DE450237C - Verfahren zum Empfang hochfrequenter Schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfang hochfrequenter Zeichenströme, z. B. solcher, die für drahtlose Verständigung benutzt werden. Die Er-An dung ist aber nicht auf letzteres Gebiet beschränkt, sondern auch für drahtliche Verständigung brauchbar.

Mit einem Stromkreise, derri die Zeichenströme aufgeprägt werden, ist eine Wider-Standsvorrichtung, vorzugsweise eine Elektronenentladevorrichtung mit einer Elektronen aussendenden Kathode und einer Anode verbunden. Der Wert des Widerstandes wird periodisch zwischen Höchst- und Mindestwerten verändert, und die Frequenz der Veränderung ist verschieden von der des Zeichenstromes, und vorzugsweise etwas verschieden von seiner halben Frequenz. Der Wert des Widerstandes wird durch die Wirkung eines

magnetischen Feldes verändert. Eine Anzeigevorrichtung ist mit dem Stromkreis verbunden.

Alle bisherigen Detektoren, gleichviel ob von der Kristall- oder Vakuumröhrentype, haben eine in gewissem Sinne gleichartige Wirkung. Sie können alle als Relais angesehen werden, die durch die von der Empfangsantenne angelegte Spannung betätigt werden, und die von den Relais erzeugten Resultate können in Verhältniszahlen des ausgehenden Stromes gemessen werden. Die Charakteristik der bisherigen Detektoren kann daher als eine Kurve dargestellt werden, welche die Beziehung zwischen eingehender Spannung und ausgehendem Strome zeigt. Diese Kurve folgt in allen Fällen wesentlich der Gleichung i = e². Mit anderen Worten, der ausgehende Strom solcher Detektoren folgt nicht dem Ohmschen Gesetz, sondern ist, statt der an den Detektor angelegten

Zeichenspannung proportional zu sein, dem, Quadrat der Spannung proportional. Dieser Umstand ist besonders nachteilig beim Empfang schwacher Radiozeichen und Vorhandensein von Störungen, die stärker sind! als die Zeichen. Sind z. B. die Störungen viermal so stark als die Zeichenwellen, so spricht der Detektor bisheriger Art sechzehnmal so stark auf die Störungen wie auf die Zeichen an.. ίο Bei dem Detektor nach der Erfindung dagegen ist dieser Nachteil behoben, da der ausgehende Strom wesentlich proportional der angelegten Spannung statt dem Quadrat dieser Spannung ist.

Der Strom durch diese Widerstandsvorrichtung folgt wesentlich dem Ohmschen Gesetz und ist daher direkt proportional der aufgeprägten Spannung. Die erforderliche Asymmetrie der Vorrichtung zur Gewährleistung der nötigen Gleichrichi^virfcung wird durch periodische Änderung des Wertes dieses Widerstandes mittels einer Änderungskraft erzielt, die nach dem Belieben des Beamten an der Aufnahmestation steuerbar ist. Der Wert des Widerstandes wird so gesteuert oder verändert, daß er während erwünschter Perioden relativ klein und während anderer Perioden sehr groß wird. Dies ermöglicht das Fließen eines beträchtlichen Stromes im Empfangskreise während erwünschter Teile der aufgeprägten Zeichenwelle und bewirkt die praktische Unterdrückung des Stromes im Empfangskreise während anderer Teile der Zeichenwelle.

Der Detektor gemäß der Erfindung kann in verschiedener Weise arbeiten. Werden die Mittel zuT Widerstandsveränderung so vorgesehen, daß der Widerstandswert zwischen Maximum und Minimum mit 'eimer Frequenz schwankt, die der Sendefrequenz entspricht,, und daß die Verhältniss'e zwischen dem Sendestrom und der verändernden Kraft so festgelegt sind, daß die Perioden maximaler Leitfähigkeit mit den Perioden der Spannungsimpulse einer bestimmten Richtung übereinstimmen, so werden alle Stromimpulse¹ einer und derselben Richtung durch die Apparatur fließen können, während alle Stromimpulse der entgegengesetzten Richtung unterdrückt werden. Auf diese Weise kann eine praktisch vollkommene Gleichrichtung erzeugt werden. Der entstehende Strom wird ein pulsierender Gleichstrom. Bei telegraphischen Signalen werden die Schwankungen dieses Stromes Hochfrequenz besitzen, und im Empfangstelephon wird kein hörbarer Ton erzeugt werden; aber ein solcher Strom kann in einem photographischen Apparat oder einer anderen anzeigenden Vorrichtung, die mit einem konstanten. Gleichstrom arbeitet, Zeichen hervorbringen.

Wegen der Schwierigkeit, die verändernde Kraft streng synchron mit der Sendewelle zu halten, und wegen der Tatsache, daß der so erzeugte Strom keinen hörbaren Ton im Telephon ergibt, ist es gewöhnlich wünschenswert, die verändernde Kraft so wirken zu lassen, daß der Widerstand zwischen Maximum und Minimum mit einer Frequenz schwankt, die sich nmr wenig von der der Sendewelle unterscheidet. Der Strom im Detektorkreis wird dann tatsächlich ein pulsierender oder wechselnder Strom von einer Frequenz, die der Differenz der Frequenzen des Sendestromes und der Widerstandsveränderung entspricht. Wenn dieser Frequenzunterschied in der Größenordnung der hörbaren Schwingungen liegt, so wird der resultierende Strom im gewöhnlichen Telephonempfänger einen Ton hervorrufen können.

Die Widerstandsanordnung nach der Erfindung kann verschiedene Formen, annehmen. In der vorgezogenen Form besteht sie aus einem evakuierten Gefäß mit einer Elektronen aussendenden Kathode und einer Anode, wobei der die Anordnung durchfließende Strom getragen wird von. einem Strom negativer Elektronen, die durch das Vakuum von der Kathode zur Anode fließen. Dieser Strom negativer Elektronen wird nach einer beim Magnetron bekannten Art von einem magnetischen ¹FeM beeinflußt, das von einer das Vakuumgefäß umschließenden Spule erzeugt wird. Wenn dieses Feld stark genug ist, so können wesentlich' alle von der Kathode emittierten Elektronen verhindert werden, die Anode zu erreichen, und der Widerstand der Anordnung wird außerordentlich groß; wenn kein magnetisches Feld oder nur ein schwaches magnetisches Feld vorhanden ist, wird der Widerstand der Anordnung klein gegenüber demjenigen bei starkem Feld, und dann können erhebliche Ströme fließen.

Das magnetische Feld, das den Elektronenstrom und den Widerstand der Anordnung beeinflußt, kann durch einen Wechselstrom passender Stärke erzeugt werden. Wenn dieser Strom durch ο geht, so wird der Widerstand der Anordnung ein Minimum; wenn er seinen maximalen positiven oder negativen Wert erreicht, wird er ein Maximum. Es wird daher zwei Punkte minimalen und zwei Punkte maximalen Wideirstandswerts bei jedem vollständigen Zyklus des Wechselstroms geben. Um eine vollständige Gleichrichtung des Signalstroms zu erzielen, muß daher der das magnetische¹ Feld erzeugende Wechselstrom eine halb so große Frequenz wie der Signalstrom besitzen. Wenn man einen hörbar pulsierenden Gleichstrom oder Wechselstrom im Detektorkreise hervorzurufen wünscht, muß der das magnetische Feld er··

zeugende Strom in seiner Frequenz von der halben Schwingungszahl des Signalstroms um einen Betrag abweichen, der halb so groß ist wie die Frequenz des gewünschten hörbaren Stromes.

Die Erfindung selbst wird man hinsichtlich ihres Aufbaues und der Wirkungsweise zusammen mit weiteren Zwecken und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die

ίο folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen versehen, in welchen Abb. ι schematisch eine Schaltung darstellt, die bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden kann. Abb. 2 zeigt die Beziehung zwischen den charakteristischen Kurven anderer Detektorformen und der der verbesserten Anordnung. Abb. 3 bis 7 sind Diagramme, die die Wirkung der Erfindung erläutern. Abb. 8 und 9 sind veränderte Schaltungsschemata, welche Anwendung finden können.

In Abb. ι habe ich als eine Ausführungsform meines Detektors eine Vakuumröhre 1 angegeben, die zwei fadenförmige Elektroden 2 und 3 enthält, welche durch zwei Bat- , terien 4 und 5 erhitzt werden. Ein magnetisches Feld, dessen Richtung parallel zu der der Elektroden 2 und 3 liegt, um den Stromfluß zu beiden Elektroden zu beeinflussen, kann mittels der Spule 6 erzeugt werden, welche die Röhre umgibt. Der magnetisierende Strom für diese Spule kann einer lokalen Stromquelle 7 entnommen werden; die zu empfangenden Hochfrequenzwellen können von der Antenne 8 auf den üblichen abgestimmten Empfangskreis übertragen werden, welcher die Kopplungsspule 9 und den Kondensator ι ο enthält und mit den Elektroden 2 und 3 des Detektors verbunden ist. Ferner enthält der Empfangskreis ein Anzeigeinstrumentii, das, wenn man einen Strom von hörbarer Schwingungszahl erzeugt, der gewöhnliche Telephonempfänger sein kann, zu welchem ein Kondensator 12 parallel geschaltet ist. Will man konstanten Gleichstrom oder einen Strom erzeugen, der kein Telephon beeinflussen kann, so darf an seine Stelle ein photographisches Instrument oder ein anderes Instrument treten, das durch solchen Strom erregt wird.

Wenn in der Spule 6 kein magnetisches Feld erzeugt wird, so darf man den Detektor als konstanten Widerstand im Empfangskreis ansehen, durch welchen der Strom in beiden Richtungen fließen kann, da ja beide Elektroden erhitzt sind. Die Elektronen werden dann in geraden Bahnen zwischen den Elektroden sich zu bewegen suchen, und der Widerstand wird ein Minimum sein. Wird aber in der Spule 6 ein magnetisches Feld erregt, so werden die Elektronen gezwungen werden, sich in spiraligen Linien um die Elektroden zu bewegen, wobei der Abstand zwischen den Spiralwindungen abnehmen wird, wenn die magnetische Feldstärke wächst. Bei Verstärkung des Feldes nimmt die Zähl der Elektronen ab, die zwischen beiden Elektroden übergeht. Der Widerstand der Anordnung wächst. Bei hinreichender Stärke des Feldes, wenn keine Elektronen mehr zwischen den Fäden übergehen, wird der Widerstand der Anordnung ein Maximum erreichen, und dieser Maximalwert wird ein Vielfaches von dem Minimal wert ausmachen. In Abb. 3 ist die Veränderung der Leitfähigkeit der An-Ordnung in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke dargestellt, wobei die Leitfähigkeit als Ordinate, die Feldstärke als Abszisse aufgetragen ist. Herrscht kein magnetisches Feld, so ist die Leitfähigkeit durch Punkt A dargestellt. Wächst das magnetische Feld in einer Richtung, so· nimmt die Leitfähigkeit ab, wie in Teil Z? der Kurve gezeigt ist, bis ein Punkt C erreicht ist, an dem die Leitfähigkeit ein Minimum besitzt. Ein weiteres Anwachsen der magnetischen Feldstärke über diesen Punkt hinaus wird praktisch keine Änderung der Leitfähigkeit mehr hervorrufen. Soweit es. auf die Leitfähigkeit ankommt, ist also die Richtung des magnetischen Feldes unwesentlich. Die Kurve der Abb. 3 zeigt die Veränderung der Leitfähigkeit der Anordnung bei Veränderung des magnetischen Feldes von einem Maximum in einer Richtung, z. B. dem negativen, über ο zu einem Maximum in entgegengesetzter Richtung.

Die Kurve der Abb. 4 zeigt die Änderung der Kraft, welche den Widerstand des Detektors ■ beeinflußt. Im dargestellten Fall wird sie erzeugt durch einen Wechselstrom, der die halbe Frequenz der Sendewelle besitzt, und die Kurve der Abb. 4 kann als Kurve der magnetischen Feld'änderung gelten.

Die Kurve Z)^ der Abb. 5 zeigt die Veränderung der Leitfähigkeit des Detektors, die durch die in Abb. 4 dargestellte beeinflussende Kraft bewirkt wird. An denjenigen Stellen, wo diese beeinflussende Kraft ο ist, hat die Leitfähigkeit ein Maximum, an den Punkten, wo sie einen kritischen Wert überschreitet, hat sie ein Minimum. So gibt es also für jede Periode der lokalen Stromquelle zwei Punkte maximaler und zwei Punkte minimaler Leitfähigkeit. Wenn die Kurve E in Abb. 5 die Sendespannung darstellt, die dem Detektor aufgedrückt wird, so wird der Detektor¹-strom durch Kurve/⁷ in Abb. 6 wiedergegeben. Die Perioden positiver Sendeimpulse entsprechen den Perioden maximaler Leitfähigkeit, die Perioden negativer Sendeimpulise solchen kleinster Leitfähigkeit. Daher wird der Detektorstrom wesentlich nur in einer Rieh-

tong fließen und praktisch ein pulsierender Gleichstrom hoher Frequenz werden. Diese Schwankungen werden durch, den Kondensator 12 abgeflacht, und die Wirkung des •5 Stromes auf das anzeigende Instrument wird wesentlich dieselbe sein wie die eines konstanten Gleichstromes. Natürlich wird dieser Strom keinen hörbaren Ton im Empfangstelephon hervorrufen, aber er kann auf einen photographischen Indikator oder irgendeine andere Anzeigevorrichtung wirken, die für konstanten Gleichstrom empfindlich ist.

Offenbar ist es schwer, die Frequenz einer lokalen Stromquelle genau konstant gleich der halben Frequenz der Empfangssendeströme zu halten und die Phasenbeziehung zwischen dem lokalen Strom und dem Sendestrom genau innezuhalten, um den oben beschriebenen Effekt zu erreichen. Deshalb und wegen der Vorteile des akustischen Empfangs wird man lieber die lokale Stromquelle mit einer Frequenz arbeiten lassen, die sehr wenig gegenüber der Hälfte der Sendestromschwinguttgszahl abweicht. Die Kurve der Abb. 7 zeigt die Wirkung dieses Verfahrens. In diesem FaE hat "die beeinflussende Kraft (dargestellt in Kurve G) eine Frequenz, die wenig größer ist als die halbe Frequenz der Sendespannung, die in Kurve// dargestellt ist. Der resultierende Strom im Detektor wird durch die Kurve / dargestellt. Dieser Strom hat eine hochfrequente Pulsation wie die der Kurve F in Abb. 6, aber er besitzt Impulse beider Richtungen. Wenn die hochfrequenten PuI-sationen abgeflacht werden, so wird der wirksame Strom besser so verlaufen, wie in Kurve/ dargestellt ist, d.h. der resultierende Strom wird ein niederfrequentier Wechselstrom, der bei richtiger Abgleidhung der Frequenz der lokalen Stromquelle einen hörbaren Ton im Empfangstelephon 11 hervorrufen wird. Die Frequenz dieses Stromes wird doppelt so groß sein wie die Abweichung der Frequenz der Lokalstromquelle von der der Sendewelle.

Die Kurve K der Abb. 2 stellt den charakteristischen Stromverlauf des normalen Detektors dar, wobei die Ordinaten dem Strom, die Abszissen der Spannung entsprechen. In allen bisherigen Detektoren ist diese Kurve eine krumme, nicht 'eine gerade Linie, d. h. der Strom ändert sich nicht direkt proportional, sondern entsprechend einer Potenz der aufgedrückten Spannung. In Vakuumventilen oder Elektronenentladungsdetektoren, die Gleichrichtereigenschaften haben, wird der Strom nicht o, wenn die Spannung ο -wird, sondern wegen der Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen fließt auch noch Strom, wenn keine Spannung auf die Elektronen wirkt. Es wird daher ein negatives Potential auf die Anode wirken müssen, um den Stromfluß ganz zu unterbrechen, und dieses negative Potential muß im Vergleich zu dem beim Empfang schwacher Signale angewendeten Signalpotential groß sein. Solche Anordnungen sind daher sehr unwirksame Gleichrichter, da der Gleichrichtungsefrekt vollständig darauf beruht, daß ein positives Anodenpotential einen größeren Strom hervorruft als ein negatives Potential. Weil ferner der Strom nicht direkt der Spannung proportional ist, wie oben auseinandergesetzt wurde, wird das Verhältnis zwischen den Störunge- und Signalströmen durch den Detektor vergrößert.

Wenn der Strom K. der Abb. 2 den negativen Elektronjenstrom darstellt, der von der Elektrode 2 nach 3 fließen will, so wird die Kurve/, den Strom negativer Elektronen darstellen, der von Elektrode 3 nach Elektrode 2 fließen wird. Die Kombination dieser beiden Kurven und also der resultierende Strom der Anode kann daher durch die gerade Linie M wiedergegeben werden. Man sieht so, daß die Wirkung der Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen ausgeschaltet und der Strom ο wird, wenn die aufgedrückte Spannung ο wird·. Auch ist der Strom der aufgedrückten Spannung direkt proportional, und der Nachteil der früheren Detektoren hinsichtlich der Störströme ist überwunden. Aus einer Betrachtung der Kurve M geht natürlich hervor, daß die Anordnung an sich keine unsymmetrischen Eigenschaften besitzt und deshalb ohne den Einfluß des magnetischen Feldes keine Gleichrichinmg'swirkung erzeugt wird. Das ist aber unwesentlich', da durch das magnetische Feld der Widerstand der Anordnung so stark verändert werden kann, daß praktisch während jedes beliebigen Ted.-les der Sendewelle der Strom ausgelöscht und so eine wesentlich vollständige Gleichrichtung erzeugt werden kann. Die Wirkung der Anzeigevorrichtung hängt dabei ab von den Stromänderungen, die durch Impulse einer Richtung erzeugt werden, anstatt der Unterschiede der Stromänderung, die durch zwei Impulse entgegengesetzter Richtung hervorgerufen wird, wie es bei den bisherigen Detektoren der FaE ist.

Bei aEgemeinerer Betrachtung kann man den verbesserten Detektor auffassen als einen gewöhnlichen Widerstand, der auch die gewöhnliche Widerstandscharakteristik besitzt, also ProportionaEtät zwischen Strom und aufgedrückter Spannung. Der Gleichrichter- oder Detektoreffekt wird bewirkt nicht durch irgendeine Unsymmetrie, die an der Stromcharakteristik der Anordnung haftet, sondern ledigEch durch Veränderung des WiderstandswerteSj ohne daß dabei seine reine WideTstandscharakteristik beeinträchtigt wird.

Das beschriebene Empfangssystem weicht in verschiedenen wesentlichen Einzelheiten von dem wohlbekannten Schwebungsempfangssystem ab, das man bisher in ausgedehntem Maße zum Empfang von ungedämpften Schwingungen benutzt hat. Die einzige Energie, welche zur Betätigung des Empfängers dient, ist die Energie der empfangenen Impulse, während beim Schwebungsempfang der

to Empfänger durch die kombinierte Energie der empfangenen Impulse und des lokal erzeugten Stromes betätigt wird.. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung kann man auch erreichen mittels der veränderten Detektorform, die im Schema der Abb. 8 angegeben ist. In diesem Falle enthält der Detektor eine lineare, fadenförmige Kathode 13, die von einer zylindrischen Anode 14 umgeben ist. Bei Abwesenheit eines magnetischen Feldes würde der Detektor dann eine Charakteristik ähnlich der Kurve K der Abb. 2 besitzen. Da aber mittels des magnetischen Feldes der Strom praktisch auf ο reduziert werden kann, wenn die Signalspannung auf ο sinkt, so wird sich die wirkliche Charakteristik der Anordnung der geraden Linie M in Abb. 2 nähern und der Strom der Spannung direkt proportional werden. Ist die Röhre so hoch evakuiert, daß keine Gaswirkung mehr übrigbleibt, so wird der Strom natürlich nur in einer Richtung durch den Apparat fließen. Soweit es aber auf die Wirkungsweise des Telephonempfängers ankommt, ist es unwesentlich, ob der resultierende Strom im Detektor ein Wechselstrom ist, wie in Kurve/ der Abb. 7 angegeben, oder ein pulsierender Gleichstrom. In Abb. 9 ist eine Anordnung dargestellt, die genau die gleiche Wirkung hervorruft wie die der Abb. 1. In diesem Falle ist der Detektor der Abb. 1 ersetzt durch die Apparate 15 und 16 entsprechend den in Abb. 8, welche so mit dem Empfangskreis verbunden sind, daß in jeder Richtung Strom durch den Empfangskreis fließen kann. Die lokale Stromquelle 7 liefert den Magnetisierungsstrom für die Felder beider Apparate.

Man hat versucht, ähnliche Ergebnisse wie die beschriebenen mittels eines rotierenden Kommutators zu erreichen, der in der Wissenschaft als »Tonradx bekannt ist. Dieser Anordnung haften aber die Schwierigkeiten aller der Apparate an, welche bewegliche Teile besitzen und deren Wirkungsweise von der Herstellung und Unterbrechung von Kontakten abhängt. Im Unterschied von diesen Vorrichtungen verlangt der Detektor gemäß der Erfindung keinerlei bewegliche Teile und erzeugt den gewünschten Effekt ohne Herstellung oder Unterbrechung irgendwelcher Kontakte im Empfangskreis, ist also einfacher und sicherer in seiner Wirkungsweise. Meine Erfindung ist, unabhängig von der beschriebenen, vorzugsweise verwendeten Form eines veränderlichen Widerstands, aber keineswegs auf diese spezielle Ausgestaltung beschränkt, da offenbar auch andere Former^ variabler Widerstände bei ihrer Verwendung benutzt werden können. Es ist ferner der Empfangskreis in direktem Zusammenhang mit der Empfangsantenne dargestellt. Offenbar ist das für die Erfindung keinesfalls wesentlich, vielmehr kann jede gewünschte Verstärkung vorgenommen werden, bevor die Zeichenwellen auf den Detektor wirken, und ferner kann man, wenn man es wünscht, auch den Detektorstrom verstärken, bevor er den anzeigenden Apparat beeinflußt.

Claims (4)

Patentanspruch ii:

1. Verfahren zum Empfang hochfrequenter Schwingungen, bei welchem die Empfangsschwingungen einem Stromkreis zugeführt werden, der die Kathode und Anode einer Glühkathodenröhre enthält, deren Widerstand an der Empfangsstelle unabhängig von dem in diesem Kreis fließenden Strome erzeugte Änderungen erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen des Widerstandes der Entladungsstrecke der Röhre mit Hilfe eines magnetischen Feldes hervorgerufen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld durch eine Wechselstromquelle gesteuert wird, deren Frequenz von der Frequenz der Signalströme etwas abweicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch loo gekennzeichnet, daß das magnetische Feld durch eine Wechselstromquelle gesteuert wird, deren Frequenz von der halben Frequenz der Signalströme etwas abweicht.

4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Glühkathodenröhre eine Zweielektrodenröhre Verwendung findet, bei der die Anode die zu ihr im wesentlichen koachsial an- na geordnete Glühkathode konzentrisch umgibt und bei der ferner das magnetische Feld im wesentlichen parallel zur Kathode liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen