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Die Erfindung bezieht sich auf einen nicht-linearen
Dispersions-Impulsgenerator zur Erzeugung gepulster elektrischer
Radiofreqwenzsignale.
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Hochleistungs-Radiofrequenz-Generatoren und Mikrowellen-
Generatoren sind bekannt, und es wird gefordert, daß
derartige Generatoren in der Lage sind, schnell die Frequenz
des Ausgangsradio-Frequenzsignales zu ändern. Derartige
Generatoren sind erforderlich, um
Hochleistungs-Radiofrequenz-Impulse mit Spitzenleistungen von z. B. über 100 kW
zu erzeugen. Der Ausdruck "Radiofrequenz" wird in dieser
Beschreibung aus Zweckmäßigkeitsgründen benutzt, um
Strahlungen im Hochfrequenzbereich, im VHF-Bereich, im UHF-
Bereich und im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen
Spektrums zu definieren.
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Es ist erwünscht, in der Lage zu sein, die Ausgangsfrequenz
eines Hochleistungs-Radiofrequenz-Generators schnell über
einen relativ großen Abstimmbereich zu ändern.
Beispielsweise ist es nützlich, in der Lage zu sein, die Frequenz des
Ausgangssignals in einer Zeitdauer in der Größenordnung von
nur 0,1 Millisekunde bis 1 Millisekunde einzustellen, was
eine Frequenzveränderung bei Impulswiederholfrequenzen von
1 kHZ bis 10 kHz ermöglicht.
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Beispiele bekannter Hochleistungs-Radiofrequenz-Generatoren
sind Magnetrons, Klystrons und Wanderwellenröhren (TWTs).
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Diese Vorrichtungen arbeiten allgemein in der Weise, daß ein
Elektronenstrahl erzeugt wird, der durch einen periodischen
mechanischen Aufbau hindurchläuft, welcher so ausgebildet ist,
daß der Elektronenstrahl mit dem mechanischen Aufbau derart
zusammenwirkt, daß die Energie von dem Elektronenstrahl
abgezogen wird, um ein Radiofrequenzfeld oder ein
Mikrowellenfrequenzfeld innerhalb des mechanischen Aufbaus zu erzeugen, der
normalerweise als Hohlraum ausgebildet ist. Die
Charakteristiken des Radiofrequenzausgangs einer solchen bekannten
Vorrichtung werden teilweise durch die Ausbildung des mechanischen
Aufbaus fixiert, und die Charakteristiken des
Elektronenstrahls und der Aufbau bestimmen zusammen den Bereich von
Radiofrequenz-Oszillationsfrequenzen, die erzeugt werden
können, und sie bestimmen auch den Gütefaktor des Hohlraums.
Derartige Vorrichtungen können als Verstärker für ein kleines
Radiofrequenzsignal wirken.
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Es sind Hochleistungsoszillatoren, z. B. Magnetrons, entwickelt
worden, um Ausgangsleistungen bis zu wenigen Megawatt zu
erzeugen mit Abstimmbereichen von etwa 10%. Der
Radiofrequenzausgang derartiger Magnetrons wird durch mechanische
Einstellung des Hohlraums abgestimmt, und Magnetrons sehr
hoher Leistung haben gewöhnlich nur relativ kleine
Abstimmbereiche. Spezielle Magnetrons, die schnell rotierende
Scheiben aufweisen, sind in der Lage, die
Radiofrequenz-Ausgangsfrequenz von Impuls zu Impuls schnell einzustellen, aber sie
sind begrenzt auf relativ geringe Ausgangsleistungen von
weniger als 1 Megawatt bei nur begrenzter
Frequenzveränderung, was aus den festen Periodenmustern resultiert.
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Es können Klystronverstärker benutzt werden, um hohe
Radiofrequenz-Ausgangsleitungen zu erzeugen, bei denen die
Frequenz durch Veränderung der Frequenz des Radiofrequenz-
Eingangssignals niedriger Leistung abgestimmt wird. Wenn die
Spitzenleistung eines Klystrons erhöht wird, dann wird die
Bandbreite vermindert, und der effektive Abstimmbereich wird
demgemäß verringert.
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Es sind Wanderwellen-Röhrenverstärker entwickelt worden mit
Bandbreiten von einer Oktave, aber dies begrenzt die
Arbeitsleistung auf relativ niedrige Werte von im typischen Fall
weniger als 100 kW. Bei höheren Leistungspegeln wird die
Bandbreite auf etwa 10 bis 15% bei einer Leistung von 1
Megawatt reduziert.
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Demgemäß haben herkömmliche Elektronenstrahl-Radiofrequenz-
Generatoren mit mehr als wenigen Megawatt Ausgang eine schmale
Bandbreite und schmale Abstimmbereiche. Hochleistungsmagnetrons
erfordern die mechanische Einstellung des Hohlraums, um die
Radiofrequenz-Ausgangsfrequenz einzustellen. Verstärker, wie
z. B. Klystrons und TWTs, besitzen schwerwiegend begrenzte
Bandbreiten bei Hochleistungspegeln mit entsprechend verminderter
Frequenzänderungsfähigkeit. Es besteht demgemäß ein Bedarf
nach einem Radiofrequenz-Generator, der mit relativ hohen
Ausgangsleistungspegeln betrieben werden kann, vorzugsweise
bis herauf zu 1 Gigawatt, wobei der Generator auch noch die
Fähigkeit hat, die Frequenz zu ändern.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft diese
einen nicht-linearen Dispersions-Impulsgenerator zur
Erzeugung von elektrischen Radiofrequenz-Impulssignalen mit einer
elektrischen nicht-linearen Dispersionsschaltung mit
wenigstens einem linearen Element aus einem Material, das sensitiv
ist für Signale niedriger Leistung, wobei Mittel vorgesehen
sind, um ein Steuersignal für eine veränderbare Leistung zu
erzeugen und das Steuersignal wenigstens einem nicht-linearen
Element anzulegen, um das Ausmaß der Nicht-Linearität des
Elementes zu modifizieren und um dadurch die Ausgangsfrequenz
des erzeugten elektrischen Radiofrequenzsignals zu verändern.
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Vorzugsweise weist die elektrische nicht-lineare
Dispersionsschaltung folgende Elemente auf: mehrere nicht-lineare
Elemente in Form von in Reihe geschalteten Induktoren; ein
erstes Feld von Koppelkondensatoren, von denen jeder den
Eingang einer Induktivität mit dem Ausgang der nächsten
Induktivität in Reihenschaltung für Dispersionszwecke
verbindet; und ein zweites Feld von Kondensatoren, die parallel
zueinander derart geschaltet sind, daß jeder Kondensator
des zweiten Feldes die Eingangsseite einer anderen
Induktivität mit einer gemeinsamen elektrischen Leitung verbindet.
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Zweckmäßigerweise ist das Material des nicht-linearen
Elementes oder jedes nicht-linearen Elementes ein
ferromagnetisches Material, welches auf ein Magnetfeld anspricht, und
die das Steuersignal erzeugenden Mittel bewirken die
Erzeugung eines relativ kleinen variablen elektrischen Stromes,
der den Anstieg eines variablen Magnetfeldes mit niedrigem
Wert veranlaßt, das dem ferromagnetischen Material zugeführt
wird, den Anfangszustand des nicht-linearen Elementes
einzustellen und das Verhalten des nicht-linearen Elementes
während der Modulation eines Hochleistungs-Radiosignals zu
verändern, um die Frequenz des Radiofrequenzsignals zu
ändern, das vom Generator ausgesandt wird.
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Zweckmäßigerweise weisen die das Steuersignal erzeugenden
Mittel eine Gleichstromquelle niedriger Leistung auf, die
an die Eingangsseite einer nicht-linearen elektrischen
Dispersionsschaltung angelegt wird, die einen
Hochspannungseingang besitzt und die an die Quelle von der Ausgangsseite
der nicht-linearen elektrischen Dispersionsschaltung mit dem
Radiofrequenz-Signalausgang zurückgeführt wird, wobei ein
Computer den Wert des Gleichstroms niedriger Leistung
verändert, um die Frequenz des Radiofrequenz-Ausgangssignals zu
verändern.
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Stattdessen ist das Material des nicht-linearen Elementes
oder eines jeden nicht-linearen Elementes ein
ferroelektrisches Material, welches auf ein elektrisches Feld anspricht,
und die das Steuersignal erzeugenden Mittel bewirken die
Erzeugung eines variablen elektrischen Feldes mit geringem
Wert, das dem ferroelektrischen Material zugeführt wird, um
iden Anfangszustand des nicht-linearen Elementes
einzustellen und das Verhalten des nicht-linearen Elementes während
der Modulation eines Hochleistungs-Radiofrequenzsignales zu
ändern, um die Frequenz des Radiofrequenzsignals
einzustellen, das vom Generator ausgegeben wird.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und
zur Veranschaulichung der Verwirklichung in der Praxis wird
im folgenden auf ein Ausführungsbeispiel Bezug genommen, das
in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist. In der
Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 ist ein Schaltbild eines nicht-
linearen Dispersions-Impulsgenerators gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm
einer typischen Dispersionskurve einer nicht-linearen
elektrischen Dispersionsschaltung, die bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 benutzt wird.
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Ein nicht-linearer Dispersions-Impulsgenerator gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
in Fig. 1 dargestellt, und dieser ist in der Lage,
elektrische gepulste Radiofrequenzsignale zu erzeugen. Zu diesem
Zweck wird eine elektrische nicht-lineare
Dispersionsschaltung benutzt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1
gekennzeichnet ist und wenigstens ein nicht-lineares Element,
beispielsweise Induktivitäten 2 besitzt, die aus einem Material
bestehen, das empfänglich ist für Signale geringer Leistung.
Ein elektrischer Hochspannungsimpuls mit einer kurzen
Impulsanstiegszeit und einer flachen Spitze wird in die Schaltung 1bei 3 eingeleitet. Die nicht-linearen und dispersiven
Charakteristiken der Schaltung 1 modifizieren die Form des
Impulses, und sie sind derart ausgebildet, daß bei 4 ein
Radiofrequenz-Ausgangsimpuls aus dem Eingangsimpuls erzeugt
wird. Vorzugsweise ist die Schaltung 1 eine
Festkörperschaltung.
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Der Impulsgenerator gemäß Fig. 1 weist auch Mittel auf, die
allgemein mit 5 bezeichnet sind und ein Steuersignal 6
variabler Leistung erzeugen und dieses Signal 6 wenigstens
einem nicht-linearen Element zuführen, beispielsweise den
Induktivitäten 2, und zwar am Hochspannungs-Eingangspunkt 3,
um das Ausmaß der Nicht-Linearität des Elementes zu
modifizieren und dadurch die Ausgangsfrequenz des elektrischen
Radiofrequenzsignals 4 zu verändern.
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Die Schaltung 1 weist mehrere nicht-lineare Elemente in
Gestalt von Induktoren 2 auf, die in Reihe geschaltet sind,
und außerdem ist ein erstes Feld von Koppelkondensatoren 7
vorgesehen, von denen jeder die Eingangsseite eines Induktors
2 mit der Ausgangsseite des nächsten Induktors 2 in Reihe für
Zwecke der Dispersion verbindet. Diese Kondensatoren 7
besitzen einen Wert C' und liefern eine zusätzliche
Dispersionscharakteristik für die Schaltung 1, damit die Umwandlung der
Energie vom Eingangsimpuls bei 3 in das
Radiofrequenz-Ausgangssignal bei 4 verbessert wird. Die Anordnung der
Koppelkondensatoren 7, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, ist nur
ein Ausführungsbeispiel und es können geeignete dispersive
Eigenschaften in der Schaltung 1 durch andere Anordnungen von
Kondensatoren oder zusätzlichen Induktorelementen vorgesehen
werden. Obgleich der Eingangsimpuls bei 3 gewöhnlich eine
kurze Impulsanstiegszeit und eine flache Spitze besitzt, so
sind diese Merkmale nicht wesentlich für die Erfindung. In
der Fig. 1 hat die Schaltung 1 sechs Abschnitte, aber es
können mehr oder weniger Abschnitte vorgesehen werden, falls
dies notwendig ist.
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Außerdem weist die Schaltung 1 ein zweites Feld von
Kondensatoren 8 auf, die eine Kapazität CO besitzen und die parallel
zueinander geschaltet sind, derart, daß jeder Kondensator 8
die Eingangsseite eines anderen Induktors 2 mit einer
gemeinsamen elektrischen Leitung 9 verbindet. Jeder der Induktoren 2
besitzt eine Induktivität LO.
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Der Eingangsimpuls, der an der Stelle 3 angelegt wird, ist
ein Hochspannungsimpuls von beispielsweise 50 kV. Der diesem
Impuls zugeordnete Strom hat ebenfalls einen hohen Wert von
beispielsweise 2 kA. Der Hochspannungsimpuls schreitet von
links nach rechts gemäß Fig. 1 fort, wobei die
Ausbreitungsgeschwindigkeit teilweise durch den Induktivitätswert LO
der Induktoren 2 bestimmt wird.
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Eine schnelle Einstellung der Ausgangsfrequenz des
Radiofrequenzausgangs bei 4 über einem weiten Frequenzbereich ist
mit dem Generator gemäß Fig. 1 erreichbar, indem des Ausmaß
der Nicht-Linearität der Schaltung 1 eingestellt wird. Die
Veränderung der Nicht-Linearität der Schaltung wird dadurch
erreicht, daß ein nicht-lineares Element, beispielsweise die
Induktoren 2, aus einem Material bestehen, welches
empfänglich ist für Steuersignale 6 niedriger Leistung.
Beispielsweise können die Elemente, beispielsweise die Induktoren 2,
ein Material enthalten, das ferromagnetisch ist und auf das
Anlegen magnetischer Felder mit geringem Wert anspricht,
oder es ist ein ferromagnetisches Material vorgesehen,
welches auf das Anlegen elektrischer Felder mit niedrigem Wert
anspricht. Das Steuersignal 6 ist ein relativ kleiner Strom
oder ein relativ kleines elektrisches Feld, welches benutzt
wird, um den anfänglichen Zustand des nicht-linearen Materials
einzustellen, und mit dieser Einstellung wird das Verhalten
der nicht-linearen Elemente, z. B. bei 2, während der
Modulation des Hochleistungs-Radiofrequenzsignals geändert, und
infolgedessen ändert sich die Frequenz des Radiofrequenz-
Ausgangssignals. Dann erlaubt die Einstellung des
Steuersignals 6, Änderungen der Radiofrequenz-Ausgangsfrequenz bei 4
auf der gepulsten Impulsbasis durchzuführen.
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Demgemäß ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 das
Material des nicht-linearen Elementes ein ferromagnetisches
Material, das auf ein Magnetfeld anspricht. Das
ferromagnetische Material ist ein sättigbares magnetisches Material,
und die Induktoren 2 werden vorzugsweise von einem
leitfähigen Draht gebildet, auf den weiche sättigbare
magnetische Ferritperlen (nicht dargestellt) aufgefädelt sind. In
diesem Fall wird das Magnetfeld, das dem Eingangsimpulsstrom
an der Stelle 3 zugeordnet ist (gewöhnlich etwa 2 kA) an den
Ferrit-Toroid in Umfangsrichtung angelegt. Wenn sich das
magnetische Material in einem ungesättigten Zustand
befindet, erhöht das Vorhandensein den Induktivitätswert eines
jeden Induktors auf einen Wert, der größer ist als LO. Wenn
das magnetische Material in den Sättigungszustand überführt
wird, fällt der Induktivitätswert auf den unteren
Begrenzungswert von ab. Wenn demgemäß das Steuersignal 6 ein
relativ kleiner veränderbarer elektrischer Strom ist, dann wird
ein Magnetfeld mit veränderbarem niedrigem Wert an den
Induktoren 2 erzeugt, so daß der Anfangszustand des nicht-
linearen Elementes 2 eingestellt und das Verhalten des
Elementes 2 während der Modulation des
Hochleistungs-Radiofrequenzsignals verändert wird, um die Frequenz des
Radiofrequenzsignals zu ändern, was an der Stelle 4 ausgegeben wird.
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Das nicht-lineare magnetische Material, welches im Induktor 2
vorhanden ist, kann benutzt werden, um die Ausbreitung des
Eingangsimpulses durch die Schaltung 1 zu bewirken. Das
Vorhandensein von ungesättigtem magnetischem Material in jeder
der Schaltungsinduktivität hemmt den Stromfluß längs der
Übertragungsleitung in der Schaltung 1 derart, daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Front des Eingangsimpulses durch
das Vorhandensein des ungesättigten Magnetmaterials
vermindert wird. Infolgedessen breitet sich der angelegte
Stromimpuls vom Eingang 3 nach dem Ausgang 4 mit einer
Geschwindigkeit aus, die teilweise durch den Anfangszustand des
nichtlinearen Schaltungselementes oder des Induktors 2 bestimmt
wird.
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Die Dispersions-Charakteristiken der Schaltung 1 erzeugen den
natürlichen Effekt, daß die Phasengeschwindigkeit des
Oszillationssignals abhängt von der Oszillationsfrequenz des Signals.
Fig. 2 zeigt eine typische Dispersionskurve für eine
Schaltung wie jene gemäß Fig. 1, wobei es klar ist, daß die
Phasengeschwindigkeit eines oszillierenden Signals in der Schaltung
1 abhängt von der Oszillationsfrequenz des Signals. Wenn ein
elektrischer Impuls mit einer flachen Spitze in die Schaltung
1 an der Stelle 3 eingeführt wird, dann wird die Energie in
eine oszillierende Signalkomponente übertragen, deren
Oszillationsfrequenz durch eine Kurve bestimmt wird, wie diese mit
dem Bezugszeichen 10 in Fig. 2 gekennzeichnet ist. Jeder Wert
der Phasengeschwindigkeit hat einen entsprechenden Wert der
Oszillationsfrequenz. Die Wirkung der Änderung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit des injizierten Impulses im Generator
gemäß Fig. 1 ändert die Frequenz des Radiofrequenzsignals,
welches in der Schaltung 1 erregt wird. Dadurch, daß Mittel
5 vorgesehen werden, um die Anfangsbedingung des
nichtlinearen Elementes oder des Induktors einzustellen, wird es
möglich, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Eingangsimpulses
zu steuern und infolgedessen die Frequenz des
Radiofrequenzausgangs an der Stelle 4 einzustellen. Im Falle einer Nicht-
Linearität, die auf einem sättigbaren magnetischen Material
beruht, kann der Anfangszustand des magnetischen Materials
dadurch eingestellt werden, daß ein kleiner Gleichstrom, im
typischen Fall von weniger als 1 Ampere, durch die Induktoren
2 geschickt wird. Die Eingabe eines gerichteten Stromes als
Steuersignal 6 vor Einleiten des Hochstromimpulses an der
Stelle 3 setzt die Bedingung des nicht-linearen Elementes
oder Induktors 2 derart fest, daß die Schaltung 1 eine sepzielle
Radiofrequenz-Ausgangsfrequenz erzeugt. Eine Veränderung
des Gleichstrompegels des Steuersignals 6 ermöglicht eine
Veränderung der Radiofrequenz-Ausgangsfrequenz.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weisen die Mittel 5 eine
Gleichstromquelle 11 niedriger Leistung auf, die der Eingangsseite
der nicht-linearen elektrischen Dispersionsschaltung 1 an der
Stelle 3 angelegt wird und die vom Ausgang an der Stelle 4
nach der Quelle zurückgeführt wird. So fließt der
Gleichstrom durch jede Übertragungsleitung der Induktoren 2. Der
Durchfluß des Gleichstromes durch die Induktoren 2 erzeugt
ein Magnetfeld um jeden Induktor herum, welches gekoppelt
ist mit dem sättigbaren Magnetmaterial in jedem Induktor.
Die Gleichstrom-Steuersignale 6 können benutzt werden, um
die Anfangsbedingung des sättigbaren Magnetmaterials in
jedem Induktor 2 einzustellen, und dies wird benutzt, um das
sättigbare Magnetmaterial an einer bestimmten Stelle seiner
Hystereseschleife einzustellen. Die anfänglich eingestellte
Stelle kann kontinuierlich zwischen positiven und negativen
Sättigungswerten für das sättigbare magnetische Material
verändert werden, indem der Pegel des Gleichstroms in
entsprechender Weise geändert wird. Die Mittel 5 weisen
außerdem Schaltungsschutzelemente 12 auf, um die Quelle 11 gegen
den Hochspannungsimpuls zu schützen, der ebenfalls an der
Stelle 3 in die Schaltung 1 eingeleitet wird.
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Die Einstellung des Gleichstromsignals 6 kann kurzzeitig
erreicht werden, und beispielsweise kann im Generator gemäß
Fig. 1 die Ausgangsfrequenz in weniger als 1 Millisekunde
geändert werden. Die Mittel 5 weisen außerdem eine
Computersteuerung 13 auf, und die Frequenz des
Radiofrequenz-Ausgangsimpulses kann auf lineare Weise von Impuls zu Impuls über
den vollen Abstimmbereich des Generators gestuft werden. Es
ist auch möglich, zufällige Radiofrequenzfrequenzen von Impuls
zu Impuls innerhalb der Grenzen des
Radiofrequenz-Quellenabstimmbereichs zu erhalten oder statistisch ausgewogene
Radiofrequenzausgänge zu erzeugen, um die Energie zu optimieren,
die als Funktion der Frequenz abgestrahlt wird.
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Der Abstimmbereich der Radiofrequenzfrequenzen, die von einem
Generator gemäß Fig. 1 erzeugt werden, können wenigstens plus
oder minus 20% der Ausbildungsmittelfrequenz umfassen. Dies
ist ein großer Bereich im Vergleich mit herkömmlichen
Hochleistungs-Radiofrequenz-Generatoren. Vorzugsweise sollte die
nicht-lineare Dispersionsschaltung 1 so ausgebildet werden,
daß sie einen weiten Bereich der Oszillationsfrequenz bei
einer kleinen Veränderung der Phasengeschwindigkeit liefert.