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Impulsgenerator Die Erfindung betrifft einen Impuls generator zur
Herstellung einer Impuls folge mit gegebenem Tastverhältnis und einer verhältnismäßig
kleinen Impulsbreite.
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Impuisgeneratoren zur Erzeugung von Impulsfolgen sind in vielseitiger
Ausgestaltung bekannt. Bei derartigen Impuls generatoren wird die Steilheit der
Impulse von der oberen Grenzfrequenz der aktiven Elemente bestimmt. Beim Erreichen
der oberen Grenzfrequenz wird die Verstärkung kleiner 1, so daß der Oszillator im
Impulsgenerator beim Übersteigen der Grenzfrequenz zu schwingen aufhört. Um Impulsgeneratoren
mit sehr kurzen Impulsen und sehr steilen Flanken herzustellen, ist es deshalb notwendig,
aktive Elemente zu schaffen, die eine obere Grenzfrequenz
aufweisen,
welche über den die Steilflanken bestimmenden Frequenzanteilen liegt. Für hohe Frequenzen
im Mega-Hertz- bzw. Giga-Hertz-Bereich ist die Entwicklung und die Herstellung derartiger
aktiver Elemente sehr aufwendig und kostenintensiv. Daher ist es wünschenswert,
einen Impuls generator zu schaffen, der mit aktiven Elementen betrieben werden kann,
deren obere Grenzfrequenz sehr viel niedriger als die die Steilflanken bestimmenden
höchsten Frequenzanteile ist.
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Dabei soll es gleichgültig sein, ob als aktive Elemente im Oszillatorteil
des Impulsgenerators Röhren oder Halbleiterelemente Verwendung finden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Oszillator
einen Schwingkreis mit Mehrfachresonanzen umfaßt der auf die undfrequenz des Oszillators
sowie zumindest auf die erste un4;cweite harmonische Oberschwingung und gegebenenfalls
S weitere harmonische Obchwingungen derart abgestimmt ist, daß ausgangsseitig eine
Sägezahnschwingung entsteht, deren steil ansteigende Flanke jeweils einen Wendepunkt
fast, xnd daß der Schwingkreis über Differentiationsglieder derart an eine Last
angekoppelt ist, daß durch angepaßte Differentiation der steil ansteigenden Flanke
des jeweiligen Sägezahnes an der Last ein Impuls wirksam ist, dessen Impulsbreite
etwa der Anstiegszeit der Steilflanke entspricht.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Amplitude
der die Impulsbreite bestimmenden obersten harmonischen Oberschwingung wesentlich
kleiner und vorzugsweise etwa 1/4 oder 1/6 und kleiner als die Amplitude der die
Impulsfolgefrequenz bestimmenden Grundschwingung ist, und daß die dazwischenliegenden
niederen harmonischen Obers chwingungen eine Amplitude haben, die kleiner als die
der Grundschwingung und ferner mit zunehmender Ordnungszahl der harmonischen Oberschwingungen
auf den Wert der obersten harmonischen Oberschwingung abnehmend ist. Es ist jedoch
auch vorgesehen, dag die Amplitude der die Impulsbreite bestimmenden
obersten
harmonischen Oberschwingung wesentlich kleiner und vorzugsweise etwa 1/4 oder 1/6
und kleiner als die Amplitude der die Impulsfolgefrequenz bestimmenden Grundschwingung
ist, und daß die dazwischenliegenden niederen harmonischen Oberschwingungen eine
Amplitude haben, die gleich der Amplitude der obersten harmonischen Oberschwingung
ist.
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Es ist bereits bekannt, daß sich eine Sägezahnschwingung mit linearem
Anstieg in eine unendliche Reihe sinusförmiger Schwingungen zerlegen läßt. Für die
vorliegende Erfindung ist jedoch nur eine begrenzte geringere Anzahl von harmonischen
Oberschwingungen notwendig, wobei die jeweils oberste harmonische Oberschwingung
zusammen mit der Grundschwingung das Tastverhältnis der Impulsfolge bestimmt. Die
Amplituden der Grundschwingung und der einzelnen harmonischen Oberschwingungen können
in einem Verhältnis zueinander stehen, wie es durch eine Fourier-Analyse eines Sägezahnes
für die entsprechenden Schwingungsanteile ableitbar ist.
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Jedoch ist es keineswegs notwendig, daß diese Amplitudenverhältnisse
vorliegen, vielmehr können eine Vielzahl abweichender Amplitudenverhältnisse Verwendung
finden, wobei sich ergeben hat, daß es für einen optimalen Be.-trieg genügt, wenn
die Amplituden der Oberschwingungen jeweils 1/4 und kleiner als die Amplitude der
Grundschwingungsind.Es ist auch nicht erforderlich, daß alle harmonischen Oberschwingungen
zwischen der Grundschwingung und der obersten harmonischen Oberschwingung Verwendung
finden, wie dies noch nachfolgend näher erläutert wird.
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Der Impuls generator gemäß der Erfindung bietet den Vorteil, daß er
die Erzeugung einer Impulsfolge sehr kurzer und steiler sowie leistungsstarker Impulse
mit einer relativ hohen Impulsfolgefrequenz möglich macht.
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Es lassen sich daher für den Impuls generator leistungsstarke aktive
Elemente verwenden, die eine verhältnismäßig niedere obere Grenzfrequenz halben,
die dadurch
einen sicheren Betrieb des Impuls generators gewährleisten.
Von weiterem Vorteil für den Impuls generator ist, daß sich die Impulsamplitude
und damit die Leistung hauptsächlich aus der Grundschwingung ableitet, wogegen die
harmonischen Oberschwingungen im wesentlichen lediglich zu der Steilheit der Impulsflanken
beitragen, wobei die oberste harmonische Oberschwingung die Impulsbreite und damit
im Zusammenspiel mit der Grundschwingung das Tastverhältnis bestimmt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen,
daß der Schwingkreis an eine Versorgungsspannung über eine Reihenschaltung von Sperrfiltern
angeschlossen ist, welche für die Grundfrequenz und die jeweiligen Frequenzen der
harmonischen Oberschwingungen einen hohen Übertragungswiderstand aufweisen. Dadurch
wird das Abfließen von den einzelnen Schwingungen zugeordneter Energie aus dem Mehrfachresonanzkreis
vermieden, was für die Optimierung des Betriebs des Impuls generators von Wichtigkeit
ist.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen
und der Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Schaltbild
eines Impulsgenerators gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine weitere Ausführungsform
des Mehrfachschwingkreises, wie er bei der Schaltung gemäß Fig. 1 Verwendung finden
kann; Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Säge zahns chwingung und der daraus
abgeleiteten Impulse zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.
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In Fig. 1 ist die schematische Schaltung eines Impulsgenerators dargestellt,
der aus einem Gegentaktoszillator 10 mit einem Mehrfachschwingkreis 11 und einer
Ankopplungsschaltung 12 an eine Last 13 besteht. Der Oszillatorteil des Impulsgenerators
ist über eine Sperrfilterkette 14 an die Versorgungsspannung +V angeschlossen.
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Die Oszillatorschaltung mit Ausnahme des Mehrfachschwingkreises 11
ist in herkömmlicher Weise als Gegentaktoszillator aufgebaut, wobei das beschriebene
Ausführungsbeispiel mit zwei Röhren 20 arbeitet, die kreuzweise von der Anode zum
Gitter über Koppelkondensatoren 21 derart rückgekoppelt sind, daß die Röhren stark
übersteuert werden. Der Aufbau dieses Teils der Oszillatorschaltung kann in beliebiger
Weise ausgeführt sein, solange er im Zusammenwirken mit dem Mehrfachschwingkreis
11 eine Oszillatorschaltung ergibt. Dabei werden aktive Elemente Verwendung finden,
deren obere Grenzfrequenz oberhalb der Frequenz der Grundschwingung liegt. Bei den
im Ausführungsbeispiel verwendeten Röhren von der Type EL 152 liegt die obere Grenzfrequenz
bei etwa 120 MHz, wogegen die mit demImpulsgenerator erzeugte Impulsfolgefrequenz
etwa 45 MHz hat, wobei je nach der Ausgestaltung des Mehrfachschwingkreises 11 die
fünfte und höhere harmonische Oberschwingungen ausgewertet werden. Es ist auch nicht
erforderlich, daß die aktiven Elemente aus Röhren bestehen, vielmehr können an deren
Stelle auch Halbleiterelemente Verwendung finden.
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Der Mehrfachschwingkreis 11 der Oszillatorschaltung ist derart aufgebaut,
daß er aus einer Vielzahl von Schwingkreisen besteht, die jeweils auf bestimmte
Frequenzen abgestimmt sind. Es handelt sich dabei um die Grundschwingung, die die
Impulsfolgefrequenz bestimmt, und die zu dieser Grundschwingung gehörigen harmonischen
Obers chwingungen.
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In Fig. 1 ist der Mehrfachschwingkreis symmetrisch aufgebaut und umfaßt
eine Induktivität 25, zu der eine Kapazität 26 parallel geschaltet ist.
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Diese beiden Elemente sind auf die Grundfrequenz f abgestimmt.
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0 Ein Teilschwingkreis, der auf die zweite Harmonische 2f abgestimmt
0 ist, umfaßt einen Teil der Induktivität 25 und eine Kapazität 28. An diesen Teilschwingkreis
sind Dämpfungsglieder 29 angeschlossen, um die Amplitude der zweiten harmonischen
Oberschwingung auf einen gegenüber der Amplitude der Grundschwingung kleineren Wert
einzustellen.
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Der Teilschwingkreis für die dritte Harmonische 3f ist unterteilt
und 0 umfaßt Kondensatoren 30 und 32, die jeweils zu einem Endabschnitt der Induktivität
25 parallel geschaltet sind. Auch dieser Teilschwingkreis ist mit Hilfe von Dämpfungsgliedern
31 bedämpft, umdie Amplitude auf einem gegenüber der Grundschwingung kleineren Wert
einzustellen.
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Die Teilschwingkreise für die vierte und fünfte harmonische Oberschwingung
4f und 5f umfassen einen Kondensator 34 bzw. einen Kondensator 36, die o o an einen
der Oberschwingung entsprechenden Abschnitt der Induktivität 25 parallel angeschlossen
sind. Auch diese Teilschwingkreise sind mit Dämpfungsgliedern 35 bzw. 37 verbunden.
Die einzelnen Dämpfungsglieder der Teilschwingkreise können in herkömmlicher Weise
ausgebildet sein und z. B. aus abstimmbaren ohmischen Widerständen bestehen, die
in herkömmlicher Weise an den zugeordneten Teilschwingkreis angeschlossen sind.
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Die durch die Dämpfungsglieder in ihrer Größe eingestellte Amplitude
der Oberschwingungen, bezogen auf die Amplitude der Grundschwingung, muß keiner
bestimmten Gesetzmäßigkeit folgen. Da die Grundschwingung im wesentlichen die Impulsleistung
des Impulsgenerators bestimmt und die Oberschwingungen im wesentlichen nur einen
Einfluß auf die Impulsform, d. h. die Flankensteilheit, haben, muß jedoch die Grundschwingung
einen möglichst großen Amplitudenwert aufweisen, wogegen es genügt, wenn die harmonischen
Oberschwingungen eine Amplitude von 1/4 und weniger haben.
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Bei einer verwirklichten Schaltung ließen sich mit nachfolgender Abhängigkeit
gute Ergebnisse erzielen.
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A(fo) = A/4(2f) = A/4(3f) = A/4(4fo) = A/4(5f) Auch weitere Amplitudenverhältnis
s e mit abnehmender Amplitude bei zunehmender Ordnung der harmonischen Oberschwingungen
haben zu einwandfreien Ergebnissen geführt.
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Von der Amplitude der Oberschwingungen wird primär, wie bereits erwähnt,
die Flankensteilheit und insbesondere die Impulsrückflanke beeinflußt, die in ihrer
Steilheit völlig unabhängig von der Grenzfrequenz bzw. den charakteristischen Eigenschaften
des aktiven Elementes ist.
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Das Tastverhältnis der Impuls folge bestimmt sich aus der obersten
harmonischen Oberschwingung, die Verwendung findet, da diese, wie später anhand
der Fig. 3 noch näher erläutert wird, die Impulsbreite bestimmt.
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Gemäß Fig. 1 ist die Oszillatorschaltung über die Ankopplungsschaltung
12 an die Last 13 angeschlossen. Diese Ankopplungsschaltung besteht aus jeweils
einer an die Auskopplungsabgriffe der Induktivität 25 angeschlossenen Lambda/4-Leitung,
die Differentiationskondensatoren 40 mit dem Mehrfachschwingkreis 11 verbinden.
Diese Differentiationskondensatoren liegen in der Größenordnung von etwa 1 bis 5
pF bei Pulswiederholungsfrequenzen in der Größenordnung von etwa 45 MHz und der
Verwendung von zumindest der fünften harmonischen Oberschwingung.
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Durch diese Differentiationskondensatoren 40 wird die über die Lambda/4-Leitungen
angelegte Sägezahnspannung differenziert, so daß an der Last 13 die sich aus dem
Sägezahn durch die Differentiation ableitenden Impulse zur Wirkung kommen. Für einen
optimalen Betrieb ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Mehrfachschwingkreis 11
und der Last 13 Anpassung herrscht, jedoch lassen sich auch bei einer Fehlanpassung
noch einwandfreie Impulse herstellen.
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In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Mehrfachschwingkreises
111 dargestellt, der anstelle des Mehrfachschwingkreises 11 bei der Schaltung gemäß
Fig. 1 Verwendung finden kann. Dieser Mehrfachschwingkreis 111 ist asymmetrisch
aufgebaut und unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß
der auf die harmonische Oberschwingung 4f abgestimmte Teilschwingkreis fehlt. Dadurch
ergibt sich eine in ihrem Verlauf etwas abgeänderte Sägezahnschwingung, aus der
sich jedoch dieselbe Impulsfolgefrequenz und dasselbe Tastverhältnis wie bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 ableitet, wenn dieselbe Frequenz für die Grundschwingung
Verwendung findet. Die dem Aufbau des Mehrfachschwingkreises 11 entsprechenden Elemente
sind in Fig. 2 durch entsprechende um den Wert 100 vergrößerte Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Für das einwandfreie Funktionieren des Impuls generators ist auch
bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erforderlich, daß die Amplituden der harmonischen
Obers chwingungen gegenüber der Grundschwingung verkleinert sind. Es können dieselben
Amplitud;enverhältnisse wie in Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt Verwendung finden.
Bei einem ausgeführten Schaltungsaufbau wurde folgendes Amplitudenverhältnis vorgesehen
und mit gutem Erfolg verwendet.
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A(f = A/ -Sr <2fj = A/2 (3f = A/4 (5f ) Selbstverständlich ergeben
sich auch bei vielen anderen, von den angegebenen Amplitudenverhältnis sen verschiedenen
Verhältnissen einwandfreie Ergebnis -se, da, wie bereits erwähnt, die harmonischen
Oberschwingungen zur Gesamtleistung der erzeugten Impuls folge nur untergeordnet
beitragen, welche im wesentlichen ihre Energie aus der Grundschwingung ableitet.
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Der unsymmetrische Aufbau des Mehrfachschwingkreises 111 gemäß Fig.
2 bietet einen Vorteil dadurch, daß durch die räumlich verschiedenen Ankopplungen
der den einzelnen Teilschwingkreisen zugeordneten Kapazitäten an die Induktivität
125 die relative Phasenlage der Teilschwingungen leichter
einzustellen
und damit der Mehrfachschwingkreis leichter abzustimmen ist. Die günstigsten Verhältnisse
stellen sich ein, wenn der relative Phasenwinkel der einzelnen Teilschwingungen
0 ist.
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Bei einem derartigen nach den erläuterten Beispielen aufgebauten Impulsgenerator
ließen sich Impulse mit einer 400 V Spitze-Spitze-Amplitude mit Röhren vom Typ EL
152 erzeugen, wobei die Frequenz der Grundschwingung etwa 45 MHz betrug. Die Impulsdauer
leitet sich, wie nachfolgend noch näher erläutert, aus der halben Periode der obersten
harmonischen Schwingung ab. Es sind jedoch auch mit denselben Röhren Impulse mit
Spitze-Spitze-Amplituden zwischen 600 V bis 800 V und einer Impulsbreite von 2,
5 Nanosekunden möglich. Bei geringeren Leistungen ist es auch möglich, Impulse mit
einer Impuls breite von etwa 0, 5 Nanosekunden zu erzeugen.
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Zur Erläuterung der Impulsgeneratorschaltung wird auf Fig. 3 Bezug
genommen, welche im Teil a) eine Sägezahnschwingung darstellt, die aus einer Grundschwingung
mit der Frequenz f sowie der zweiten harmonischen 0 Oberschwingung mit der Frequenz
2f und der dritten harmonischen Ober-0 schwingung mit der Frequenz 3f aufgebaut
ist. Über der Zeitachse ist mit der relativen Phasenlage 0 die dritte harmonische
Oberschwingung 3f gestrichelt eingezeichnet. Aus der Darstellung geht klar hervor,
daß bereits die Überlagerung der Grundschwingung mit der zweiten und dritten harmonischen
Oberschwingung zu einer Säge zahns chwingung führt, die eine deutlich steiler und
deutlich flacher ansteigende Flanke hat. Im Bereich der steil ansteigenden Flanke
besitzt die Säge zahns chwingung einen Wendepunkt, der vorzugsweise etwa in der
Mitte der steil ansteigenden Flanke liegt. Durch Differentiation dieser Säge zahns
chwingung mit Hilfe der Differentiationskondensatoren 40 gemäß Fig. 1 erhält man
einen Spannungsverlauf, wie er sich aus dem Diagramm b) ergibt, das erkennen läßt,
daß durch die Differentiation der steiler ansteigenden Flanke mit dem Wendepunkt
ein Impuls entsteht, dessen Impulsdauer von der halben Periode der verwendeten obersten
harmonischen Oberschwingung 3f abhängt.
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Beim Aufbau der Sägezahnschwingung aus einer Grundschwingung und weiteren
harmonischen Oberschwingungen läßt sich die Steilheit der steilen Flanke weiter
vergrößern und damit die Impulsdauer weiter verkleinern, wobei sich die Impulsdauer,
wie erwähnt, durch die halbe Periode der obersten harmonischen Oberschwingung ergibt.
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Wenn ein gegenüber der Darstellungsweise gemäß Fig. 1 veränderter
Aufbau des Mehrfachschwingkreises Verwendung findet, indem entweder der Teilschwingkreis
mit der vierten harmonischen Oberschwingung weggelassen wird oder weitere Teilschwingkreise
mit höheren harmonischen Oberschwingungen hinzugefügt werden, so ist die Sperrfilterkette
14 entsprechend anzupassen und in der Serienschaltung der Sperrfilter ein auf die
fehlende harmonische Oberschwingung abgestimmter Sperrfilter wegzulassen bzw. bei
der Hinzufügung weiterer Teilschwingkreise Sperrfilter hinzuzufügen, die auf die
Frequenz der entsprechenden harmonischen Oberschwingungen abgestimmt sind.
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Vorausstehend wurde ein Impuls generator beschrieben, der in unterschiedlicher
Bauweise für die Erzeugung von Impulsen sehr kurzer Dauer bei relativ hoher Folgefrequenz
geeignet ist, wobei die oberste Grenzfrequenz der aktiven Elemente in der Oszillatorschaltung
wesentlich niedriger als die der Flankensteilheit der Impulse entsprechenden Frequenzanteile
sein kann.
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Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Mehrfachschwingkreise ist
es möglich, für eine gegebene Impulsfolgefrequenz das Tastverhältnis zu verändern
und Impulse mit sehr kleiner Impulsbreite zu schaffen. Der Impulsgenerator gemäß
der Erfindung ist sehr stabil bezüglich der Impulsfolge frequenz sowie des eingestellten
Tastverhältnisses und liefert bei einer ausreichend hohen Leistung der Grundschwingung
auch leistungsstarke Impulse.