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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.