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Selbsterregter Hochfrequenzgenerator mit Triode, für hohe Leistungen
und Frequenzen Von den zahlreichen Rückkopplungsschaltungen zur Selbsterregung von
Röhrengeneratoren sind bei hohen Leistungen und hohen Frequenzen nur noch sehr wenige
geeignet. Zur Erzeugung hoher Leistungen sind wegen der hohen Spannungen und großen
Ströme Bauelemente mit entsprechend großen Abmessungen erforderlich. Dagegen müssen
die kennzeichnenden elektrischen Daten dieser Bauelemente, ihre Kapazität und Induktivität
der hohen Frequenz entsprechend klein sein. Dieses Dilemma zwingt bekanntlich zu
Bauformen, bei denen durch besondere konstruktive Gestaltung die Verbindungen der
elektrischen Bauelemente untereinander mit ihren Induktivitäten und Kapazitäten
in die Schaltung miteinbezogen werden oder diese ersetzen. Da die Bauelemente mit
ihren Abmessungen in die Größenordnung der erzeugten Wellenlänge kommen, liegen
quasistationäre Verhältnisse vor, so daß die Betrachtungsweise aus der Technik der
konzentrierten Schaltungen nicht in jeder Beziehung übernommen werden kann. Während
man z. B. dort bei Spannungsangaben diese im allgemeinen auf ein gemeinsames Erdpotential
bezieht, kommt man bei den quasistationären Kreisen nur zu anschaulichen Darstellungen,
wenn man unter Berücksichtigung der Maxwellschen Gleichungen die von den magnetischen
Wechselfeldern induzierten Ringspannungen betrachtet. Für die Ströme in den quasistationären
Systemen gilt das Entsprechende.
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Aus mehreren Gründen werden konzentrische Anordnungen bevorzugt. Wegen
der hohen Symmetrie lassen sich solche Systeme besonders leicht und genau berechnen
und ergeben gleichmäßige Strombelastungen. Durch großflächige Bauweise lassen sich
hierbei die Stromverluste stark reduzieren und die in manchen Fällen störenden Induktivitäten
kleinhalten. Als Schwingkreise werden bevorzugt koaxiale Leitungsresonatoren verwendet.
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Während noch im Mittelwellengebiet die zur einwandfreien Arbeitsweise
eines Senderverstärkers erforderliche Blindleistung durch entsprechend große Schwingkreiskondensatoren
erzielt werden muß, ist bei Frequenzen über 30 MHz die in den Kapazitäten der Generatorröhre
entstehende Blindleistung hierfür bereits ausreichend. Da eine Blindleistungsvergrößerung
durch Kapazitätssteigerung unvermeidlich auch eine Verlusterhöhung bewirkt, verzichtet
man im allgemeinen bei solchen Generatoren auf eine zusätzliche Schwingkreiskapazität
und schaltet die Röhre mit entsprechend der Kapazität verkürzten Leitungsresonatoren
zusammen.
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Bei allen selbsterregten Leistungsgeneratoren sind besondere Maßnahmen
erforderlich, die eine Erregung des Generators zu wilden Schwingungen verhindern.
Auch bei Generatoren mit konzentrierten Schwingungskreisen existieren infolge verteilter
Kapazitäten und Induktivitäten derBauelemente und Verbindungsleitungen oberhalb
der eigentlichen Betriebsfrequent Gebiete, in denen die Selbstetregungsbedingungen
erfüllt sind. Bei einigermaßen geschickter Auswahl und Anordnung der Bauelemente
genügt bei Mittelwellengeneratoren im allgemeinen ein Schutzwiderstand vor dem Steuergitter,
der durch eine geeignete Induktivität überbrückt wird, zur Verhinderung von wilden
Schwingurigen. Bei Generatoren über 30 MHz ist diese Maßnahme wegen der von der
Gitteranodenkapazität übertragenen großen Blindströme im allgemeinen nicht mehr
zulässig. Während für selbsterregte Generatoren im Dezimeterwellengebiet Spezialröhren
für Gitterbasisschaltung zur Verfügung stehen, bei denen der zwischen Gitter und
Kathode angebrachte Resonator über eine in die Röhre eingebaute Koppelkapazität
vom Gitteranodenresonator erregt wird, stehen für leistungsstarke Hochfrequenzgeneratoren
im Kurzwellengebiet keine entsprechenden Röhren zur Verfügung. Da bei Leitungsresonatoren
die Störresonanzen wesentlich näher an die Betriebsfrequenz heranreichen wie bei
konzentrierten Schwingkreisen, eignen sich für die Selbsterregung solcher Generatoren
nur Ausführungen, bei denen oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz die Selbsterregungsbedingung
nicht mehr erfüllt ist oder, was noch zweckmäßiger ist, bei der die zur Erregung
erforderliche Mitkopplung in eine Gegenkopplung übergeht. Schon aus diesem Grunde
sind die für ein weites Frequenzband wirksamen Rückkopplungsschaltungen wie die
kapazitive und die induktive Dreipunktschaltung sowie die induktive Rückkopplung
nach Meißner ungeeignet. Induktive Rückkopplungsschaltungen, bei denen dem Steuergitter
eine vom Schwingkreis-
Strom in einer Schleife induzierte Spannung
zugeführt wird, scheiden bei Trioden auch deswegen aus, weil sich vor allem bei
Verwendung von Leitungsresonatoren die Kopplung nicht genügend fest ausführen läßt.
An der Streuinduktivität dieser Koppelschleife erzeugt nämlich der intensive Strom,
der über die Gitteranodenkapazität und die Schleife abfließt, im allgemeinen eine
wesentlich größere Spannung als das Magnetfeld des Schwingkreisstromes (Huth-Kühn-Schaltung).
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Die Erfindung schlägt einen Hochfrequenzgenerator vor, der die Nachteile
der bekannten Generatoren vermeidet. Die Erfindung bezieht sich auf einen einkreisigen
selbsterregten Hochfrequenzgenerator mitTriode für hohe Frequenzen und große Leistungen.
Die Erfindung besteht darin, daß der über die Gitteranodenkapazität fließende Hochfrequenzstrom
über einen kurzen, bei der Arbeitsfrequenz induktiven Koaxial-Resonanztopf geleitet
ist, der von den Kathodenanschlüssen so durchdrungen ist, daß an diesen die zur
Selbsterregung erforderliche Spannung induziert wird. Einer weiteren Ausbildung
entsprechend ist der für die Erzeugung der Steuerspannung erforderliche Resonator
so durch Kondensatoren abgeschlossen, daß oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz
die Mitkopplung in eine Gegenkopplung übergeht. Zweckmäßig ist als Anodenschwingkreis
ein von den Röhrenkapazitäten belasteter Koaxialresonator verwendet. Einer weiteren
Ausgestaltung entsprechend besitzt der zur Erzeugung der Steuerspannung dienende
Resonator einen Kurzschlußschieber zur Einstellung der Rückkopplung.
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Es ist bereits ein Oszillator bekannt, bei welchem die Anode der Röhre
mit dem Innenleiter eines Resonators befestigt ist. Einen Resonanztopf, der mit
dem Steuergitter der Röhre verbunden ist und von welchem eine zwischen Gitter und
Kathode der Röhre wirkende Steuerspannung abgegriffen wird, gibt es bei diesem Oszillator
nicht. Im Gitter-Kathoden-Kreis der Oszillatorröhre ist eine Parallelschaltung eines
Kondensators mit einer aus einem Drahtbügel bestehenden Induktivität angeordnet.
Von Kontaktschleifern, die an dem Kathodenkolben anliegen, bis zur einen Elektrode
des Kondensators ist das auslaufende Resonatorgehäuse geerdet. Der bekannte Oszillator
macht von einer Colpitts-Schaltung Gebrauch. Derartige Schaltungen sind für den
Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Oszillators praktisch ungeeignet, da Colpitts-Oszillatoren
bei etwa auftretenden Störerregungen höherer Frequenzen als die Resonanzfrequenz
dann nicht aussetzen, wie dies beim erfindungsgemäßen Oszillator jedoch gerade erwünscht
ist. Der bekannte Oszillator ist nur für geringe Leistungen und geringe Betriebsspannungen
ausgelegt. Bei Anwendung eines derartigen Oszillators für hohe Leistungen ist es
überhaupt fraglich, ob dieser Oszillator dann zum Ziel führt, da die Praxis immer
wieder zeigt, daß bekannte Oszillatoren niedriger Leistung nicht ohne weiteres auch
für hohe Leistungen ausgebildet werden können.
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Bei einem weiteren zweikreisigen selbsterregten Oszillator werden
zwei gegenphasige Spannungen erzeugt. Es wird hierfür ein Resonanztopf verwendet,
der bei der Arbeitsfrequenz des Oszillators in Resonanz ist. Dieser Resonanztopf
ist also bei der Arbeitsfrequenz nichtinduktiv.
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Ferner ist ein UHF-Verstärker bekannt, der jedoch nicht als selbsterregter
Generator ausgebildet ist. Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Generator ist eine Lösung gefunden, die
sowohl in der Arbeitsweise als auch in der konstruktiven Ausführung den gewünschten
Bedingungen weitgehend entspricht. Die Generatorröhre R - im allgemeinen eine wasser-oder
siedegekühlte Senderöhre - ist mit ihrer Anode auf dem Innenleiter des ;,/4-Koaxialresonators
T befestigt. Auf dem Außenleiter des Resonators ruht auf ringförmig angeordneten
Trennkondensatoren C" ein kleiner Resonanztopf K, der mit dem Schieber S in seiner
wirksamen Länge verstellt werden kann und unten durch ringförmig angeordnete Kondensatoren
C, abgeschlossen ist. Sein Innenleiter ist mit dem scheibenförmig herausgeführten
Steuergitter der Sendetriode R verbunden. Die vom Heiztransformator U erzeugte Heizspannung
wird über Durchführungskondensatoren C,1 und Hochfrequenzdrosseln D der Röhre zugeführt.
Die Anodenspannung wird über die Klemmen KI, K2 an die Mittelanzapfung des Heiztransformators
und an den Außenleiter des Resonators angelegt. Beim Betrieb des Generators fließt
von der Anode der Generatorröhre über die Gitteranodenkapazität, den Resonanztopf
K und die Trennkondensatoren Ca ein starker Hochfrequenzstrom. Dieser induziert
in der durch Schraffur gekennzeichneten Fläche eine Spannung, die über die Verbindungsbänder
B und Kondensatoren Ck zwischen Gitter und Kathode der Röhre wirksam wird. Der Rückkopplungsfaktor
ist der schraffierten Fläche proportional und kann durch Verschieben des Kurzschlußringes
S auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Die Kondensatoren C, werden in ihrer
Größe so gewählt, daß der Resonator K unter Berücksichtigung des Einflusses der
Gitter-Kathoden-Kapazität der Röhre unterhalb der tiefsten zu befürchtenden Störerregung
seine Resonanzfrequenz besitzt. Bei allen Frequenzen oberhalb dieser Resonanzfrequenz
ist keine Selbsterregung möglich, da die Rückkopplung als Gegenkopplung wirkt. Am
Gitterableitwiderstand Rx erzeugt der Generator in bekannter Weise die dem gewünschten
Betriebszustand entsprechende Gittervorspannung.
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Der erfindungsgemäße Generator ist beispielsweise besonders zur Speisung
des Beschleunigungssystems eines Zyklotrons geeignet. Ein erstellter Generator lieferte
bei einer Frequenz von 33 MHz eine Ausgangsleistung von 50... 60 kW. Hierbei
beträgt die Betriebsspannung 10 kW. Er ist mit einer wassergekühlten Senderöhre
der Type RS 526 der Fa. Telefunken bestückt. Die Trennkondensatoren Ca sind durch
zehn Vakuumkondensatoren mit je 1000 Pikofarad realisiert. Entsprechend der geringen
Spannungsbelastung und hohen Strombelastung sind die Kondensatoren C,. und Ck als
Glimmerkondensatoren ausgeführt. Die Hochfrequenzdrosseln D sind als @/4-Drosseln
ausgebildet. Der Kopf der Generatorröhre ist durch einen Ventilator gekühlt. Mit
Hilfe einer Ä/4-Transformationsleitung wird die Ausgangsspannung des Generators
auf 40 kV transformiert.