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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Übertragung elektrischer, insbesondere ultrahochfrequenter Schwingungen, die wenigstens eine gesteuerte Entladungsröhre enthält, und bezweckt Mittel zu schaffen, durch die das bei solchen Schaltanordnungen auftretende Rauschen vermindert werden kann.
Dieses Rauschen, das sich insbesondere bei der Übertragung schwacher Signale als sehr störend geltend macht, wird teilweise durch in der Schaltung vorhandene Entladungsröhren, teilweise durch die übrigen Schaltelemente hervorgerufen und kann danach als Röhrenrauschen und Schaltungsrauschen bezeichnet werden.
Das Schaltungsrauschen wird durch spontane Spannungsschwankungen herbeigeführt, die infolge der thermischen Bewegung der Elektronen an den Enden jedes Leiters auftreten, u. zw. umso stärker, je grösser der Ohmsche Widerstand des Leiters ist. Es tritt z. B. über einen in den Eingangskreis einer Hochfrequenz-Verstärkerröhre aufgenommenen Schwingungskreis eine derartige Rauschspannung auf, die gewöhnlich mit"Kreisrauschen"bezeichnet wird.
Das Röhrenrauschen kann wieder in Emissionsrauschen und Verteilungsrauschen unterteilt werden.
Das Emissionsrauschen besteht aus Schwankungen der Emission einer Kathode, wobei es sich sowohl um eine thermionische Kathode, als auch um eine sekundäremittierende Hilfs- kathode oder eine Photokathode handeln kann.
Das Verteilungsrauschen entsteht durch
Schwankungen der Stromverteilung in Röhren mit mehr als einer positiven Elektrode und tritt also z. B. bei Schirmgitterröhren und Mehr- gitterröhren auf.
Im allgemeinen bildet das Rauschen ein kontinuierliches Frequenzspektrum, von dem nur jener Teil störend ist, der von der Schaltung durchgelassen wird.
Man hat schon versucht, dass Röhrenrauschen durch besondere Röhrenkonstruktionen zu ver- mindern. So kann z. B. bei Schirmgitterröhren das Verteilungsrauschen verringert werden, sei es durch eine Beschränkung des Schirmgitter- stromes, sei es durch eine solche geometrische
Aufstellung der Elektroden, dass die Emission von bestimmten Teilen der Kathode ausschliesslich zum Anodenstrom beiträgt.
Die Erfindung schafft Mittel, durch die das Röhrenrauschen ohne Verwendung von besonderen Röhrenkonstruktionen weitgehend unterdrückt oder sogar völlig aufgehoben werden kann.
Erfindungsgemäss wird ein im Kreis einer Steuerelektrode liegender Schwingungskreis, der ein beträchtlich breiteres Frequenzband dash- lässt als die Gesamtschaltung, derart gegenüber der Mitte des vom übrigen Teil der Schaltung durchgelassenen Frequenzbereiches um einen gewissen Betrag kapazitiv verstimmt, dass der Spannungsabfall, der über diesem Schwingungskreis infolge des der Steuerelektrode zufliessenden Influenzstromes auftritt, den Ausgangsstrom der Röhre in solcher Phase und mit solcher Stärke steuert, dass der mit dem Rauschen des genannten Influenzstromes korrelierte Rauschstrom im Ausgangskreis aufgehoben oder wenigstens erheblich verringert wird.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Wenn die Laufzeit der Elektronen zwischen der Kathode und der Anode einer Entladungröhre nicht mehr verschwindend klein gegenüber der Penode der zu übertragenden Schwingungen ist, tritt ein dem Steuergitter zufliessender
Influenzstrom auf, wie an Hand des in Fig. 1 dargestellten Vektordiagrammes leicht eingesehen werden kann. Dieses Diagramm gilt für eine Triode ; bei Mehrgitterröhren treten aber im wesentlichen die gleichen Erscheinungen auf.
In der Figur stellt Vg die Steuergitterwechselspannung dar. Infolge der verhältnismässig grossen Laufzeit der Elektronen zwischen dem Steuergitter und der Kathode eilt der Kathodenwechsel- strom Ik gegen die Steuergitterwechselspannung ein wenig nach. Der Anodenstrom Ta ist-wenn wenigstens die Laufzeit der Elektronen zwischen dem Steuergitter und der Anode nicht grösser als eine halbe Periode der zu verstärkenden
Schwingungen ist-dem Absolutwert nach ungefähr gleich It, weist aber eine grössere Nach- eilung gegen die Steuergitterwechselspannung auf.
Der Strom Ig, der dem geometrischen Unter- schied der Ströme Ia und a entspricht und dem
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Steuergitter zugeflossen sein muss, enthält eine Komponente, die der Steuergitterwechselspannung um 900 voreilt - was als Folge einer scheinbaren Zunahme der Steuergitter-KathodeKapazität aufgefasst werden kann-und eine Komponente, die mit der Steuergitterwechselspannung in Phase ist und die sogenannte"Laufzeitdämpfung"verursacht. Der Strom Ig enthält eine mit dem Kathodenrauschen korrelierte Rauschkomponente, die über den Eingangskreis eine gegenüber dem Kathodenrauschstrom phasenverschobene Rauschspannung herbeiführt, die eine wesentliche Zunahme des mit dem Kathodenrauschen korrelierten Rauschstromes im Anodenkreis verursacht.
Dieser zusätzliche Rauschstrom kann als"Laufzeitrauschen"bezeichnet werden.
Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass die in Wirklichkeit auftretenden Erscheinungen verwickelter sind, als aus den obigen Darstellungen hervorgehen würde, u. zw. weil die Geschwindigkeit der Elektronen zwischen dem Steuergitter und der Kathode vom Augenblickswert der Steuergitterspannung abhängig ist. Die dadurch auftretenden Geschwindigkeitsänderungen der Elektronen rufen einen zusätzlichen Influezstrom hervor, der zwar zu der scheinbaren
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Rauschkomponente enthält und daher das"Lauf- zeitrauschen"nicht beeinflusst.
Die Laufzeitdämpfüng"kann als ein scheinbar zum Eingangskreis parallel geschalteter Widerstand und das"Laufzeitrauschen"als spontane Spannungsschwankungen in diesem Widerstand aufgefasst werden. Nach dieser Betrachtung verhält sich der genannte Widerstand wie ein Ohmscher Widerstand, der sich etwa auf Kathodentemperatur befindet und daher bei Zimmertemperatur bedeutend stärker rauscht als ein Ohmscher Widerstand gleichen Wertes. Das"Laufzeitrauschen"erweist sich daher im Vergleich zu den übrigen Rauschquellen als besonders schädlich.
Bei Schaltungen zur Übertragung von Ultrahochfrequenzschwingungen ist der Durchlassbereich des Eingangskreises im allgemeinen wesentlich grösser als der Durchlassbereich der ganzen Schaltung. Demzufolge kann man erfindungsgemäss die Rauschspannung, die infolge der obenerwähnten Influenzerscheinungen über den Eingangskreis auftritt, zur Kompensierung des Kathodenrauschens ausnutzen.
Der dem
Steuergitter zufliessende Influenzstrom eilt-wie aus Fig. 1 ersichtlich ist-gegen den Kathoden- strom nahezu um 900 voraus. Durch leichte
Verstimmung des Eingangskreises in bezug auf das zu übertragende Signal kann nun erreicht werden, dass sich der Eingangskreis für die innerhalb des Durchlassbereiches der Schaltung fallenden Frequenzen des Rauschspektrums wie eine kleine Kapazität verhält, so dass für diese
Frequenzen eine Rauschspannung über den
Eingangskreis auftritt, die mit dem Kathoden- rauschstrom in Gegenphase liegt. Diese Rauschspannung veranlasst einen zusätzlichen Anodenstrom, der mit dem Kathoden-Rauschstrom in Gegenphase liegt, so dass der gesamte mit dem Kathodenrauschen korrelierte Rauschstrom im Anodenkreis vermindert wird und sogar ganz auf Null reduziert werden kann.
Dies wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert, in der die Kurve 6 die Resonanzkurve des Eingangskreises und Kurve 7 den wesentlich schmäleren Durchlassbereich der Schaltung darstellt, der von den nachfolgenden Stufen der Schaltung, bei einem Überlagerungsempfänger z. B. im wesentlichen vom Zwischenfrequenzverstärker, bestimmt wird. Wie aus der Figur hervorgeht, ist die Resonanzfrequenz tides Eingangskreises etwas niedriger gewählt als die innerhalb des Durchlassbereiches fallende Signalfrequenz (os, so dass sich der Eingangskreis für die Signalfrequenz wie eine kleine Kapazität verhält. Die Verstärkung des Signals wird von der Verstimmung des Eingangskreises nur wenig beeinträchtigt, da der Durchlassbereich des Eingangskreises viel grösser als der erforderliche Durchlassbereich ist.
Eine etwa störende Verzerrung des Signals infolge der Verstimmung kann in einer der nachfolgenden Stufen, in der das Signal bereits so weit verstärkt ist, dass das Rauschen keine Rolle mehr spielt, durch eine entsprechende Verstimmung in entgegengesetzter Richtung kompensiert werden.
Die Tatsache, dass der dem Steuergitter zufliessende Influenzstrom in bezug auf den Kathodenstrom nicht genau um 90 phasenverschoben ist, kann dadurch berücksichtigt werden, dass die Dämpfung des Eingangskreises (einschliesslich der"Laufzeitdämpfung") derart gewählt wird, dass die am Steuergitter auftretende Rauschspannung gerade die zum Ausgleich erforderliche Phase besitzt. In der Praxis ist zum vollständigen Ausgleich des Kathoden- rauschens eine solche Verstimmung des Ein- gangskreises erforderlich, dass sie eine Kapazität von einigen . F, z. B. 2-3 [iF darstellt.
Bei der beschriebenen Schaltanordnung gleichen das Kathodenrauschen und das"Lauf- zeitrauschen"einander aus, wobei die Signal- stärke praktisch nicht abnimmt. Es ist ein- leuchtend, dass dadurch eine sehr wirksame
Störungsverminderung erhalten wird.
Es ist bekannt, zur Übertragung elektrischer
Schwingungen von ultrahoher Frequenz eine
Entladungsröhre zu verwenden, in der ein
Elektronenbündel erzeugt wird, dessen Ge- schwindigkeit von einer Ultrahochfrequenz- spannung gesteuert wird, worauf die Ge- schwindigkeitsänderungen des Bündels in
Intensitätsschwankungen umgesetzt werden, denen die Ausgangsspannung entnommen wird.
Eine solche Entladungsröhre weist den be- deutenden Vorteil auf, dass die von der Röhre auf die Eingangsimpedanz ausgeübte Dämpfung sehr gering ist. Ein Nachteil besteht aber darin, dass infolge der grossen Intensität, des Kathoden-
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stromes das Kathodenrauschen ausserordentlich gross ist. Dieses starke Rauschen macht die Röhre für die Verstärkung schwacher Signale ungeeignet. In der Praxis wurden daher Entladungsröhren dieser Type bisher auch nicht in Empfangsschaltungen, sondern nahezu ausschliesslich zur Erzeugung von Ultrahochfrequenzschwingungen verwendet.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, das Kathodenrauschen bei Röhren der beschriebenen Art praktisch völlig zu beseitigen.
Es werden dazu erfindungsgemäss die Grösse und Phase der Eingangsimpedanz und die Laufzeit der Elektronen zwischen der Geschwindigkeitssteuerelektrode und der Ausgangselektrode derart gewählt, dass die Zufallsschwankungen der Intensität des Elektronenbündels an der
Stelle der Ausgangselektrode völlig oder praktisch völlig behoben werden durch die Intensität- schwankungen infolge der Geschwindigkeits- steuerung des Bündels durch die Rauschspannung, die von dem der Geschwindigkeitssteuerelektrode zufliessenden Influenzstrom über die Eingangs- impedanz herbeigeführt wird.
Dies wird an Hand der Fig. 3 näher erläutert, in der eine Entladungsröhre 31 dargestellt ist, die mit einem Elektrodensystem 32 zur Erzeugung eines Elektronenbündels versehen ist.
Dieses Elektrodensystem besteht in üblicher Weise aus einer Kathode, einem Wehneltzylinder und einer Anode. Das erzeugte Bündel wird nacheinander durch eine Anzahl zylindrischer Hohlelektroden 33, 34, 35, 36 und 37 hindurchgeführt und schliesslich von einer Auffangelektrode 38 aufgefangen.
Die Geschwindigkeitssteuerung des Elektronenbündels erfolgt mit Hilfe der Geschwindigkeitssteuerelektrode 34, die sich in einem von der Abschirmelektrode 33 und der Elektrode 35 begrenzten feldfreien Raum befinden. Zu diesem Zwecke ist die Elektrode 34 mit einer Eingangsimpedanz 39 verbunden, der die zu verstärkenden Schwingungen zugeführt werden und die z. B. von einem auf die Frequenz dieser Schwingungen abgestimmten Schwingungskreis gebildet werden kann.
Das geschwindigkeitsmodulierte Elektronen- bündel tritt darauf in die Elektrode 35 ein, welche den sogenannten Einholraum bildet.
In diesem Raum werden die langsamen Elektronen von den schnelleren eingeholt, so dass aufeinander- folgende Verdichtungen und Verdünnungen von
Elektronen entstehen. Die Geschwindigkeits- änderungen des Bündels werden auf diese Weise in Intensitätsänderungen umgesetzt.
Die Ausgangsspannung wird schliesslich dem intensitätsmodulierten Elektronenbündel mit Hilfe der Ausgangseleklfode 36 entnommen, die sich in einem zweiten, von der Elektrode 35 und der
Abschirmelektrode 37 begrenzten feldfreien Raum befindet. Zu diesem Zwecke ist mit der Aus- gangselektrode 36, welche eine Öffnung besitzt, durch die das in Intensität modulierte Bündel hindurchgeht, eine Ausgangsimpedanz 40, z. B. ein auf die Frequenz der zu verstärkenden Schwingungen abgestimmter Schwingungskreis verbunden, dem die verstärkten Schwingungen entnommen werden.
Die Intensität des vom System 32 erzeugten Elektronenbündels unterliegt den Zufallsschwankungen, die mit"Kathodenrauschen"be- zeichnet werden können.
Infolge der Laufzeiteffekte fliesst zu der Steuerelektrode 34 ein Influenzstrom, der eine mit dem Kathodenrauschen korrelierte Rausch- komponente enthält. Dieser der Steuerelektrode zufliessende Störstrom verursacht für diejenigen Frequenzen des Rauschspektrums, für die der Kreis 39 eine hohe Impedanz besitzt, eine Rauschspannung über diesen Kreis, welche Spannung mit dem Kathodenrauschen korrelierte Geschwindigkeitsänderungen des Elektronenbündels herbeiführt. Diese Geschwindigkeits- änderungen des Elektronenbündels werden im Einholraum in Intensitätsänderungen umgesetzt, so dass das Bündel an der Stelle der Ausgangselektrode zwei Rauschkomponenten enthält, von denen die eine durch die ursprünglich chon im Bündel vorhandenen Zufallsschwankungen hervorgerufen wird und die andere von der über den Kreis 39 auftretenden Rauschspannung herrührt.
Bei richtiger Wahl der Grösse und Phase der letzteren Rauschkomponente kann erreicht werden, dass die beiden Rauschkomponenten einander aufheben, so dass eine praktisch vollkommen rauschfreie Verstärkung erhalten wird.
Grösse und Phase der von der über den Kreis 39 auftretenden Rauschspannung herbeigeführten
Rauschkomponente des Elektronenbündels an der Stelle der Ausgangselektrode 36 kann auf folgende Weise beeinflusst werden. An erster
Stelle kann die Grösse und Phase der erwähnten
Rauschspannung durch eine geeignete Wahl der Grösse und der Phase der Eingangsimpedanz beeinflusst werden, wozu der Kreis 39 nötigen- falls gegen die Frequenzen der zu verstärkenden
Schwingungen ein wenig verstimmt und/oder mit Hilfe eines Dämpfungswiderstandes ge- dämpft werden kann. An zweiter Stelle ist die
Grösse und Phase der erwähnten Rausch- komponente davon abhängig, auf welche Art die von der Rauschspannung herbeigeführten
Geschwindigkeitsänderungen des Bündels in
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Steuerelektrode 34 und der Ausgangselektrode 36.
Diese Laufzeit kann gegebenenfalls durch eine geeignete Wahl der Spannungen der verschiedenen Elektroden und der Länge des Einholraumes 35 beeinflusst werden. Durch richtige Kombination der angegebenen Massnahmen kann stets eine nahezu vollkommene Rauschfreiheit erzielt werden.
Ein verbessertes Arbeiten der beschriebenen Vorrichtung kann in einigen Fällen dadurch erreicht werden, dass zwischen dem Elektrodensystem. 32 und der Geschwindi ( ! keitselektrodc 34
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eine Hilfselektrode angeordnet wird, die ebenfalls die Geschwindigkeit des Elektronenbündels beeinflusst. In den Kreis dieser Hilfselektrode wird dann eine angemessene Impedanz aufgenommen, über die der der Hilfselektrode zufliessende Influenzstrom eine Rauschspannung herbeiführt.
Diese Rauschspannung steuert die Geschwindigkeit des Elektronenbündels, so dass an der Stelle der Ausgangselektrode 36 im Bündel drei Rauschkomponenten vorhanden sind, von denen eine von den ursprünglich im Bündel vorhandenen Zufallsschwankungen herrührt, eine zweite von der Rauschspannung der'HiEs- elektrode und die dritte von der Rauschspannung der Geschwindigkeitselektrode 34. Grösse und Phase der Rauschspannung der Hilfselektrode und der Geschwindigkeitsregelelektrode werden nun durch geeignete Wahl der Grösse und Phase der mit diesen Elektroden verbundenen Impedanzen mit Rücksicht auf die Laufzeit der Elektronen derart gewählt, dass sich die drei Rauschkomponenten gerade kompensieren.
Ein Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass eine weitere Möglichkeit zum Einstellen des Rauschausgleiches zur Verfügung steht, nämlich durch die Einstellung der Impedanz im Kreis der Hilfselektrode, so dass die Einstellung der Eingangsimpedanz 39 in bezug auf die erreichbare Verstärkung in vielen Fällen günstiger gewählt werden kann.
Es ist von Bedeutung, bei der beschriebenen
Schaltanordnung dafür Sorgen zu tragen, dass keine Elektronen von zwischen der Steuer- elektrode 34 bzw. der obengenannten Hilfs- elektrode und der Ausgangselektrode 36 be- findlichen Elektroden aufgefangen werden können, da in diesem Falle Änderungen in der Strom- verteilung zwischen den genannten Elektroden und den übrigen Elektroden auftreten, welche zu einer neuen Rauschkomponente (Verteilung- rauschen) führen würden.
Die Erfindung ist auch vorteilhaft bei einer
Vorrichtung mit einer Entladungsröhre der oben beschriebenen Art anwendbar, die zwischen den Elektroden 33 und 35 zwei in Gegentakt geschaltete Geschwindigkeitsregelelektroden und zwischen den Elektroden 35 und 37 zwei in
Gegentakt geschaltete Ausgangselektroden ent- halt. Eine solche Röhre ergibt im allgemeinen eine grössere Verstärkung als die in Fig. 3 dargestellte Röhre mit einfacher Steuerung und Energieabnahme, so dass das Signal-RauschVerhältnis noch weiter verbessert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltung zur Übertragung elektrischer, insbesondere ultrahochfrequenter Schwingungen mit einer Anzahl von Schwingungskreisen sowie einer ersten Hochfrequenzverstärkerröhre mit wenigstens einer Kathode, einer Steuerelektrode und einer Ausgangselektrode, wobei der Steuerkreis dieser Röhre einen Schwingungskreis enthält, der ein beträchtlich breiteres Frequenzband durchlässt als die Gesamtschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Schwingungskreis gegenüber der Mitte des vom übrigen Teil der Schaltung durchgelassenen Frequenzbereiches um einen gewissen Betrag kapazitiv verstimmt ist, wobei der Spannungsabfall, der über den erwähnten Schwingungskreis infolge des der
Steuerelektrode zufliessenden Influenzstromes auftritt, den Ausgangsstrom der Röhre in solcher Phase und mit solcher Stärke steuert,
dass der mit dem Rauschen des genannten influez- stromes korrelierte Rauschstrom im Ausgangskreis aufgehoben oder wenigstens erheblich verringert wird.