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Einrichtung zur Kenntlichmachung von elektrischen Schwingungen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kenntlichmachung von ungedämpften Hochfrequenzsignalen, wie sie z. B. in der drahtlosen Telegraphie benutzt werden, kann aber auch zum Empfangen von Zeichen verwendet werden, die über Drahtleitungen gesendet werden.
Alle bisher verwendeten Detektoren, seien es nun Kristalldetektoren oder Vakuumröhren, haben grundsätzlich die gleiche Charakteristik. Alle können als Relais angesehen werden, die durch die Spannung der Empfangsantenne erregt werden. Die Charakteristik der Detektoren kann daher durch eine Kurve dargestellt werden, die die Beziehung zwischen der aufgedrückten Spannung und dem abgegebenen
Strom darstellt. Diese Kurve folgt stets wesentlich der Gleichung i = e2, mit andern Worten : der Nutzstrom des Detektors folgt nicht dem Ohmschen Gesetz, ist also nicht der Signalspannung, sondern deren
Quadrat proportional. Diese Charakteristik ist beim drahtlosen Empfang schwacher Signale besonders unangenehm, wenn Störströme vorhanden sind, die stärker sind als die Signale. Sind diese Störströme z.
B. viermal so stark wie die Signalwellen, so werden sie durch den Detektor auf das 16àche gegenüber den Signalen gebracht.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Detektors, der diesen Übelstand vermeidet, weil bei ihm der Nutzstrom wesentlich proportional der aufgedrückten Spannung nicht ihrem Quadrat ist.
Die Wirkung aller bisher gebrauchten Detektoren, beruht auf einer gewissen Unsymmetrie ; durch die ein Gleichrichtungseffekt erreicht wird. Ein Spannungsimpuls in einer bestimmten Richtung erzeugt eine grössere Änderung des Stromes als ein Spannungsimpuls in der entgegengesetzten Richtung. Eine derartige Wirkung ist notwendig, um einen Strom hervorzubringen, der einen der gewöhnlich zur Kenntlichmaehung der Signale verwendeten Apparate, wie z. B. den normalen Telephonempfänger betätigen kann, da die hochfrequenten Wechselströme, die zum Senden benutzt werden, bekanntlich die Membran des Empfängers nicht in Schwingung versetzen können.
Bei der Ausführung der Erfindung wird als Detektor ein Widerstand im Empfangskreis verwendet.
Der Strom in diesem Widerstand folgt wesentlich dem Ohmschen Gesetz, ist also der aufgedrückten Spannung direkt proportional. Die für die Gleichrichtung notwendige Unsymmetrie wird durch periodische Veränderung des Wertes dieses Widerstandes erreicht, u. zw. mittels einer passend veränderlichen Beeinflussung, die von dem Willen des Funkers auf der Empfangsstation abhängt. Der Wert dieses Widerstandes wird derart beeinflusst oder verändert, dass er in gewissen gewünschten Perioden vergleichsweise klein, in andern Perioden ausserordentlich hoch wird. Dadurch entsteht ein erheblicher Strom in gewissen gewünschten Teilen der aufgedrückten Sendewelle und praktisch eine Unterdrückung des Empfangsstromes in andern Teilen der Sendewelle.
Der neue Detektor kann in verschiedener Weise arbeiten. Werden die Mittel zur Widerstandsveränderung so vorgesehen, dass der Widerstandswert zwischen einem Maximum und einem Minimum mit einer Frequenz schwankt, die der Sendefrequenz entspricht und sind die Verhältnisse zwischen dem Sendestrom und der Beeinflussung so festgelegt, dass die Perioden maximaler Leitfähigkeit des Widerstandes mit den Perioden der Spannungsimpulse einer bestimmten Richtung übereinstimmen, so werden alle Stromimpulse einer und derselben Richtung durch die Apparatur fliessenkönnen, während alle Stromimpulse der entgegengesetzten Richtung unterdrückt werden. Auf diese Weise kann eine praktisch vollkommene Gleichrichtung erzeugt werden. Der entstehende Strom wird ein pulsierender Gleichstrom.
Bei tele-
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graphischen Signalen werden die Schwankungen dieses Stromes Hochfrequenz besitzen, und im Empfangstelephon wird kein hörbarer Ton erzeugt werden ; aber ein solcher Strom kann in einer photographisch registrierenden oder einer andern anzeigenden Vorrichtung, die mit einem konstanten Gleichstrom arbeitet, Zeichen hervorbringen.
Wegen der Schwierigkeit, die Beeinflussung streng synchron mit der Sendewelle zu halten und wegen der Tatsache, dass der so erzeugte Strom keinen hörbaren Ton im Telephon ergibt, ist es gewöhnlich wünschenswert, die Beeinflussung so wirken zu lassen, dass der Widerstand zwischen einem Maximum und einem Minimum mit einer Frequenz schwankt, die sich nur wenig von der der Sendewelle unterscheidet. Der Strom im Detektorkreis wird dann tatsächlich ein pulsierender oder wechselnder Strom von einer Frequenz, die der Differenz der Frequenzen des Sendestromes und der der Widerstandsveränderung entspricht. Wenn dieser Frequenzuntersehied in der Grössenordnung der hörbaren Schwingungen liegt, so wird der resultierende Strom im gewöhnlichen Telephonempfänger einen Ton hervorrufen können.
Die Widerstandsanordnung bei Anwendung der Erfindung kann verschiedene Formen annehmen.
In der vorgezogenen Form der Erfindung besteht sie aus einem evakuierten Gefäss mit einer Elektronen aussendenden Kathode und einer Anode, wobei der aufgenommene Empfangsstrom getragen wird von einem Strom negativer Elektronen, die durch das Vakuum von der Kathode zur Anode fliessen. Dieser Strom negativer Elektronen wird von einem magnetischen Feld beeinflusst, das von einer das Vakuumgefäss umschliessenden Spule erzeugt wird. Wenn dieses Feld stark genug ist, so können wesentlich alle von der Kathode emittierten Elektronen verhindert werden, die Anode zu erreichen, und der Widerstand
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netisches Feld vorhanden ist, wird der Widerstand der Anordnung klein gegenüber demjenigen bei starkem Feld, und dann können erhebliche Ströme fliessen.
Das magnetische Feld, das den Elektronenstrom und den Widerstand der Anordnung beeinflusst, kann durch einen Wechselstrom passender Stärke erzeugt werden. Wenn dieser Strom durch 0 geht, so wird der Widerstand der Anordnung ein Minimum, wenn er seinen maximalen positiven oder negativen Wert erreicht, wird er ein Maximum. Es wird daher zwei Punkte minimalen und zwei Punkte maximalen Widerstandswertes bei jedem vollständigenzyldus des Wechselstromes geben. Um eine vollständige Gleichrichtung des Signalstromes zu erzielen, muss daher der das magnetische Feld erzeugende Wechselstrom eine halb so grosse Frequenz wie der Signalstrom besitzen.
Wenn man einen hörbar pulsierenden Gleichstrom oder Wechselstrom im Detektorkreise hervorzurufen wünscht, muss der das magnetische Feld erzeugende Strom in seiner Frequenz von der halben Schwingungszahl des Signalstromes um einen Betrag abweichen, der halb so gross ist wie die Frequenz, des gewünschten hörbaren Stromes.
Die Erfindung selbst ist aus den Zeichnungen zu ersehen, in welchen Fig. 1 schematisch eine
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zwischen den charakteristischen Kurven anderer Detektorformen und der der verbesserten Anordnung.
Fig. 3-7 sind Diagramme, die die Wirkung der Erfindung erläutern. Fig. 8 und 9 sind veränderte Schaltungsschemata, welche Anwendung finden können.
In Fig. 1 ist 1 eine Vakuumröhre, die. zwei fadenförmige Elektroden 2 und 3 enthält, welche durch zwei Batterien 4 und 5 erhitzt werden. Ein magnetisches Feld, dessen Richtung parallel zu der der Elektroden 2 und 3 liegt, um den Stromfluss zu beiden Elektroden zu beeinflussen, kann mittels der Spule 6 erzeugt werden, welche die Röhre umgibt. Der magnetisierende Strom für diese Spule kann einer lokalen Stromquelle 7 entnommen werden, die zu empfangenden Hochfrequenzwellen können von der Antenne 8 auf den üblichen abgestimmten Empfangskreis übertragen werden, welcher die Kopplungsspule 9 und den Kondensator 10 enthält und mit den Elektroden 2 und 3 des Detektors verbunden ist.
Ferner enthält der Empfangskreis ein anzeigendes Instrument, das, wenn man einen Strom von hörbarer Schwingungzahl erzeugt, der gewöhnliche Telephonempfänger sein kann, zu welchem ein Kondensator 12 parallel geschaltet ist. Will man konstanten Gleichstrom oder einen Strom erzeugen, der kein Telephon beeinflussen kann, so darf an seine Stelle ein photographisches Instrument oder ein anderes Instrument treten,das durch Gleichstrom erregt wird.
Wenn in der Spule 6 kein magnetisches Feld erzeugt wird, so darf man den Detektor als konstanten Widerstand im Empfangskreis ansehen, durch welchen der Strom in beiden Richtungen fliessen kann, da ja beide Elektroden erhitzt sind. Die Elektronen werden dann in geraden Bahnen zwischen den Elektroden sich zu bewegen suchen und der Widerstand wird ein Minimum sein. Wird aber in der Spule 6 ein magnetisches Feld erregt, so werden die Elektronen gezwungen werden, sich in Spirallinien um die Elektroden zu bewegen, wobei der Abstand zwischen den Spiralwindungen abnimmt, wenn die magnetische Feldstärke wächst. Bei Verstärkung des Feldes nimmt die Zahl der Elektronen ab, die zwischen beiden Elektroden übergeht. Der Widerstand der Anordnung wächst. Bei hinreichender Stärke des Feldes, werden keine Elektronen mehr zwischen den Fäden übergehen.
Der Widerstand der Anordnung wird ein Maximum erreichen, und dieser Maximalwert wird ein Vielfaches von dem Minimalwert ausmachen.
In Fig. 3 ist die Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke dargestellt, wobei die Leitfähigkeit als Ordinate, die Feldstärke als Abszisse aufgetragen ist Herrscht kein magnetisches Feld, so ist die Leitfähigkeit durch Punkt A dargestellt. Wächst das mag-
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netische Feld in einer R'chtung, so nimmt die Leitfähigkeit ab, wie in Teil B der Kurve gezeigt ist, bis ein Punkt 0 erreicht ist, an dem die Leitfähigkeit ein Minimum besitzt. Ein weiteres Anwachsen der magnetischen Feldstärke über diesen Punkt hinaus wird praktisch keine Änderung der Leitfähigkeit mehr hervorrufen. Soweit es auf die Leitfähigkeit ankommt, ist also die Richtung des magnetischen Feldes unwesentlich.
Die Kurve der Fig. 3 zeigt die Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung bei Veränderung des magnetischen Feldes von einem Maximum in einer Richtung, z. B. dem negativen, über 0 zu einem Maximum des Feldes in entgegengesetzter Richtung.
Die Kurve der Fig. 4 zeigt die Änderung der Kraft, welche den Widerstand des Detektors beeinflusst. Im dargestellten Falle wird sie erzeugt durch einen Wechselstrom, der die halbe Frequenz der Sendewelle besitzt, und die Kurve der Fig. 4 kann als Kurve der magnetischen Feldänderung gelten.
Die Kurve D der Fig. 5 zeigt die Veränderung der Leitfähigkeit des Detektors, die durch die in Fig. 4 dargestellte beeinflussende Kraft bewirkt wird. An denjenigen Stellen, wo diese beeinflussende Kraft 0 ist, hat die Leitfähigkeit ein Maximum, an den Punkten, wo sie einen kritischen Wert überschreitet, hat sie ein Minimum. So gibt es also für jede Periode der lokalen Stromquelle zwei Punkte maximaler und zwei Punkte minimaler Leitfähigkeit. Wenn die Kurve Ein Fig. 5, die dem Detektor durch die einlangenden Wellen aufgedrückte Spannung ist, so wird der Detektorstrom durch Kurve F in Fig. 6 wiedergegeben. Die Perioden positiver Sendeimpulse entsprechen den Perioden maximaler Leitfähigkeit, die Perioden negativer Sendeimpulse solchen kleinster Leitfähgikeit.
Daher wird der Detektorstrom wesentlich nur in einer Richtung fliessen und praktisch ein pulsierender Gleichstrom hoher Frequenz werden. Diese Schwankungen werden durch den Kondensator 12 abgeflacht und die Wirkung des Stromes auf das anzeigende Instrument wird wesentlich dieselbe sein, wie die eines konstanten Gleichstromes.
Natürlich wird dieser Strom keinen hörbaren Ton im Empfangstelephon hervorrufen, aber er kann auf einen photographischen Indikator oder irgendeine andere Anzeigevorrichtung wirken, die für konstanten
Gleichstrom empfindlich ist.
Offenbar ist es schwer, die Frequenz einer lokalen Stromquelle genau konstant gleich der halben Frequenz der Empfangssendestrome zu halten, und die Phasenbeziehung zwischen dem lokalen Strom und dem Sendestrom genau innezuhalten, um den oben beschriebenen Effekt zu erreichen. Deshalb und wegen der Vorteile des akustischen Empfanges wird man lieber die lokale Stromquelle mit einer Frequenz arbeiten lassen, die sehr wenig gegenüber der Hälfte der Sendestromschwingungszahl abweicht. Die Kurve der Fig. 7 soll das darstellen. In diesem Fall hat die beeinflussende Kraft (dargestellt in Kurve G) eine Frequenz, die wenig grösser ist als die halbe Frequenz der Signalwellen, die in Kurve H dargestellt sind.
Der resultierende Strom im Detektor wird durch die Kurve I dargestellt. Dieser Strom hat eine hochfrequente Pulsation wie die der Kurve F in Fig. 6, aber er besitzt Impulse beider Richtungen. Wenn die hochfrequenten Pulsationen abgeflacht werden, so verläuft der wirksame Strom, wie in Kurve J dargestellt ist, d. h. der resultierende Strom wird ein niederfrequenter Wechselstrom sein, der bei richtiger Abgleichung der Frequenz der lokalen Stromquelle einen hörbaren Ton im Empfangstelephon H hervorrufen wird. Die Frequenz dieses Stromes wird doppelt so gross sein wie die Abweichung der Frequenz der Lokalstromquelle von der der Sendewelle.
Die Kurve K der Fig. 2 stellt den charakteristischen Stromverlauf des normalen Detektors dar, wobei die Ordinaten dem Strom, die Abszissen der Spannung entsprechen. In allen bisherigen Detektoren ist diese Kurve eine krumme, nicht eine gerade Linie, d. h. der Strom ändert sich nicht direkt proportional, sondern entsprechend einer Potenz der aufgedrückten Spannung. In Vakuumventilen oder Elektronenentladungsdetektoren, die Gleiehrichtereigenschaften haben, wird der Strom nicht 0, wenn die Spannung wird, sondern wegen der Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen fliesst auch noch Strom, wenn keine Spannung auf die Elektronen wirkt. Es wird daher ein negatives Potential auf die Anode wirken müssen, um den Stromfluss ganz zu unterbrechen, und dieses negative Potential muss im Vergleich zu dem beim Empfang schwacher Signale angewendeten Signalpotential gross sein.
Solche Anordnungen sind daher sehr unwirksame Gleichrichter, da der Gleichrichtungseffekt vollständig darauf beruht, dass ein positives Anodenpotential einen grösseren Strom hervorruft als ein negatives Potential. Weil ferner der Strom nicht direkt der Spannung proportional ist, wie oben auseinandergesetzt wurde, wird das Verhältnis zwischen den Störung-un Signalströmen durch den Detektor vergrössert.
Wenn der Strom K der Fig. 2 den negativen Elektronenstrom dargestellt, der von der Elektrode 2 nach 3 fliessen will, so wird die Kurve L den Strom negativer Elektronen darstellen, der von Elektrode 3 nach Elektrode 2 fliessen wird. Die Kombination dieser beiden Kurven und also der resultierende Strom der Anode kann daher durch die gerade Linie M wiedergegeben werden. Man sieht so, dass die Wirkung der Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen ausgeschaltet und der Strom 0 wird, wenn die aufgedruckte Spannung 0 wird. Auch ist der Strom der aufgedruckten Spannung direkt proportional und der Nachteil der früheren Detektoren hinsichtlich der Störströme ist überwunden.
Aus einer Betrachtung der Kurve M geht natürlich hervor, dass die Anordnung an sich keine unsymmetrischen Eigenschaften besitzt und deshalb ohne den Einfluss des magnetischen Feldes keine Gleichrichtungswirkung erzeugt wird. Das ist aber unwesentlich, da durch das magnetische Feld der Widerstand der Anordnung so stark verändert werden kann, dass praktisch während jedes beliebigen Teiles der Sendewelle der Strom ausgelöscht und
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so eine wesentlich vollständige Gleichrichtung erzeugt werden kann. Die Wirkung der Anzeigevorrichtung hängt dabei ab von den Str9mänderungen, die durch Impulse einer Richtung erzeugt werden, anstatt der Unterschiede der Stromänderung, die durch zwei Impulse entgegengesetzter Richtung hervorgerufen wird, wie es bei den bisherigen Detektoren der Fall ist.
Bei allgemeiner Betrachtung kann man den Detektor auffassen als einen gewöhnlichen Widerstand, der auch die gewöhnliche Widerstandscharakteristik besitzt, also Proportionalität zwischen Strom und aufgedrückter Spannung. Der Gleichrichter oder Detektoreffekt wird bewirkt nicht durch irgendeine Unsymmetrie, die an der Stromeharakteristik der Anordnung haftet, sondern lediglich durch Ver- änderung des Widerstandswertes, ohne dass dabei seine reine Widerstandscharakteristik beeinträchtigt wird.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung kann man auch erreichen mittels der veränderten Detektorform, die im Schema der Fig. 9 angegeben ist. In diesem Fall enthält der Detektor eine lineare, faden- förmige Kathode. H, die von einer zylindrischen Anode 14 umgeben ist. Bei Abwesenheit eines magnetischen Feldes würde der Detektor dann eine Charakteristik ähnlich der Kurve J (der Fig. 2 besitzen. Da aber mittels des magnetischen Feldes der Strom praktisch auf 0 reduziert werden kann, wenn die
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Apparat fliessen. So weit es aber auf die Wirkungsweise des Telephonempfängers ankommt, ist es unwesentlich, ob der resultierende Strom im Detektor ein Wechselstrom ist, wie in Kurve J der Fig. 7 angegeben oder ein pulsierender Gleichstrom.
In Fig. 9 ist eine Anordnung dargestellt, die genau die. gleiche Wirkung hervorruft, wie die der Fig. 1. In diesem Fall ist der Detektor der Fig. 1 ersetzt durch die Apparate 15 und 16, entsprechend dem in Fig. 8, welche so mit dem Empfangskreise verbunden sind, dass in jeder Richtung Strom durch den Empfangskreis fliessen kann. Die lokale Stromquelle 7 liefert den Magnetisierungsstrom für die Felder beider Apparate.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Einrichtung zur Kenntlichmachung von elektrischen Schwingungen, insbesondere in der drahtlosen Telegraphie, die einem Stromkreis mit veränderlichem Widerstand zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse dieses Widerstandes durch ausserhalb dieses Stromkreises liegende Mittel periodisch zwischen einem grössten und einem kleinsten Werte geändert wird.