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Frequenzvervielfachung mit Doppelsystem-Magnetronröhren Die vorliegende
Erfindung betrifft Schaltungen zur Frequenzvervielfachung unter Verwendung von Doppelsystem-Magnetronröhren,
bei denen die in verschiedenen Abständen von der Kathode angeordneten wechselstromführenden
Elektrodensysteme dieselbe Segmentzahl aufweisen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Doppelsystemröhren mit zwei Steuer-
und zwei Leistungssegmenten zur Frequenzvervielfachung zu verwenden. Abb. t zeigt
eine derartige Anordnung. Je zwei Innenelektroden J1, J2 und zwei Außenelektroden
Al, A2 sind paarweise, aber in verschiedenen Abständen symmetrisch zur Kathode K
angeordnet. Die außenliegenden Elektroden A sind durch einen Bügel B elektrisch
unmittelbar , miteinander verbunden. --Zwischen den beiden Innen- oder Steuerelektroden
J liegt der Steuerkreis St, dem normalerweise eine Wechselspannung von der Frequenz
w von einer fremden Steuerspannungsquelle zugeführt wird. Die. Außen- oder- Leistungselektroden
A würden bei Zwischenschaltung eines auf die Steuerfrequenz abgestimmten Schwingungskreises
im Gegentakt arbeiten. Es tritt bei jedem Halbwechsel der Steuerschwingung ein Stromstoß
in der gemeinsamen Anodenleitung der beiden Elektroden A auf. Diese Stromstöße können,
da sie die- doppelte Frequenz, bezogen auf die' Frequenz der Steuerschwingungen,
haben, einen zwischen dem Bügel B und der Kathode l( liegenden Schwingkreis O anstoßen,
der dann natürlich auf die doppelte Steuerfrequenz abgestimmt sein muß.
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Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Schaltung nicht hochfrequenzsymmetrisch
ist, da der Ausgangskreis einseitig über die reläutiv -großen Kapazitäten der Spannungsquelle
geerdet ist und ' da außerdem die relativ` langen Verbindungsleitungen Schwierigkeiten
err , geben.
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Außerdem wurde bereits vorgeschlagen, zur Frequenzvervielfachung eine
Doppelsystem-
Magnetronröhre zu verwenden, deren äußeres Elektrodensystem
eine größere Anzahl Segmente besitzt als das der Kathode nähere.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Schaltung zur Frequenzvervielfächung
mit Hilfe von Doppelsys;em-Magnetronröhren, bei denen die in verschiedenen Abständen
von der Kathode angeordneten wechselstromführenden Elektrodensysteme dieselbe Segmentzahl
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Kathode benachbarten Elektroden-System
(Steuersystem) über den zugehörigen, auf die Grundwelle abgestimmten Schwingkreis
die Steuerspannungen zugeführt werden und daß zwischen den Segmenten eines weiter
außen liegenden Elektrodensystems (Leistungssystems) über den zugehörigen Ausgangskreis
die in der Frequenz vervielfachten und gegebenenfalls verstärkten Schwingungen abgenommen
werden, und daß das Magnetfeld und/ oder die Gleichvorspannungen der einzelnen Segmente
eines oder beider wechselstromführender 'Systeme so gewählt sind, daß der Verlauf
des abwechselnden Stromüberganges, insbesondere zu den Leistungssegmenten, von der
Kurvenform der 'Steuerspannungen abweicht.
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Beabsichtigt man eine Frequenzvervielfachung in einem ungeradzahligen
Verhältnis, also etwa z:3, durchzuführen, so erhalten die einzelnen Segmente der
Elektrodensysteme unter sich jeweils gleiche Vorspannungen, und das Magnetfeld wird
so stark gewählt, daß aus dem Steuersystem Elektronen nur während der negativen
und positiven Scheitelwerte der Steuerspannung austreten und daß dabei die Dauer
eines Stromübertrittes zu den Leistungselektroden kleiner als 1/Q, insbesondere
gleich oder kleiner als 1/s der Zeitdauer T einer Steuerschwingung ist. Die Stromkurven
brauchen dabei immer noch keine Rechteckform aufzuweisen; sie müssen nur wesentlich
von der Form, z. B. von der Sinus form, der Steuerspannung, 2 abweichen.
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Beabsichtigt man, eine Freqüenzvervielfachung in einem geradzahligen
Verhältnis, insbesondere eine Fr equenzverdopplung; durchzuführen, so wählt man
die Stärke des Magnetfeldes annähernd normal und erteilt den einzelnen Segmenten
einer oder beider Systeme, insbesondere nur den Segmenten des Leistungssystems,
verschieden höhe positive Vorspannungen gegenüber der Kathode. Die Differenz zwischen
den Vorspannungen und auch die Absolutgröße der Vorspannungen muß so bemessen werden,
daß die Elektronen während beider Halbwelllen der Steuerschwingungen vorwiegend
zu demselben Segment bzw. zu ein und derselben Segmentgruppe übergehen. Natürlich
ist darunter zu verstehen, daß sich kein kontinuierlicher-Gleich-Strom einstellt,
sondern daß die Größe des Stromes, der zu dem beaufschlagten Segment übergeht, zwischen
einem Minimumswert und einem endlichen Höchstwert wechselt.
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Die Vorgänge,innerhalb der Röhre und vor allem die Stromaufnahme bzw.
Stromübergänge zu den einzelnen Segmenten des Leistungssystems sollen an Hand der
Abb.2 bis 5 besprochen werden. Hervorzuheben ist die Tatsache, daß der Ausgangskreis
ähnlich wie bei einfachen Verstärkerschaltungen zwischen den Segmenten bzw. Segmentgruppen
des Leistungssystems liegt und daß die Kathode hochfrequenzfrei bleibt.
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Abb. 2 zeigt eine zur Durchführung des Erfindungsgedaneens geeignete
Doppelsystem-Fremdsteuerröhre, ohne daß die folgenden Darlegungen auf diese Ausführung
beschränkt sein sollen. Gleiche Bezugszeichen deuten auf gleiche Schaltelemente
hin. Die konstanten elektrischen und magnetischen Felder seien nun so gewählt, daß
durch die Schlitze zwischen den Elektroden J des Innensystems, das beispielsweise
die Steuerung übernimmt, nur dann Elektronen heraustreten, wenn zwischen den Innensegmenten
J ein elektrisches Querfeld herrscht. . Dann ist bekanntlich eine wechselweise Steuerung
des Stromes möglich. Diese Stromübergänge, die zunächst sinusförmig angenommen werden
mögen, tragen nur dann zur Entdämpfung des außenliegenden Leistungssystems bei,
wenn sie in der richtigen Phase durch das elektrische Wechselquerfeld hindurchtreten,
das im Schwingungsfalle zwischen den Außensegmenten A . herrscht. Wird der Ausgangskreis
nun auf eine andere Frequenz abgestimmt, so wird der Stromdurchgang durch die Schlitzebene
des Innensystems, auf den es im wesentlichen ankommt, durch Superposition der beiden
Wechselspannungen bestimmt, die im Innen- und im Außensystem (Steuer- und Ausgangskreis)
auftreten. Einen Überblick über die experimentell leicht darstellbaren Vorgänge
geben die nachfolgenden Abbildungen.
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In Abb.3 stellt die gestrichelte Linie den Stromdurchgang durch die
Schlitzebene des Steuersystems St dar, wenn nur die Steuerwechselspannung herrschen
würde. Der Ausgangskreis O sei z. B. zwecks Verdopplung auf die doppelte Frequenz
abgestimmt und dabei durch irgendeinen Umstand von selbst in Schwingungen geraten.
Unter dem Einfluß der Wechselspannungen des Außensystems allein würde der Stromverlauf
nach dem bekannten Stromverteilungsprinzip beim Mehrschlitzmagnetron dann durch
die punktierte Linie dargestellt werden müssen. Bei der Superposition beider Wechselspannungen
ergibt sich die dick ausgezogene Linie für den tatsächlichen Stromübergang zum Außen-
System.
Die Phase zwischen den beiden Steuerspannungen ist so gewählt, wie sie für optimale
Ausbeute in Frage kommt. Es zeigt sich, daß eine deutliche Anfachung der doppelten
Frequenz neben einem starken Rest der Grundfrequenz auftritt. Eine wesentliche Verbesserung
dieses Vorganges erhält man durch Unterdrückung der Grundfrequenz, indem man beispielsweise
eine Halbwelle umklappt. Abb. z zeigt, daß durch erhöhte oder verminderte Vorspannung
auf einem der beiden Außensegmente A der Stromdurchgang, der von der Grundwelle
gesteuert wird, vorzugsweise nur in ein und derselben Richtung durch die Schlitzebene
des Steuersystems stattfindet. Die dick ausgezogene Kurve in Abb. q. ergibt wieder
die Überlagerung. Es zeigt sich also gegenüber Abb. 3 eine Erhöhung der Amplitude
der doppelten Frequenz, während die steuernde Grundfrequenz prakti.zch verschwunden
ist. Ähnliches ergibt sich auch für höherzahlige Vervielfachung usf.
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Im Falle ungeradzahliger Vervielfachung ist es hinsichtlich eines
großen Wirkungsgrades jedoch wesentlich günstiger, wenn der Strom nicht sinusförmig
aus. dem Steuersystem austritt, sondern in Form von Stromstößen. In Abb. 5 stellt
die dünne Linie die Steuerwechselspannung am inneren System dar. Durch Erhöhung
der Stärke des Magnetfeldes wird erreicht, däß der Stromaustritt erst bei einer
gewissen Größe der Wechselspannung stattfindet. Dementsprechend ergeben sich Stromstöße,
wie sie durch die gestrichelte Linie dargestellt sind. Durch Superposition mit der
Steuerwirkung bzw. Steuerspannung (punktierte Linie) des angeregten Ausgangskreises,
der z. B. auf die dreifache Frequenz abgestimmt ist, ergibt sich als tatsächliche
Spannung am Außensystem die strichpunktierte Linie, die bei Energieentzug geringfügig
gedämpft und wieder angestoßen erscheint. Ähnliches gilt für die höheren Vervielfachungen.
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Auf diese Weise läßt sich auch zeigen, daß nichtganzzahlige Vervielfachungen
keine phasenrichtige Anfachung geben, da die Phase dauernd wechselt; dies stimmt
mit dem experimentellen Befund genau überein.
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Bei den Versuchen zeigte sich, daß bei den zahlenmäßig höheren Vervielfachungen
und den dabei notwendigen erhöhten Magnetfeldern eine Abstimmung im ersten Knoten
für die kurze Welle notwendig ist, da die Systeme sonst mehrdeutig werden; entweder
versucht die Grundwelle sich zu erregen, oder es werden mehrere harmonische Wellen
höherer Ordnung angeregt.
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Bei größeren Strömen, insbesondere wenn nur mit kurzzeitigen Stromstößen
gearbeitet wird, werden die Elektronen während relativ langer Zeiten zwischen den
Segmenten des Steuersystems zurückgehalten. Dadurch bildet sich eine zu große Raumladung
in der Nähe der Kathode aus. -Von den zurückgehaltenen Elektronen laufen viele wieder
zur Kathode und heizen diese zusätzlich auf. Um diesen Übelständen abzuhelfen, empfiehlt
es sich, in unmittelbarer Nähe der Kathode eine durchbrochene Hilfselektrode, z.
B. eine Gitterwendel, anzubringen, die Kathodenpotential oder ein schwach positives
Potential führt. Die faradaykäfigartigen Umbauungen der Kathode nehmen die Wechselkomponente
von der Kathode ab, so daß eine Nachheizung verhindert wird.
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Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Elektroden des
Steuersystems-- gegen die Kathode zu neigen, und zwar derart, daß die Elektroden,
die annähernd die Form von Segmenten eines prismatischen Hohlkörpers oder Hohlzylinders
aufweisen, ähnlich wie die Seitenflächen einer Pyramide oder eines Kegels gegen
die zugehörige Achse geneigt sind. Dadurch wird erreicht, daß das elektrische Feld
neben der radialen eine schwach axiale Komponente erhält. Die Elektronen beilegen
sich während ihrer Schleifenbahnen zusätzlich in geringem Maße in Richtung der Systemachse,
und zwar auf die Grundfläche der gedachten Pyramide zu. Mit diesem Kunstgriff erleichtert
man den Elektronen den Austritt aus dem Steuersystem. Eine ähnliche Wirkung kann
auch durch eine andere elektrische oder magnetische Unsymmetrie des Feldverlaufes
erzielt werden.
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Die Schaltung kann auch direkt zur Schwingungserzeugung benutzt werden,
etwa derart, daß das Innensystem in Selbsterregungsschal-- tung betrieben`wird.
Meist wird man jedoch dem Steuer- oder Innensystem in der Frequenz stabilisierte
Schwingungen zuführen, besonders dann, wenn die Frequenzvervielfachungsröhre die
überlagerungsschwingungen für einen hochwertigen Empfänger liefern soll. Für einen
mehrstufigen fremdgesteuerten Sender gelten natürlich dieselben Gesichtspunkte.
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Diese Darstellung beschränkt sich natürlich nicht nur auf Vorgänge
am Mehrschlitzmagnetr on, sondern gilt immer, wenn Stromübergänge sowohl durch das
ursprünglich steuernde System als auch nachträglich durch das gesteuerte System
beeinflußt werden können.