DE738405C - Schaltung zur Verstaerkung sehr hoher Frequenzen - Google Patents

Schaltung zur Verstaerkung sehr hoher Frequenzen

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DE738405C
DE738405C DET50066D DET0050066D DE738405C DE 738405 C DE738405 C DE 738405C DE T50066 D DET50066 D DE T50066D DE T0050066 D DET0050066 D DE T0050066D DE 738405 C DE738405 C DE 738405C
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cathode
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DET50066D
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English (en)
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Dr-Ing Horst Rothe
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Telefunken AG
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Telefunken AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/54Amplifiers using transit-time effect in tubes or semiconductor devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/50Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower
    • H03F3/52Amplifiers in which input is applied to, or output is derived from, an impedance common to input and output circuits of the amplifying element, e.g. cathode follower with tubes only

Description

  • Schaltung zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen. Sie kommt in Betracht für Frequenzbereiche, in denen die Elektronenlaufzeit innerhalb der Röhre vergleichbar ist mit Üex Periodendauer der zu verstärkenden Schwingung, d. h. insbesondere für Frequenzen von mehr als i oo Megahertz (Ultrakurzwellen und D,ezimeterw.ellen).
  • Bei den üblichen Schaltungen zur Verstärkung von Wechselspannungeln mit Hielte von Elektronenröhren wird die zu verstärkende Wechselspannung in die Zuleitung zu einem ün Entladungsweg liegenden Steuergitter reingeführt. Abb. i zeigt z. B. eine solche Verstärkerschaltung mit einex Penthode. Die zu verstärkende Wechselspannung wird z. B. durch induktive Ankopplung dem Schwingungskreis i zugeführt, der zwischen Erde, Kathode q. und Steuergitter 2 'der Penthode eingeschaltet ist. Die Kathode q., das Schirmgitter 5 und das Bremsgitter 6 sind unmittelbar bzw. über Gleichspannungsquellen an Erde gelegt. Die dem Steuergitter zugeführte Wechselspannung erzeugt einen Wechselstromfluß zur, Anode 7 und dadurch am Schwingungskreis 8, der in die Anodenzuleitung geschaltet ist, eine verstärkte Wechselspannung. Wie nun neuere Untersuchungen gezeigt haben, :erfolgt die Steuerung des Elektronenstromes durch das Steuergittev bei hohen Frequenzen selbst dann nicht mehr leistungslos, wenn das Steuergitter negativ vorgespannt ist und somit von Elektronen nicht getroffen werden kann. Die durch die Öffnungen .des Steuergitters fliegenden Elektronen influenzieren nämlich auf dem Steuergitter :einen Influenzwechselstrom, der aber nicht genau 9o° Voreilung gegen die Gitterwechselspannung besitzt, sondern wegen der endlichen Laufzeit der Elektronen von der Kathode bis zur Steuergitterfläche eine Voreilung von weniger als 9o° oder sogar eine Vacheilung gegen die Gitterwechselspannung besitzen kann. - Dies bedeutet aber, daß im Steuergitterkreis eine reelle Wechselstromkomponente fließt, die einen Leistungsaufwand und damit eine Dämpfung der angeschlossenen Schwingungskreise bedeutet. Die imaginäre Komponente des Influenzstromes bedeutet außerdem noch eine Erhöhung der wirksamen Kapazität des Steuergitters. Die reelle Komponente des Influenzstremes nimmt proportional zu co,. (c) = Kreisfrequienz j zti. Dadurch ist der Verstärkungsmöglichkeit mit normalen Röhren und normalen Schaltungen bei Steigerung der- Frequenz bald :eine Grenze gesetzt. Praktisch hat sich herausgestellt, das oberhalb etwa 3oo Megahertz mit normalen Röhren eine Verstärkung in der Schaltung der Abb. i nicht mehr möglich ist.
  • Es besteht nun zwar die Möglichkeit, die Inversionseigenschaften der Elektrone@n:strömung auszunutzen, denn sobald der Influenz; Wechselstrom mehr als go" Nacheilung gegen die Gitterwechselspannung besitzt, wird die reelle Komponente dies Influenzwechselstromes negativ. In diesem Inversionsgebnet verfolgt dann eine Entdämpfurng angeschlossener Schwingungskreise, so daß auf diese Weise auch in diesem Frequenzgebiet mit :einer Schaltung nach Abb. i eine Verstärkung möglich wäre. Abgesehen davon, daß diese Inversion praktisch erst bei sehr hohen Frequenzen eintritt, .besitzt das -Steuergitter in der Schaltung der Abb. i außerdem eine so hohe Kapazität gegen die beiden benachbarten, auf Erdpotential befindlichen Elektroden (Kathode und Schirmgitter), daß bei diesen hohen Frequenzen Beine wirksame Abstimmung des Gitterkreises kaum möglich ist.
  • Neben der in Abb. i dargestellten Schaltung ist auch noch eine Anordnung für Elektronenröhren mit einer Gitterelektrode zwischen Glühkathode und An.o,de bekannt, in der die Gitterelektrode geerdet ist und in den Heizleitungen übertragerspulen liegen, welche der Kathode die steuernden WechseIspannungen zuführen. Es sind auch Mischrohrscbaltungen bekannt und vorübergehend ausgeführt worden, in denen die überlagerungsschwingung dem Kathodenkreis zugeführt wurde. Hierbei war der Wunsch maßgebend, .ein besonderes'Gitter für die Einführung der Steuerwechselspannung zu .ersparen. Wie später noch nachgewiesen wird, verhalten sich diese Kathodenpotenti.al Schaltungen mit gesteuertem Kathodenpotential ungünstig bei den üblichen Rundfunkwellen, und nichts wies darauf hin, daß es bei sehr kurzen Wellen anders sein könnte.
  • Erfindungsgemäß sind in einer Schaltung zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen mit Hilfe einer Elektronenröhre mit einem oder mehreren Gittern, bei der die sich verstärkende Hochfrequenzspannung in die Kathodenleitung eingeführt wird und die gitterförmige Elektrode bzw. Elektroden hochfrequenzmäßig geerdet sind, die Betriebsbedingungen der Röhre so gewählt, daß die Entladungsstrecke zwischen der Kathode und dem benachbarten Gitter in einem bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft der Inversionsgebiete des dynamischen Widerstandes dieser Diodenstrecke liegt.
  • Dies hat vor allem den Vorteil, daß der in dem Steuerkreis fließende Gegenkopplungsstroin, der bei der bekannten Schaltung von der Steuersp.annungsquelle überwunden werden muß, durch den entgegengesetzt gerichteter Influenzstrom praktisch kompensiert wird, so daß eine leistungslose Steuerung möglich ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 2 dargestellt. Diese unterscheidet sich unter Beibehaltung gleicher Bezugszeichen für übereinstimmende Teile von der Abb. i dadurch, daß der Eingangskreis i, dem die zu verstärkende Wechselspannung zugeführt wird, nicht in die Zuleitung zum Stetuergitter, sondern in die Kathodenzuleitung eingeschaltet ist, während Steuergitter 2 und Schirmgitter 3 unmittelbar bzw. unter Einschaltung der erforderlichen Gleichspannungsquellen an Erde gelegt sind. Diese beiden Gitter führen. also bei genügend induktionsfreier Ausbildung ihrer Zuleitungen keine Wechselspannung gegen Erde. Aus Gründen, die später noch besprochen werden, soll in diesem Beispiel nur eine Tetrode verwendet werden, so daf> auf das Schirmgitter unmittelbar die Anode4 folgt, in deren Zuleitung der Schwingungskreis S liegt, an dem die verstärkte Wechselspannung abgenommen wird.
  • Für die Steuerung des Elektronenstromes sollte es im Prinzip gleichgültig sein, ob entweder das Gitter oder die Kathode geerdet wird. In beiden Fällen erhält das Effektivpotential der Steuergitterflächen gegen die Kathode eine Wechselspannungskomponente, die eine Wechselstromkomponente im Elektronenstrom zur Folge hat. Es bestehen aber in bezug auf die zur Steuerung notwendige Leistung zwischen beiden Schaltungen ganz grundlegende Unterschiede. Betrachten wir zuerst einmal die Verhältnisse bei ganz niedrigen Frequenzen. Die infolge der Elektronenbewegung zu den einzelnen Elektroden fließenden Influenzströme sowie die durch Kaltkapazitäten zwischen den Elektroden entstehenden Verschiebungsströme spielen dann gegenüber den Elektronenströmen noch kein Rolle. Da nun zu dem Steuergitter 2 keine Elektronen gelangen, sofern es eine negative Vorspannung gegen die Kathode erhält, erfolgt bei diesen niedrigen Frequenzen die Steuerung in der Schaltung nach Abb. i tatsächlich leistungslos. In der Sclualtung nach Abb. 2 dagegen wird bei niedrigen Frequenzen zur Steuerung eine ganz erhebliche Leistung verbraucht, denn durch den Schwingungskreis i fließt ja der gesamte Elektronenwechselstrom. Der Widerstand, oder paTallel zu dem Schwingungskreis z liegt,. ist gleich dem Diodenwiderstand er betreffenden Entladungsanordnung, d. h. gleich dem Wechselstromwiderstand, der zwischen Kathode und der Zusammenschaltung aller übrigen Ele ktroden dieser Entladungsröhre gemessen wird. Für normale Vers,täTkerzwecke bei mittleren Frequenzen (Rundfunkwellen) ist also diese Schaltung nach Abb. 2 ungünstig.
  • Bei sehr hohen Frequenzen werden jedoch die Verhältnisse völlig andere. Der Widerstand einer Diodenstrecke wird. negativ, sobald die Laufzeit -c .der Elektronen von der@'-Kathode bis zur Anode der Diode gleich der Periodendauer wird, d. h. sobald der Laufzeitwinkel 0 = c»a einen Wert zwischen 2 9 und 39 erreicht. In diesem Inversions,geblet ist dann eine Verstärkung sehr gut möglich, wobei durch den negativen Widerstand der Entladungsstrecke sogar noch eine EntdämpfuAg des angeschlossenen Schwingungskreises i @erzielt wird. Durch richtige Bemessung -des Schwingkreiswiderstandes ist leicht zu @er-,reichen, daß die Entdämpfung nicht zur Selbsterregung führt.
  • Die Schaltung der Abb. 2 hat aber in diesem Inversionsgebiet gegenüber der Schaltung der Abb. i noch weitere Vorteile. Während nämlich in der Schaltung der Abb. i die Eingangskapazitätdurch die statische Kapazität des Steuergitters gegen Kathode und Schirmgitter gegeben ist, zu der dann noch eine positive dynamische Kapazität hinzutritt, ist die Eingangskapazität in der Schaltung nach Abb. 2 nur durch die Kapazität der Kathode gegen das Steuergitter gegeben, die sich ebenso aus einem statischen und einem dynamischen Kapazitätsanteil zusammensetzt. Letzterer ist aber b,ei. der Schaltung nach: Abb. 2 immer negativ. Eis ist also schon die statische Eingangskapazität bei der Schaltung nach Abb.2 wesentlich kleiner als bei der Schaltung nach Abb. i (sie beträgt praktisch weniger als die Hälfte), und diese wird im Betrieb durch die negative dynamische Kapazität noch weiter verkleinert.
  • Die Röhren können für die Verwendung in der Schaltung nach Abb. 2 außerdem erheblich einfacher und für die Herstellung bequemer bemessen werden. Während nämlich bei Verwendung in der Schaltung von Abb. i die Abstände zwischen den einzelnen Elektroden so dein wie nur irgend möglich gewählt werden müssen, um kleinere Laufzeiten und damit eine geringere Eingangsdämpfung zu erhalten, ruß beim Arbeiten im Inversionsgebiet die Laufzeitgerade groß gemacht werden. Daher ergeben sich wesentlich größere, für die Herstellung bequemere Abstände zwischen edeneinzelnen Elektroden und eine kleinere Kaltkapazität zwischen Kathode und Steuergitter. Es besteht aber noch ein weiterer Vorteil. Die Röhren-für die Schaltung nach Abb. 2 brauchen nämlich nur zwei Gitter zu erhalten. Erfahrungsgemäß müssen bei hohen Frequenzen zwischen Hochfrequenzspannung führenden Elektroden: immer möglichst zwei hochfrequenzmäßig geerdete Gitterelektroden neingeschaltet sein, um zu verhindern, daß die zu diesen geerdeten Elektroden fließenden Verschiebungsströme, eine Kopplung zwischen den Hochfrequenz führenden Elektroden verursachen. Bei der Schaltung nach Abb. i ruß daher praktisch immer eine Penthode Verwendung finden, selbstwenn mit Rücksicht auf die Sekundäremission kein Bremsgitter erfordiexlich wäre; bei der. Schaltung nach Abb.2 dagegen, bei der ja nur Kathode und Anode Hochfrequenzspannung führen, genügt eine Tetrode.
  • Bei Röhren, die in der Schaltung nach Abb.2 verwendet werden, ist für die Kopplung zwischen den Hochfrequenzelektroden nicht mehr die Teilkapazität Cga zwischen Steuergitter und Anode, Sondern die Teilkapazität Car, zwischen Anode und Kathode maßgebend, die möglichst klein, und zwar möglichst unter io-2 pF, gehalten. werden ruß. Solche Röhren müssen folglich einen ganz andersartigen Aufbau besitzen. Die zur Abschirmung der Teilkapazität Cak dienenden Elektroden müssen auf Erdpotential gelegt werden. Sie können unmittelbar mit dem Steuergitter oder auch Schirmgitter verbunden werden. Dabei ist bekanntenveise darauf zu achten, :daß die Teilkapazität CgQ < Cgk und die Teilkapazität Csok < CSGa ist (CSGk bzw. C$Ga = Kapazität zwischen Schirmgitter und Kathode bzw. Anode).
  • Die Energie für die Heizung der Glühkathode (direkt oder indirekt geheizt) ruß bei der Schaltung der Abb.2 über den Schwingungskreis i geführt werden, indem z. B. ,die Schwingspule aus mehreren verdrillten Adern oder auch aus einem Hohlleiter besteht, in dessen Innern die Heizseromzuleitungen liegen.
  • Es ruß noch einiges über den Diodenwiderstand im Inversionsgebiet gesagt werden. Neuere Untersuchungen haben ergeben, daß die Elektronengeschwindigkeit relativ hoch sein, und zwar etwa 15 bis 30 V betragen ruß, um eindeutig die Inversionseigenschaften hervortreten zu lassen. Soll also z. B. im ersten Inversionsgebiet (Laufzeitwinkel O= 2 n bis 3 z) einer Diode der Diodenwiderstand negativ werden, so ruß der Abstand Kathode-Anode so groß gewählt werden, daß bei 15 bis 3o V Anodenspannung der-Laufzeitwinkel ,gerade zwischen 27r und 3 9 liegt. Ist die Anodenspannung für diesen Laufzeitwinkel kleiner, so wird der Inversionseffekt verwaschen, da dann die Elektronenlaufzeit wegen .der verschiedenen Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen nicht mehr eindeutig ist. In solchen Fällen kann wohl der Diodenwiderstand im Inversions.gebiet sehr hoch positiv und auch sogar noch etwas negativ werden, erreicht aber nicht mehr den theoretischen Wert.
  • Für die Verwendung in der Schaltung nach Abb. z lassen sich nun auch noch besonders gut Gegentaktröhren bauen, die ja ,gerade bei hohen Frequenzen wegen der gegenseitigem Kompensation der Kapazitätsströme große Bedeutung -haben. Eine solche Gegentakttetrode besteht nach der Abb.3 aus zwei getrennten Kathoden I(, zwei durchgehenden, hochfrequenzmäßig zu erdenden Gittern G1, 0. und zwei getrennten Anoden A. Da die beiden Kathoden mit indirekter Heizung ausgebildet und auf ein gemeinsames Isolierröhrchen aufgeschoben sein können, wird dieser Aufbau besonders :einfach. Selbstverständlich ist @es vorteilhaft, auch die beiden Heizkörper für jede Kathode getrennt herauszuführen und die Zuleitungen des Heizstromes durch den Schwingungskreis zu führen, um störende Kapazitäten so klein wie möglich zu halten.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Schaltung zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen mit Hilfe einer Elektronenröhre mit einem oder mehreren Gittern, bei der die zu verstärkende Hochfrequenzspannung in die Kathodenzuleitung eingeführt wird und: die gitterföxmi;ge Elektrode bzw. Elektroden hochfrequenzmäßig geerdet sind, dadurch ;gekennzeichnet, daß die Betriebsbedingungen der Röhre so gewählt sind, daß die Entladungsstrecke zwischen der Kathode und dem benachbarten Gitter in einem bzw. in urimittelbarer :Fachbarschaft der Inversionsgebiete des dynamische Widerstandes dieser Diodenstrecke liegt. z. Schaltung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom der Glühkathode über den Steuerschwingungskreis zugeführt wird. ' 3. Elektronenröhre zur Verwendung einer Schaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenabstände, insbesondere der Abstand zwischen Kathode und dem ersten Gitter, relativ groß sind, derart, daß sich zum mindesten das erste Inversionsgebiet (Laufzeitwinkel 0=coz zwischen 2,-t und 3,-t) mit deutlich negativem Diodenwiderstand ausbildet. q.. Elektronenröhre für eine Schaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen Anode und Kathode bei Erdung der dazwischenliegenden Gitter kleiner als i0-2 pF ist. 5. Elektronenröhre für Gegentaktbetrieb in einer Schaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Kathoden und diesen zugeordnete Anoden und wenigstens zwei sich durch beide Entladungsbahnen erstreckende Gitter vorhanden sind. 6. Elektronenröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden mittelbar durch getrennte Heizkörper geheizt werden. 7. Elektronenröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenschichtträger auf einem gemeinsamen keramischen Rohr angeordnet und die Heizwiderstände nach verschiedenen Seiten aus dem Rohr herausgeführt sind.
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