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Einrichtung zur trägheitsfreien Verstärkungsgradsteuerung in Ho chfrequenzsystemen
Für eine Anzahl hochfrequenztechnischer Probleme, insbesondere für die Impulsecholotung,
ist es wichtig, über Einrichtungen zur trägheitsfreien Verstärkungsgradsteuerung
zu verfügen, die im Gegen.satz zu einer kontinuierlichen Verstärkungsgradregelung,
wie sie beispielsweise bei der Fadingregulierung vorgenommen wird, eine sprunghafte
Änderung des Verstärkungsgrades innerhalb extrem kurzer Zeiten von großen auf kleine
Werte, und umgekehrt, gestatten, ohne daß durch den Steuervorgang Ein- und Ausschwingvoigänge
ausgelöst werden, wie sie beispielsweise Koppftingsglieder verursachen.
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Eine Verstärkungsgradsteuerung, bei der diese Forderung gegeben ist
und die gleichzeitig auch ohne Einfluß auf die Frequenzcharakteristik des Verstärkers
ist, hat bei spielsweise hohe Bedeutung bei der Durch führung der Impulsechomethode.
Diese arbeitet bekanntlich folgendermaßen: Von einem Ultrakurzwellen- oder Dezimeterwellensender
werden, möglicherweise gerichtet, Impulse ausgesendet, die von extrem kurzer Dauer
sind, beispielsweise 10-6 his io-7 Sekunden. Die in dieser Weise ausgesandten Wellenpakete
werden an einem Objekt, dessen Vorhandensein, oder Entfernung nachgewiesen werden
soll, reflektiert, Diese Reflektionen werden von einem Empfänger hoher Empfindlichkeit,
der möglicherweise ebenfalls gerichtet arbeiten kann, aufgenommen.
Der
Empfänger ist ebenso wie der Sender so ausgebildet, daß er Modulationsfrequenzen
bis zu IoG bzw. Io7Hz in dem obigen Beispiel frequenzunabhängig verstärkt.
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Dann ist die Schärfe der Impulse an der Ausgangsseite des Empfängers
von etwa der gleichen Güte wie die Schärfe des Steuerimpulses im Sender; man kann
mit hoher Genauigkeit mit Hilfe eines Elektronenstrahloszillographen, beispielsweise
mit Hilfe des Polarkoordinatenoszillographen, den Zeitabstand zwischen Hauptimpuls
und Echoimpuls messen. Auf diese Weise wird, da die Laufgeschwindigkeit der Wellen
bekannt ist, die Entfernung des reflektierenden Objektes bestimmt, und bei den genannten
Impulsschärfen sind heute schon grundsätzlich Wellenwege von nur wenigen Metern
Länge ausreichend, um Hauptsignal und Echo trennen zu können.
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Der Grund dafür, daß praktisch die Trennung von Hauptsignal und Echo
bei weitem nicht so weit erreicht werden kann, wie dies theoretisch zu erwarten
wäre, liegt darin, daß das Hauptsignal selbst bei Anwendung einer Richtwirlçung
bei Sender und Empfänger das Echosignal um Größenordnungen an Feldstärke übertrifft.
Man hilft sich hier meist so, daß Sender und Empfänger räumlich vonein ander getrennt
werden. Dies bedeutet jedoch eine wesentliche Verkomplizierung des Verfahrens, und
nicht immer ist die räumliche Trennung möglich. Eine Empfangsschaltung ohne Kopplungsglieder
und E.inschwingvorgänge, bei der auch enorme Übersteuerungen durch das Hauptsignal
keine Nachwirkungen haben würden, könnte allein durch die Tatsache des Zeitunterschiedes
die Trennung zwischen Hauptsignal und Echo gestatten.
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Aber auch bei einer solchen Schaltung würde das Überwiegen der Amplitude
des Hauptsignals die Ablesung der Zeitdifferenz gewaltig erschweren. Erst durch
eine nicht Einschwingvorgänge auslösende und trägheitsfreie Verstärkun;gsgradsteuerung
könnten diese Schwierigkeiten behoben werden. Der Empfangsverstärker würde dann
während der Dauer des Hauptsignals mit sehr kleinem Verstärkungsgrad zu arbeiten
haben und sofort nach Beendigung des Hauptsignals mit vollem Verstärkungsgrad. Dies
bedeutet, daß die Verstärknngssteuerung innerhalb einer Zeit von der Größenordnung
Ioff bis Io" Sekunden den Verstärkungsgrad um einige Größenordnungen heben muß.
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Bei den üblichen Verstärkeranordnungen, bei denen eine Verstärkungsgradändernng
durch eine sprunghafte Anderung bei Gitterspannung einer Regelröhre vorgenommen
wird bzw. bei denen der Steuervorgang begleitet wird von einer Änderung der Gleichstrom-
oder Gleichspannungsarbeitspunkte, sind Ein- und Ausschnvingvorgänge unvermeidlich.
Bei normalen Verstärkerröhren entstehen bei einer plötzlichen Verstärkungsgradänderung
um derart hohe Beträge. wie sie beispielsweise die Impulsechomethode erfordert,
vielfach auch insofern Schwierigkeiten, als die Wechselstromkomponente des Anodlenstromes
stets mit einer beträchilichen Gleichstromkomponente verknüpft ist. Soweit bisher
bekannt ist, kann man mit ihnen nur entweder langsam vor sich gehende Verstärkungsgradregelungen
ohne Einschwingvorgänge vornehmen, die auch nur im Niederfrequenzbereich genügend
frequenzunabhängig sind (z. B. durch in Gitterkreisen liegende Potentiometer), oder
aber man muß. wenn man mit den an sich trägheitsfrei arbeitenden üblichen Elektronenröhren
eine sprunghafte Verstärkungsgradsteigernng innerhalb der erwähnten kurzen Zeit
vornehmen will, die zwangläufig auftretenden und meist sehr störenden Ein- und Ausschwingvorgänge
in den Kopplungsgliedern in Kauf nehmen.
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Jedenfalls bereitet die Unterdrückung oder Vermeidung dieser nachteiligen
Ein- und Ausschwingvorgänge bei den normalen Verstärkerschaltungen kaum überwindbare
Schwierigkeiten.
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Es ist bekannt, daß sich bei Sekundärelektronenvervielfachern der
Verstärkungsgrad durch Änderung der Fokussierung zwischen den einzelnen, ohne Sopplungsglieder
lediglich durch Elelitronenkopplung miteinander im gleichen Vakuum verbundenen Stufen
regeln läßt.
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Es sind auch Verstärkereinrichtungen bekannt, welche eine Gleichrichtung
und Sekundäremissionsverstärkung im gleichen Vakuum eines Elektronenstrahlrohres
mit Glühkathode vornehmen, ohne daß znvischen Gleichrichterteil und Verstärkerteil
besondere Kopplungsgl ieder erforderlich sind.
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Hierbei wird der von der Glühkathode emittierte Elektronenstrom durch
ein geeignetes Spannungsgefälle so weit beschleunigt, daß er durch ein Linsensystem
zu einem schmalen Strahlenbündel konzentriert und durch ein Steuerelektrodenpaar
von der zu verstärkenden Wechsel spannung in einer Ebene nach zwei entgegengesetzten
Richtungen ablenkbar ist. Unmittelbar vor der gleichzeitig die erste Parallelektrode
des Sekundärelektronenverstärkerteiles darstellenden Anode ist eine Blende angeordnet,
die mit zwei nach entgegengesetzten Richtungen sich öffnenden keilförmigen Durchbrechungen
versehen ist.
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Liegt an den Ablenkelektroden keine Spannung, so trifft der Elektronenstrahl
die LIitte dieser Blende, so daß auf die dahinterliegende Anode entweder keine Elektronen
auftreffen oder daß die durch die Blendenausschnitte
hindurchtretenden
Ele.ktronenstrahlen(bü,schel gleich stark sind. Durch eine dachförmige Ausgestaltung
der Anode werden die Strahlenbündel zwei gleich ausgebildeten Sekundärelektronenverstärkersystemen
zugeführt, die sich im gleichen Vakuum befinden. Bei einer Ablenkung des Elektronenstrahles
im positiven Sinne durch die an die Ablenkplatten angelegte Spannung verschiebt
sich das Stärkeyerhältnis der auf die dachförmig geneigten Hälften der ersten Sekundärkathode
auftretenden Elektronenstrahlenbüschel nach der einen, bei einer Ablenkung im negativen
Sinne nach der anderen. Seite. Auf diese Weise werden die beiden Hälften des Wechselstroms
wie beim Gegentaktverstärker getrennt verstärkt.
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Diese Einrichtung erfordert eine verhältnismäßig hohe Beschleunigungsspannung
für den Elektronenstrahl. Da bekanntlich die Beeinflußbarkeit eines Elektronenstrahlenganges
mit der Größe der Elektronlenlges,chwindiig!keit abnimmt, ist es außerdem schwierig,
sehr kleine Wechselstromamplitnden unmittelbar zu verstärken. Die Ansprechempfindlichkeit
dieser bekannten Verstärkeranordnung ist also verhältnismäßig gering.
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Durch die Erfindung werden die obenerwähnten Forderungen für eine
trägheitsfreie Verstärknngsgradsteuerung dadurch erfüllt, daß mindestens der erste
Teil der Verstärkeranordnung aus einem mehrstufigen Sekundärelektronenvervielfacher
besteht und die Verstärkungsgradsteuerung durch eine Änderung der Fokussierung in
diesem Sekundäremissiongsverstärker erfolgt, der mit dem Eingangsgleichrichter ohne
mit Zeitkonstante behafteten Kopplungsgliedern ausschließlich durch Elektronenkopplung
im gleichen Vakuum verbunden ist.
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Auf diese Weise läßt sich eine völlig von Ein- und Ausschwingvorgängen
freie Verstärkungsgradsteuerung vornehmen. Außerdem wird durch die Elektronlenkopplung
des Einga-ngsgleichrichters mit dem Sekuodärelektronenvervielfacher der weitere
Vorteil erreicht, daß man. im Gleichrichterteil mit niedrigen Spannungen auskommt
und dadurch eine äußerst empfindliche Verstärkeranordnung verhält. Dabei ist es
zweckmäßig, in den S ekundärelektronenvervielf acher ein Diodensystem einzubauen,
das bekanntlich schon bei ganz niedrigen Diodenspannungen von nur einigen Volt arbeiten
kann. Als besonders. vorteilhaft erweist sich hierbei die Möglichkeit, im Anlaufstromgebiet
zu arbeiten, in dem sich eine äußerst steile Charakteristik erreichen läßt. Die
Elektronenkopplung zwischen dem Seku,ndäremissionsverstärker und dem Eingangsgleichrichter,
z. B. dem Diodensystem, kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß die Anode
der Diodenstrecke durchlöchert ist und eine mehr oder weniger große Anzahl Elektronen
auf die erste Sekunr därkathode des Sekundäremissionsverstärkers auftrifft. Die
trägheitslose und nicht von Ein- und Ausschwingvorgängen begleitete Empfindlichkeitssteuerung
kann bei diesem Verstärker auf verschiedenste Weise erfolgen.
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Bzi den Sekundäremissionsverstärkertypen, wo die Fokussierung der
5 ekundärelektronen auf die folgende Fangelektrode durch elektrostatische Mittel
erfolgt, kann die Verstärkungsgradsteuerung in der Weise geschehen, daß die Fokussierspannung
verändert wird.
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Diese Steuerung ist bei vielstufigen Einheiten verhältnismäßig empfindlich,
da bei diesen der Verstärkungsgrad bei schlechter Fokussierung außerordentlich schnell
abnimmt. Selbstverständlich muß, wenn die Steuerung trägheitsffei sein soll, die
Fokussierspannung an den verschiedenen. Elektroden auch trägheitsfrei veränderbar
sein. Da die Fokulssierelektrodlen eine unvermleildlliche Eilgenkapazi,tät besitzen,
darf der Spannungsteiler bzw. der innere Generatorwiderstand für die Fokussierspannung
nicht zu hochohmig gewählt werden.
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Bei der Echolotung geschieht die Herabregelung des Verstärku1lgsgrades
während der Zeit des Hauptsignals am besten durch eine Spannung, die unmittelbar
von dem Impulse geber am Sender, der zwangläufig kleinen Innenwiderstand haben muß,
abgezweigt wird.
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Der Sekundärem.issionsverstärker kann beispielsweise in der Zworykinschen
Bauart ausgeführt sein. An die Endstufe des Sekundäremissionsverstärkers kann eventuell
unter Zwischenschaltung eines Verstärkers normaler Bauart ein Oszillograph angeschaltet
werden.