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Wanderfeld-Raumladungswellen-Röhre mit zur Elektronenstrahlführung
längs des gesamten Elektronenweges gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
In der deutschen Patentschrift 889 466 ist eine Elektronenröhre zur Verstärkung
sehr kurzer Wellen beschrieben, die einen zwischen zwei glatten parallelen Elektroden
befindlichen Raumladungswellenwechselwirkungsraum enthält. In diesem Raumladungswellenwechselwirkungsraum
breiten sich parallel zu der Oberfläche der beiden Elektroden ein oder mehrere Elektronenstrahlen
aus. Die Elektronenstrahlen unterliegen dabei der Wirkung zweier statischer Felder,
nämlich eines Magnetfeldes und eines elektrischen Feldes, deren jeweilige hraftlinenrichtungen
mit der mittleren Ausbreitungsrichtung der Elektronenstrahlen ein rechtwinkliges
Dreibein bilden. Das elektrische Feld wird dadurch erzeugt, daß die beiden Elektroden
auf verschiedenen Gleichpotentialen gehalten werden.
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Wenn am Eingang eines Raumladungswellenwechselwirkungsraumes eine
elektromagnetische Welle sehr hoher Frequenz zugeführt wird, erregt bekanntlich
diese Welle in dem oder den Elektronenstrahlen einen Wechselstrom derselben Frequenz,
der vom Eingang zum Ausgang des Raumladungswellenwechselwirkungsraumes fortschreitet
und dabei verstärkt wird.
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Die in der genannten Patentschrift beschriebene Röhre enthält einen
Eingangskreis, welchem die zu verstärkende Hochfrequenzwelle zugeführt wird. Dieser
Eingangskreis befindet sich in der Nähe des elektronenaussendenden Systems. An den
Eingangskreis schließen sich der Raumladungswellenwechselwirkungsraum und ein Ausgangskreis,
von welchem die verstärkte Welle abgenommen wird, an.
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Es sind auch bereits Röhren dieser Art mit zur Elektronenstrahlführung
längs des gesamten Elektronenweges gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
bekannt, bei denen der Eingangskreis, der Raumladungswellenwechselwirkungsraum und
der Ausgangskreis von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Elektroden gebildet
werden, zwischen denen der Elektronenstrahl verläuft, wobei vorzugsweise sowohl
die auf der einen als auch die auf der anderen Seite des Elektronenstrahls liegenden
Elektroden, in Elektronenstrahlrichtung fluchtend, hintereinanderliegen. Ferner
ist es bei Röhren dieser Art bekannt, daß die auf der einen Seite des Elektronenstrahls
angeordneten Elektroden auf höherem Gleichpotential liegen als die auf der anderen
Seite des Elektronenstrahls angeordneten Elektroden und die auf höherem Gleichpotential
liegenden Elektroden des Eingangs-und Ausgangskreises Verzögerungseigenschaften
besitzen, derart, daß längs derselben fortschreitende elektromagnetische Wellen
nach dem Wanderfeldröhrenprinzip mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung treten.
Demgegenüber unterscheidet sich die erfindungsgemäße Röhre dadurch, daß die den
Eingangskreis, Raumladungswellenwechselwirkungsraum und Ausgangskreis bildenden
Elektroden aus im wesentlichen ebenen oder in Elektronenstrahlrichtung gekrümmten
metallischen Teilen bestehen und daß von den den Raumladungswellenwechselwirkungsraum
bildenden Elektroden zumindest die auf niedrigerem Gleichpotential liegende Elektrode
von den benachbarten Elektroden des Eingangs- und Ausgangskreises elektrisch isoliert
ist und ein von diesen unterschiedliches Gleichpotential aufweist.
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Die erfindungsgemäße Röhre stellt eine Verbesserung der oben beschriebenen
bekannten Röhren dar und ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau von Schaltungsanordnungen
verschiedener Art, wie Verstärkungsreglern, Begrenzern, Frequenzumsetzern, Frequenzvervielfachern
usw.
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Beispielsweise Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Hierin zeigt Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen
Röhre, Fig.2 schematisch eine erste praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Röhre, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3' von Fig. 2 Fig.4 schematisch eine andere
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röhre,
Fig. 5 einen Schnitt
durch die Längsachse der Röhre nach Linie x-x' von Fig. 4, Fig.6 schematisch eine
weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röhre, Fig. 7 einen Teilschnitt durch
die Längsachse der I`löhre nach Fig. 6, Fig. 8 schematisch eine Einzelheit hinsichtlich
der Schaltung der Röhre, Fig. 9 und 10 Kurven zur Erläuterung der Arbeitsweise der
Röhre, Fig.1l und 12 schematisch zwei weitere Schaltungseinzelheiten, Fig. 13 schematisch
eine Schaltung mit der Röhre zur automatischen Verstärkungsregelung, Fig. 14 eine
Kurve zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 13, Fig. 15 schematisch
die Schaltung der Röhre als Begrenzer, Fig.16 schematisch die Schaltung der Röhre
als Begrenzer mit einstellbarem Pegel, Fig. 17 schematisch den Verlauf der Äquipotentiallinien
bei der Röhre nach Fig. 16, Fig. 18 Kurven zur Erläuterung der Arbeitsweise der
Röhre nach Fig. 16, Fig. 19 schematisch die Schaltung der Röhre als I# requenzumsetzer,
Fig. 20 das Blockschaltbild einer Relaisstation einer Pichtfunkverbindung, die mit
einer Röhre nach Fig.19 ausgerüstet ist, Fig.21 und 22 zwei Ausführungsformen einer
erfindungsgemäßen Röhre, die als Frequenzvervielfacher geschaltet ist.
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Die Röhre gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform enthält
im Inneren eines vakuumdichten Kolbens 1 eine Katode 2, deren Potential als Bezugspotential
dient und die dazu bestimmt ist, die den Elektronenstrahl 3 bildenden Elektronen
auszusenden, sowie ein elektronenoptisches System 10, das in Verbindung mit einem
Magnetfeld H zur axialen Ausrichtung des Elektronenstrahls 3 dient. Das System 10
enthält im wesentlichen eine Elektrode 4 und eine Elektrode 5. An dieses Elektronenstrahlerzeugungssvstem
schließt sich ein Eingangskreis A an. Dieser besteht aus einer eine Verzögerungsleitung
bildenden Elektrode 8, deren Ausgang bei 8' gedämpft ist, und einer Elektrode 6,
die in elektrischem Kontakt mit der Elektrode 5 steht (diese beiden Elektroden bilden
übrigens im allgemeinen ein Bauelement) und in einen zur Elektrode 8 parallelen
Teil 7 ausläuft. Die Elektrode 6 besitzt gegenüber der Katode 2 eine schwach negative
Vorspannung -1,l, was bekanntlich für eine gute Folzussierung des Strahls 3 erforderlich
ist. Die Elektrode 8 liegt auf einem Potential +V 0*
Das Magnetfeld H wird
beispielsweise durch einen Magneten 9 (Fig. 3) erzeugt und steht senkrecht zur Zeichenebene
der Fig. 1. Die durch das elektronenoptische System 10 und den Magnet 9 gebildete
Annrdnung fokussiert in bekannter Weise die Elektronen in einen Strahl
3, dessen mittlere Richtung zu den Oberflächen der Elektroden 7 und 8, zwischen
denen er sich ausbreitet, parallel ist.
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An den Eingangskreis A schließt sich ein Raumladungswellenwechselwirkungsraum
B an. Er enthält zwei ebene parallele Elektroden 11 und 12 in Verlängerung der Elektroden
8 bzw. 7, aber elektrisch von diesen isoliert. Die in Verlängerung der Elektrode
7 liegende Elektrode 12 wird auf einem gegenüber der Katode 2 einstellbaren Potential
8 Tos Behalten, wobei ö [-los im allgemeinen negativ ist, manchmal
aber auch einen geringfügig positiven Wert annehmen kann. Die andere Elektrode 11
wird auf dem Potential vo+öVop gehalten, wobei ö Von gleichfalls positiv
oder negativ sein kann. Diese beiden Elektroden begrenzen den Raumladungswellenwechselwirkungsraum,
auch »Diocotronraum« genannt. In diesem Raum herrscht neben dem gleichförmigen Magnetfeld
H ein ebenfalls gleichförmiges elektrisches Feld E, das sowohl zum Elektronenstrahl
als auch zu dem Magnetfeld H senkrecht steht. Dieses elektrische Feld wird durch
die zwischen den Elektroden 11 und 12 bestehende Potentialdifferenz erzeugt.
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Auf den Raumladungswellenwechselwirkungsraum B folgt ein Ausgangskreis
C. Er enthält in Verlängerung der Elektrode 11 eine Verzögerungsleitung 13, deren
Eingang bei 13' gedämpft ist, und eine dazu parallele Elektrode 14 in Verlängerung
der Elektrode 12. Die Elektrode 14 liegt gegenüber der Katode 2 auf dem Potential
-h", während die Elektrode 13 auf dem Potential -i- l'0 liegt.
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Die Elektrode 8 ist mit einer Eingangsleitung 15 und die Elektrode
13 mit einer Ausgangsleitung 16 gekoppelt. Eine Auffangelektrode 17, die auf dem
Potential -f- l'. liegt, befindet sich am Ende der Röhre.
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Es sollen nun einige Ausführungsformen und Abänderungen der erfindungsgemäßen
Röhre an Hand der Fig. 2 bis 7 beschrieben werden.
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Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine Röhre mit einem Metallkolben 20
in Form eines Parallelepipeds. Im Inneren des Kolbens sind die verschiedenen Elektroden
der Röhre mittels isolierender Träger 21 gehaltert. Die Verbindungsleitungen zwischen
den Elektroden und den verschiedenen (nicht dargestellten) Potentialquellen sind
durch einen Glasfuß 22 geführt. Die übrigen, der Röhre nach Fig. 1 entsprechenden
Teile sind mit den gleichen Bezugszahlen wie dort versehen.
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F ig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Röhre nach Fig. 2 in der Ebene
3-3'. In dieser Figur sind zwei Polschuhe 9 sichtbar, die ein zur Zeichenebene der
Fig. 2 senkrechtes Magnetfeld erzeugen.
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Die Röhre nach Fig. 4 und 5 hat eine zylindrische Gestalt, wobei der
Elektronenstrahl 3 a etwa auf einem zur Zylinderachse konzentrischen Kreis verläuft.
Die auf positivem Potential gehaltenen Elektroden sind zwischen dem Metallkolben
20 a und dem Elektronenstrahl 3a angeordnet. Die Eingangsleitung 15 a und die Ausgangsleitung
16 a. stehen radial vom Umfang des Zylinders ab. Die Polschuhe 9a (Fig. 5) liegen
zu beiden Stirnseiten der Röhre nach Fig. 4. Die Auffangelektrode 17a dient zugleich
als Halterungsteil. Die übrigen, der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechenden
Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie dort, jedoch mit dem Zusatz »a« versehen.
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Fig. 6 und 7 zeigen eine der Röhre nach Fig. 4 entsprechende Röhre,
jedoch liegen die Elektroden mit positivem Potential innen. Die Eingangsleitung
15 b liegt in der Achse der Röhre (Fig.7), und die Ausgangsleitung 16 b ist radial
gerichtet. Aus Fig. 7 ist zu erkennen, daß bei der Röhre nach Fig. 6 die Polschuhe
9 b der Röhre zur Durchführung der Eingangsleitung 15 b mit einer Mittelöffnung
versehen sind.
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Arbeitsweise A. Verstärkung Um die beschriebene Röhre als Verstärkerröhre
zu verwenden, geht man folgendermaßen vor: Die Röhre wird an eine Hochfrequenzquelle
18 angeschlossen (Fig. 1), die sie über die Eingangsleitung 15 speist. Die Hochfrequenzenergie
breitet sich längs
der Verzögerungsleitung 8 aus. Diese kann entweder
durch eine Dämpfungssubstanz 8' abgeschlossen sein, so daß die sich längs der Verzögerungsleitung
8 ausbreitenden Wellen weggedämpft werden, oder sie kann keine Dämpfung besitzen,
so daß auf der Verzögerungsleitung 8 stehende Wellen auftreten. Die Hochfrequenzenergie
wird nach Verstärkung im Raumladungswellenwechselwirkungsraum B über die Verzögerungsleitung
13 durch die Ausgangsleitung 16 abgenommen.
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Die auftretenden Erscheinungen können auf folgende Weise erklärt werden:
Im Elektronenstrahl 3 werden bei seinem Durchgang durch den Eingangskreis A Wellen,
die man als »Raumladungswellen« bezeichnen kann, induziert, und zwar infolge der
Modulation dieses Strahls durch das über die Eingangsleitung 15 von der Hochfrequenzquelle
18 zugeführte und längs der Verzögerungsleitung 8 fortschreitende oder stehende
Hochfrequenzfeld. Im Raumladungswellenwechselwirkungsraum B wird die von dem Elektronenstrahl
3 mitgeführte elektromagnetische Energie durch Wechselwirkung innerhalb des elektronenstrahls
in bekannter Weise verstärkt. Dann tritt der Strahl in den Ausgangskreis C ein und
induziert in der Verzögerungsleitung 13 eine (verstärkte) Welle. Die Verstärkung
setzt sich im übrigen vom Eingang der Verzögerungsleitung 13 zu ihrem Ausgang hin
fort, nach einem Mechanismus, der demjenigen der Wanderfeldröhren mit Magnetfeld
entspricht. Die verstärkte Welle wird über die Ausgangsleitung 16 abgenommen.
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Rechnungen die experimentell bestätigt wurden, zeigen, daß die im
Raum B (Diocotronraum) der Röhre erzielte Verstärkung eine Funktion der Intensität
des Magnetfeldes H, der Elektronengeschwindigkeit, des Abstandes zwischen den Elektroden
11 und 12, der Potentialdifferenz zwischen diesen Elektroden und der Strahlintensität
ist.
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Wenn g die Verstärkung je Längeneinheit ist, die man für einen Wert
VO des Potentialunterschieds zwischen den Elektroden 11 und 12 erhält, und l die
Länge des Raumladungswellenwechselwirkungsraurns B ist, findet man, daß man bei
Veränderung von VO um eine Größe 8 TV., die gleich d Vop-ö Vos ist, mit genügender
Annäherung folgende Verstärkungsänderung erhält:
Diese Eigenschaft verleiht der Röhre einen weiten Anwendungsbereich. Dadurch, daß
die Elektroden 11 und 12 gegen die Elektroden des Eingangs- und des Ausgangskreises
elektrisch isoliert sind, wird es möglich, die Verstärkung durch Veränderung der
Stärke des elektrischen Gleichfeldes E im Raum B zu steuern.
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B. Verstärkung mit regelbarem Verstärkungsfaktor Formel (1) zeigt,
daß man den Verstärkungsfaktor der Röhre verändern kann, indem man die mittlere
Geschwindigkeit des Elektronenstrahls im Diocotronraum verändert. Diese Geschwindigkeit
ist bekanntlich durch die Formel
gegeben, wobei E das in diesem Raum herrschende elektrische Gleichfeld und H das
Magnetfeld ist. Nun wird E durch die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden
11 und 12 erzeugt. Diese Potentialdifferenz kann beispielsweise in der in Fig. 8
gezeigten Weise eingestellt werden. Nach dieser Figur sind die Elektroden 11 und
12 über zwei Potentiometer P1 bzw. P2 mit den Klemmen einer Gleichspannungsquelle
V" verbunden. An die Klemmen des Potentiorneters P2 wird eine Spannung ö ho s max,
an die des Potentiometers P1 eine Spannung 8 VO p max gelegt, so daß
es durch entsprechende Polung der Spannungen und durch Verstellen der Potentiometer
möglich wird, das Potential der Elektrode 12 um a Vosmax und das Potential der Elektrode
11 um ± a VO p max zu verändern.
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Formel (1) zeigt, daß ä G proportional zur relativen Änderung der
Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 11 und 12 ist. Die Änderung d G ist positiv,
wenn 8 ho negativ ist, und umgekehrt, wie dies Fig. 9 zeigt. Diese Figur stellt
die Änderungen von ö G als Funktion von dar. Die Kurve a gilt für den Fall, daß
der Elektronenstrahl
parallel zu den Elektroden 11 und 12 in der Mitte zwischen diesen verläuft, während
die Änderung nach der Kurve b erfolgt, wenn sich der Elektronenstrahl der einen
oder der anderen. der Elektroden 11, 12 nähert.
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Das elektrische Gleichfeld im Diocotronraum ist nicht gleich den im
Eingangskreis A und Ausgangskreis C herrschenden elektrischen Gleichfeldern. Hieraus
ergibt sich eine Ablenkung der Elektronenbahnen am Eingang und am Ausgang des Diocotronraums.
Um zu vermeiden, daß die Elektronen sich zu sehr der einen oder der anderen der
Elektroden 11, 12 nähern und von ihnen abgefangen werden, werden vorzugsweise
8 Vo p und ö Vos gleichzeitig so verändert, daß das Verhältnis
konstant bleibt. Man kann zu diesem Zweck eine gemeinsame Verstellung der Potentiometer
P1 und P2 vörsehen, die in Fig. 8 bei N
schematisch dargestellt ist.
Dann folgen die Verstärkungsänderungen ö G der Kurve a (Fig. 9) und sind in einem
weiten Bereich linear.
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Es sei bemerkt, daß dieses Verfahren zur Änderung der Verstärkung
wesentlich vorteilhafter ist als das Verfahren der Änderung der Strahlstromstärke,
das üblicherweise bei Wanderfeldröhren angewendet wird, da eine Elektrode zur Steuerung
der Strahlintensität nach Art der Wehneltelektrode im allgemeinen die Elektronenbahnen
stark in Unordnung bringt. Andererseits kann die Steuerung der Verstärkung durch
Änderung der Katodenheizung nur langsame Verstärkungsänderungen ergeben, da die
Katode eine erhebliche Wärmeträgheit aufweist. C. Amplitudenmodulation Aus Fig.
10 ist ersichtlich, daß bei zeitlicher Veränderung von ö VO gemäß der Kurve Cl die
Verstärkung sich in entsprechender Weise gemäß der Kurve C2 ändert. Die Spannung
d VO kann also dazu verwendet werden, die Ausgangsspannung der Röhre linear in der
Amplitude zu modulieren, wenn die 8 G-8 TVo-Kennlinie linear ist. Natürlich kann
die Modulationsspannung ö VO einen beliebigen Verlauf haben, beispielsweise auch
impulsförmig (dickgestrichelte Kurve) sein.
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Fig. 11 und 12 zeigen schematisch zwei Schaltungen, die eine Verwendung
der erfindungsgemäßen Röhre zur Amplitudenmodulation gestatten. Nach Fig. 11 wird
die Modulationsspannung der Elektrode 11 durch eine Modulationsspannungsquelle 31
in Serie mit der Vorspannung v, zugeführt. Ein einstellbares Gleichpotential wird
über ein Potentiometer P3 an die Elektrode 12 gelegt. Dieses Potential erlaubt die
Wahl des Arbeitspunktes auf der 8 G-b V-Kennlinie (Punkt, der der Modulationsspannung
Null, d. h. b L'0 = 0,
entspricht). Die Schaltung kann natürlich
auch umgekehrt werden, indem die Ilodulationsspannung der Elektrode 12 zugeführt
wird.
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Durch die Einstellung des Potentiometers Pj ist es ferner möglich,
das elektrische Gleichfeld im Diocotronraum so zu regulieren, daß die Ablenkungen
der Elektronenbahnen wie in der vorhergehenden Anwendung (Fig. 8) auf ein Minimum
herabgedrückt werden. Dies ist erreicht, wenn die Absorption des Elektronenstrahls
durch die Elektroden 11, 12 ihren kleinsten Wert erreicht hat. Dann sind die in
den Elektroden 11 und 12 fließenden Ströme am kleinsten.
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Offensichtlich kann man die Modulationsspannung und die einstellbare
Vorspannung auch derselben Elektrode zuführen.
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Man kann auch gemäß Fig. 12 die Modulationsspannung gleichzeitig den
beiden Elektroden 11 und 12 zuführen, ,,wobei sich an den Verhältnissen nichts ändert,
sofern die diesen Elektroden zugeführten Modulationsspannungen phasenrichtig, d.
h. in Gegenphase, sind. In diesem Fall werden die Amplituden der beiden Modulationsspannungen
so eingestellt, daß die in den Elektroden 11 und 12 fließenden Ströme ihren kleinsten
Wert erreichen. Dann ist die zwischen den Elektroden 11, 12 liegende Amplitude der
Gesamtmodulationsspannung gleich der Summe der Amplituden der den Elektroden 11
und 12 zugeführten Einzeimodulationsspannungen.
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Wenn die den Elektroden 11 und 12 zugeführten Einzelmodulationsspannungen
dieselbe Amplitude A haben, aber um einen Winkel a phasenverschoben sind, ergibt
sich der folgende Ausdruck für die wirksame Gesamtmodulationsspannung
Die Amplitude von ö VO _ ist also
und somit eine Funktion von a.
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Für a=z wird die Amplitude von ö VD- =2A.
Für a=0 wird die Amplitude
von ö VD- =0. Daraus folgt, daß der Verstärkungsfaktor der Röhre eine Funktion des
Phasenunterschieds der den beiden Elektroden 11 und 12 zugeführten Einzelmodulationsspannungen
ist. In der Anordnung von Fig. 12 kann die erfindungsgemäße Röhre daher als Phasendiskriminator
dienen. D. Automatische Verstärkungsregelung Fig. 13 zeigt eine Röhre nach Art der
Fig. 1 in einer Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung. Wenn
der Pegel des Eingangssignals sich ändert, verändert sich für eine gegebene Potentialdifferenz
zwischen den Elektroden 11 und 12 die Anzahl der auf den Elektroden 11 und 17 landenden
Elektronen in entgegengesetztem Sinne, aber die Änderung macht sich an der Elektrode
17 stärker als an der Elektrode 11 bemerkbar. Die Anzahl der von der Auffangelektrode
17 aufgenommenen Elektronen nimmt ab, wenn das Eingangssignal stärker wird, und
umgekehrt. Damit eine Erhöhung des Pegels des Eingangssignals eine Verringerung
des Verstärkungsfaktors bewirkt, und umgekehrt, muß also einer Änderung der von
der Elektrode 17 aufgefangenen Elektronen eine gleichsinnige Änderung des Verstärkungsfaktor;
entsprechen. Dies wird mit der Schaltung nach Fig. 1 ; erreicht. Das Potential ho
wird der Auffangelektrode 17 und der Elektrode 11 einen Widerstand 30 zugeführt.
Dieser Widerstand hat die Wirkung, daß das Potential der Elektrode 11 um einen Wert
ö Z'op unter dem Potential ho liegt, wobei ö VO" dem Spannungsabfall am Widerstand
30 entspricht. Wenn der von der Auffangelektrode 17 gelieferte Strom steigt, d.
h., wenn die Zahl der auf die Elektrode 17 auftreffenden Strahlelektronen wächst,
fällt das Potential der Elektrode 11.
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Fig. 14 zeigt die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors G von der Strahlstromstärke
I. Die Kurve d
ist diejenige, die man ohne den Widerstand 30 erhält.
Kurve e erhält man nach Hinzufügen dieses Widerstandes; es ist zu erkennen, daß
dann die Abhängigkeit der Verstärkung von der Strahlstromstärke sehr viel ausgeprägter
ist.
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Fig. 15 zeigt schematisch eine andere Schaltung mit einer Röhre nach
Art der Fig. 1, die es gestattet, die Ausgangsleistung unabhängig vom Pegel der
Eingangsleistung auf einem festen Pegel zu halten.
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In dieser Schaltung ist die Elektrode 12 über einen Widerstand 31
mit der Gleichspannungsquelle verbunden. Die auf der Elektrode 12 landenden, aus
dem Elektronenstrahl 3 stammenden Elektronen bewirken einen Strom, der einen Spannungsabfall
am Widerstand 31 hervorruft, wodurch das Potential dieser Elektrode erniedrigt wird.
Diese Potentialerniedrigung ö Tos (wobei ö Vos negativ ist) hat die Folge, daß der
Potentialunterschied zwischen den Elektroden 11 und 12 vergrößert wird (ö VO positiv),
wodurch nach Formel (1) der Verstärkungsfaktor herabgesetzt wird, und umgekehrt.
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Diese einfache Schaltung ermöglicht eine Stabilisierung der Ausgangsleistung
unabhängig von Schwankungen der Eingangsleistung.
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Fig. 16 zeigt eine Schaltung mit einer Röhre nach Art der Fig.1, die
ein Festhalten der Ausgangsleistung auf einem festen Wert unabhängig von den Schwankungen
verschiedener Parameter ermöglicht. In dieser Schaltung ist eine Übertragungsleitung
32 mit der Ausgangsleitung 16 gekoppelt. In die Koaxialleitung 32 ist ein Gleichrichter
33 eingefügt. Seine Eingangsimpedanz ist mittels bekannter Vorrichtungen, wie die
Kurzschlußschieber 34 und 35, an die Leitung 32 angepaßt. Die Ausgangsspannung dieses
Gleichrichters wird dem Eingang eines Verstärkers 36 zugeführt, dessen Ausgangsklemmen
mit einem Widerstand 37 abgeschlossen sind. Eine der Ausgangsklemmen dieses Verstärkers
ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle VO und die andere Ausgangsklemme mit der
Elektrode 11 verbunden.
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Diese Anordnung arbeitet folgendermaßen: Die über die Leitung 32 abgenommene
Hochfrequenz wird vom Gleichrichter 33 gleichgerichtet und im Verstärker 36 verstärkt.
Der Ausgangsstrom des Verstärkers erzeugt einen Spannungsabfall an den Klemmen des
Widerstands 37. Wenn die Hochfrequenzleistung am Ausgang der Röhre zunimmt, wird
das Potential der Elektrode 11 positiver, da der den Widerstand 37 durchlaufende
Strom größer wird. Das elektrische Feld zwischen den Elektroden 11 und 12 nimmt
zu (ö L 'o positiv), und der Verstärkungsfaktor wird herabgesetzt, und umgekehrt.
Durch geeignete Wahl des Wertes des Widerstandes 37 können so Schwankungen der am
Ausgang der Röhre abgegebenen Hochfrequenzenergie zum Verschwinden gebracht «-erden.
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Diese Schaltung beseitigt z. B. die Wirkungen von Schwankungen der
Elektronenabgabe, die vom Funkeleffekt der Glühkatoden herrühren. Sie kann auch
die
vom Fadingeffekt herrührenden Schwankungen der Eingangsleistung
ausgleichen.
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E. Leistungsbegrenzung mit einstellbarem Pegel Wenn das positive Gleichpotential
der Elektrode 11 herabgesetzt und/oder das Gleichpotential der Elektrode 12 erniedrigt
wird, nähert sich der Elektronenstrahl 3, der bekanntlich beim Fehlen von
Signalen den Äquipotentiallinien zu folgen sucht, der Elektrode 11 (s. Fig. 17).
Wenn die genannten Potentialänderungen gleich groß sind, behält der Strahl seine
mittlere Geschwindigkeit bei, andernfalls nimmt die Strahlgeschwindigkeit zu oder
ab.
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Ein Signal hat die Wirkung, den Elektronenstrahl in der Breite, d.
h. parallel zum elektrischen Gleichfeld, zu modulieren. Der Modulationsgrad ist
eine zunehmende Funktion der Signalstärke. Die Modulation breitet sich längs des
Strahls mit der Geschwindigkeit desselben aus.
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Ein Signal von gegebener Stärke hat die Wirkung, daß die positive
Elektrode 11 einen um so größeren Teil der Strahlelektronen abfängt, je geringer
der Abstand des Elektronenstrahls 3 von der Platte 11 beim Fehlen eines Signals
ist. Andererseits wächst für einen gegebenen Wert dieses Abstandes die Menge der
von der Elektrode 11 abgefangenen Elektronen bei Vorhandensein eines Signals mit
der Stärke dieses Signals.
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Ferner läßt sich zeigen, daß die am Ausgang der Röhre abgenommene
Hochfrequenzenergie mit zunehmender Strahlstromstärke, d. h. mit dem von der Auffangelektrode
17 aufgenommenen Strom, wächst.
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Die erfindungsgemäße Röhre kann daher als Begrenzerröhre dienen, wobei
die gewünschte Begrenzung der Ausgangsleistung durch Veränderung der den Elektroden
11 und 12 zugeführten Gleichpotentiale einstellbar ist.
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Fig. 18 zeigt schematisch das Verhalten der AusgangsleistungPs als
Funktion der EingangsleistungPe und die Begrenzungswirkung, welche bei verschiedenen
Spannungen d Vo=d vo ,-d Vos auf PS ausgeübt wird. F. Frequenzumsetzung mit Verstärkung
Die erfindungsgemäße Röhre kann ferner als Frequenzumsetzer verwendet werden, d.
h., wenn man dieser Röhre am Eingang eine Hochfrequenzspannung der Frequenz F1 und
des weiteren als modulierende Spannung eine Wechselspannung der Frequenz F2 zuführt,
kann man am Röhrenausgang die Summen- oder Differenzfrequenz dieser Spannungen abnehmen.
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Fig. 19 zeigt ein Schema, wie die erfindungsgemäße Röhre als Frequenzumsetzer
verwendet werden kann. Eine Hochfrequenzspannung mit der Frequenz F1 wird der Eingangsleitung
15 zugeführt. In der Zuführung zur Elektrode 11 liegt der Überlagerungsoszillator
50, der eine Wechselspannung der Frequenz F2 zwischen die Elektroden 11 und 12 legt.
Es sei angenommen, daß F2 sehr klein gegenüber F, ist. An der Ausgangsleitung 16
kann dann eine Spannung der Frequenz F1 ±F2 abgenommen werden, die der Frequenz
F1 benachbart ist. Im Diocotronraum der Röhre wird nämlich das Signal der Frequenz
F1 durch die Spannung mit der Frequenz F2 moduliert.
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Die Schaltung nach Fig. 19 eignet sich besonders dafür, die Frequenz
einer Hochfrequenzwelle geringfügig zu verschieben, wie es beispielsweise in den
Relaisstationen von Richtfunkverbindungen erwüscht ist. In solchen Stationen wird
im allgemeinen eine Welle von der Frequenz F1 empfangen und eine Welle von der Frequenz
F3 =F1±F2, die F1 benachbart ist, ausgesandt. (Da die Frequenzen F3 und F1 einander
benachbart sind, kann man im Eingangskreis A und im Ausgangskreis C der Röhre identische
Verzögerungsleitungen verwenden.) Man kann mit Hilfe der Spannungsquellen -V,1 und
-V,2 den mittleren Geschwindigkeiten des Elektronenstrahls im Eingangskreis A und
im Ausgangskreis C der Röhre verschiedene Werte geben. Im Eingangskreis breitet
sich dann der Elektronenstrahl mit einer Geschwindigkeit aus, die der Phasengeschwindigkeit
der Welle mit der Frequenz F1 längs der Verzögerungsleitung 8 entspricht, und im
Ausgangskreis breitet er sich z. B. mit einer Geschwindigkeit aus, die derjenigen
der Welle mit der Frequenz (F,-F,) längs der Verzögerungsleitung 13 entspricht,
wobei der Unterschied zwischen diesen Geschwindigkeiten verhältnismäßig gering ist.
Die Röhre besitzt dann die Eigenschaft, im Ausgangskreis automatisch die Frequenz
(F1 -F2) auszusieben und die Frequenz (F, + F2)
zu unterdrücken.
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Wenn beispielsweise die einfallende Frequenz F,.=3000 MHz mit der
Frequenz F2=100 MHz des Überlagerungsoszillators 50 gemischt wird, beträgt die Ausgangsfrequenz
F3 = F1 - F2 = 2900 MHz. Dieses Beispiel ist der Richtfunkverbindung Paris-Lille
entnommen.
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Fig. 20 zeigt schematisch eine mit der erfindungsgemäßen Röhre versehene
Relaisstation einer Richtfunkverbindung. Eine Welle der Frequenz F1 ±AF (A F = halbe
Bandbreite) wird von der Antenne 51 aufgenommen. Diese Welle geht durch einen Vorverstärker
52 und dann durch eine erfindungsgemäße Röhre 53 in der Schaltungsanordnung nach
Fig.19. Vom Überlagerungsoszillator 50. wird die Frequenz F2 geliefert, wobei F2
klein gegenüber F1 ist. Am Röhrenausgang erscheint darin eine Welle mit der Frequenz
(F1 - F2) ± A F, die durch den Verstärker 54 verstärkt und der Sendeantenne 55 zugeführt
wird.
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Die Eingangsleistung ist von der Größenordnung eines Mikrowatt. Die
Ausgangsleistung erreicht mit dieser sehr einfachen Schaltung einen Wert von der
Größenordnung eines Watts.
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Die bisher für diesen Zweck verwendeten Schaltungen sind erheblich
umständlicher und komplizierter. G. Frequenzvervielfachung Wird die erfindungsgemäße
Röhre als Frequenzvervielfacher verwendet (Fig. 21 und 22), so enthält sie einen
Eingangskreis A und einen Ausgangskreis C mit verschiedenen Verzögerungseigenschaften.
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Die Verzögerungsleitung 8 habe ein Verzögerungsverhältnis (v = Phasengeschwindigkeit
der verzögerten Welle, c = Lichtgeschwindigkeit im freien Raum), das einer Welle
von der Frequenz F o, die der Leitung 8 zugeführt wird und längs derselben fortschreitet,
eine axiale Phasengeschwindigkeit erteilt, welche im wesentlichen gleich der mittleren
Geschwindigkeit der Elektronen des Strahls 3 im Eingangskreis A ist, nämlich gleich
wobei E, das in diesem Raum herrschende elektrische Gleichfeld bezeichnet. Damit
man im Ausgangskreis C die Frequenzharmonische n # Fo der zugeführten Welle (n ist
eine positive ganze Zahl) abnehmen kann, ist es erforderlich, daß im Ausgangskreis
die Elektronengeschwindigkeit im wesentlichen gleich der Phasengeschwindigkeit der
dann dort längs der Verzögerungsleitung 13 fortschreitenden Welle mit der Frequenz
n - F, ist. Offensichtlich ist es an sich möglich, zwei Verzögerungsleitungen
zu verwenden,
die dasselbe Verzögerungsverhältnis haben, und. zwar
die eine für die Frequenz F., die andere für die Frequenz rt-Fo. In diesem Fall
genügt es, daß die Elektronengeschwindigkeit im Ausgangskreis dieselbe wie im Eingangskreis
ist. Wenn ES das elektrische Gleichfeld im Ausgangskreis ist, ist dann Ee=Es zu
machen, Jedoch ist es nach dem gegenwärtigen Stand der Technik schwierig, zwei Verzögerungsleitungen
zu bauen, die diese Eigenschaft aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Röhre bietet eine andere :Möglichkeit zur Lösung
der gestellten Aufgabe: Wenn die beiden Verzögerungsleitungen für die Welle mit
der Frequenz F, bzw. für die Welle mit der Frequenz St - Fa gegebene Verzögerungsverhältnisse
haben, gibt man dem Elektronenstrahl 3 im Eingangskreis A eine Geschwindigkeit,
die der Phasengeschwindigkeit der Welle F, längs der Verzögerungsleitung 8 gleich
ist, und man gibt dem Strahl 3 im Ausgangskreis C eine Geschwindigkeit, die der
Phasengeschwindigkeit der Welle yt# F, längs der Verzögerungsleitung 13 gleich
ist.
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Um dieses Ziel zu erreichen, werden die elektrischen Gleichfelder
im Eingangskreis A und im Ausgangskreis C verschieden groß gewählt, während das
magnetische Feld H längs der ganzen Röhre konstant bleibt (Fig. 21 und 22). In Fig.
22 werden hierzu, wenn man beispielsweise im Ausgangskreis eine geringere Elektronengeschwindigkeit
haben will als im Eingangskreis, die Elektroden 13 und 14 voneinander weiter entfernt
angeordnet als die Elektroden 7 und B. Dies ergibt ES<Ee. Im Eingangskreis
A ist die Elektronengeschwindigkeit
und im Ausgangsraum C ist sie
mit v, <v,. Dies ist das Ergebnis, das man im allgemeinen anstrebt, da das Verzögerungsverhältnis
der Verzögerungsleitungen in der Regel mit steigender Frequenz wächst. Den Übergang
zwischen den beiden Geschwindigkeiten v, und v, erhält man durch Geschwindigkeitsverminderung
der Elektronen im Diocotronraum. Diese kann beispielsweise entweder (Fig. 21) durch
eine geeignete Einstellung der Spannungen ö VO p und b VO s oder (Fig. 22)
durch eine in Strahlrichtung fortschreitende Zunahme des Abstandes zwischen den
Elektroden 11 und 12 erreicht werden.
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Wenn die Elektrode 11 die in Fig.22 gezeigte Form hat, behält
der Elektronenstrahl näherungsweise seine Breite bei, bleibt aber beim Fehlen eines
Signals nicht längs seiner ganzen Bahn auf denselben Äquipotentiallinien. Er befindet
sich im Ausgangskreis auf etwas niedrigeren Äquipotentiallinien als im Eingangskreis.
Der Elektronenstrahl ist im Ausgangskreis von der Verzögerungsleitung 13 weiter
entfernt. Um diesen Effekt auszuschalten und eine hinreichende Kopplung zwischen
Hochfrequenzfeld und Elektronenstrahl im Ausgangskreis aufrechtzuerhalten, muß man
. das Potential der Verzögerungsleitung 13 etwas herabsetzen. Zu diesem Zweck ist
in die Zuführung zur Leitung 13 eine Spannungsquelle mit der regelbaren Gleichspannung
A Tlo, die der Spannung V, entgegengesetzt ist, gelegt.
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Die Form der Elektrode 11 ist nicht kritisch. Es genügt, wenn der
Übergangsabschnitt eine ausreichende Länge in bezug auf die Zykloidenbögen hat,
welche von den Strahlelektronen durchlaufen werden.
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Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß dadurch auch der Verstärkungsfaktor
im Diocotronraum erhöht wird, da die Elektronen dort verlangsamt werden, weil das
elektrische Gleichfeld im Diocotronraum fortschreitend abnimmt.