DE738823C - Frequenzwandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Frequenzwandler, insbesondere auf Vorrichtungen zum Verdreifachen hoher Frequenzen im Kurzwellen- und UKW-Bereich.
Es ist bekannt, Frequenzwandler durch Ausnutzung des zwischen der Gitterspannung und dem Anodenstrom bestehenden niehtlinearen Verhältnisses oder auch des nichtlinearen Verhältnisses zwischen Gitterspan- nung und Gitterstrom einer Vakuumröhre arbeiten zu lassen, um Oberwellen der aufgeprägten Schwingung zu erzeugen. Die von solchen Anordnungen abgegebenen Ströme enthalten Komponenten der gewünschten Frequenz oder Frequenzen, die durch geeignete Mittel, etwa scharf abgestimmte Filter, ausgesiebt werden. Solche Verfahren der Frequenzwandlung haben ihrem Wesen nach nur einen geringen Wirkungsgrad, sie sind umständlich und kostspielig und außerdem nicht fähig, Ausgangssignaie von einer mit dem aufgeprägten Signal im wesentlichen gleichen Wellenform zu liefern.

Auch sind Anordnungen zur' Frequenzvervielfachung bekannt, bei denen eine Multivibratorschaltung mit der zu vervielfachenden Frequenz angestoßen wird, die etwa Sinusform aufweist. Die vom Multivibrator gelieferte Spannung in Form von Rechteckimpulsen wird hierbei an einem Parallelschwingungskreis einer nachgeschalteten Verstärkerröhre abgegriffen. Die dort erhaltene Spannung hat sinusähnlichen Verlauf. Bei dieser Anordnung treten jedoch Diskontinuitäten im Verlauf der erhaltenen Sinusspannung auf, die sich durch über mehrere Perioden oder über Periodenteile erstreckende Verringerungen der Amplitude der Sinusspannung bemerkbar machen.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Frequenzvervielfachung ohne die Nachteile der früher zu diesem Zweck vorgesehenen Anordnungen durchzuführen.

Der Hauptzweck der Erfindung ist deshalb die Schaffung eines durch Einfachheit und hohen Wirkungsgrad gekennzeichnieten

verbesserten Verfahrens zur Vornahme der Frequenzvervielfachung und der Mittel zu seiner Durchführung.

Gemäß der Erfindung wird die Schwingung, deren Frequenz geändert werden soll, zwei Kanälen zugeführt, von denen der einie einen größeren zeitlichen Abschnitt jeder Schwingungsperiode durchläßt als der andere. Die Ausgänge der beiden Kanäle werden derart vereinigt, daß eine Schwingung entsteht, deren Frequenz ein Vielfaches der ursprünglichen Frequenz ist.

Bei der vorliegenden Erfindung wird also im Gegensatz zu den als bekannt vorausgesetzten Anordnungen in den verschiedenen Kanälen zwar Teile der Eingangsspann_tung abgeschnitten bzw. verstärkt, jedoch wird die Kurvenform selbst nicht verändert.

In einer brauchbaren Ausführungsform der ao Erfindung enthält der Frequenzwandler zwei Paare gleichartiger Vakuumröhren. Die Röhren des einen Paares sind im wesentlichen bis zum Kennlinienknick und die Vakuumröhren des zweiten Paares auf ein Mehrfaches dieses Wertes vorgespannt. Ein Teil der an einem auf die Frequenz der Eingangsschwingung abgestimmten Resonanzkreis auftretenden Spannung wird zwischen die Steuerelektroden des. ersten Paares der Vakuumröhren gelegt, und die an dem Eingangsresonantzkreis auftretende Gesamtspannung wird zwischen die Steuerelektroden des zweiten Paares gelegt. Der Ausgangskreis enthält einen Resonanzkreis, der auf das Dreifache der Frequenz des Eingangssignals abgestimmt ist. Die Endpunkte dieses Resonanzkreises sind an die Ausgangselektroden des einen Röhrenpaares unmittelbar angeschlossen, dagegen mit den Ausgangselektroden des anderen Röh-4 <j renpaares in Gegenphase verbunden. In der Zeichnung ist

Abb. ι eine schematische Schaltskizze eines

Frequenzwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung und Abb. 2 eine graphische Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit in einer Vorrichtung nach Abb. 1.

Der Frequenzverdreifacher nach Abb· 1 enthält vier Vakuumröhren 1, 2, 3 und 4, die im wesentlichen gleichartig sind. Jede der Röhren 1, 2, 3, 4 hat eine Kathode 5, die entweder direkt oder indirekt geheizt sein kann; diese Heizung ist in der' Zeichnung nicht dargestellt, um sie nicht unnötig verwickelt werden zu lassen. Die Röhren 1, 2, 3 und 4 enthalten je ein Gitter 6, 7, 8 und 9 und je eine Anode 10, 11, 12 und 13.

Die Kathoden 5 der Röhren 1 und 2 sind mit der in der Zeichnung-,angegebenen Polung an die Batterie 14 angeschlossen, über die sie geerdet sind. Die Kathoden 5 der Röhren 3 und 4 sind über die mit der in der Zeichnung angegebenen Polunig versehene Batterie 15 an den Pluspol der Batterie 14 angeschlossen.

Zwischen die Gitter 8 und 9 der Röhren 3 und 4 ist ein Resonanzkreis geschaltet, der eine Induktivität 16 und einen Kondensator 17 enthält. Der Kondensator 17 ist vorzugsweise verstellbar. Die Mittelanzapfung 18 der Induktivität ist geerdet. Die Gitter 6 und 7 der Röhren 1 und 2 sind an die Anzapfungen 19 bzw. 20 der Induktivität 16 angeschlossen. Eine Eingangswicklung 21 ist mit der Induktivität 16 gekoppelt und an die Eingangsklemmen 22 und 23 angeschlossen.

Ein eine Induktivität 24 und einen Kondensator 25 enthaltender Parallelresonanzkreis ist zwischen die Anoden 12 und 13 der Röhren 3 und 4 sowie in umgekehrter Reihenfolge zwischen die Anoden ι ο und 11 der Röhren 1 und 2 geschaltet. Der Kondensator 25 ist vorzugsweise verstellbar. Die Mittelanzapfung 26 der Induktivität 24' ist durch die Anodenbatterie 27, die die in der Zeichnung angegebene Polung aufweist, geerdet. Eine Ausgangswicklung 28 ist mit der Induktivität 24 gekoppelt und an die Ausgangsklemmen 29 und 30 angeschlossen.

Das zu vervielfachende Signal wird den Eingangsklemmen 22 und 23 zugeführt; seine Frequenz ist in der Zeichnung als f_x bezeichnet. Das Ausgangssignal ist in der Zeichnung durch /₃ dargestellt.

Die Spannung der Batterie 14 ist so bemessen, daß die Röhren 1 und 2 im wesentliehen auf den Kennlinienknick vorgespannt sind, und die kombinierte Spannung der in Reihe geschalteten Batterien 14 und 15 ist so hoch, daß die Röhren 3 und 4 auf ein Mehrfaches dieses Wertes vorgespannt sind. Der Resonanzkreis 16-17 ist auf die Frequenz Z₁ des Eingangssignals und der Re sonanzkreis 24-25 auf die Frequenz f, des Ausgangssignals abgestimmt.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung der Abb. ι ist an Hand der Kurven der Abb. 2 leicht verständlich. Diese Kurven sind alle auf dieselbe Zeitachse bezogen, wobei die Zeit, wie angegeben, nach rechts zunimmt. Die Kurve Z₁ zeigt den Anodenstrom der nö Röhre 1 an, der während der positiven Halbperiode der dem Gitter 6 dieser Röhre zugeführten Spannung des Eingangssignals durch die Induktivität 24 fließt. Die Kurve I₂ zeigt den entsprechenden Anodenstrom der Röhre 2 während der eine Halbperiode langen positiven Schwingung der ihrem Gitter 7 zugeführten Ausgangssignalspannung an. Der Anodenstrom in einer jeden der Röhren 1 und 2 fließt nur während einer Halbperiode des 12c Eingangssignals, da diese Röhren im wesentlichen auf den Kennlinienknick vorgespannt

sind. Infolge des Gegentakteinganges dieser Röhren fließt in dem Anodenstromkreis der einen Röhre kein Strom, sobald in dem Anodenstromkreis der anderen Röhre ein soleher fließt.

Die Kurve I₃ zeigt den Anodenstrom der Röhre 3 an, der durch die Induktivität 24 fließt. Da diese Röhre eine Vorspannung erhält, die ein Mehrfaches derjenigen der Röhre ι beträgt, fließt Anodenstrom nur während eines verhältnismäßig kleinen Teiles der positiven Halbperiode der dem Gitter 8 dieser Röhre zugeführten Eingangssignalspaniijung. Obgleich die dem Gitter 8 der Röhre 3 zugeführte Spannung mit der dem Gitter 6 der Rohre 1 zugefiihrten Spannung phasengleich ist, sind die entsprechenden durch die Induktivität 24 gehenden Anodenströme dieser Röhren infolge der umgekehrten Anschlüsse zwischen dem Resonanzkreis 24-25 und den - Röhren 1 und 2 in ihrer Phase entgegengesetzt. Die Kurve /₄ zeigt den Anodenstrom der Röhre 4. Die dem Gitter 9 der Röhre 4 zugefuhrte Spannung ist in ihrer Phase der dem Gitter 8 der Röhre -3 zugefiihrten !entgegengesetzt, und deshalb fließt der Strom Z₄ in entgegengesetzter Richtung wie der Strom J₃ durch die Induktivität 24.

Die Kurve In stellt den in dem Resonanzkreis 24-25 fließenden resultierenden Strom dar und entspricht also dem Ausgangssignal des Verdreifachers. Der durch die Kurve Ir dargestellte Strom hat die dreifache Frequenz des durch die Kurven I₁ und I₂ dargestellten Stroms, der in seiner Frequenz wiederum der Spannung des Eingangssignal entpricht.

Im Betrieb wird den Eingangsklemmen 22 und 23 aus einem geeigneten Schwingungserzeuger eine Spannung von der Frequenz Z₁ zugeführt. Wird angenommen, daß das Gitter 6 der Röhre 1 in einem gegebenen Augen-Mick auf dem Höchstwert seiner positiven Halbperiode sei, so fließt in dem Anodenstromkreis der Pvöhre 1 ein Strom, dessen

$5 Größtwert durch den Punkt 31 der Kurve I₁ angezeigt wird. In demselben Augenblick wird eine Spannung von gleicher Phase, aber größerer Amplitude dem Gitter 8 der Röhre 3 zugeführt, und dies hat zur Folge, daß in dem Anodensitromkreis der Röhre 3 ein Strom fließt, dessen Amplitude durch den Punkt 32 der Kurve /3 angezeigt wird. Wegen der obenerwähnten Umkehrung der Anschlüsse fließt der Anodenstrom der Röhre 3 durch die Induktivität 24 in 'einer Richtung, die der Richtung, des Anodenstroms der Röhre 1 entgegengesetzt ist. Die Ströme I₁ und /₃ ergeben in dem Resonanzkreis 24-25 einen Strom, der der aus der Addition der Ströme I₁ und /₃ Resultierenden im wesentlichen gleichwertig ist; doch ändert sich die Wellenform des Stroms etwas durch die Schwungradwirkung des Resonanzkreises 24-25, so daß sie der in der Abb. 2 durch die Kurve 1% graphisch dargestellten Sinuswellenform sehr nahe 'kommt. Da der nega- * tive Größtwert des Anodenstroms der Röhre 3 in demselben Augenblick auftritt wie der positive Größtwert des Anodenstroms der Röhre 1, hat der durch die Kurve 1% bezeichnete resultierende Strom für jede Spitze der einzelnen ihn bildenden Ströme drei Spitzen, und daher hat der Ausgangsstrom die dreifache Frequenz des von der Eingangsspannung herrührenden Stroms. Die Röhren 2 und 4 arbeiten mit Ausnahme des Phasengegensatzes jeweils ebenso-wie die Röhren 1 und 3 während der zweiten Halbperiode der Spannungswelle des Eingangssignals. Die in der Wicklung 28 induzierte und zwischen den Ausgangsklemmen 29 und 30 auftretende Spannung hat deshalb die dreifache Frequenz der den Eingangsklemmen 22 und 23 aufgeprägten Spannung.

Die Amplituden der positiven und negativen Halbwellen des sich ergebenden Stroms //,> hängen von den Amplituden der Ströme I₁ bzw. /3 (oder /₄ und I₂) ab, und die Amplituden der einzelnen Anodenströme wiederum von der den Gittern 6 und 7 der Röhren! 1 und 2 zugeführten Signalspannung, die in einem bestimmten Verhältnis zu der den Gittern 8 und 9 der Röhren 3 und 4 zugeführten Signalspannung steht. Die Anzapfungen 19 und 20 sind deshalb auf der Induktivität 16 so angeordnet, daß die positiven und negativen Halbwellen des sich ergebenden Stroms In im wesentlichen gleich sind.

Die Röhren 1, 2, 3 und 4 der Abb. 1 können durch ein einziges Paar Doppeltriöden ersetzt werden. Wenn die Röhren 1 und 2 durch eine einzige Doppeltriode und die Röhren 3 und 4 durch eine gleichartige zweite Röhre ersetzt werden, so können die Doppeltrioden mit je einer gemeinsamen Kathode versehen sein. Wenn die Röhren 1 und 3 aber durch eine einzige Doppeltriode ersetzt werden und die Röhren 2 und 4 durch eine zweite Doppeltriode, dann müssen die Doppeltrioden für jeden der Triodenteile eine besondere Kathode haben.

Die Frequenzbereiche, in denen die Vorrichtung benutzbar ist, sind grundsätzlich durch die Elektrodenkapazitäten der verwendeten Röhren begrenzt. Es ist keine Neutralisierung erforderlich, um ein stabiles Arbeiten ' der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erzielen. Versuche beweisen, daß die neue Vorrichtung praktisch und zur Vervielfachung von Eingangssignalen mit Frequenzen bis hinauf zur Größenordnung von MHz beson- _% ders gut geeignet ist.

Während frühere Frequenzvervielfacher, die mit Gitterverzerrung arbeiteten, eine überaus hohe Antriebsleistung erforderten und einen Anodenwirkungsgrad von nur 20 bis 300/0 hatten, erfordert die der vorliegenden Erfindung entsprechende Vorrichtung nur eine verhältnismäßig kleine Antriebsleistung und hat einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad im Anodenstromkreis. Dieser hohe Wirkungsgrad ist darauf zurückzuführen, daß zwar die Röhren 1 und 2 als gewöhnliche B-Verstärker arbeiten, die Röhren 3 und 4 infolge ihres kleineren Arbeitswinkels aber unter noch vorteilhafteren Bedingungen. Da-

is durch, daß man die vier Röhren als C-Verstärker arbeiten läßt, kann man einen noch höheren Wirkungsgrad erzielen.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Frequenzwandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung, deren Frequenz geändert werden soll, zwei Kanälen zugeführt wird, von denen der eine einen größeren zeitlichen Abschnitt der Schwingung durchläßt als der andere und daß die Ausgänge der beiden Kanäle derart vereinigt werden, daß eine Schwingung entsteht, deren Frequenz ein Vielfaches der ursprünglichen Frequenz ist.
2. 2. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden Kanäle in Gegenphase vereinigt werden.
3. 3. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kanal den größeren zeitlichen Abschnitt der Schwingung mit einer Amplitude überträgt, die kleiner ist als diejenige, mit der der andere Kanal den kleineren Abschnitt überträgt.
4. 4. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Kanal jeweils halbe Perioden der Schwingung, in dem anderen Kanal nur ein Teil einer halben Periode verstärkt wird.
5. 5. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Kanäle durchsetzenden Schwingungen mit derartiger Amplitude vereinigt werden, daß eine resultierende Schwingung höherer Frequenz mit gleich großen negativen und positiven Amplituden entsteht.
6. 6. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanäle aus je zwei Verstärkerröhren bestehen und daß die Vorspannung der beiden Röhrenpaare verschieden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   BERUN. GEMUCKT IN DEIi