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Verfahren zur Frequenzstabilisierung der elektromagnetischen Schwingungen
eines selbsterregten Schwingungssystems In der Hochfrequenztechnik werden häufig
Schwingungserzeuger gebraucht, die eine möglichst große Leistungsabgabe mit möglichst
hoher Konstanz der Frequenz vereinigen. Die gleichzeitige Erfüllung beider Forderungen
gelingt mit Hilfe der bisher, bekannten Verfahren in der Weise, daß die Frequenzkonstanz
durch einen besonderen, schwach belasteten Steuersender, dessen Schwingungen durch
ein Frequenznormal, z. B. einen piezoelektrischen Kristall oder eine schwach gedämpfte
Resonanzleitung, stabilisiert werden, aufrechterhalten wird, während die Leistungsentnahme
än fremdgesteuerten Verstärkerstufen erfolgt. Vielfach geht man noch weiter in der
Trennung von Frequenznormal und Leistungsquelle und verwendet selbsterregte Leistungssender,
die nur indirekt über besondere Kontrollmechanismen von Steuersendern oder Kontrollempfängern
in der Frequenz geregelt werden. Ein Beispiel hierfür ist die bekannte RieggerschePhasensprungmethode(vg1.Ph.
Schachmann, Telefunkenzeitung, Bd. 7 [i925] Nr. d.o/4z, S. 29), gemäß welcher die
Spannung des zu regelnden Schwingungserzeugers zwei auf die Sollfrequenz abgestimmten
Schwingungskreisen zugeführt wird und die bei Frequenzschwankungen in diesen Kreisen
auftretenden Phasenänderungen zur Auslösung von Regelwirkungen benutzt werden. Man
hat ferner Kontrolleinrichtungen mit Kristallresonatoren gebaut, deren Abstimmung
zu beiden Seiten der Sollfrequenz lag. Die bei einer Wellenänderung auftretenden
piezoelektrischen Spannungen wurden ähnlich wie vorher zur Betätigung einer auf
Differentialwifkung beruhenden Regelvorrichtung benutzt. Man hat ferner vorgeschlagen,
Kristallresonatoren in Edelgasatmosphäre zu benutzen und entweder die beim Ansprechen
auftretenden Leuchterscheinungen oder die Leitfähigkeitsänderungen zur Auslösung
von Regelwirkung auszuwerten.
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Die vorliegende Erfindung leistet ähnliches wie die automatische Regelung
durch ein Frequenznormal, ohne jedoch eines besonderen Steuersenders oder Kontrollempfängers
zu bedürfen. Das zu beschreibende Verfahren bietet Mittel, um einerseits die Frequenzkonstanz
über das jetzt erreichbare Maß zu steigern, andererseits, um bei gegebener Frequenzkonstanz
eine größere Leistungsentnahme zu ermöglichen.
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Ausgangspunkt des Verfahrens ist die Tatsache, daß bei jedem Sender
im eingeschwungenen Zustand alle auftretenden Spannungen und Ströme in bestimmten
Phasenverhältnissen zueinander stehen. lindert sich die Frequenz, so ändert sich
der Phasenunterschied gewisser elektrischer Größen im Stromkreis des Senders S.
Diese frequenzabhängigen Phasenänderungen in selbsterregten Systemen werden nun
erfindungsgemäß in der Weise benutzt, daß die an zwei Wechselstromwiderständen
des
Systems bei Frequenzänderungen auftretenden Veränderungen der Phasen- und Amplitudenverhältnisse
geeignete phasen- bzw. arnplitudenempfindliche Vorrichtungen beeinflussen, welche
über Korrektionstnechanismen elektrischer, thermischer, optischer oder mechanischer
Art auf den Sender zurückwirken und die aufgetretenen Frequenzänderungen rückgängig
machen. Die zusätzlichen phasenempfindlichen Anordnungen (Phasenkorrektoren P) liefern
beispielsweise einen Ausgangseffekt, etwa einen Gleichstrom, dessen Betrag der Phasenänderung
proportional ist. Mit Hilfe dieses Effektes, welcher im Bedarfsfälle noch mehrfach
verstärkt werden kann, läßt sich mittels eines Mechanismus M eine Korrektion der
aufgetretenen Frequenzabweichungen durch Veränderung irgendwelcher Impedanzen oder
Abstimmelemente Z. des Senders bewerkstelligen (Abb. i).
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Das genannte Prinzip wird am besten verdeutlicht durch Vergleich mit
den bekannten Methoden der Frequenzstabilisierung. Das bisher gebräuchlichste Verfahren
besteht in der Verwendung elektrischer oder gleichwertiger mechanischer Resonatoren,
deren Phasenwinkel eine starke Frequenzabhängigkeit aufweist, z. B. schwach gedämpfte
elektrische Resonanzkreise, Ketten vgn gekoppelten Resonanzkreisen, lange resonanzfähige
Leitungen, mechanische Resonatoren, wie Quarzplatten, Stimmgabeln usw. Die stabilisierende
Wirkung dieser Gebilde besteht darin, daß bereits kleine Frequenzänderungen an ihnen
große Änderungen des Phasenwinkels hervorrufen, die genügen, um eine anderwärts
im Stromkreise- etwa infolge vermehrter Belastung aufgetretene Phasenänderung zu
kompensieren und damit die Phasenbilanz wiederherzustellen. Immerhin sind also,
um die geschilderte Wirkung hervorzurufen, noch mehr oder minder merkliche Frequenzänderungen
nötig, die eben die Grenze der mit den genannten Mitteln erreichbaren Frequenzkonstanz
darstellen. In diesem. Zusammenhang sind auch jene Verfahren zu erwähnen, bei welchen
die am Resonator auftretende Phasenänderung vervielfacht wird, um die stabilisierende@
Wirkung zu erhöhen.
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Das vbrliegende Verfahren benutzt nun folgenden Umstand: Ändert sich
die Frequenz z. B. infolge Schwankung der Anodenspannung oder Belastung, so ändert
sich im allgemeinen die relative Phasenlage gewisser Ströme und Spannungen im Sender
in eindeutiger Weise. Es werden nun mittels dieser Phasenänderungen besondere, der
Senderschaltung zugefügte, an sich bekannte Vorrichtungen (Phasenkomparatoren) beeinflußt,
welche einen von der einwirkenden Phasendifferenz quantitativ gesteuerten Ausgangseffekt
liefern; dieser Ausgangseffekt dient dazu, um rückwirkend in der Senderschaltung
geeignete Veränderungen vorzunehmen, welche die Frequenz wieder auf den Sollwert
korrigieren. Auf diese Weise läßt sich das Verfahren je nach den Umständen dazu
verwenden, um entweder die Frequenzkonstanz zu erhöhen oder die Belastbarkeit zu
steigern oder die Anforderungen an die Güte (Resonanzschärfe) der frequenzbestimmenden
Elemente zu verringern. Es handle sich z. B. um einen Sender, der stabilisiert wird
durch einen Resonanzkreis mit einer Dämpfung von i # io-3. Die Frequenzabweichung
bei variabler Belastung betrage ebenfalls i # io-3; die Rückkopplung sei annähernd
phasenrein. Eine Frequenzschwankung von i # io-3 wird also am Resonanzkreis eine
Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung von etwa 45° hervorrufen. Das vorliegende
Verfahren benutzt diese Phasenverschiebung von 45° dazu, um die Frequenz rückwärts
um i # io-3 wieder auf den Sollwert zu regulieren. Spricht der Phasenkomparator
auf Änderungen von etwa 5° noch an, so@ wird die Frequenzkonstanz um eine Größenordnung
erhöht, und zwar kann gleichzeitig noch die Belastung gesteigert werden, weil größere
Belastungen noch größere Phasendrehungen hervorbringen und daher erst recht kompensiert
werden. Wenn man dagegen einen frequenzbestimmenden Resonator (etwa einen (Quarzkristall)
in einem selbsterregten Leistungssender verwendet, so treten infolge der Rückwirkung
der primären Belastungs- bzw. Phasenänderungen auf das Frequenznormale Verlagerungen
der Resonanzfrequenz auf, deren Betrag der jeweiligen Ursache proportional ist.
Demgegenüber beschränkt die Methode der phasengesteuerten Selbstregulierung die
Frequenzänderungen auf eine gewisse konstante Maximalschwankung, welche von der
Leistungsentnahme bzw. der Größe der ursprünglichen Phasenabweichung unabhängig
und nur durch die Empfindlichkeit des Phasenvergleichs bestimmt ist. Von der Methode
der Frequenzregulierung durch einen getrennt arbeitenden Steuersender oder Kontrollempfänger
unterscheidet sich das vorliegende Verfahren durch das Fehlen eines besonderen Frequenzstandards
außerhalb des zu kontrollierenden Senders. Die phasenempfindlichen Korrektionsorgane
werden betätigt durch die internen Phasenverhältnisse des zu kontrollierenden Senders
selbst. Hieraus ergibt sich folgender praktischer Vorteil: Bei der Regulierung durch
einen besonderen Standardsender oder -empfänger ist die Frequenz im allgemeinen
nicht stetig veränderbar, es sei denn, daß ein veränderlicher, geeichter
Standard
zur Verfügung steht; das vorliegende Verfahren gestattet aber, auch einen variablen
Sender bei jeder eingestellten Frequenz konstant zu halten; die verwendeten Phasenkomparatoren
brauchen nur genügend frequenzunabhängig zu sein, so daß sie bei jeder Einstellung
der selbsterregten Frequenz die herrschenden Phasenverhältnisse aufrechterhalten.
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Die im Prinzip gekennzeichnete Methode kann in verschiedener Weise
durchgeführt werden. Es können an sich beliebige Wechselströme oder -spannungen,
deren Phasenbeziehung von der Frequenz abhängt, z. B. Strom und Spannung an einem
Resonanzkreis, Gitter- und Anodenwechselspannung bei nicht phasenreiner Rückkopplung
usw., in der Phase verglichen werden. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Spannung
an einem frequenzabhängigen Widerstande, z. B. einem Resonanzkreis oder Quarz, zu
vergleichen mit der Spannung an einem möglichst frequenzunabhängigen Ohmschen Widerstand.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Phasenkontrolle an den frequenzbestimmenden
Resonanzkreisen selber vorzunehmen; deren Phasenänderungen stellen ja nur den Ausgleich
her mit gewissen primären Phasenänderungen, welche die eigentliche Ursache der Frequenzänderung
bilden. Weiß man also z. B., daß diese primären Phasenänderungen an den Klemmen
des Verbraucherkreises auftreten, so kann man die Phasenbestimmung auch dort statt
am frequenzbestimmenden Kreis vornehmen.
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Die bisherigen Betrachtungen gelten hauptsächlich für den Fall, daß
die primären Ursachen der Frequenzänderungen, z. B. Schwankungen der Anodenspannung
oder der Belastung, außerhalb der frequenzbestimmenden Kreise stattfinden und diese
selbst nichtmerklich verändern; dann gilt nämlich die vorausgesetzte eindeutige
Beziehung zwischen Frequenz und Phase. Handelt es sich aber um die gleichzeitige
Ausschaltung solcher Einflüsse, wie z. B. von Temperaturschwankungen, welche die
frequenzbestimmenden Elemente selber verändern, so ist das Verfahren etwa folgendermaßen
anzuwenden. Es sei z. B. die Temperatur der einzige frequenzv erändernde Einfluß.
Man wählt eine Schaltung mit zwei Resonanzkreisen, deren Eigenfrequenzen sich mit
der Temperatur in verschiedenem Maße ändern. Die Scheinwiderstände der beiden Kreise
sind jedenfalls eindeutige Funktionen der Temperatur, ebenso die sich einstellende
resultierende Frequenz des ganzen Systems. Folglich ist auch die Differenz der Phasenwinkel
beider Kreise eine eindeutige Funktion der Frequenz. Liegen also die Kreise in Reihe,
so braucht man nur die Spannungen an ihren Klemmen in der Phase zu vergleichen und
nach Maßgabe des Phasenunterschiedes entweder die Temperatur selber konstant zu
halten oder die Frequenzänderungen durch Beeinflussung der Schaltung rückgängig
zu machen. Man kann zwei Resonanzkreise verwenden, deren Eigenfrequenz bei einer
bestimmten mittleren Temperatur gleich sind und bei Abweichungen von dieser Temperatur
sich in entgegengesetzter Richtung verschieben. Wählt man dann eine Schaltung, deren
selbsterregte Frequenz stets zwischen den Eigenfrequenzen der beiden Kreise liegt,
so kann man erreichen, daß der Temperatureinfluß an sich klein ist und daß die noch
verbleibenden Frequenzänderungen nach Maßgabe der auftretenden Phasendifferenzen
kompensiert werden.-Als phasenempfindliche Vorrichtungen können bei dem vorliegenden
Verfahren die üblichen Phasenindikatoren benutzt werden mit der Änderung, daß der
phasenproportionale Effekt nicht zur quantitativen Anzeige, sondern zur Betätigung
von Kontrollmechanismen verwandt wird. Hierzu rechnen die auch in der Niederfrequenztechnik
gebräuchlichen Vorrichtungen, wie Differential- und Brückenschaltungen mit Gleichrichtern,
deren Richtstrom der Phasendifferenz der einwirkenden Spannungen proportional ist.
Durch Anwendung genügender Verstärkung läßt sich die Phasenempfindlichkeit dieser
Anordnungen beliebig steigern.
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Auch der Kathodenstrahlöszillograph läßt sich als automatisches Kontrollorgan
ausbilden. Eine der hier sich bietenden Möglichkeiten sei kurz beschrieben. Man
führt die beiden zu vergleichenden Spannungen je einem Paar von Ablenkplatten der
Röhre zu, so daß auf dem Schirm eine Ellipse entsteht, deren Exzentrizität der Phasendifferenz
entspricht. Auch die Strecke, welche die Ellipse auf einer durch ihren Mittelpunkt
gehenden Geraden abschneidet, gibt ein Maß für die Phasendifferenz. Demgemäß wird
hinter dem Leuchtschirm ein schmaler, durch den Mittelpunkt der Ellipse gehender
Streifen des Leuchtbildes herausgeblendet. Die Lagenänderungen des Lichtpunktes
längs dieses Streifens werden etwa, falls kontinuierliche Regelung erwünscht ist,
durch einen Graukeil in Intensitätsänderungen umgesetzt. Im übrigen wird der Lichtpunkt
wie üblich auf eine Photozelle mit nachgeschaltetem Verstärker abgebildet, der nun
den Korrektionsmechanismus betätigt. Der Umweg über die Photozelle kann auch vermieden
werden, wenn man innerhalb der Braunschen Röhre .im Wege des Kathodenstrahles geeignete
Auffangelektroden vorsieht, die mit den Kontrollorganen durchLeitungen verbunden
sind und demnach
die Braunsche Röhre als Elektronenschalter benutzt.
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In Fällen, wo der hochfrequente Phasenvergleich Schwierigkeiten bereitet,
kann die Frequenz durch Teilung erniedrigt und der Vergleich mit niederfrequenten
Mitteln durchgeführt werden.
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Der vom Phasenkomparator gelieferte Ausgangseffekt wird dazu verwendet,
um in an sich bekannter Weise geeignete Schaltelemente des Senders so zu verändern,
daß die Frequenzabweichung korrigiert wird. Zu diesem Zwecke muß der Phasenkomparator
geeignete Kontrollorgane elektrischer, optischer, thermischer oder mechanischer
Art steuern, die aus Verstärkern, Photozellen, Thermostatenreglern, Motoren usw.
bestehen können. Die Frage, welche Senderelemente beeinflußt werden, läßt noch eine
große Mannigfaltigkeit von Möglichkeiten zu; eine Klassifizierung derselben ergibt
sich aus folgender Betrachttng: In letzter -Linie verantwortlich für Frequenzänderungen
sind eine Reihe von Ursachen, von denen Änderung der Betriebsspannung, der Belastung,
des mechanischen und thermischen Zustandes der Abstimmelemente die häufigsten sind.
Die Wirkung dieser primären Ursachen läßt sich in vielen Fällen begreifen als eine
Störung der Phasenbilanz durch die auftretenden Phasenverschiebungen. Die Wiederherstellung
des .Phasengleichgewichts erfordert eine mehr oder weniger große Frequenzänderung.
Es ergibt sich also der Zusammenhang: Primäre Änderung, Phasenstörung, Frequenzabweichung.
Man hat nun die Möglichkeit, in eine von diesen drei Entwicklungsphasen der Störung
korrigierend einzugreifen. Die Beseitigung der genannten primären Ursachen einer
Frequenz- oder Phasenänderung, etwa des Temperaturwechsels, bietet den Vorteil,
daß sie im allgemeinen sowohl die Konstanz der Frequenz als auch die Konstanz der
übrigen elektrischen Größen (Gleichstromwerte, Wechselspannungsamplituden) gewährleistet.
Als Beispiel für diese Anwendungsform des Prinzips sei genannt ein Sender, der durch
einen phasengesteuerten Reguliermechanismus der erwähnten Art die Temperaturkontrolle
seines Quarzthermostaten selbst besorgt. Statt auf die primären Ursachen der Frequenzänderungen
kann man auf die resultierenden Phasenverschiebungen achten und durch an geeigneter
Stelle eingeschaltete Phasenschieber oder andere phasendrehende Elemente die auftretenden
Phasenänderungen kompensieren. Hierbei kann durch eine Art von Phasenverstärkung,
- nämlich durch Verstärkung des Phasenkomparator.s, die Phasenempfindlichkeit und
damit die stabilisierende Wirkung desselben vergrößert werden. Die Phasenverstärkung
mit Hilfe der genannten Phasenkomparatoren geht etwa folgendermaßen vor sich. Im
Anodenkreis der Senderöhre liegen drei Impedanzen. A, B, C
beispielsweise
in Reihe geschaltet (Abb.2). A und B haben eine verschiedene Frequenzabhängigkeit;
die Spannungen an A und B werden dem Phasenkomparator P zugeführt. Dieser liefert
im allgemeinen einen Gleichstrom, der sich entsprechend der Phasendifferenz ändert;
die Gleichstromänderungen, die beliebig verstärkt werden können, werden nun dazu
benutzt, um die Impedanz C zu verändern und auf diese Weise an C beliebig große
Phasendrehungen hervorzurufen. Die erzielten Phasendrehungen werden z. B. dadurch
nutzbar gemacht, daß der Rückkopplungsweg zum Gitter über C geführt wird. C kann
man an den Anodenkreis so lose koppeln, evtl. sogar über eine Trennröhre, daß es
zwar eine für die Rückkopplung hinreichend große Hochfrequenzenergie aufnimmt, ohne
aber durch seine Änderungen in unerwünschter Weise auf den Anodenkreis zurückzuwirken.
Um den Vorgang der Phasenverstärkung trägheitsfrei zu gestalten, können für C gewisse
bekannte Kombinationen von Kapazitäten, Induktivitäten und Röhren gewählt werden
von der Art, daß eine Änderung der Röhrenspannungen durch den Gleichstrom des Phasenkomparators
die resultierende Impedanz von C und damit seine Phase stark beeinflußt.
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Hiermit fast identisch ist das Verfahren, die auftretenden Phasenänderungen
unmittelbar zur Frequenzkorrektion etwa durch Beeinflussung der Abstimmelemente
der Senderschaltung zu verwenden.
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Bisher war nur von den Phasenverhältnissen im Stromkreise die Rede.
Es ist aber bekannt, daß bei Frequenzschwankungen nicht nur die Phasenbeziehungen,
sondern häufig auch die Amplituden variieren, und zwar sowohl die Wechselamplituden
als auch die Größe der Gleichstromkomponenten. Die Verhältnisse der Amplituden,
z. B. das Verhältnis der Wechselspannungen an einem Ohmschen und einem in Reihe
liegenden frequenzabhängigen Widerstande, etwa einer Selbstinduktion, änüern sich
dabei in eindeutiger Weise mit der Frequenz. Die Widerstände sollen natürlich von
den primären Ursachen der Frequenzänderung, z. B. Temperaturschwankungen, selber
nicht beeinflußt werden.» Es ist klar, daß diese Änderungen der absoluten Beträge
und ihrer Verhältnisse in ganz entsprechender Weise wie die Phasenänderungen zur
Stabilisierung des Senders verwertet werden können. Ebenso ist es klar, daß der
Vergleich der Phasen und Beträge nicht nur zwischen zwei elektrischen Größen,
sondern
zwischen mehreren gleichzeitig vorgenommen werden kann, und ferner, daß der Korrektionsmechanismus
nicht nur ein Element, sondern verschiedene Elemente des Senders gleichzeitig beeinflussen
kann.
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Die praktische Anwendung des Verfahrens wird erleichtert, wenn man
die Phasenvergleichsvorrichtung zusammen mit dem Kontrollmechanismus als einheitliche
Zusatzeinrichtung ausbildet, die bequem mit jedem Sender verbunden -werden kann,
dessen Frequenzkonstanz oder Belastbarkeit man zu vergrößern wünscht.