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Verfahren zur Beseitigung unerwünschter Kurvenverzerrungen (Oberwellen)-oder
zur Erzielung gewünschter Kurvenverzerrungen in der Hochfrequenztechnik. In der
Hochfrequenztechnik kommt es sehr häufig vor, daß zwei Größen voneinander abhängen
und die Art dieser Abhängigkeit sich nicht durch eine lineare Beziehung ausdrücken
läßt. Damit ist bekanntlich die Tatsache verknüpft, daß Änderungen der einen Größe
Änderungen der anderen Größe auslösen, die quantitativ und qualitativ völlig verschieden
sind. Bei einer linearen Beziehung ist zwar in den meisten Fällen auch keine quantitative
Übereinstimmung vorhanden, aber die Kurvenbilder, welche den beiden Änderungen entsprechen,
sind ähnlich, sie können, mathematisch gesprochen, durch einfache lineare Transformation
ineinander übergeführt werden. Wir wollen dies an einigen praktisch vorkommenden
Fällen erläutern.
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Bei der Kathodenröhre mit Steuergitter wird die Abhängigkeit des Anodenstroms
I" von der Gitterspannung Eg durch die gekrümmte Kurve der Abb. ia dargestellt,
die man als Gittercharakteristik bezeichnet. Mathematisch wird diese Beziehung durch
die Gleichung: Ia - A (B -i- E,) 1,5 i) ausgedrückt, die sich aus der Theorie
ergibt und worin A und B Konstanten sind. Da diese Gleichung für Rechnungen
sehr unbequem ist, schreibt man sie meist in Form einer Potenzreihe: Ia
- c. + c,. Eg -f- c, Eg` -E- C3 Egg . . . 2) Man erkennt aus dieser Beziehung
sofort, daß die Änderungen I", die durch Änderungen von Eg erzwungen werden, von
ganz anderer Art sein müssen. Ändert sich z. B. Eg nach einer Sinusfunktion
(Kurve ib in Abb. i), so ergibt sich für @Id die stark gezeichnete Kurve i, der
Abb. r, die von der Sinusform (punktierte Kurve in i) erheblich abweicht und, wie
die Gleichung .2 zeigt, neben der Grundfrequenz auch höhere Harmonische aufweist.
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Ähnliche Verhältnisse treten auf bei Hochfrequenzmaschinen, wo außer
der Grundfrequenz ebenfalls Oberwellen vorhanden sind, bei Frequenztransformatoren,
wo neben der gewünschten höheren Frequenz zahlreiche unerwünschte Oberwellen erzeugt
werden, bei der Übertragung von Sprachfrequenzbändern durch Leitungen, die eine
bestimmte Frequenz bevorzugt übertragen und daher die seitlichen Frequenzen schwächen
und unerwünschte Sprachverzerrungen hervorrufen, bei der Ausstrahlung von Hochfrequenzbändern
(im Rhythmus der Sprache modulierte
Hochfrequenz) durch scharf
ab" -.stimmte Antennen, die ebenfalls seitliche Frequenzen schwächen, bei
Lichtbogengeneratoren usw.
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In vielen Fällen handelt es sich nicht um die Beseitigung solcher
Verzerrungen, sondern um die Erzielung ganz bestimmter Verzerrungen (z. B. bei Frequenztransformatoren).
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Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren an, wie unerwünschte
Verzerrungen beseitigt oder gewünschte Verzerrungen hergestellt werden können. Bisher
hat man in der Regel versucht, die bereits entstandenen Oberwellen durch besondere
zusätzliche Anordnungen (Resonanzkreise, Wellenfilter usw.) zu vernichten. Die vorliegende
Erfindung beschreitet einen grundsätzlich anderen und neuen Weg, indem sie überhaupt
das Auftreten unerwünschter Verzerrungen verhindert, so daß die Zuschaltung besonderer
Kreise überflüssig wird.
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Dieses neue Verfahren beruht auf folgenden Überlegungen. Gegeben ist
stets ein System, welches eine primäre Kurve in eine sekundäre überführt. Die Beziehung
zwischen der primären und sekundären Größe ist eine Eigenart dieses Systems, wir
wollen daher diese Beziehung im folgenden stets als Charakteristik bezeichnen. Unsere
Aufgabe ist, mit diesem System eine bestimmte sekundäre Kurve zu erzielen, wir müssen
also diese sekundäre Kurve ebenfalls als vorgegeben betrachten. Dann leuchtet ohne
weiteres ein, daß die primäre Kurve nicht als gegeben zu betrachten ist, sondern
diese muß von ganz bestimmter Form sein und ist durch die vorgegebene Charakteristik
und vorgegebene sekundäre Kurve bestimmt. Wir wollen diese Primärkurve des gegebenen
Systems als Zwischenkurve bezeichnen. Vorgegeben ist aber nun weiter noch die primäre
Kurve. Der zweite Teil unserer Aufgabe ist nun, aus der gegebenen Primärkurve die
Zwischenkurve herzustellen. Dies soll in einem besonderen Hilfssystem erfolgen,
dessen Charakteristik derart beschaffen ist, daß aus der Primärkurve die erforderliche
Zwischenkurve erhalten wird. Das Verfahren, welches erfindungsgemäß zur Anwendung
kommt, ist also folgendes: Die gegebene Primärkurve wird zunächst in einem Hilfssystem
mit bestimmter Charakteristik in eine verzerrte Zwischenkurve überführt. Die Zwischenkurve
wird danach der Primärseite des Hauptsystems zugeführt und dort in die gewünschte
Sekundärkurve überführt. Dabei ist die Charakteristik des Hilfssystems durch Primär-
und Zwischenkurve bestimmt, während sich die Zwischenkurve aus der Charakteristik
des Hauptsystems und der gewünschten Sekundärkurve ergibt. Es könnte fraglich erscheinen,
ob es möglich ist, ein Hilfssystem zu finden, welches die bestimmte notwendige Charakteristik
besitzt. Die folgenden praktischen Ausführungsformen werden zeigen, daß dies tatsächlich
möglich ist. Es ist dabei außerdem zu beachten, daß es keineswegs notwendig ist,
die Zwischenkurve durch ein Hilfssystem herzustellen, das gleiche Resultat kann
auch erhalten werden, wenn die Zwischenkurve aus mehreren Einzelkurven additiv oder
subtraktiv zusammengesetzt =wird, wobei jede 13inzelkurve in einem besonderen Hilfssystem
aus der Primärkurve hergestellt wird. Jedes Hilfssystem kann dann eine andere Charakteristik
besitzen, und es leuchtet ein, daß eine solche Lösung mit beliebig vielen Freiheitsgraden
fast stets möglich sein wird. Wir können noch weiter gehen, indem einem Teil der
Hilfssysteme nicht die vorgegebene Primärkurve, sondern die Sekundärkurven einzelner
Hilfssysteme zugeführt werden, oder indem mehrere Hilfssysteme hintereinander arbeiten.
Schließlich kann es sogar möglich sein, die Sekundärkurve des Hauptsystems der Primärseite
der Hilfssysteme oder einem Teil derselben zuzuführen, eine Maßnahme, die besondere
Bedeutung gewinnt, wenn gegebene Primärkurve und gewünschte Sekundärkurve von gleicher
Form sind, so daß auch in bestimmten Fällen (Röhrengenerator mit Rückkopplung) eine
Primärkurve nicht gegeben zu sein braucht.
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Im folgenden sollen einige praktische Ausführungsbeispiele angegeben
werden, die das bisher Gesagte zugleich noch näher erläutern werden. Wir wollen
uns dabei auf die Kathodenröhre beschränken und nur bemerken, daß eine Übertragung
auf andere Systeme danach leicht möglich ist und dem Fachmann im allgemeinen keine
besonderen Schwierigkeiten bieten wird.
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Die stark gezeichnete Kurve in Abb. 2c sei die gewünschte Sekundärkurve,
die stark gezeichnete Kurve in 2a die gegebene Röhrencharakteristik. Durch eine
einfache geotnetrische Konstruktion ergibt sich als Zwischenkurve die punktierte
Kurve in -yb. Für das Hilfssystem ist diese Zwischenkurve nun als Sekundärkurve
zu betrachten und daher in 2c nochmals punktiert eingezeichnet. Die stark gezeichnete
Kurve in 2b ist die gegebene Primärkurve. Daraus ergibt sich wieder durch einfache
geometrische Konstruktion als Charakteristik des Hilfssystems die punktierte Kurve
in 2a. Beide Charakteristiken sind nicht unabhängig voneinander. 1?ine einfache
Überlegung zeigt, daß die eine das Spiegelbild der anderen ist. Die Spiegelgerade
S (Abb. 2a) besitzt dabei eine N eigung gegen die Koordinatenachsen, die von
dem
Amplitudenverhältnis der Primär- zur Sekundärkurve abhängt, das bei der praktischen
Ausführung veränderlich ist. Die Charakteristik des Hilfssystems kann auch noch
beliebig deformiert werden, wenn die Zwischenkurve nicht unmittelbar vom Hilfssystem
auf das Hauptsystem übertragen wird, sondern durch Transformation in der Amplitude
verändert wird. So geht z. B. das Spierelbild der Kurve I in Abb. 3, die Kurve II
in den deformierten Teil bc über, wenn cc' die Amplitude der Primärkurve, a 'b die
Amplitude der Sekundärkurve ist und die Zwischenkurve im Verhältnis ad
: bc' vom Hilfszum Hauptsystem übertragen wird. Betrachten wir die ganze
Kurve abc der Abb. 3, so stellt diese etwa eine in der Praxis vorkommende Charakteristik
dar. Das Hilfssystem müßte dann auf dem oberen Teil bc nahe der Sättigungsgrenze,
also mit hoher positiver Gittervorspannung. das Hauptsystem im normalen Teil
ab arbeiten. Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß beide Charakteristiken
Teile ein und derselben Charakteristik sind, dies wird vielmehr meist. nicht der
Fall sein, da die Hilfsröhre andere Leistung besitzt.
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Zu einer zweiten Lösung gelangen wir, wenn wir beachten, daß es bei
der übertragung zwischen Hilfs- und Hauptsystem möglich ist, die Stromrichtung umzukehren.
Dies bedeutet auch eine Umkehr der Zwischenkurve. Vergleicht man aber die verzerrte
Kurve in Abb. tc mit der Zwischenkurve in Abb. 2c, so erkennt man sofort, daß abgesehen
von einer Phasenverschiebung eine Kurve die Umkehr der anderen ist. Die Phasenverschiebung
verschwindet, wenn auch die Primärkurve umgekehrt wird. Wichtig ist, claß eine Charakteristik
nicht mehr das Spiegelbild der anderen ist, sondern beide Charakteristiken können
gleich oder nahezu gleich sein. Eine Rechnung zeigt zwar, daß eine restlose Verzerrung
bei gleichen Cliarakteristiken nicht erreichbar ist, jedoch sind die Abweichungen
sehr gering und können leicht weiter verkleinert werden, wenn bei einer Röhre mit
wenig höherer Vorspannung als bei der anderen gearbeitet wird. Wichtig ist, daß
die Vorspannung im Hilfssystem so gewählt wird, daß nach Überlagerung der umgekehrten
Sekundärkurve des Hilfssystems der richtige Arbeitszustand hergestellt ist. Die
Umkehr der Zwischenkurve und die Wahl einer ganz bestimmten Gitterspannung sind
demnach die wesentlichen Bedingungen zur Beseitigung unerwünschter Kurvenformen.
Der normale fremdgesteuerte Röhrensender weist diese Merkmale nicht auf, so daß
die vom Hilfssender hervorgerufene Verzerrung im Hauptsender noch vergrößert wird.
Die einfachste Schaltung zeigt Abb. q.. I ist -die Hilfsröhre, II die Hauptröhre.
Die primäre Kurve wird durch den Übertrager T1 dem Gitter der Hilfsröhre zugeführt.
Die im Anodenkreis der Röhre I entstehende Zwischenkurve wird durch den Übertrager
T, dem Gitter der Röhre II zugeführt, in dessen Ausgangsstromkreis die gewünschte
Kurvenform erzielt wird. Die Kopplungen von T1 und 7'. sind, je nachdem die Röhre
I mit ähnlicher Charakteristik wie die Röhre I oder mit Spiegelcharakteristik gewählt
wird, im richtigen Sinne einzustellen, wie dies vorher ausgeführt wurde. Ebenso
sind die Kopplungsgrade von T1 und T2 sowie die Gittervorspannungen richtig zu wählen.
Diese Schaltung wird vor allem bei der Verstärkung von Schwingungen in Frage kommen,
wo Verzerrungen vermieden werden sollen (z. B. Sprachschwingungen).
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Abb. 5 zeigt einen rückgekoppelten Röhrensender zur Erzeugung einer
bestimmten Kurvenform. Die Primärkurve wird hier durch die Kopplungsspule L,. dem
Sekundärkreis entnommen. Die Schaltung kann natürlich in beliebiger Weise abgeändert
werden. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß die Gitterkreise beider Röhren
mit dem Sekundärkreis rückgekoppelt sind und das Gitter der Röhre II außerdem mit
dem Anodenkreis der Röhre I. Die ganze Anordnung würde dann so wirken, wenn es sich
um die Beseitigung der Verzerrung handelt, daß durch die Kopplung mit dem Hilfssystem
die Verzerrung beseitigt wird.
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Abb.6 zeigt eine Anordnung, bei der das Hilfssystem in mehrere Teilsysteme
zerlegt ist und das Hauptsystem auch unmittelbar mit dem Sekundärkreis gekoppelt
ist, wie dies soeben bei der Abb. 5 erwähnt wurde. Der Kreis K ist durch die Spule
L,. mit dein Sekundärkreis gekoppelt. Das Gitter der Röhre II ist sowohl mit dem
Sekundärkreis durch die Spule Lg als auch mit dem Anodenkreis des Hilfssystems durch
die Spule L, gekoppelt. Das Hilfssystem zerfällt in die drei Röhren IQ, Ib und I,
von denen die ersten beiden zusammengehören, indem ihre Gitterkreise entgegenphasig
gesteuert werden, so daß im gemeinsamen Anodenkreise der Röhren IQ und Ib nur Glieder
mit geraden Potenzen auftreten, -d. h. nur gerade harmonische Oberschwingungen.
Diesen überlagert wird dann im Anodenkreis noch die verzerrte Kurve der Röhre I"
die durch die Spule L= mit dem Sekundärkreis gekoppelt ist. Man erkennt ohne weiteres,
daß hier eine Fülle von Möglichkeiten gegeben ist, von denen wir einige an Hand
kurzer Rechnungen darlegen ollen.
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Die Gitterspannung, welche dem Gitter der
Röhre II
aufgedrückt wird, läßt sich durch die Gleichung E9 - Co -E- Cl
E + C,- E= -[- C3 E3 3)
darstellen, wenn wir uns auf die Glieder
bis zur dritten Potenz beschränken. Dabei sind Co, Cl, C2 und C3 Konstanten, die
wir durch Wahl der Kopplungen Lg, Ll, L@ und La und der Gittervorspannungen
e", e1 und e_ beliebig verändern können. Dabei ist nicht vorausgesetzt, daß die
Charakteristik von bestimmter Form sein soll, E sei die dem Sekundärkreis entzogene
periodisch veränderliche Spannung. Die Charakteristik der Röhre Il sei durch die
Gleichung a gegeben. Setzen wir in diese den Wert von E, nach Gleichung 3 ein, so
erhalten wir: IQ - A" + AI E -f - A3 EZ -J- A3 E3 4) wo
A,= F (Ca, Ci, C:,' C3, Co)
Al - F (Co, Ci, C_"
C, Co, Ci) A., - F (co, Cl, C;, C, Co, Ci, C.) A3 - F
(C,), Cif C., Cs, Co, Cl, C., Ca) Ist.
Da wir über die
vier Konstanten C beliebig verfügen können, so ist es uns demnach auch möglich,
die vier Konstanten A beliebig zu ändern. Treffen wir die Wahl so, daß :4l einen
günstig großen Wert annimmt, während A", A2, A3 =: o sind, so erhalten wir
eine reine Sinusschwingung. In der gleichen Weise können wir jede beliebige Oberwelle
und auch zusammengesetzte Kurven erhalten. Das Beispiel läßt sich ohne weiteres
unter Annahme einer größeren Anzahl Freiheitsgrade auf höhere Glieder als vom dritten
Grade ausdehnen.
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Bisher war als Hilfssystem ebenfalls eine Kathodenröhre angenommen,
es sind aber auch andere Hilfssysteme möglich, die die genebene Primärkurve in die
erforderliche Zwischenkurve verzerren. Solche Mittel sind z. B. Resonanzkreise,
Sperrkreise, Wellenfilter, Kettenleiter, t'bertrager, einfache oder mehrere zusammengeschaltete
Drosseln mit @'ormagnetisierung oder Eisenkernen von verschiedener Permeabilität.
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Es wurde bereits eingangs erwähnt, daß das angegebene Verfahren auch
auf andere Systeme als Röhrensender anwendbar ist. Iin folgenden sollen einige Beispiele
dafür angeführt werden. Es ist klar, daß eine Hochfrequenzmaschine eine Schwingung
von anderer Kurvenform oder sogar von anderer Frequenz liefert, wenn die Erregung
;furch Hochfrequenz erfolgt. Es dürfte daher auch einleuchten, daß es möglich sein
muß, Oberwellen oder Kurvenverzerrungen einer Hochfrequenzniaschine dadurch zu beseitigen,
daß der Gleichstromerregung eine Hochfrequenzerregung von bestimmter Kurvenform
überlagert wird. Es ist auch klar, daß Hilfserregung und erzeugte Hochfrequenzwelle
in einem bestimmten Zusammenhang stehen, d. h. die eine aus der anderen durch geeignete
Verzerrung herstellbar ist. Betrachten wir als einfaches Beispiel die Anordnung
in Abb.7, wobei angenommen ist, daß eine Oberwelle von doppelter Grundfrequenz dadurch
beseitigt «-erden kann, daß der Gleichstromerregung eine Hochfrequenzerregung von
doppelter Grundfrequenz in bestimmter Stärke und Phase überlagert wird. Diese Hilfserregung
wird gewonnen, indem dem Sekundärkreis der Hochfrequenzinaschine ein kleiner Teil
seiner Energie entzogen und nach Umformung auf die doppelte Frequenz dem Erregerkreis
zugeführt wird. An Stelle der Frequenzverdoppelung kann auch jede notwendige andere
Verzerrung vorgenommen werden.
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Genau das gleiche gilt in entsprechender Weise für Frequenztransformatoren,
wobei zu beachten ist, daß der Hilfsstrom außer dem ganzen Sekundärkreis auch jeder
Transformatorhälfte auf der Primär- oder Sekundärseite entzogen werden kann. In
jeder Hälfte sind die Kurven bekanntlich erheblich verzerrt, so daß auf der einen
Seite die Summe die doppelte Frequenz, auf der anderen Seite die Differenz die Grundfrequenz
ergibt. Unter Umständen kann es demnach günstig sein, den Hilfsstrom bereits in
verzerrter Form einer Hälfte zu entnehmen, wie dies in Abb. 8 dargestellt ist. Durch
Sperr- oder Resonanzkreise können, wie dies in Abb. 8 ebenfalls angedeutet ist,
bestimmte Frequenzen noch hervorgehoben, andere unterdrückt werden.
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Besonders vorteilhaft kann die Erfindung angewendet werden, wenn es
sich darum handelt, Verzerrungen bei Übertragung von Frequenzbändern zu beseitigen.
Dies tritt leicht ein, wenn Sprachwellen, die bekanntlich solche Frequenzbänder
darstellen, auf abgestimmten Leitungen oder in der Hochfrequenztechnik übertragen
werden sollen, denn da z. B. die Antenne mehr oder weniger scharf auf eine Frequenz
abgestimmt ist, muß die Ausstrahlung der benachbarten Frequenzen geringer werden.
Hier kann nun dieser Nachteil behoben werden, wenn das zti übertragende Frequenzband
zunächst durch parallel zur Cbertragerleitung geschaltete Res()iianzkreise oder
Sperrkreise in Serienschaltung verzerrt wird. Abb. 9 zeigt eine Anordnung, wo das
Frequenzband zunächst auf zwei Parallelwegen übertragen wird, die als Ketteuleiter
ausgebildet sind, von denen einer auf eine etwas höhere, der andere auf etwas kleinere
Frequenz berechnet ist. Es werden demnach die seitlichen Frequenzen etwas
besser
als die mittlere Frequenz übertragen, mit anderen Worten, die bei der späteren Ausstrahlung
auftretende Verzerrung wird durch eine vorherige Verzerrung im entgegengesetzten
Sinne kompensiert.
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Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Lichtbogengeneratoren kann
erzielt werden, wenn der Speisestrom verzerrt wird, was sich leicht dadurch erreichen
läßt, daß man dem Speisegleichstrom einen Teil der Hochfrequenzschwingung nach geeigneter
Verzerrung und in der richtigen Kopplung überlagert, wobei die zusätzliche Hochfrequenzenergie
natürlich auch dem Sekundärkreis entzogen wird.