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Leitungsverstärker.
Die Erfindung bezieht sich auf die Verstärkung und Fortleitung elektrischer Signale über
Leitungen und betrifft insbesondere Verstärker im Zuge von Fernmeldeleitungen, vorzugsweise Kabeln, bei denen die Signalverstärkung mit Hilfe von Sekundäremissionsverstärkern erfolgt. Der telephonische
Sprechverkehr über weite Entfernungen wurde früher durch die schnelle Schwächung der Sprachströme gehindert. Diese Schwächung ist so stark, dass für praktische Arbeitsbedingungen eine Entfernung von ungefähr 30 km effektiver Leitungslänge die Grenze darstellt und darüber hinaus eine Verstärkung vorgesehen werden muss.
Die früheren Methoden verwendeten solche Apparate in Form von mecha- nischen Verstärkern mit Stromversorgung durch örtliche Batterien, die mit den aufeinanderfolgenden Linienabschnitten verbunden sind.
Die Entwicklung der Röhrenverstärker brachte den nächsten grossen Schritt vorwärts, da nunmehr hohe wiederholte Verstärkung mit verhältnismässig geringer Verzerrung ermöglicht wurde. Aller- dings sind Röhrenverstärker teuer und benötigen für stabile Arbeitsbedingungen viel Zubehör.
Die Batterien müssen häufig nachgesehen werden, Auswechslung, Einstellung der Röhren ist notwendig. Es ist nicht möglich, die Verstärkereinheiten in viel grösseren Zwischenräumen als etwa 50 km anzuordnen, da sonst die Signalstärke bzw. das Verhältnis von Signalspannung zu Störspannung für ein ordnungsmässiges Arbeiten der Röhren zu gering wird.
Die Erfindung bedeutet eine grundsätzliche Verbesserung gegenüber den gewöhnlichen Röhrenverstärkern. Sie besteht im wesentlichen in einer besonderen Anordnung eines Sekundärelektronenvervielfachers. Die Theorie der Sekundäremissionsverstärkung durch wiederholten Aufprall einer Anzahl von Elektronen auf sekundäremittierende Oberflächen ist durch die Veröffentlichungen von Farnsworth und seinen Mitarbeitern hinreichend bekannt. Die Erfindung lässt sich vor allem durch die Verwendung der Sekundäremissionsverstärkung entlang einer kontinuierlichen Oberfläche durchführen.
Die bedeutende Ausgangsleistung, die mit diesen Sekundäremissionsverstärkern erreicht werden kann, und der geringe Störpegel haben die Leitungslänge, die ohne Zwischenverstärkung verwendet werden kann, ausserordentlich erhöht und gleichzeitig die Notwendigkeit von häufigen örtlichen Batteriestationen (Verstärkerämtern) verringert.
Erfindungsgemäss werden bei der Fortleitung und Verstärkung elektrischer Signale über Leitungen im Zuge dieser Leitungen Sperreinrichtungen angeordnet, welche die Leitung für die zu verstärkenden Signale sperren, jedoch für die zum Betrieb der Verstärkereinrichtung nötigen Spannungen bzw. Ströme durchlässig sind. Die Verstärkung der Signale erfolgt hiebei mit Hilfe von Sekundärverstärkerröhren, deren Verstärkereingang vor der Sperreinrichtung und deren Verstärkerausgang nach der Sperreinrichtung mit der Signalleitung verbunden ist, wobei diesen Sekundäremissionsverstärkerröhren die Betriebsspannung bzw. die Betriebsströme über die Signalleitung zugeführt werden.
Die Kathode der Sekundärverstärkerröhre wird durch denselben Strom geheizt, der durch seinen Spannungsabfall die Verteilung des Gleichspannungspotentials an den Auslöseelektroden bestimmt.
Es hat sich in dieser Hinsicht als geeignet erwiesen, zur Ausführung der Erfindung eine Sekundäremissionsverstärkerröhre zu verwenden, bei der eine Auswahl der von der Kathode emittierten Elek- tronen vor dem Eintritt in die Vervielfachungskammer bezüglich ihrer Geschwindigkeit vorgenommen wird, so dass nur die Elektronen eines ganz bestimmten Geschwindigkeitsbereiches der Steueranordnung (Steuerelektrode) und hierauf der Vervielfachungskammer zugeführt werden. Dies ist deshalb zweck-
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mässig, weil dadurch die Empfindlichkeit des Sekundärelektronenverstärkers erhöht wird und dadurch mit kleiner Signalamplitude (grosser Kabellängen) eine gute Steuerung des Elektronenstromes erzielt werden kann.
Im allgemeinen wird es vorteilhaft sein, die Signalleitung als konzentrisches Kabel auszubilden.
Eine besonders ökonomische Konstruktion ergibt sich dann, wenn die Signalleitung als abgeschirmte Doppelleitung ausgebildet ist und der Aussenleiter den Innenleiter konzentrisch umgibt und gleichzeitig abschirmt und wobei dieser abschirmende Aussenleiter sowohl zur Leitung der Signale als auch zur Rückleitung für die über den Innenleiter zugeführte Betriebsspannung dient.
Die Verstärkereinrichtungen werden im Zuge der Leitung vorzugsweise in annähernd gleichem Abstand angeordnet, wobei sich durch die besondere Art der Anordnung der Sperreinrichtungen für die zu verstärkenden Signalströme eine Kaskadenschaltung der Sekundäremissionsverstärkung ergibt, während diese Sekundäremissionsverstärker für die zugeführte Betriebsspannung parallel liegen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Sekundäremissionsverstärker in einem Gehäuse 101 dargestellt, der mit einem Leitungspaar 102 und 104 verbunden ist, durch welches die ankommenden Signale empfangen werden. Ein Belastungswiderstand, bestehend aus Kapazität 105 und Induktivität 106, liegt an den beiden Leitungen 102 und 104, durch die das Signal zugeleitet wird. Der Mittelpunkt 107 zwischen Kapazität und Induktivität ist durch einen Leiter 141 mit dem Gehäuse 109 verbunden, welches die Ausgangsleistung der Elektronenröhre entsprechend der Stärke der ankommenden Signale steuert. Die Steuerung findet an der Öffnung 120 statt.
Wenn ein Signalstrom der Leitung 102 in einem grossen Abstande vom Elektronenverstärker 101 zugeführt worden ist, so wird er beim Eintreffen am Verstärker erheblich geschwächt sein. Die Rückleitung durch die geerdete Leitung 104 erfolgt über einen Kondensator 105 und eine Induktivität 106 sowie durch eine Drossel 135, welche die Leitung 102 über einen Kondensator 136 erdet. Der nächste Abschnitt der Leitung 132 ist durch eine entsprechende Drossel 137 und ebenfalls den Kondensator 1. 36 geerdet. Erfindungsgemäss werden über das Leiterpaar 102, 104 nicht nur die Signalströme, sondern auch die Betriebsströme geleitet, so dass in der Leitung 102 ein Strom fliesst, der aus einem Gleichstromanteil zur Energieversorgung des Sekundärelektronenverstärkers und einem tonfrequenten Sprachanteil sowie zusätzlichen Signalfrequenzen besteht.
Die Drossel dz verhindert den Durchtritt der tonfrequenten Ströme ; kleine tonfrequente Restströme werden durch den geerdeten Kondensator 136 abgeleitet.
Der Gleichstromanteil durchfliesst die Drosseln 15 und 137 und wird dadurch auch den nachfolgenden Verstärkeranordnungen zugeleitet. Der den Leitungen 102 und 104 zugeführte Signalstrom durchfliesst den Kondensator 105 und die Drossel 106 ; der entstehende Spannungsabfall entlang dieser Drossel dient zur Gewinnung der Gittervorspannung für das Steuerorgan 109 und dadurch zur Steuerung der Anzahl der Elektronen, die durch die Öffnung 120 hindurchtreten. Um eine möglichst grosse Wirkung des ankommenden Signals zu erzielen, ist es wünschenswert, einen Elektronenstrom zu benutzen, dessen Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Spannungsbereiches der ankommenden Signale liegt.
Wenn die Steuer-oder Signalspannung von derselben Grössenordnung ist wie die Elektronengeschwindigkeit, d. h. wenn eine Signalspannung von ein Mikrovolt ein Elektronenbündel mit Geschwindigkeiten entsprechend einem Besehleunigungspotential von 1 Mikrovolt steuert, wird eine vollkommene Steuerung gewährleistet. Die hiezu notwendige Geschwindigkeitsauswahl geschieht so, dass die von der Kathode 112 ausgehende und in der Kammer 114 schräg fliegenden Elektronen verschiedener Geschwindigkeitsverteilung durch die Einwirkung der Elektrode 116 auch so verschieden abgelenkt werden, dass je nach der Vorspannung der Elektrode 116 nur Elektronen einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Öffnung 119 hindurchtreten. Danach müssen die Elektronen die Steueröffnung 120 passieren, deren Potential durch das ankommende Signal über die Leitung 141 gesteuert wird.
Da die durch die Öffnung 119 hindurchtretenden Elektronen hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit genau ausgewählt sind, werden sie vollständig von der jeweiligen Ladung an der Öffnung 120 gesteuert, und es ergibt sich ein vollständig modulierter Elektronenstrom, der durch die Anodenöffnung 121 in die Sekundäremissionsverstärkerkammer gelangt. Von hier aus unterliegen die Elektronen dann zwischen den Elektroden 122, 124 und 125 dem Vervielfaehungsvorgang.
Die Betriebsspannungen für die einzelnen Röhrenelektroden werden durch Spannungsteilung der zwischen den Leitungen 102 und 104 liegenden Spannung erzeugt. Dabei wird die Spannungsteilung zum Teil durch die Röhrenelektroden selbst bewirkt. Der Teiler wird, angefangen von der geerdeten Leitung 104, aus folgenden Widerstandsgliedern gebildet : Widerstand 139, Widerstand 140 den aus Widerstandsstoff bestehenden Elektroden 122 und 124 zusammen mit den ebenfalls aus Widerstandsstoff bestehenden Haltestäben 126 und 127 für die Elektrode 125 und schliesslich Widerstand 134.
Der Spannungsabfall über den Widerstand 139 liefert die Heizspannung für die Kathode 112. Es ist nicht notwendig, grosse Ströme zu verwenden, da zur Anregung der Sekundäremissionsverstärkung nur verhältnismässig wenig Elektronen benötigt werden. Die Vorspannung für die Aussortierungs- elektrode 116 wird über die Leitung 117 am Widerstand 140 abgegriffen. Durch die geeignete Verbindung der Elektroden 122 und 124 mit 125 über Leitungen 142 und 145 sowie durch den Widerstand 134 wird auch für diese Elektroden die für den Vervielfachungsvorgang notwendige Spannungsverteilung
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erzielt. Die Anode 131 liegt direkt an der positiven Spannung der Leitung 102, 1. 32, so dass auch der auf sie gelangende vervielfacht Elektronenstrom direkt an die Leitung 132 abgegeben werden kann.
In Fig. 2 wird eine Anwendung der Erfindung für einen Gegensprechverkehr in einem Zweidrahtfernsprecleitungssystem 102, 104 gezeigt. Der Widerstand der Leitungen 102 und 104 wird durch eine Schaltung 150 nachgebildet, die durch die Windungen eines Ausgleiehstransformators 151 mit den Leitungen 102 und 104 verbunden ist.
In den Ausgleichsspulen des Transformators 151 befinden sich an den Punkten 152 und 154 Mittelabgriffe, von denen Zuleitungen zur Primärwindung eines Eingangstransformators 155 führen, dessen Sekundärseite an eine der Sekundäremissionsverstärkerröhren angeschlossen ist. Der Ausgang dieser Röhre 156 wird durch die Primärwindung einer Ausgleichsspule 157 geführt, die die Ausgangsleistung der Leitungen 159 und 160 zuführt. Der in der Gegenrichtung ankommende Signalstrom wird dem Verstärker auf den Leitungen 159 und 160 zugeführt, welche durch eine Nachbildungssehaltung 158 abgeschlossen werden. Von den Mittelabgriffen 161 und 162 der Ausgleichsspulen 157 wird der Signalstrom einem Eingangstransformator 164 zugeführt, der das Signal auf die Sekundäremissionsverstärkerröhre 167 überträgt.
Der Ausgang dieser Röhre wird analog der Primärseite der Ausgleichsspulen 151 zugeführt und solcherart den Leitungen 102 und 104 zugeleitet.
Die Stromversorgung erfolgt über die Leitungen durch Anordnung eines Bandfilters 166 zwischen den Nachbildungen 150 und 157. Durch geeignete Bemessung dieses Filters wird der den Leitungen 102
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Bereich nicht störend beeinflusst, während der Gleichstrom von einem Leitungsabschnitt zum nächsten gelangen kann. Die Leitungen 102 und 159 bilden die positive, die Leitungen 104 und 160 die negative Stromzuführung.
Die positive Leitung ist durch eine Zuführung 167 und die Primärseite der Ausgleichsspulen 151 und 157 mit der Sammelanode 131 verbunden. Eine geringe positive Spannung wird dem Schirmgitter 130 durch die Verbindungsleitung 167 über den Widerstand 134 zugeführt. Vom Schirmgitter 130 und dem damit verbundenen Rahmenwerk führen Verbindungsleitungen 142 zu den Sekundäremissionsplatten 122 und 724 entsprechend der Erläuterung zu Fig. l, und die weniger positiven Enden dieser Elektroden 122 und 124 besitzen Verbindungen, um das benötigte positive Potential der Aussortierungselektrode 119 zuzuführen. Schliesslich wird der Stromkreis der Stromversorgungsleitung über den Widerstand 169, die Heizung 112, einen Strombegrenzungswiderstand 170 und eine Leitung 171 geschlossen.
Die Steuerung eines Elektronenbündels eines ausgewählten Geschwindigkeitsbereiches ermöglicht eine von der Stärke des aufgedrückten Signals unabhängige Verstärkung. Da die Grösse der Verstärkung durch geeignete Bemessung der Verstärker von der Signalstärke unabhängig ist, können diese derart eingestellt werden, dass sie auf verschiedenem Potential entlang der Leitung arbeiten und die Signale jeder benötigten Amplitude verstärken. Die Aufstellung dieser Sekundäremissionsverstärkereinrichtungen ist infolgedessen vollständig unabhängig von den verschiedenen Begleitumständen, welche einen bestimmten Aufstellungsort zum geeigneten Betrieb der üblichen Verstärkertypen bedingen.
Es soll hiebei ausdrücklich erwähnt werden, dass es eine grosse Reihe von Möglichkeiten der Batteriestromversorgung für Sekundäremissionsverstärkeranordnungen gibt. Diese wird durch die Leitungen selbst bewirkt. Es ist ferner in gewissen Fällen vorteilhaft, dass bei Kabelanordnungen die metallische Kabelabschirmung als Speiseleitung benutzt wird. Weiterhin kann eine örtliche Stromversorgung aus Batterien in geeigneten Zwischenräumen vorgesehen werden oder die Zuführung von hohen Spannungen an einzelnen Stationen. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass die Stromversorgung in so verschiedenartiger Weise durchgeführt werden kann, ohne die Wirkungsweise der Anordnung im geringsten nachteilig zu beeinflussen.
Ebenso ist die Erfindung in gleicher Weise auf Vierdrahtsysteme, Fernsehkabel und auf Phantomleitungen, Mehrfachtelegraphie oder andere Anordnungen, bei denen mehrere Meldungen oder Signale gleichzeitig durch Drähte übertragen werden, oder für Trägerfrequenzanordnungen mit besonderen Stromkreisen anwendbar.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Fortleitung und Verstärkung elektrischer Signale über Leitungen, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge der Leitungen Sperreinrichtungen angeordnet sind, welche die Leitung für die zu verstärkenden Signale sperren, jedoch für die zum Betrieb der Verstärkereinrichtungen nötigen Spannungen bzw. Ströme durchlässig sind, und dass die Verstärkung der Signale mit Hilfe von Sekundäremissionsverstärkerröhren erfolgt, deren Verstärkereingang vor der Sperreinrichtung und deren Verstärkerausgang nach der Sperreinrichtung mit der Signalleitung verbunden ist, und dass diesen Sekundäremissionsverstärkerröhren die Betriebsspannungen bzw. Ströme über die Signalleitung zugeführt werden.