DE843431C - Verfahren und Anordnung zur Modulation von ultrakurzen Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Modulation von ultrakurzen Wellen in einem Hohlleiter oder in einer Speiseleitung mit Hilfe von Raumladungsröhren, wie Magnetrons, Bremsfeldröhren usw., sowie auf Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren. Als Ausführungsbeispiel wird der Grundgedanke der Erfindung in seiner Verwirklichung mittels eines Magnetrons beschrieben.

Zunächst sei erwähnt, daß bei einem gesperrten zylindrischen Magnetron die Elektronen, welche die Anode nicht erreichen, im Inneren eines Zylinders kreisen, dessen Durchmesser zwischen dem Durchmesser der Kathode und dem der Anode liegt; an der Oberfläche dieses Zylinders befindet sich eine sehr erhebliche Elekronenladung.

Legt man dann zwischen Kathode und Anode ein hochfrequentes elektrisches Feld, so schwingen die Elektronen der Raumladung mit der Frequenz des Feldes radial, und die Theorie sowie der Versuch zeigen, daß diese Schwingung in Resonanz mit einer bestimmten Frequenz gelangen kann, welche von der Größe des magnetischen Feldes H abhängt. Die Kreisfrequenz der Resonanzfrequenz eH

ist annähernd <o₀ =

wobei das Verhältnis der

TO

Ladung zu der Masse eines Elektrons bezeichnet. Theorie und Versuch zeigen auch, daß in der Nähe der Resonanz die scheinbare Kapazität des Magnetrons sich sehr schnell ändert, wenn die Kreisfrequenz ω des Hochfrequenzfeldes sich nach beiden Seiten von ω₀ ändert.

Andererseits ist die Ladungsdichte in einem die Kathode umgebenden zylindrischen Raum eine Funktion der Anodenspannung, und die Änderung der scheinbaren Kapazität des Magnetrons ist selbst eine Funktion der Anodenspannung, wenn die Kreisfrequenz ω des Feldes konstant bleibt. Die folgenden Erläuterungen an Hand der Zeichnung zeigen, in welcher Weis« die Erfindung diese Eigenschaften zur Modulation eines UKW-Senders ίο ausnutzt.

Fig. ι zeigt schematisch die Anordnung eines Senders, der ein Strahlungssystem ül)er eine mit einem Resonator gekoppelte Speiseleitung speist; Fig. 2 zeigt die Änderungen des Übertragungskoeffizienten der Welle als Funktion der Verstimmung d des Resonators;

Fig. 3 zeigt eine Kurvenschar der Änderungen des Übertragungskoeffizienten für verschiedene Werte des magnetischen Feldes in Abhängigkeit so von der Anodenspannung V;

Fig. 4 zeigt schließlich eine vollständige Anordnung gemäß der Erfindung, während in

Fig. 5 und 6 einige Einzelheiten wiedergegeben sind.

In Fig. ι ist E ein Sender, der seine Energie auf ein Strahlungssystem K über eine Speiseleitung G überträgt, die zweckmäßig aus. einem elektromagnetischen Hohlleiter besteht. Dieser wird von einer fortschreitenden Welle durchlaufen und ist mit einem Resonator r gekoppelt, der l>eispielsweise durch eine Leitung gebildet wird, die an ihrem Ende durch die Kapazität C eines Magnetrons abgeschlossen ist. Stimmt man diesen Resonator auf die Sendefrequenz ab und wählt man seine Überspannung bei Belastung in passender Weise, so kann man eine nahezu vollkommene Reflexion der ankommenden Welle erreichen. Die Kurve, welche den Übertragungskoeffizienten T der Welle als Funktion der Verstimmung d des Resonators wiedergibt, nimmt dann die durch Fig. 2 angegebene Form an. Sie zeigt eine Einbuchtung, die um so spitzer ist, je loser die Kopplung des Resonators mit der Speiseleitung ist. Der Übertragungskoeffizient kann von einem Wert, der bei A sehr nahe an 1 kommt, bis zu einem Wert gehen, der bei B sehr nahe an ο ist, und zwar um so plötzlicher, je größer die Änderung der Kapazität C des Resonators um die Resonanz ist.

Mit einem solchen Resonator r kann man die in Fig. 3 wiedergegebene Kurvenschar erhalten. Auf den Abszissen ist die dem Magnetron des Resonators zugeführte Anodenspannung V und auf den Ordinaten der Übertragungskoeffizient T des Resonators aufgetragen. Jede Kurve der Schar entspricht einem Wert des magnetischen Feldes H, ausgedrückt in Gauß, der dem Wert des magnetischen Feldes nahekommt, welches die Resonanz erzeugt. Der Wert t des Übertragungskoeffizienten entspricht dem Fall, in welchem der Anode keine Spannung zugeführt wird. Man wird vorzugsweise eine mittlere Spannung ν wählen, die einem mittleren, auf einer Charakteristik ab' gelegenen Punkt M entspricht, und man erhält die Modulation, indem man der Anode des Magnetrons eine veränderliche Spannung zuführt, deren maximale Änderungsamplitude gleich av = bv ist.

Wie aus-Fig. 3 ersichtlich, umfaßt diese Kurvenschar quasilineare Kurven, _#welche sehr erhebliche Modulationsgrade in der Größenordnung von 80¹Vo ohne nennenswerte Verzerrung zulassen.

Andererseits kann das modulierende Magnetron eine so kleine Kapazität haben, daß es, da seine Impedanz bei den hohen Modulationsfrequenzen groß bleibt, ohne merkliche Dämpfung die Modulation z. B. mit sehr schnellen Fernsehsignalen ermöglicht.

Schließlich liegt ein besonders wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Systems darin, daß das Magnetron den Sender moduliert, ohne Leistung zu absorbieren. Die Charakteristiken der Fig. 3 wurden nämlich alle bei Spannungen aufgenommen, die sehr weit unter der Spannung liegen, die zur Entriegelung der Röhre erforderlich ist, und praktisch übersteigt der Anodenstrom kaum 1 mA.

So hat man beispielsweise festgestellt, daß bei einem Magnetron mit einer Kathode von 4 mm Durchmesser und einer Anode von 10 mm zur Modulation einer Welle von 20 cm ein magnetisches Feld von annähernd 500 Gauß und eine Anodenspannung von 250 V benutzt werden mußte, wobei die Amplitude der Modulationsspannung 125 V betrug, um eine totale Modulation zu erreichen. In diesem Fall lag die Leistung, die für die mit einer Niederfrequenzempfangspentode erzielte Modulation erforderlich war, in der Größenordnung von nur 0,5 W.

Aber etwa die Hälfte der von der ankommenden Welle mitgeführten mittleren Leistung wird auf den Sender zurückgesandt. Daraus folgt eine Änderung der Belastung des Generators. Um sie zu vermeiden, sieht die Erfindung einen doppelten Modulator vor, dessen Grundgedanke der folgende ist: Der Sender wird mit zwei Speiseleitungen oder zwei elektromagnetischen Hohlleitern belastet, so daß jede von diesen die Hälfte der Energie überträgt. An jeden dieser Hohlleiter ist symmetrisch ein Resonator gekoppelt. Die Kapazitäten dieser Resonatoren werden durch je ein Magnetron gebildet, dessen Anodenspannung moduliert wird. Das erste Magnetron empfängt die zu übertragende modulierte Spannung, das zweite eine komplementäre Spannung, so daß die Summe dieser beiden Spannungen konstant bleibt. Unter diesen Bedingungen unterliegt der Sender einer konstanten Belastung. »15

Die Verfahren, welche die Durchführung dieser beiden komplementären Modulationen ermöglichen, sind im übrigen zahlreich. Man kann beispielsweise für die Übertragung von Telefoniesignälen einen Transformator verwenden, dessen Sekundärwicklung mit ihrem Mittelpunkt an Masse liegt, oder man kann auch eine Gegentaktverstärkung vorsehen usw.

Wenn es sich um sinusförmige oder um TeIefoniesignale handelt, ist es unerheblich, ob man dem Strahler die eine oder die andere der komple-

mentären Modulationen zuführt. TTandelt es sich hingegen um die Übertragung von Fernsehsignalen, so kann man für die Übertragung auf den Luftleiter nur die richtig modulierte Welle verwenden. Die komplementär modulierte Welle wird ausgeschaltet, indem man den sie übertragenden Hohlleiter mit seinem Wellenwiderstand abschließt. Dieser kann entweder durch einen an das Ende des Hohlleiters angepaßten Strahler, der die Energie

ίο in einer Richtung abstrahlt, die von derjenigen des Empfängers verschieden ist, oder durch einen an das Ende des Hohlleiters angepaßten Widerstand gebildet werden.

Bei gewissen Problemen der Leitstrahltechnik, bei welchen man häufig zwei komplementäre Modulationen benutzt, die durch zwei verschiedene Luftleiter übertragen werden, deren Strahlungsdiagramme sich schneiden, wird man dieses Modulationsverfahren mit großem Vorteil anwenden, da die komplementären Modulationen, weil keine mechanische Umschaltung stattfindet, sehr schnell sein können.

Zu Anfang wurde erwähnt, daß dieses Modulationsverfahren mit anderen Arten von Röhren verwendet werden kann, bei welchen die Hochfrequenzkapazität zwischen zwei Elektroden Änderungen unterliegt, wenn die Spannung der einen Elektrode in bezug auf die andere schwankt. Insbesondere kann man das Magnetron durch eine Bremsfeldröhre ersetzen. In dieser Röhre ist nämlich wie in dem Magnetron eine Raumladung vorhanden, die mit einer bestimmten Frequenz in Resonanz kommen kann. Die Wirkung, die hervorgebracht wird, wenn man die Spannung derBremselektrode oder diejenige des Beschleunigungsgitters verändert, ist derjenigen analog, die bei dem Magnetron beobachtet wurde.

Es ist wohlbemerkt nicht möglich, alle Ausführungsformen der Erfindung zu beschreil>en. Als Beispiel wird eine von ihnen l>eschriel>en.

Gemäß Fig. 4 ist der Sender E, beispielsweise eine Röhre mit Geschwindigkeitsmodulation, mit einem Hohlleiter (,' mit rechteckigem Querschnitt gekoppelt, der auf der Frequenz, des Senders nur die /Z₀₁-WeIIe übertragen kann. Die Kopplung geschieht durch eine Antenne α, die im Innern eines Elementes des Hohlleiters strahlt, das auf einer Seite durch einen Kolben /', auf der anderen durch einen passenden Spalt /·' geschlossen ist. Die ganze Anordnung ist so angepaßt, daß der Sender unter den gewünschten Bedingungen l>elastet wird.

Der erwähnte Hohlleiter teilt sich in zwei Hohlleiter ι und 2 durch Zwischenlage einer metallischen Trennwand Q. Es ist dafür zu sorgen, daß an dieser l'nstetigkeit keine Reflexion der ankommenden Welle stattfindet, indem man im Bedarfsfalle fliese Reflexion durch eine geeignete Anpassungscinrichtung /) zum Verschwinden bringt. In jeden der Hohlleiter 1 und 2 strömt dann die Hälfte der ankommenden Energie.

Danach werden die von 1 und 2 übertragenen Energien komplementär moduliert, indem man zwei ! symmetrisch angeordnete, konzentrische Leitungen L₁ und L₂ verwendet, deren mittlere Leiter mit der Metallwand Q durch Vermittlung eines ebenen Kondensators S in Verbindung gebracht werden. An die l>eiden anderen Enden der konzentrischen Leitungen werden zwei gleiche Magnetrons M₁ und M₂ angeschlossen, deren Anoden (X₁ und <z₂ mit den mittleren Leitern L₁ bzw. L₂ verbunden werden und deren Kathoden ß₁ und ß₂ in Verbindung mit den äußeren Teilen von L₁ und L₂ stehen. In Fig. 4 sind außerdem bei ^₁ und μ₂ die Magnete der Magnetrons und bei ^₁ und j>₂ ihre zugehörigen Heiz"kreise dargestellt. Fig. 5 zeigt im einzelnen die Verbindungen des einen oder des anderen der Magnetrons AZ₁ oder AZ₂.

Andererseits werden die Anodenspannungen der beiden Magnetrons AZ₁ und AZ₂, welchen sich die Modulationsspannungen überlagern, mit Hilfe von zwei Leiterdrähten f_x und /₂ zugeführt (Fig. 6), die senkrecht zu dem elektrischen Feld'9? angeordnet und mit je einer Elektrode des Kondensators 5" verbunden sind. Diese Drähte f_t und f₂ sind aus dem Hohlleiter durch eine Isolierung herausgeführt.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt der Fig. 4 senkrecht zu der Ebene dieser Figur auf der Höhe des Kondensators Λ'.

Schließlich ist der Zweig 1 des Hohlleiters der Fig. 4, welcher die für die Übertragung geeignete Modulation erhält, durch den Strahler K abgeschlossen, der ein elektromagnetischer, durch eine geeignete Korrektionseinrichtung D₁ angepaßter Hornstrahler' ist, während der Zweig 2, der die zu ι komplementäre Modulation aufnimmt, durch einen mittels eines Spaltes F₁ und eines Kolbens P₁ angepaßten Widerstand R abgeschlossen ist.

An Hand dieses Ausführungsbeispieles ergeben sich die wichtigsten Vorteile der UKW-Modulation gemäß der Erfindung wie folgt:

1. Da der Sender nicht moduliert wird, bleibt seine Frequenzstabilität sehr groß, und sein Arbeitspunkt kann unter den günstigsten Bedingungen gewählt werden. Im allgemeinen wird es daher nicht nötig sein, ihn zu steuern. i°5

2. Die Modulation kann sehr schnell sein, da sie nach den hohen Frequenzen nur durch die Kapazität der Elektroden der Modulatorröhre begrenzt ist. Man kann daher z. B. Fernsehsignale durchgeben. Da jedoch der Sender nicht moduliert wird, "° braucht das Modulationsband nicht durch die Kreise des Hochfrequenzgenerators hindurchzugehen, die folglich eine große Güte erhalten können, die für den Wirkungsgrad und die Wellenstabilität des Generators günstig ist.

3. Die Energie, die zur Modulation von Leistungen, die mehrere hundert Watt sein können, 1>enötigt wird, bleibt sehr gering (in der Größenordnung von ι W), da diese Energie nur zur Veränderung der Kapazität der Röhre durch Verschiebung der Raumladung benutzt wird.

4. Die Modulatorröhre absorbiert nicht die von dem Sender erzeugte Energie, sie kann daher kleine Abmessungen und folglich sehr niedrige Herstellungskosten haben. ia'5

5. Man kann die von einem einzigen Generator

erzeugte Energie einer großen Anzahl von Speiseleitungen oder Hohlleitern zuführen und in jedem dieser Hohlleiter völlig unabhängig modulieren. Diese Maßnahme kann zur Durchführung einer Mehrfachverbindung mit einer großen Kanalzahl Anwendung finden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Modulation von ultrakurzen ίο Wellen, die von einem Hohlleiter oder einer Speiseleitung übertragen werden, wobei die Modulation durch Veränderung der Verstimmung eines mit dem Hohlleiter oder der Speiseleitung verbundenen Resonators erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator mit einer Raumladeröhre, vorzugsweise mit einem Magnetron, benutzt und diese so geregelt wird, daß die Schwingungen der Raumladung bei einer Frequenz eintreten, die wenigstens am nähernd der Frequenz der zu modulierenden Wellen gleich ist.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Generator zur Erzeugung von ultrakurzen Wellen und einen diese Wellen übertragenden Hohlleiter aufweist, wobei eine mit dem Hohlleiter gekoppelte Raumladeröhre so eingestellt ist, daß die Schwingungen der Raumladung bei einer Frequenz eintreten, die wenigstens annähernd der Frequenz der von dem Generator erzeugten Wellen gleich ist.

3. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator zur Erzeugung von ultrakurzen Wellen und zwei Hohlleiter vorgesehen sind, die je die Hälfte der von diesem Generator ausgesandten Energie aufnehmen, wobei zwei mit je einem Hohlleiter gekoppelte Raumladeröhren die von je einem der beiden Hohlleiter übertragenen Wellen in komplementärer Weise modulieren.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die l>eiden Raumladeröhren zwei Magnetrons sind, deren Anoden je eine von zwei Modulationsspannungen zugeführt wird, deren Summe konstant ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Luftleiter, vorzugsweise Hornstrahler, vorgesehen sind, die durch je eine der in den beiden Hohlleitern modulierten Wellen erregt werden und deren Richtungsdiagramme getrennt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftleiter die in einem der beiden Hohlleiter modulierten Wellen aufnimmt .und mit dem anderen Hohlleiter eine Einrichtung verbunden ist, welche die in diesem Hohlleiter übertragene Energie absorbiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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