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Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Radiofrequenz-Impulsgenerator-Gruppe zur Erzeugung einer Mehrzahl von gepulsten elektrischen Radiofrequenzsignalen.
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Derartige Schaltungsanordnungen werden für verschiedene Zwecke eingesetzt.
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Die Schaltungsanordnung gemäß
US 3 238 52 81 A ist auf ein elektronisches System gerichtet, mit dem die durch einen Phasenschieber verfügbare Phasenverschiebung vervielfacht wird. Ferner wird eine elektronisch steuerbare Richtantennenanordnung geschaffen, die Phasenschieber benutzt, wobei die wirksame Phasenverschiebung in der Anordnung eines jeden Phasenschiebers vervielfältigt wird. Die Schaltungsanordnung empfängt als Eingangssignal ein oszillierendes Signal und erzeugt als Ausgangssignal einen oszillierenden Impuls mit einer höheren Frequenz. Dazu sind Mittel vorgesehen, um eine elektrische Welle mit einer ersten Frequenz zu erzeugen, die in wenigstens zwei Komponenten gleicher Phase aufgeteilt wird, wobei mittels Phasenschiebern die Phase jeder Komponente auf einen gewünschten Wert verschoben werden kann. Mehrere harmonische Generatoren erzeugen die n-te harmonische Frequenz jeder dieser Komponenten, wobei „n” eine ganze Zahl ist. Als Eingangssignale der Generatoren dienen die Ausgangssignale der Phasenschieber. Darüber hinaus sind Mittel vorgesehen, um den Ausgang eines jeden Generators mit einem Verstärker zu verbinden, und der Ausgang eines jeden Verstärkers wird als Ausgangssignal einer Richtantennenanordnung zur Verfügung gestellt.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der
US 3 028 597 A betrifft ein Wanderwellen-Verstärkungssystem mit einer Phasensteuerung. Das Wanderwellen-Verstärkungssystem bewirkt ein Ausgangssignal an einer Antennenanordnung, das in Bezug auf Phase und Frequenz derart angepasst ist, dass in dem gewählten Frequenzbereich möglichst keine Störungen zu erwarten sind, die die abgestrahlten Signale oder ihr Echo beeinträchtigen könnten. Hierbei handelt es sich um ein System zur Erkennung von Gegenständen, wobei die erkennende Strahlung hinsichtlich der Frequenz optimiert wird.
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Die
GB 725 628 A bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit variabler Phasenverschiebung. Diese Phasenverschiebung kann entweder durch Veränderung der Kapazität oder durch Veränderung der Induktivität erreicht werden. Eine spezifische Anwendung dieses Phasenschiebers lässt sich der Beschreibung nicht entnehmen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsgenerator zu schaffen, mit dem kurzzeitig Impulse extrem hoher Leistungen von 100 Megawatt und mehr erzeugt werden können.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Die durch die Erfindung erzeugten kurzzeitigen Impulse haben naturgemäß einen erheblichen Einfluss auf die Umgebung des Generators, was bei den erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen weder der Fall noch beabsichtigt ist.
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Nach der Erfindung können die die Umgebung beeinflussenden Radiofrequenz-Strahlungen im Hochfrequenzbereich, im VHF-Bereich, im UHF-Bereich und im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.
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Die im Anspruch 1 angegebene allgemeine Lösung der gestellten Aufgabe wird konkretisiert durch die schaltungstechnischen Merkmale gemäß dem Patentanspruch 2.
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Weitere schaltungstechnische Maßnahmen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 6.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer nicht-linearen elektrischen Dispersionsschaltung, die einen Teil einer Radiofrequenz-Impulsgenerator-Einheit bildet, die bei einem Generator gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
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2 ist eine graphische Darstellung der Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Phasengeschwindigkeit, wobei eine typische Dispersionskurve für die Schaltung nach 1 dargestellt ist;
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3 ist eine schematische Ansicht einer phasengesteuerten Radiofrequenz-Impulsgenerator-Gruppe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein gepulstes Radiofrequenzsignal durch Modulation eines elektrischen Impulses in einer nicht-linearen elektrischen Dispersionsschaltung erzeugt, die allgemein in 1 der beiliegenden Zeichnung mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Es wird ein elektrischer Impuls mit einer kurzen Impulsanstiegszeit und einer flachen Spitze (obgleich die flache Spitze nicht wesentlich ist) in die Schaltung 1 bei 2 eingeführt. Die nicht-lineare Charakteristik und die Dispersionscharakteristik der Schaltung 1 modifizieren die Gestalt des Impulses, der bei 2 eingeführt wird, um an der Stelle 3 einen Radiofrequenz-Ausgangsimpuls zu erzeugen. Die Schaltung 1 erfordert nicht die Erzeugung von Elektronenstrahlen und ein darauffolgendes Zusammenwirken mit einem mechanischen Resonanzaufbau, und die Schaltung kann in Festkörpertechnik ausgeführt werden, da keine Vakuumelemente, keine großen Magnete und keine Gaszuführungen erforderlich sind. Der Radiofrequenz-Erzeugungsprozeß in der Schaltung 1 ist ein komplexer Prozeß, der von dem Zusammenwirken von Nicht-Linearität und Dispersion abhängt. Faktoren wie der Wirkungsgrad der Radiofrequenz-Erzeugung, die Frequenz des Radiofrequenz-Ausgangs und die Dauer der Radiofrequenz-Ausgangsimpulses hängen von speziellen Einzelheiten der nichtlinearen Charakteristik und der Dispersionscharakteristik der Schaltung ab. Jedoch erlaubt die Benutzung der nichtlinearen Dispersionsschaltung die Erzeugung von Radiofrequenzsignalen mit sehr hohen Spitzenleistungen, und es können Radiofrequenzimpulse mit Spitzenleistungen von 100 MW oder mehr erzeugt werden.
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Grundsätzlich soll eine phasengesteuerte Radiofrequenz-Impulsgenerator-Gruppe gemäß der Erfindung (3) eine Mehrzahl von gepulsten elektrischen Radiofrequenzsignalen 3a, 3b, 3c und 3d erzeugen. Zu diesem Zweck weist der Generator mehrere Radiofrequenz-Impulsgenerator-Einheiten 4, 4a, 4b und 4c auf.
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Es können so viele Einheiten benutzt werden wie benötigt werden, je nach der Zahl der gewünschten Ausgangs-Radiofrequenzsignale 3.
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Jede Einheit 4, 4a, 4b, 4c besitzt eine elektrische Dispersionsschaltung gemäß 1, die wenigstens ein nicht-lineares Element, beispielsweise einen Induktor 5, enthält, der ein Material aufweist, das für Signale geringer Leistung empfindlich ist. Jede Einheit 4, 4a, 4b und 4c weist außerdem Mittel 6 auf, um ein variables Leistungssteuersignal 7 zu erzeugen und um dieses Signal 7 dem wenigstens einen nicht-linearen Element 5 zuzuführen, um das Ausmaß der Nicht-Linearität des Elementes 5 zu modifizieren, und um dadurch die Zeitsteuerung des elektrischen Radiofrequenz-Ausgangssignals zu verändern, das bei 3 erzeugt wird.
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Eine Veränderung der Nicht-Linearität der Schaltungen 1 wird dadurch erreicht, daß nicht-lineare Komponenten gewählt werden, die für Steuersignale geringer Leistung empfänglich sind. Demgemäß enthält das nicht-lineare Element 5 ein Material, beispielsweise ein ferromagnetisches Material, das auf ein Magnetfeld anspricht oder ein ferroelektrisches Material, welches auf ein elektrisches Feld geringer Größe anspricht. Ein Steuersignal 7 mit geringem Wert, beispielsweise ein relativ kleiner Strom oder ein relativ kleines elektrisches Feld, wird benutzt, um den Anfangszustand des nicht-linearen Elementes 5 in jeder Schaltung 1 einzustellen, um so das Verhalten des Elementes 5 während der Modulation des Hochleistungs-Radiofrequenzsignales zu ändern und danach die Zeitsteuerung des Radiofrequenz-Ausgangs zu ändern, der an der Stelle 3 erzeugt wird. Die Einstellung der Steuersignale 7 nach jeder Schaltung 1 ermöglicht dann, die relativen Phasen der Ausgänge der Schaltungen 1 in einer phasengesteuerten Gruppe auf Impuls-Impuls-Basis zu ändern.
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3 der beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem sättigbares magnetisches Material für die Elemente 5 benutzt wird, um nicht-lineare Charkteristiken zu erzeugen. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht auf die Benutzung sättigbaren magnetischen Materials für die Elemente 5 beschränkt ist und daß stattdessen ferroelektrische Materialien Anwendung finden können.
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Demgemäß enthält die Schaltung nach 1, die ein Teil einer jeden Einheit 4 ist, mehrere nicht-lineare Elemente 5 in Form von Induktoren 5, die in Reihe geschaltet sind. Außerdem wird ein weiterer Teil jeder Schaltung 1 von einer ersten Gruppe von Koppelkondensatoren 8 gebildet, die jeweils eine Kapazität C1 haben und jeweils die Eingangsseite eines Induktors mit der Ausgangsseite des nächsten in Reihe liegenden Induktors 5 verbinden, um eine Dispersion zu bewirken. Außerdem weist jede Schaltung 1 eine zweite Gruppe von Kondensatoren 9 auf, die parallel zueinander liegen, und zwar derart, daß jeder Kondensator 9 die Eingangsseite eines Induktors 5 mit einer gemeinsamen elektrischen Leitung 10 verbindet. Jeder Induktor 5 besitzt einen Induktivitätswert Lo, und jeder Kondensator 9 hat einen Kapazitätswert Co.
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In der Schaltung gemäß 1 sind sechs Induktoren vorhanden, entsprechend den sechs Abschnitten einer Induktivitäts/Kapazitäts-Übertragungsleitung, aber es können so viele Induktoren benutzt werden wie nötig. Die Kondensatoren 8 bewirken eine zusätzliche Dispersionscharakteristik für die in Reihe geschalteten Induktoren, um die Konvergenz der Energie vom Eingangsimpuls bei 2 nach dem Radiofrequenz-Ausgangssignal bei 3 zu verbessern. Die Lage der dispersiven Kondensatoren 8 oder der Kopplungskondensatoren 8 gemäß 1 ist nur ein Beispiel und es können geeignete dispersive Eigenschaften für die Schaltung 1 durch andere Anordnungen von Kondensatoren oder durch zusätzliche Induktorelemente geschaffen werden.
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Bei einem Hochleistungsgenerator ist der Eingangsimpuls, der an der Stelle 2 in die Schaltung 1 eingeführt wird, ein Hochspannungsimpuls von beispielsweise 50 kV. Der diesem Impuls zugeordnete Strom besitzt ebenfalls einen hohen Wert von beispielsweise 2 kA. Der Hochstromimpuls schreitet von links nach rechts in der Schaltung gemäß 1 fort, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses teilweise durch den Wert der Induktivität Lo des Elementes bzw. der Induktoren 5 bestimmt wird.
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In der Schaltung gemäß 1 und dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 kann eine Nicht-Linearität der Schaltung 1 dadurch zugesetzt werden, daß ein sättigbares magnetisches Material in jeden Induktor 5 eingeführt wird. Beispielsweise könnten die Induktoren 5 aus einem leitfähigen Draht bestehen, auf denen Perlen aus weich sättigbarem ferrit-magnetischem Material aufgefädelt sind. In diesem Fall wird das Magnetfeld, das dem Eingangsimpuls von 2 kA zugeordnet ist, dem Ferrit-Toroid in Umfangsrichtung angelegt. Das Magnetmaterial erhöht im ungesättigten Zustand den Wert einer jeden Schaltungsinduktanz auf einen Wert größer als Lo. Wenn das Magnetmaterial in den Sättigungszustand überführt wird, dann fällt der Wert der Induktivität auf einen niedrigeren Grenzwert Lo. Das nicht-lineare magnetische Material kann benutzt werden, um das Fortschreiten des Eingangsimpulses längs der Übertragungsleitung durch die Schaltung 1 zu bewirken. Das Vorhandensein des ungesättigten Magnetmaterials in jedem der Elemente 5 hemmt den Stromfluß längs der Schaltung derart, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Front des Eingangsimpulses durch das Vorhandensein des ungesättigten Magnetmaterials vermindert wird. Infolgedessen breitet sich der eingegebene Stromimpuls vom Eingang nach dem Ausgang der Schaltung 1 mit einer Geschwindigkeit aus, die teilweise durch den Anfangszustand des nicht-linearen Schaltungselements 5 bestimmt wird. Wenn ein elektrischer Impuls mit einer flachen Spitze an der Stelle 2 in die Schaltung 1 eingeführt wird, dann wird Energie in eine oszillierende Radiofrequenz-Signalkomponente übertragen. Der Radiofrequenzimpuls wird am Vorderrand des eingegebenen Eingangsimpulses erzeugt, und die Vorderkante des ersten Radiofrequenzzyklus fällt mit dem Vorderrand des eingegebenen Impulses zusammen, wenn dieser durch die Schaltung 1 fortschreitet.
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Die Wirkung einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des in die Schaltung gemäß 1 eingegebenen Impulses ändert den Zeitpunkt der Ankunft des Radiofrequenzimpulses an der Ausgangsstelle 3. Demgemäß ist bei Anwendung ferromagnetischen Materials für das Element 5 die Steuersignal-Erzeugungseinrichtung 6 gemäß 3 eine Gleichstromquelle geringer Leistung, und der Gleichstrom wird bei 7 dem Eingang der Schaltung 1 mit Hochspannungseingang zugeführt und der Quelle 6 von der Ausgangsseite der Schaltung 1 an der Radiofrequenzsignal-Ausgangsstelle 3, 3a, 3b, 3c, 3d zurückgeführt. Demgemäß kann die Anfangsbedingung eines jeden nicht-linearen Elementes 5 durch das Steuersignal 7 so eingeführt werden, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Eingangsimpulses gesteuert und demgemäß die Ankunftszeit des Radiofrequenz-Ausgangsimpulses an der Stelle 3 eingestellt wird. Im Falle einer Nicht-Linearität, die auf sättigbarem Magnetmaterial basiert, kann der Anfangszustand des Magnetmaterials eingestellt werden, indem ein kleiner Gleichstrom von im typischen Fall weniger als 100 mA durch die Induktoren 5 geschickt wird.
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Durch das Einführen des Gleichstroms vor dem Anlegen des Hochstromimpulses an der Stelle 2 wird die Bedingung des nicht-linearen Elementes 5 so eingestellt, daß die Schaltung eine spezielle Ausbreitungsgeschwindigkeit ermöglicht. Die Veränderung des Gleichstrom-Steuersignalpegels 7 ermöglicht dann eine Veränderung der Zeitgebung des Radiofrequenz-Impulses an der Ausgangsstelle 3 der Schaltung 1.
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Die Frequenz der Radiofrequenz-Impulserzeugung an der Stelle 3 von jeder Schaltung 1 ist abhängig von der Phasengeschwindigkeit, wobei diese Abhängigkeit in 2 für eine typische nicht-lineare Dispersions-Übertragungsschaltung 1 dargestellt ist. In 2 ist die Dispersionskurve mit 11 bezeichnet. Die Veränderung im Eingangszustand der Elemente oder Induktoren 5 bewirkt ebenfalls eine gewisse Änderung der Radiofrequenz-Impulsfrequenz an der Stelle 3 zusätzlich zur Änderung der Zeitgebung des Radiofrequenz-Impulses an der Stelle 3. Jedoch ist die Größe der Änderungen in der nicht-linearen Komponente in der Schaltung 1, die erforderlich ist, um beträchtliche Änderungen der Radiofrequenz-Oszillations-Frequenz herbeizuführen, sehr viel größer als jene, die erforderlich ist, um beträchtliche Änderungen der Zeitgebung des Radiofrequenz-Ausgangsimpulses an der Stelle 3 herbeizuführen. Demgemäß kann die relative Zeitgebung der Radiofrequenzsignale geändert werden, ohne beträchtliche Änderungen der Radiofrequenz-Impulsfrequenz von jeder phasengesteuerten Gruppeneinheit 4, 4a, 4b, 4c einzuführen. Die Charakteristiken der Schaltungen 1 können so ausgelegt werden, daß die Radiofrequenz-Oszillationsfrequenz relativ unempfindlich gegenüber Änderungen in der Phasengeschwindigkeit ist.
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Wie in 3 dargestellt, erfolgt der Durchlauf des Gleichstrom-Steuersignals 7 von der Quelle 6 über eine Schutzschaltungseinrichtung 12, die die Quelle 6 gegenüber dem Hochspannungsimpuls schützt, der ebenfalls an der Stelle 2 in die Schaltung 1 eingeführt wird. Der Durchlauf des Gleichstromsteuersignals 7 mit niedrigem Wert durch die Induktoren 5 in. der Schaltung 1 erzeugt ein Magnetfeld um jeden Induktor 5 herum, das gekoppelt wird mit dem sättigbaren Material in jedem Induktor 5. Das Gleichstromsteuersignal 7 wird benutzt, um die Anfangsbedingung des sättigbaren magnetischen Materials in jedem Induktor 5 einzustellen, und es wird benutzt, um das sättigbare magnetische Material an einer gewissen Stelle in der Hystereseschleife einzustellen. Die anfängliche eingestellte Position kann kontinuierlich zwischen positiven und negativen Sättigungswerten für das magnetische Material eingestellt werden, indem der Gleichstrompegel im Signal 7 in geeigneter Weise gewählt wird.
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Der Generator gemäß vorliegender Erfindung, wie er in 3 der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, besteht aus einer phasengesteuerten Gruppe von Schaltungen 1 und einer Steuersignal-Erzeugungseinrichtung 6 in Parallelschaltung. Jede Schaltung 1 wird als eine Einheit in der phasengesteuerten Gruppe benutzt und durch eine einzige Einrichtung 13 gesteuert, um den Wert des Steuersignals 7 für jede Schaltung 1 in jeder Gruppe 4, 4a, 4b und 4c einzustellen, und um die relativen Phasen der Ausgangssignale 3a, 3b, 3c und 3d der Einheiten 4, 4a, 4b und 4c in der phasengesteuerten Gruppe auf Impuls-Impuls-Basis zu verändern. Wie in dem Ausführungsbeispiel nach 3 dargestellt, ist jeder Einheit 4, 4a, 4b und 4c ein eigener Eingangs-Impulsgenerator 14, 14a, 14b und 14c zugeordnet. Zweckmäßigerweise ist die Signaleinstelleinrichtung 13 ein Computer, der direkt mit jeder Gleichstromquelle 6 geringer Leistung über Leitungen 15 gekoppelt ist und betriebsmäßig den Wert des Steuersignals 7 in jeder Einheit 4, 4a, 4b und 4c verändert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Generator gemäß 3 sind vier Einheiten einer Gruppe dargestellt, jedoch kann in der Praxis der Generator eine beliebige Zahl von Einheiten 4, 4a, 4b, 4c aufweisen. Jede der nicht dargestellten Strahlungsantennen wird durch eine getrennte nicht-lineare Dispersionsschaltung 1 gespeist, und jede Schaltung wird durch ihre eigene Quelle 6 gesteuert. Der Eingangsimpuls, der jeder Schaltung 1 zugeführt wird, kann stattdessen von einer nicht-dargestellten einzigen Eingangsimpulsquelle herrühren, und in diesem Falle wird ein Impuls sehr hoher Leistung erzeugt, der dann aufgespalten wird, um die einzelnen Schaltungen 1 zu speisen.
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So ermöglicht der Generator gemäß 3 die Benutzung einer relativ einfachen Gleichstromquelle geringer Leistung, um die relative Zeitgebung des Ausgangs einer Zahl von Radiofrequenz-Impulsgenerator-Einheiten 4 hoher Leistung zu steuern. Eine Veränderung des Stromwertes im Steuersignal 7 kann innerhalb einer sehr kurzen Zeit, beispielsweise in weniger als 1 Millisekunde, erreicht werden. Durch diese Technik werden die Spitzenleistungen beträchtlich erhöht, die durch eine phasengesteuerte Gruppe von Radiofrequenz-Einheiten erzeugt wird. Dies ermöglicht auch eine schnelle Einstellung der relativen Phase der Einheiten 4.
