheblich zu vergrössern.
Da, wie schon oben erwähnt, die kürzeste zu erreichende Wellenlänge von der Länge der Gitterleitung G abhängt, ist es zweckmässig, zur Erzielung sehr hoher Frequenzen die Röhre und die Röhrennachbildung in ein gemeinsames Vakuumgefäss einzuschliessen, wodurch die Leitung G um mehr als die halbe Länge verkürzt werden kann. Dies zeigt die Fig. 3. In dem Schnitt auf der rechten Seite ist He die Heizungs-Hin-und Rückführung und konzentrisch dazu das Gitter Gi. Die zylindrisch angeordneten äusseren Heizfäden He gehen in der Mitte der Röhrenanordnung in ein Rohr R über, durch welches die Heizfadenanschlüsse h hindurchgeführt sind. An das mittlere Rohr R ist die Kathodenleitung angeschlossen. Mit V ist das gemeinsame Glasgefäss bezeichnet.
Um einen genauen Abgleich der Röhrennachbildung vornehmen zu können, wird vorteilhaft die Gitteranodenkapazität der Röhre
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oder der Nachbildung oder beider durch elastische hochvakuumdichte Zwischenstücke Z (z. B. Wellröhre aus Metall oder Glas) in kleinen Grenzen variabel gemacht.
Es wäre auch möglich, die ganze Röhrenanordnung in ein gemeinsames Glasgefäss unterzubringen, was z. B. zur Verstärkung von Dezimeterwellen in Frage kommt. Die Energie lässt sich dann z. B. kapazitiv durch die Glaswand hindurch abnehmen.
Wird die Röhrennachbildung selbst als richtige betriebsfähige Röhre ausgebildet, so hat dies den Vorteil, dass die Lebensdauer der Anordnung durch abwechselndes Benutzen als geheizte Schwingröhre oder nicht geheizte Nachbildung einer jeden Röhre praktisch verdoppelt werden kann. Ausserdem kann bei einem Übergang auf die Verstärkung längerer Wellen eine Parallelschaltung beider Röhren vorgeommen werden, so dass die Anordnung mit der doppelten Leistung ausgenutzt bzw. durch einfaches Abschalten einer Heizung eine wirtschaftliche Leistungsreduktion auf die Hälfte erzielt werden kann. Statt auf eine einfache neutralisierte Einröhrenschaltung kann die Erfindung auch auf eine Gegentaktschaltung je zweier Röhren und zweier Röhrennachbildungen angewandt werden. Dies zeigt die Fig. 4 im Prinzip, wo mit R die Röhren und mit N die Nachbildungen bezeichnet sind.
Das bisher beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung betraf die Verkürzung der Arbeitswellenlänge durch Verkürzung der Gitterverbindungsleitung G in Fig. 1. Voraussetzung für die Durchführung dieses Gedankens war die Anwendung des eigentlichen Erfindungsgegenstandes, nämlich der Kopplung zwischen Gitterleitung G und Kathodenleitung K. Da Rück-oder Gegenkopplungen, die durch die schädliche Induktivität der Gitterleitung G bedingt sind, infolge der Kopplung mit der Kathodenleitung K nicht mehr auftreten können, ist noch ein weiterer Weg zur Verkürzung der erzielbaren Wellenlänge möglich. Dieser sei an Hand der Fig. 5-8 beschrieben. Bei Hochleistungsverstärkern handelt es sich zumeist um Röhren mit sehr grossen aussen liegenden Anoden, die entweder luft-oder wassergekühlt sind.
Diese Anoden stellen bekanntlich gegen Erde eine sehr grosse Kapazität dar, so dass die kürzeste zu erreichende Wellenlänge auch durch die äussere Streukapazität der Röhre begrenzt ist.
Dies zeigt Fig. 5, wo eine Röhre R und eine Röhrennachbildung N dargestellt sind, welchen die Steuerleistung über eine Energieleitung E zugeführt wird. Mit K und G ist die Kathode und das Gitter bezeichnet. Die äusseren Streukapazitäten C und GY2 sind gestrichelt angedeutet. Der Schwingkreis wird hauptsächlich durch diese Kapazitäten und die Induktivität L gebildet. Aus der Fig. 5 geht klar hervor, dass eine Verkleinerung der äusseren Streukapazitäten eine wesentliche Verkürzung der Wellenlänge hervorrufen würde. Ausserdem ist eine Verkleinerung der Schwingkreiskapazitäten bei Übertragung sehr breiter Frequenzbänder unbedingt erforderlich, um die Blindleistung herabzusetzen und hiedurch die Dämpfung des Schwingkreises zu erhöhen.
Es wurde bereits versucht, Röhren mit inneren Anoden zu konstruieren, ohne dass jedoch ein praktischer Erfolg erzielt werden konnte. Gemäss der Erfindung wird der Einfluss der äusseren Röhrenkapazität dadurch zu einem Minimum herabgedrückt, dass die Anode der Röhre und die Anode der Röhrennaehbildung direkt oder über Kapazitäten miteinander verbunden sind, und sich infolge der Symmetrie der ganzen Anordnung auf Kathodenpotential befinden.
Fig. 6 a zeigt das Prinzipschaltbild einer derartigen Anordnung. Die Anoden der Röhre R und der Nachbildung N sind direkt miteinander verbunden, während zwischen den Gittern eine Leitungsschleife P angeordnet ist. Diese Leitungsschleife dient als Schwingkreisinduktivität, während die Schwingkreiskapazität durch die Gitteranodenkapazitäten der Röhre und der Nachbildung gebildet werden. Da bei der Schaltung der ganze Gitterkreis auf Hochfrequenzpotential gegenüber Erde liegt (was sicherlich weit grössere verteilte Kapazitäten als die übliche Schaltung bedingen würde), ist die Anwendung der Schaltung nur bei Anwendung des Erfindungsgedankens, Gitter-und Kathodenleitung miteinander zu koppeln, möglich. Dies ist ebenfalls in Fig. 6 a dargestellt, wo die Kathodenleitung vollkommen von der Gitterleitung umschlossen wird.
Die Zuführung der Steuerleistung erfolgt wiederum über eine strahlungslose Energieleitung E an dem Symmetriepunkt der Leitungsschleife P, d. h. einem Punkt, der sich auf gleichem Potential wie der Zusammenschlusspunkt der Anoden befindet. Hiedurch werden diese Punkte praktisch auf Erdpotential gebracht.
Eine praktische Ausführungsform dieser Schaltung ist in Fig. 6 b dargestellt. Röhre und Nachbildung sind direkt nebeneinander angeordnet und die Anoden beider miteinander verbunden. Die Gitterleitung umschliesst, wie in Fig. 6 a die Kathodenleitung und ist in ihrem Symmetriepunkt mit der Energiezuführungsleitung E verbunden, bei welcher wiederum zum Zwecke der Strahlungslosigkeit die Hochfrequenz führende Leitung innen angeordnet ist. Die Einstellung der Wellenlänge erfolgt entweder durch Veränderung der bügelartigen Leitung zwischen den Gittern, wobei dieser Bügel vorteilhaft posaunenartig ausziehbar ausgebildet ist. Die Gitterleitung mit innen liegender Kathodenleitung kann auch zu einer Spule aufgewickelt sein.
Ob die direkte Erdung an den Anodenmänteln oder dem Mittelpunkt der Gitterverbindungsleitung erfolgt, ist grundsätzlich gleichgültig, da die ganze Anordnung eine Brücke darstellt und die beiden Punkte daher stets gleiches Potential besitzen. Die Entnahme der Nutzenergie kann entweder transformatorisch durch eine Ankopplung an die Gitterleitung oder gemäss der Fig. 7 kapazitiv durch eine zwischen die beiden Anoden eingeschaltete Koppelkapazität erfolgen, die zweckmässig gross gegen die innere Röhrenkapazität ist. In Fig. 7 ist wiederum
R die Röhre und N die Röhrennachbildung, deren Anoden über die Kapazität C miteinander verbunden
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sind. Die Zuführung der Anodenspannung A erfolgt über eine Drossel dur.
Ausserdem ist in Fig. 7 der gesamte Heizkreis eingezeichnet. Innerhalb der Gitterverbindungsleitung G liegen die ineinander
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zuleitung in nul in der Hälfte der Leitung vorhanden ist. Am Symmetriepunkt ist die Energieleitung E mit ihrem Innenleiter an die Gitterverbindungsleitung G und mit ihrem Aussenmantel an die Kathodenverbindungsleitung K angeschlossen, während die Leitung K'h ausgeführt ist. Zwischen ihr und dem Mantel der Leitung E wird die Heizspannung Hangelegt.
Da die Koppelkapazität 0 in Reihe mit den Gitteranodenkapazitäten liegt, bringt sie noch den Vorteil mit sich, dass sie die Schwingkreiskapazität verkleinert. Um durch die kapazitive Ankopplung die Blindleistung nicht unnötig zu steigern, wird zweckmässig die Antennenimpedanz derartig auf den Sender transformiert, dass sie am Sender möglichst niederohmig erscheint, so dass nur eine geringe Koppelspannung erforderlich ist. Man kann in diesem Falle eine grosse Kopplungskapazität wählen. Der kapazitive Kopplungswiderstand kann, falls notwendig, durch zwei entsprechende Induktivitäten 1 in Fig. 7 kompensiert werden.
In gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 lässt sich auch das zweite Ausführungsbeispiel mit verbundenen Anoden zu einer Gegentaktschaltung erweitern. Dies zeigt die Fig. 8, wo zwei Röhren Ri und R2 und zwei Röhrennachbildungen und N2 paarweise mit den Anoden zusammengeschaltet und über eine Koppelkapazität 0 miteinander verbunden sind. Zur Vermeidung
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ihre Mitten einander nähern. An den Symmetriepunkten der beiden Schleifen sind die im Gegentakt erregten (im Schnitt gezeichneten) Zuführungsleitungen Ei und E2 der Steuerleistung angeschlossen.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es vorteilhaft, die Gitter-und Kathodenleitungen konzentrisch zueinander anzuordnen, da hiedurch die grösstmögliche konstruktive Einfach-
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da lediglich die Bedingung einer möglichst vollständigen Umschliessung der Kathodenleitung von der Gitterleitung erfüllt sein muss.
Wie schon aus der Beschreibung ersichtlich, kann die Erfindung in ihren verschiedenen Aus- führungsformen mit besonderem Vorteil bei Ultrakurzwellensendern grosser Leistung zur Übertragung von sehr breiten Frequenzbändern auf Wellen von der Grössenordnung von etwa 5 m, beispielsweise bei Fernsehsendern, angewandt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer Wellen grosser Leistung unter Verwendung einer neutralisierten Röhrenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung zwischen der Kathode der Röhre und dem der Kathode entsprechenden Punkt der zur Neutralisation dienenden Röhrennachbildung auf ihrer ganzen oder annähernd der ganzen Länge von der Verbindungsleitung zwischen dem Gitter der Röhre und dem Gitter der Nachbildung umschlossen ist.