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Abstimmbarer Ultrahochfrequenzapparat
Die vorliegende Erfindung betrifft einen abstimmbaren Ultra-Hochfrequenzapparat, welcher eine Mehrzahl frequenzabhängiger Ubertragungsleitungen besitzt, die über gegebene Bereiche von Betriebsfrequenzen in einer Weise abstimmbar sind, dass eine vorbestimmte, konstante Beziehung zwischen ihren einzelnen Betriebsfrequenzen aufrechterhalten bleibt. Obgleich die Erfindung einen weiten Anwendungsbereich hat, eignet sie sich besonders zur Verwendung in einem Schwingungserzeuger mit direkt beheizte Kathode zur
Erzeugung von ultra-hochfrequenten Schwin- gungen und wird in diesem Zusammenhang beschrieben werden.
In Schwingungserzeugem mit direkt geheizter
Kathode bildet der Heizstromkreis einen Teil sowohl des Anoden-Kathoden-Stromkreises als auch des Gitter-Kathoden-Stromkreises. Bei
Niederfrequenzbetrieb, wo der Heizstromkreis hauptsächlich einen Ohmschen Widerstand dar- stellt, befriedigt diese Anordnung. Dagegen be- wirkt bei Ultrahochfrequenzbetrieb die verteilte
Induktanz und Kapazitanz der Leiter, welche eine geeignete Heizspannungsquelle mit der
Kathode verbinden, dass der Heizstromkreis bei allen Frequenzen mit Ausnahme der Resonanz- frequenz einen nennenswerten induktiven oder kapazitiven Widerstand hat. Dadurch wird in den Rückkopplungskreis des Oszillators eine un- erwünschte Phasenverschiebung eingeführt, welche dessen Betriebswirkungsgrad verschlechtert und in ungünstigen Fällen die Schwingungserzeugung vollständig unterbindet.
Aus diesem Grund haben
Schwingungserzeuger der in Betracht gezogenen
Bauart einen begrenzten Betriebsfrequenzbereich, wenn der induktive oder kapazitive Widerstand des
Heizstromes nicht ausgeglichen oder beseitigt wird.
In vorbekannten Anordnungen ist in den Heiz- kreis häufig eine kurzgeschlossene, frequenz- abhängige Übertragungsleitung eingeschaltet, um den obengenÅannten, unerwünschten Blindwider- stand zu vermeiden. Die Leitung ist gewöhnlich so abgestimmt, dass ihre wirksame, elektrische
Länge gleich der Hälfte der der Betriebsfrequenz ; des Oszillators entsprechenden Wellenlänge ist, und stellt daher hauptsächlich einen Ohmschen Widerstand dar, indem sie die Eigenschaften eines Serie-Resonanzkreises aufweist. Sofern der
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von gleicher, einstellbarer Grösse aber entgegengesetzter Phase zu erhalten, was dadurch erzielt wird, dass längs der Leitung bewegliche kapazitive
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werden.
Auch hier fehlt die gleichmässige Beschwerung der einen Leitung.
Die Beschwerung von Übertragungsleitungen durch induktive (vgl. z. B. USA Patentschrift
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zwar bekannt. Die Beschwerung der Leitung hat aber bei diesen Anordnungen den Zweck, eine Abstimmung durch Veränderung der Beschwerung zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Erfindung, wie aus dem Hauptan- spruch ersichtlich, um das gleichzeitige Ausnützen zweier m verschiedener Weise gleichmässig beschwerten Leitungen, um zu ermöglichen, dass die Lotungen mit einem gemeinsamen Gleichsteuerungsmittel auf verschiedene Wirklängen eingestellt werden können.
Die Erfindung wird an Hand der inder Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung ist Fig. 1 eine perspektivische, teilweise schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen, abstimmbaren Ultra-Hochfrequenzapparates, Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild der Anordnung gemäss Fig. l und Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Apparates nach Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Ultra-Hochfrequenz-Schwingungserzeuger mit direkt geheizter Kathode, der uber einen gegebenen Bereich von Betriebsfrequenzen abgestimmt werden kann. Der Apparat umfasst einen schematisch dargestellten Elektronenröhren-Oszillator 10, der eine Anode, eine Steuerelektrode und eine direkt geheizte Kathode besitzt, sowie einen frequenzbestimmenden Kreis, der aus einer ersten freqjenzabhängigen Übertragungsleitung 11 besteht, welche direkt mit der Anode und der Steuerelektrode der Vakuumrbhre verbunden ist, so dass sie mit deren Zwischenelektrodenkapazitanz Cg-p endigt.
Die L hertragungsleitung 11 besitzt eine elektrische Wirklänge, die gleich einem ungeraden ganz- zahligen Vielfachen eines Viertels einer einer vorbestimmten Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge ist, wobei der ganzzahlige Faktor für die dargestellte Ausführungsform vorzugsweise gleich eins ist. Somit ist die elektrische Wirk- länge der Leitung 11 gleich einem Viertel der der
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ordneter Leiter 12 und 13 von gleichmässig verteilter Induktanz und Kapazitanz und, ein einstellbare Abstimmittel auf, welches einen Kurzschliesser zum Ändern ihrer elektrischen Wirklänge umfasst, um die Leitung über einen gegebenen Betriebsfrequenzbereich, der durch den gewünschten Betriebsfrequenzbereich des Apparates bestimmt ist, abzustimmen.
Die Leiter 12 und 13 sind in den Stirnwänden des Metallbehälters 30 gelagert, aber davon isoliert. Die Isolationen sind in der Zeichnung der Vereinfachung halber weggelassen worden. Der Kurzschliesser zum Ändern der elektrischen Wirklänge der Leiter besteht aus den leitenden Teilen 14 und 15, die am waagrechten Teil eines Tragbügels 16 aus geeignetem Isoliermaterial, z. B. aus Kunstharz, befestigt sind. Die Teile 14 und 15 sind jedes für sich durchbohrt und längs der durch ihre Bohrungen durchgehenden Leiter 12 und 13 verschiebbar. Zwischen den benachbalten Enden der Teile 14 und 15 ist ein Glimmerstreifen 17 eingesetzt, der den beschriebenen Kurzschliesser zu einem die Leitung 11 zu einem geschlossenen Wechselstromkreis vervollständigenden Kondensator gestaltet.
Die von der Röhre 10 abgekehrten Enden der Leiter 12 und 13 sind durch einen Kondensator 18 verbunden, um den zWiSli"n den genannten Enden und dem Kurzschliesser 14-15-17 liegenden Teil der Leitung 11 zwecks Vermeidung von störenden Resonanzwirkungen zu verstimmen.
Die Kathode der Vakuumröhre 10 wird mittels einer geeigneten, mit A bezeichneten Batterie über einen Heizkreis geheizt, der aus einer zweiten frequenzabhängigen Übertragungsleitung 20 besteht, welche über wenigstens einem Teilstück ihrer Länge gleichmässig beschwert ist und eine elektrische Wirklänge besitzt, die gleich einem geraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge ist, welche einer vorbestimmten Betriebsfrequenz entspricht. Bei der in Betracht stehenden Ausführungsform ist die Übertragungsleitung 20 über den grösseren Teil ihrer Länge durch dielektrische Mittel beschwert, deren Art hiernach genauer beschrieben wird, und weist eine elektrische Wirklänge auf, die gleich der Hälfte einer der Betriebsfrequenz des Oszillators entsprechenden Wellenlänge ist.
Die Übertragungsleitung umfasst ebenfalls ein
Paar paralleler Leiter 21 und 22, einen Kurz- schliesser mit leitenden Teilen 23 und 24 und einen dazwischengelegten Glimmerstreifen 25 sowie einen Verstimm-Kondensator 28, der die von der Röhre 10 abgekehrten Enden der Leiter
21 und 22 miteinander verbindet. Diese Elemente sind von gleicher Bauart wie die entsprechenden
Elemente der Übertragungsleitung 11. Auch die
Leitung 20 ist in den Stirnwänden des Behälters 30 gelagert und von ihnen durch nicht dargestellte
Isolierbüchsen isoliert. Der Kurzschliesser
23-24-25 ist durch eine federnde, U-förmige
Bürste 29 am Metallbehälter 30 geerdet, welche
Bürste eine Seitenwand des Behälters berührt und längs derselben frei verschiebbar ist.
Im allgemeinen ist die von der Impedanz der
Kathode der Rohre 10 gebildete Abschluss- impedanz der Leitung 20 wesentlich verschieden von der Abschlussimpedanz der Leitung 11. Dem- zufolge ist es notwendig, die Kurzschliesser der
Leitungen gegeneinander um eine Strecke zu ver- lagern, damit die Leitungen auf die gleiche Be- triebsfrequenz abgestimmt werden. Zu diesem
Zweck ist der Kurzschliesser 23-24-25 der
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Leitung 20 durch ein isoliertes, U-förmiges, mit Schlitzen 27 versehenes Glied 26 einstellbar am Tragbügel 16 befestigt.
Die gleichmässige Beschwerung der Leitung 20 über ein grösseres Teilstück ihrer Länge wird durch Eintauchen dieses Teilstückes in eine homogene, dielektrische Substanz erzielt. Der betreffende Teil der Leitung 20 ist deshalb in einem Behälter 30 angeordnet, der mit einer dielektrischen Flüssigkeit, z. B. Öl, soweit gefüllt ist, wie dies in der Zeichnung die gestrichelte Linie 31 deutet, so dass das im Behälter befindliche Teilstück der Leitung 20 vollständig von der Flüssigkeit bedeckt ist. Es wird Öl mit einer solchen Dielektrizitätskonstanten gewählt, dass eine gleich grosse Verschiebung der Kurzschliesser 14-15-17 und 23-24-25 längs den Leitungen
11 bzw. 20 eine solche Änderung der Betriebsfrequenzen der Leitungen verursacht, dass eine vorbestimmte, konstante Beziehung zwischen den
Betriebsfrequenzen der Leitungen aufrechterhalten bleibt.
Der Apparat umfasst ferner Mittel zum Er- zielen von wenigstens annähernd gleich grossen Einstellbeweg. . gen der Abstimnittel der
Leitungen 11 und 20 durch EinkropfbedienUl. 1g.
Diese Gleichsteuerungsmittel bestehen aus einer
Gewindestange. 33, welche durch eine ent- sprechende Gewindebohrung im Tragbügel 16 geht und in Lagern 34 und 35 in den S drnwänden des Behälters 30 gelagert ist. Die Gewinde- stange 33 endigt in einem gerändelten Drehkopf 36, der das genaue Einstellen des Tragbügels 16 und damit ein genaues Abstimmen des Apparates ermöglicht.
Ein Gitterableitwiderstand 32 ist durch den Leiter 12 mit der Steuerelektrode der Elektronenröhre 10 und eine mit B be- zeichnete Anodenstromquelle 1st durch den
Leiter 13 mit der Anode der Röhre 10 verbunden.
Als Ausführungsbeispiel der Bemessung der er- findungsgemässen Anordnung für einen bestimmten
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Dielektrizitätskonstante derselben......... 4-6 Frequenzbereich.......... 500-1500 MHz.
Beim Betrachten der Betriebsweise der be- ) schriebenen Anordnung lässt sich ersehen, dass die Übertragungsleitung 20 für einen gegebenen
Betriebszustand eine elektrische Wirklänge hat, die gleich der Hälfte einer der momentanen Be- triebsfrequenz des Schwingungserzeugers entsprechenden Wellenlänge ist. Aus der Theorie der Übertragungsnetzwerke ist es bekannt, dass die Übertragungs-Charakteristik einer kurz- geschlossenen, frequenzabhängigen Übertragungs- leitung von einer solchen elektrischen Wirklänge gleich derjenigen eines Serien-Resonanzkreises ist, d. h. bei der Resonanzfrequenz ist ihr Schein- widerstand Null.
Daher ist die Kathode, unter der üblichen Annahme, dass der Wirkwiderstand des Kathodenelementes und der Übertragungs- leitung 20 vernachlässigbar ist, wirksam geerdet. < Demgemäss hat das Ersatzschaltbild des Schwin- gungserzeugers die in Fig. 2 gezeigte Form, in welcher die verteilte Induktanz der Leiter 12 und 13 der Übertragungsleitung 11 durch die Induktionsspulen Z. i bzw. L2 wiedergegeben ist und die Zwischenelektroden-Kapazitanz Cg-p sowie die verteilte Kapazitanz der Leitung 11 durch den Kondensator C veranschaulicht wird. Der Kondensator C , ein Blockkondensator, ist, wie oben beschrieben, im Kurzschliessglied 14-15-17 inbegriffen.
Der Schwingungskreis nach Fig. 2 ist im allgemeinen der bekannten Hartley-Oszillatorschaltung ähnlich.
Zwecks Abstimmen des Schwingungserzeugers ist die Induktanz und Kapazitanz seines frequenzbestimmenden Stromkreises, wie in Fig. 2 dargestellt, veränderlich, u. zw. durch die Bewegung des Kurzschliessers 14-15-17. Die Betätigung des Gleichsteuerungsmittels zum Bewirken einer solchen Bewegung des Kurzschliessers 14-15-17 erzeugt eine entsprechende und gleich grosse Verschiebung des Kurzschliessers 23-24-25.
Somit wird bei Änderung der Abstimmung des
Schwingungserzeugers die Leitung 20 infolge ihrer gleichmässigen Beschwerung, die von der- wenigen der Leitung 11 verschieden ist, immer auf wenigstens annähernd die gleiche Frequenz wie die Leitung 11 abgestimmt. Die Kathode der
Röhre 10 wird daher für alle Betriebsfrequenzen tatsächlich auf Erdpotential gehalten und dadurch wird ein maximaler Wirkungsgrad des Oszillators gewährleistet.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des
Erfindungsgegenstandes. Diese Ausführungsform weist ein Paar frequenzabhängiger Übertragungs- I leitungen ähnlich denjenigen nach Fig. 1 auf, wobei entsprechende Bestandteile mit identischen
Bezugsziffem versehen sind. Aus Gründen der
Einfachheit ist nur ein Teilstück der Leitungen dargestellt, doch versteht sich, dass ihre Bauart und Anordnung die gleiche sein kann wie gemäss
Fig. 1. Die Beschwerung der Leitung 20'wird durch Blindwiderstände erzielt, welche eine Mehr- zahl von wenigstens annähernd identischen und gleichmässig längs der Leitung verteilten Kon- densatoren 40 umfassen.
Die Beschwerungs- kondensatoren 40 sind von solcher Kapazität, dass eine vorbestimmte, konstante Beziehung zwischen den Betriebsfrequenzen der Leitungen 11' und 20'erhalten bleibt, wenn die Leitungen über ihre Betriebsfrequenzbereiche in einer Weise ab- gestimmt werden, wie sie mit Bezug auf die An- ordnung nach Fig. 1 beschrieben worden ist.
Die Abstimmanordnung nach Fig. 3 kann an
Stelle derjenigen nach Fig. 1 gesetzt werden, in welchem Fall die Kondensatoren 40 so gewählt werden, dass die Leitungen 11'und 20' immer auf die gleichen Betriebsfrequenzen abgestimmt werden, wenn die Abstimmung des Schwingungs- erzeugers geändert wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Kurzschliesser 14-15-17 und 23---24-25 gegeneinander verlagert, um
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die ungleiche Abschlussimpedanz der Leitungen 1 ? und 20 auszugleichen. Es ist jedoch offenbar, dass dem offenen Ende der Leitung 20 eine Ausgleichsimpedanz parallel geschaltet werden kann, damit die Leitungsabschlüsse annähernd identisch werden. In diesem Fall können die Kurzschliesser 14-15-17 und 23-24-25 vertikal übereinander liegen, wodurch die Bauart der Tragbügel 16 und 26 vereinfacht wird.
Die Ubertragungsleitungen 11 und 20 können natürlich auch die Form koaxialer Leitungen haben. In diesem Fall kann die gleichmässige Beschwerung der einen der Leitungen dadurch erreicht werden, dass ein Teilstück von ihr mit einem flüssigen, dielektrischen Material, z. B. Öl, gefüllt wird.
Während es in aer beschriebenen Ausführungform der Erfindung erwünscht ist, eine der Übtrtragungsleitungen derart zu beschweren, dass die erste und zweite Leitung die gleichen Betriebsfrequenzen haben, ist es offenbar, dass diese Frequenzbeziehung nur beispielsweise veranschaulichende und nicht ausschliessliche Bedeutung hat. In einigen Anwendungsfällen, z. B. im Falle eines Oszillator-Modulators, der in einem vorbestimmten Ultra-Hochfrequenzbereich betrieben werden kann, kann die Erfindung verwendet werden, um eine vorbestimmte, konstante Frequenzdifferenz zwischen den Betriebsfrequenzen zweier frequenzabhängiger Übertragungsleitungen aufrechtzuerhalten.
Auch ist es bekannt, dass eine kurzgeschlossene, frequenzabhängige Übertragungsleitung mit einer elektrischen Wirklänge, die gleich einem Viertel einer einer vorbestimmten Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge ist, die gleiche Impedanzcharakteristik zeigt, wie eine offene, frequenzabhängige Übertragungsleitung mit einer elektrischen Wirklänge, die gleich der Hälfte einer einer solchen Betriebsfrequenz entsprechenden Wellenlänge ist. Gleicherweise zeigt eine kurzgeschlossene, frequenzabhängige Übertragungsleitung mit einer elektrischen Wirklänge, die gleich einer halben Wellenlänge einer vorbestimmten Betriebsfrequenz ist, die gleiche Impedanzcharakteristik wie eine offene, frequenzabhängige Übertragungsleitung mit einer elektrischen Wirklänge, die gleich einer Viertelwellenlänge einer solchen Betriebsfrequenz ist.
Solche äquivalente Leitungen können gemäss der Erfindung in einem abstimmbaren Ultra-Hochfrequenzapparat verwendet werden, sofern eine der Leitungen in der oben beschriebenen Weise passend beschwert ist, PATENTANSPRÜCHE : ''l. Abstimmbarer Ultra-Hochfrequenzapparat mit zwei frequenzabhängigen Ühertragungsleitungen von unterschiedlicher elektrischer 'irklänge, einstellbaren Abstimmitteln zum Ändern ihrer elektrischen Wirklänge zwecks Änderung 0 ihrer Abstimmung über den erwünschten Betriebsfrequenzbereich sowie mit Gleichstemrungsmitteln zum Bewirken ganz oder annähernd identischer Einstellbewegungen der genannten Abstimmittel, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Leitungen über wenigstens einem Teilstück t ihrer Länge derart gleichmässig beschwert ist,
dass bei jeder Abstimmung innerhalb des vorgesehenen Abstimmbereiches eine vorbestimmte, konstante Beziehung zwischen den Betriebsfrequenzen der beiden Leitungen erhalten bleibt.