DE818815C

DE818815C - Impulsgenerator

Info

Publication number: DE818815C
Application number: DEP28882D
Authority: DE
Inventors: Elmo E Crump; Lawrence George Kersta
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1942-10-01
Filing date: 1948-12-31
Publication date: 1951-10-29
Also published as: GB595319A; US2416718A; NL72475C; CH258731A; GB595312A; GB595317A; ES175214A1; BE468127A; BE468049A; GB585359A; NL80744C; BE472898A; FR57176E; FR929568A; DE811967C; FR55270E; NL81365C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Impulsgeneratoren, insbesondere auf solche für die Tastung oder Modulation von UKW-Funksendern zur Aussendung periodisch wiederkehrender, kurzer Impulse hoher Leistung.

Verschiedene Systeme, beispielsweise Entfernungsmessungs- und Objektortungssysteme, verwenden periodische Hochleistungsimpulse von UKW-Funkwellen. Solche Impulse können von sehr kurzer Dauer sein im Vergleich zu den Intervallen zwischen den Impulsen: Infolgedessen ist der Durchschnittsleistungsbedarf aus der Primärstromquelle sehr niedrig, selbst bei hohen Spitzenleistungen. Andererseits muß das System in der Lage sein, den hohen Augenblicksleistungsanforderungen während des Impulses selbst zu genügen.

Es ist Gegenstand der Erfindung, einen wirksamen und wirtschaftlichen Impulsgenerator zu schaffen.

Eine allgemeine Form eines Impulserzeugungssystems, die sich bei Geräten obengenannter Art als nützlich erwiesen hat, ist die, bei der das Grundprinzip der Wirkungsweise das einer Doppel-

energiespeicbefufig ist, wobei die Energie von der Primärquelle zuerst im magnetischen Feld eines Induktionssystems gespeichert und dann auf einen Speicherkondensator übertragen wird, von dem sie auf den Lastkreis entladen wird. Dementsprechend umfaßt der aktive Teil einer Betriebsperiode drei Abschnitte, den der Induktivitätsladung, den der Kapazitätsladung und den des Impulses. Um diesen Arbeitszyklus zu erzielen, sind zwei getrennte Schaltvorgänge oder etwas Gleichwertiges erforderlich: erstens die Übertragung der Energie von der magnetischen zur elektrischen Speicherung und zweitens für die endgültige Entladung der Last während der Impulsperiode.

In Abb. 5 des Hauptpatentes 811 967 ist eine Art einer Schaltung für die Erzielung eines zweiten Schalt- oder Übertragungsvorganges gezeigt, wobei eine nichtlinear arbeitende Selbstinduktion verwendet wird. Im Betrieb eines solchen Systems

so wirkt diese nichtlineare Spule als ein Schaltelement, welches durch den durch dieses fließenden Strom gesteuert wird auf Grund der Tatsache, daß ihre Induktivität eine rasche Änderung von einem hohen auf einen vernachlässigbaren niedrigen Wert eras leidet, wenn ihr Kern vom nicht gesättigten in den gesättigten Zustand übergeht. Die nichtlineare Spule wird während der Kondensatorladungsperiode mit Strom beliefert und muß während dieser Periode im ungesättigten Zustand gehalten werden.

Eine wirksame Arbeitsweise erfordert, daß sie ihren Sättigungspunkt zu der Zeit erreicht, in der der Speicherkondensator seine maximale Ladung erhält. Dies und andere Faktoren, wie z. B. die Begrenzung des Stromabflusses durch die nichtlineare Spule, haben nicht nur die genaue Bemessung der Schaltelemente, sondern auch die Verwendung von Hilfskreiseinrichtungen erforderlich gemacht. Bei einigen Systemen dieser allgemeinen" Form hat sich erwiesen, daß die Zufuhr eines Vorspannstromes in die nichtlineare Spule wünschenswerte Ergebnisse zeitigt. Die Anwendung solcher Systeme kann einige Beschränkungen haben, besonders, wo der Bedarf der Leistungszufuhr ein Steuerungsfaktor ist.

Gemäß einem Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird die Wirkungsweise der nichtlinearen Spule eines Impulserzeugungssystems von der Form der obenerwähnten Anmeldung durch die Verwendung einer RC-Kombination gesteuert. Der Kondensator schafft einen Weg niedrigen Widerstandes für die Zufuhr der Impulsleistung zum Lastkreis. Gleichzeitig wird seine Kapazität so niedrig gemacht, daß sie die nichtlineare Spule während der Induktivitätsladungsperiode nicht weit in den gesättigten Bereich wirken läßt, da sonst Energie verloren ginge und der für die Schaffung dieses Stromweges verwendeten Vakuumröhre Arbeitsbeschränkungen auferlegt würden. Der Widerstand hat die Aufgabe, während der Induktivitätsladungsperiode den Strom in der nichtlinearen Spule auf einem solchen Wert zu halten, daß die Sättigungszeit der Spule der Zeit entspricht, welche für den Speicherkondensator erforderlich ist, seine maximale Ladung aufzunehmen und außerdem einen ausreichenden Widerstand vorzusehen, der den Strom auf einem Wert unter dem Sättigungswert begrenzt. Diese Erfordernisse sowohl für den Kondensator als auch für den Widerstand können mit verhältnismäßig unkritischen Werten erfüllt werden.

Diese und andere Ziele, Kennzeichen und Ge-Sichtspunkte der Erfindung sollen nun unter Bezugnähme auf die nachfolgende, ins einzelne gehende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen dem besseren Verständnis zugeführt werden.

Fig. ι ist ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 und 3 sind Kurven, die die Wirkungsweise der Erfindung darstellen.

In dem System der Fig. 1 wird die Erfindung für die Erzeugung periodisch wiederkehrender, kurzer Impulse von Hochleistungsultrakurzwellen verwendet. Zur Veranschaulichung ist der UKW-Generator als Vielschlitzmagnetron 10 bekannter Bauart dargestellt. Bei dieser Oszillatorbauform bildet die Anode 11 eine äußerliche Abschirmung oder Umschließung, die zweckmäßig auf Erdpotential gehalten wird. Wenn die Röhre einem durch den Magneten 12 gelieferten Magnetfeld ausgesetzt und eine hohe Gleichspannung zwischen der Anode 11 und der elektronenemittierenden Kathode 13 angelegt wird, werden Hochleistungsschwingungen einer Frequenz erzeugt, die durch den inneren Aufbau der Röhre bestimmt ist. Diese Schwingungen können durch eine Schleife 14 aufgenommen und durch eine koaxiale Leitung 15 auf eine nicht gezeichnete Antenne übertragen werden.

Der Zweck des übrigen Teils des Kreises ist, periodisch wiederkehrende Gleichstromimpulse zu erzeugen, die zwischen der Anoden und der Kathode 12 angelegt werden, um die entsprechenden Impulse der Ultrahochfrequenzschwingungen hervorzurufen. Diesem Impulserzeugerkreis widmet sich die vorliegende Erfindung.

Die Primärstromquelle ist die Batterie 17, obgleich auch andere Stromquellen, wie ein Generator oder Gleichrichter, sich bei den meisten praktischen Anwendungsformen der Erfindung als zweckmäßig erweisen werden. Der Stromfluß aus der Batterie 17 wird durch die Vakuumröhre 19 gesteuert, deren wesentliche. Funktion im System die eines Schaltelementes ist. Die Röhre ist normalerweise durch no die ihrem Gitter aus der Batterie 24 zugeführte negative Spannung auf Anodenstromsperrung vorgespannt. Die Arbeitsweise der Röhre wird durch die positive Spannung gesteuert, die ihrem Gitter durch den Rechteckwellengenerator 23 zugeführt wird. Wechselweise könnte die Röhre 19 durch eine vom Rechteckwellengenerator 23 gelieferte negative Spannung im Ausschaltezustand gehalten und während des Teils der Arbeitsperiode, in dem die Spannung gleich Null oder positiv ist, leitend gemacht werden.

Eine lineare Induktivität τ8 ist im Anodenkreis der Röhre 19 in Serie mit der Batterie geschaltet. Während der Induktivitätsladungsperiode wird Energie im Magnetfeld dieser Spule gespeichert. Nach der Abschaltung der Röhre 19 wird diese

Energie auf die Speicherkapazität 20 übertragen. Eine Diode 21 schafft einen Weg für diesen Lade-Strom und verhindert, daß Impulse von falscher Polarität am Magnetron auftreten.
Eine nichtlineare Induktivität 22 ist vorgesehen, um den zweiten Schalt- oder Energieübertragungsvorgang zu bewirken, d. h. die Entladung der Speicherkapazität 20 durch das Magnetron 10. Diese Spule 22 hat das besondere Merkmal, daß ihre Induktivität für geringe Flußdichten hoch ist und sich ganz plötzlich auf einen vernachlässigbaren niedrigen Wert in ihrem Sättigungszustand ändert. Eine Bauform für eine solche Spule kann aus einer Toroidwicklung auf einem Kern aus spiralig gewundenem Band einer Molybdän-Nickel-Eisen-Legierung bestehen.

Eine Kapazität 25 ist in Serie mit der Induktivität 22 und ein Widerstand 26 ist zwischen die positive Klemme der Batterie 17 und einer Klemme der Induktivität 22 geschaltet. Kapazität und Widerstand haben die Aufgabe, die Steuerung der nichtlinearen Induktivität 22 bei ihrer Schaltfunktion zu unterstützen in der Weise, daß der gewünschte Arbeitsvorgang erzielt wird. Dieser Vorgang soll nachstehend bei der Beschreibung einer Arbeitsperiode des Systems näher erläutert werden.

Die bifilare Spule 27 schafft eine Vorrichtung zur Belieferung der Kathode 13 des Magnetrons mit Heizstrom ohne Verwendung eines kostspieligen Isolationstransformators. Diese Spule hat eine hohe Impedanz für die die Impulslängen darstellenden hohen Frequenzen und eine niedrige Impedanz bei der niedrigen Frequenz der Wechselstromquelle, die den Heizstrom liefert. Die weitere Aufgabe der Spule ist, in Verbindung mit der Laderöhre 21 Schwingungen im Impulskreis zu verhindern, wie im Hauptpatent beschrieben.

Die Arbeitsweise des Systems soll im nachstehenden unter Bezugnahme auf die erklärenden Kurvenschaubilder der Fig. 2 und 3 beschrieben werden, bei denen die verschiedenen Spannungen und Ströme im System über der Zeit aufgetragen sind. Für diese Beschreibung wird angenommen, daß der Kreis bereits für mehrere Arbeitsperioden vor dem Zeitpunkt t_v zu dem der Arbeitsteil der Arbeitsperiode beginnt, gearbeitet hat. Während des Ruheteils der Arbeitsperiode, zur Zeit t_v war die Röhre 19 gesperrt und die Kapazität 25 im wesentliehen auf die Spannung der Batterie 17 geladen. Zur Zeit I₁ wird die Spannung von der Quelle 23 positiv und bleibt, wie in Fig. 2 gezeigt, positiv bis zur Zeit i₂. Während dieser Periode von t₁ bis i₂ ist die Röhre 19 leitend und Strom fließt durch ihren Emissionsweg. Dieser Strom I₁ der Fig. 3 baut sich infolge der hohen Induktivität, die durch die Spulen 18 und 22 im Anodenkreis der Röhre liegen, langsam auf. Die Hauptkomponente dieses Stromes wird durch die Batterie 17 über die Spule 18 geliefert. Die über die Spule 22 gehende Komponente wird zuerst in der Hauptsache durch die Ladung auf dem Kondensator 25 geliefert. Die Kapazität dieses Elementes ist so gewählt, daß seine Ladung schnell verbraucht wird, ohne daß die Spule weit in den Sättigungsbereich hineinkommt. Die Wirkung dieser Entladung auf den Kondensator 25 ist durch den Knick A in der Stromkurve der Fig. 3 gezeigt. Von diesem Punkt an wird der Strom durch die Spule22 durch den Widerstand 26 bestimmt, der einen solchen Wert erhält, daß er den Strom durch die Spule 22 etwa auf dem Sättigungspunkt oder unmittelbar darunter hält.

Zur Zeit t₂ wird das Gitter der Röhre 19 auf einen solchen Wert gebracht, daß der Strom plötzlich abgeschaltet wird. Der induktive Strom muß einen anderen Weg, nämlich über den Speicherkondensator 20 und die Ladediode 21, suchen. Als Ergebnis wird der Kondensator 20 durch die in der Spule 18 während der vorhergehenden Periode gespeicherte Energie geladen. Während dieser Periode ändert sich der Strom in der nichtlinearen Spule ebenfalls. Die sich auf dem Kondensator 20 aufbauende Spannung vermindert zuerst den Strom in der Spule 22, kehrt ihn dann um und bringt schließlich die Spule 22 in ihren Sättigungsbereich im entgegengesetzten Sinn zu dem während der Zeit, in der die Röhre 19 leitend war. Sobald dieser Sättigungszustand erreicht ist, fällt die Impedanz der nichtlinearen Spule 22 lauf einen sehr niedrigen Wert ab und liefert einen Weg niedrigen Wider-Standes für die Entladung des Kondensators 20 über den Magnetron 10.

Die nichtlineare Spule 22 ist so bemessen, daß die Zeit, die erforderlich ist für den Stromwechsel von dem Punkt, auf dem sie durch den Widerstand 26 während der Ein-Zeit der Röhre 19 gehalten wird, bis zum Sättigungspunkt gleich ist der Zeit, die für den Kondensator 20 zur Aufnahme der maximalen Ladung erforderlich ist. Dies kann durch die richtige Bemessung von Volumen und Querschnitt des Kerns und der Windungszahl der Wicklung geschehen, und diese Werte können so gewählt werden, daß die Magnetisierung der Spule während des Energieübertragungszeitraumes im wesentlichen wechselt von der Sättigung in der einen Richtung zur Sättigung in der anderen Richtung.

Daraus ergibt sich, daß die Werte des Kondensators 25 und des Widerstandes 26 in beiden Fällen ein Kompromiß «ein müssen. Der Kondensator 25 muß daher klein genug sein, daß die Ladung, die er während der Abschaltezeit der Röhre 19 ansammelt, die nichtlineare Spule nicht sehr weit in den Sättigungsbereich bringt, wenn sie während der Ein-Zeit der Röhre verbraucht wird. Der Kondensator 25 muß aber auch im Vergleich mit dem Kondensator 20 groß genug sein, so daß nicht ein beträchtlicher Energieanteil während der Impulsentladung verloren geht. In ähnlicher Weise muß der Widerstand 26 ausreichend groß sein, um den Einschaltstrom durch die Spule 22 auf einen Wert zu begrenzen, der unterhalb dem Sättigungspunkt liegt, und doch einen ausreichend niedrigen Widerstandswert haben, damit der Strom sich bis zu einem Punkt aufbauen kann, der den Sättigungswert erreicht. Es ist möglich, diese Anforderungen mit

verhältnismäßig unkritischen Werten für beide Elemente zu erfüllen.

Bei einer Ausführungsforin der Erfindung, die

in der Praxis sehr zufriedenstellend gearbeitet hat, wurden folgende Kreiskonstanten verwendet:

Quelle

oder Batterie 17

Spule 18

Spule 22 im

ungesättigten Bereich

Spule 22 im

vernachlässigbar,
220 Mikromikrofarad,
0,0025 Mikrofarad,
18000 Ohm,
etwa i7oMikrosekund.,

= 1200 Volt,

= 220 Millihenry,

= 1-1,3 Henry,

gesättigten Bereich
Kondensator 20
Kondensator 25
Widerstand 26
Ladeperipde (J₁-J₂)
Impulsfrequenz

= etwa 1650 pro Sekunde.

Claims

Patentansprüche:

ι . Verbesserungs- oder Abänderungsform des elektrischen Impulsgenerators nach dem Hauptpatent 811 967 unter Verwendung einer nichtlinearen Steuerinduktivität, die bei Sättigung nach Beendigung der Übertragung der induktiven Energie auf den Speicher kondensator zur Entladung des Speicherkondensators über den Lastkreis dient, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreis mit der nichtlinearen Induktivität ein Kondensator vorgesehen ist, der während der Ruheperiode aus der Hauptenergiequelle geladen wird und sich über die nichtlineare Induktivität während der Speicherperiode der induktiven Energie entlädt und einen solchen Wert hat, daß ein niedriger Wert für den Sendeimpuls über die nichtlineare Induktivität zum Lastkreis geschaffen wird und niedrig genug ist, daß seine Entladung während dieser Periode die nichtlineare Induktivität nicht weit in ihren Sättigungsbereich bringt, und ein Widerstand im Kreis mit der Hauptencrgiequelle und der nichtlinearen Induktivität von einem solchen Wert, daß der Strom in der nichtlinearen Induktivität während der erwähnten Periode etwa auf dem Sättigungspunkt oder unmittelbar darunter gehalten wird.
2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand einen solchen Wert hat, daß die Sättigungszeit der nichtlinearen Induktivität der Zeit entspricht, die für den Speicherkondensator zur Aufnahme seiner maximalen Ladung erforderlich ist.
3. Impulsgenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule, in der induktive Energie gespeichert ist, parallel mit der nichtlinearen Induktivität geschaltet ist und Strom von der Hauptstromquelle über die Drosselspule und den erwähnten Widerstand während der Periode der Speicherung der induktiven Energie fließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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