DE868627C - Magnetrondetektoranordnung fuer in der Amplitude modulierte Ultrakurzwellen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 26. FEBRUAR 1953

C 4122 Villa 121 a^l

Ultrakurzwellen

Die Erfindung bezieht sich auf die Detektion von sehr kurzen Wellen und betrifft insbesondere ein für diese Anwendung besonders ausgebildetes Magnetron mit Resonanzhohlräumen.

Kristalldetektoren, die gegenwärtig fast ausschließlich für die Detektion bei Ultrahochfrequenz benutzt werden, können ohne Beschädigung nur sehr kleine Eingangssignale aufnehmen und liefern daher nur eine sehr geringe gleichgerichtete Energie.

Die Erfindung hat einen aus einem Magnetron bestehenden Detektor zum Gegenstand, der nicht beschädigt werden kann, wie groß auch die Eingangsleistung ist, und der selbst bei erheblichen Eingangsleistungen keine Sättigung zeigt.

Weiterhin bezweckt die Erfindung die Ausbildung eines Detektors, der einen Leistungsumsatz in weitem Bereich (von einigen Milliwatt bis mehrere ioo Watt) mit gutem Wirkungsgrad, d. h. mit einem günstigen Verhältnis zwischen gleichgerichteter Leistung und Eingangsleistung ermöglicht.

Ferner sieht die Erfindung einen Detektor vor, dessen Gleichrichtungsgesetz in Abhängigkeit von der Eingangsleistung annähernd linear ist, so daß die gleichgerichtete Spannung getreu und ohne Verzerrung demselben Modulationsgesetz folgt wie die einfallende Welle.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Magnetrondetektor, welcher die obenerwähnten Vorteile vereinigt und ein verhältnismäßig breites Durchlaßfrequenzband besitzt.

Schließlich erstreckt sich die Erfindung auf eine Detektorschaltung mit einem derartigen Magnetron,

die insbesondere bei Empfangsanordnungen mit Frequenzwechsel (Überlagerungsempfänger) anwendbar ist, bei welchem ein örtlicher Überlagerer benutzt wird, wie z. B. bei Radaranlagen. Gemäß der Erfindung umfaßt die Detektoranordnung ein Magnetron mit Resonanzhohlräumen der Bauart, bei welcher die benachbarten Hohlräume miteinander durch in der Masse des Anodenblocks angebrachte Einstiche oder Einschnitte verbunden sind,

ίο ein Kopplungsorgan, insbesondere eine mit einem Hohlraum des Magnetrons gekoppelte Schleife, um das in der Amplitude modulierte Ultrahochfrequenzsignal, welches gleichgerichtet werden soll, in den Wechselwirkungsraum der Röhre einzuführen, eine Impedanz in Reihe mit der das Magnetron speisenden Anodenstromquelle und Einrichtungen zur Entnahme der gleichgerichteten Spannung an den Klemmen dieser Impedanz, wobei die geometrischen Parameter des Magnetrons einerseits, das magnetische Feld und die Anodenspannung andererseits so gewählt sind, daß durch die Einführung des Hochfrequenzsignals der Anodenstrom eine merkliche Verminderung erfährt, die der Amplitude dieses Signals proportional ist.

Zu diesem Zweck ist das Magnetron so ausgebildet, daß es eine kleine Zahl von Hohlräumen, insbesondere vier Hohlräume aufweist. Diese Hohlräume sind zu dem zwischen Kathode und Anodenblock eingeschlossenen Wechselwirkungsraum weit geöffnet. Die Breite der Segmente oder Arme des Anodenblocks ist klein gegenüber der Breite der Hohlräume, insbesondere kleiner als 0,3. Andererseits ist das Verhältnis des Durchmessers der Kathode zu dem Innendurchmesser des Anodenblocks größer als 0,5 und kann sogar etwa an ι heranreichen.

Die Anodenspannung und das magnetische- Feld werden so geregelt, daß die Röhre in dem gesperrten, d. h. nichtschwingenden Zustand verbleibt und daß für ein gegebenes Hochfrequenzsignal die Änderung des abgegebenen Stromes möglichst stark ist. Diese letztere Bedingung wird erfüllt, wenn man das Magnetron in Elektronenresonanz bringt, d. h. wenn das Feld H den Elektronen eine solche Winkelgeschwindigkeit aufdrückt, daß die Kreisfrequenz der Raumladung wb = Hx — (wobei

das Verhältnis der

Ladung eines Elektrons zu seiner Masse ist) annähernd so groß ist wie die Kreisfrequenz ω der einfallenden WeUe.

In einer Abwandlung erstreckt sich die Erfindung ferner auf eine Anordnung für Frequenzumsetzung, ■ bei welcher der Magnetrondetektor die Rolle einer Mischstufe spielt, welche einerseits das ankommende Signal und andererseits die örtliche Schwingung aufnimmt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. ι ein Ausführungsbeispiel eines Magnetrondetektors gemäß der, Erfindung mit einer zügehörigen Schaltung,

Fig. 2 eine der Anordnung nach Fig. 1 entsprechende Kurvendarstellung,

Fig. 3 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung.

Nach Fig. 1 ist M ein im Schnitt dargestelltes Magnetron gemäß der Erfindung. Es besitzt eine zylindrische Kathode 1 und nur vier Hohlräume 2, welche aus dem Anodenblock 3 herausgearbeitet sind. Die kleine Anzahl der Hohlräume bezweckt eine Steigerung des Wirkungsgrades der Gleichrichtung.

Auf Grund dieser Anordnung kann der größte Teil der ankommenden Hochfrequenzleistung in den Raum eindringen, wo die Elektronen wirksam sind. Andererseits wird so die Form des elektromagnetischen Feldes in der Weise verändert, daß die die Gleichrichtung bewirkenden Komponenten des elektrischen Feldes vergrößert werden. Wie die Rechnung zeigt und der

Versuch bestätigt, nimmt das Verhältnis

dem Zwischenelektrodenraum pro Längeneinheit enthaltenen Energie zu der in einem Hohlraum enthaltenen Energie zu, wenn die Anzahl N der Hohlräume abnimmt.

Aus denselben Erwägungen sind die Hohlräume weit geöffnet, und ihre Länge übersteigt beträchtlich diejenige der Segmente oder Arme des Anodenblocks.

Die Kathode hat einen Halbmesser r „, der nur sehr wenig von dem Innenhalbmesser r_a des Anodenblocks

abweicht, so daß das Verhältnis — sehr nahe an 1

Va

kommt. Dieser Umstand trägt ebenfalls zur Steigerung der Wirksamkeit der Röhre bei. Es läßt sich

nämlich zeigen, daß das erwähnte Verhältnis

Wi

-~- der in _g

Wi .. -Wo ^mit

dem Verhältnis σ = — zunimmt.

Die benachbarten Hohlräume werden miteinander durch (nicht dargestellte) Kanäle oder Einschnitte verbunden, die in der Masse des Anodenblocks angebracht werden. Diese Anordnung verleiht der Röhre ein breites Durchlaßband in der Größenordnung von 100 MHz bei einer Frequenz von 3000 MHz.

Durch diese Einschnitte wird eine Gegenkopplung erzielt, welche das Rauschen in erheblichem Ausmaß vermindert.

Das Magnetron ist mit einer koaxialen Leitung oder einem Hohlleiter G gekoppelt, welcher die gleichzurichtende modulierte Welle empfängt und den gewünschten Bruchteil der Ultrahochfrequenzenergie in das Innere der Röhre leitet.

Zwischen den Elektroden der Röhre wird eine Spannung V angelegt und ein Widerstand von passendem Wert in Reihe mit der Quelle V geschaltet. Dieser Widerstand kann auch durch eine Impedanz ersetzt werden. Das magnetische Feld H wird auf Resonanz geregelt. Das Magnetron gibt dann den Strom I ab. Unter der Einwirkung des einfallenden elektromagnetischen Feldes nimmt der Strom I ab, und die von der Detektion herrührenden Spannungsänderungen werden an den Klemmen des Widerstandes R abgenommen.

Für eine gegebene Eingangsleistung und eine Spannung V kann dieser Strom annähernd Null werden, was dem Maximum des gleichgerichteten Stromes entspricht. Wenn man dann den Sättigungsstrom der

Detektorröhre erhöhen will, erhöht man die Spannung V, um die Stromabgabe / zu vergrößern, und dann regelt man von neuem das magnetische Feld ein. Unter diesen Umständen wird das Magnetron als negativer Widerstand arbeiten.

Bei dieser Wirkungsweise ist ersichtlich, daß die Hochfrequenzenergie nicht im eigentlichen Sinn in Gleichstromenergie umgeformt wird, im Gegensatz zu dem Vorgang, der sich bei einem Kristalldetektor abspielt. Sie wird vielmehr benutzt, um die zur Speisung der Röhre erforderliche Gleichstromenergie zu vermindern.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Magnetron hat die Herstellung eines Detektors für Ultrahochfrequenz ermöglicht, welcher die obenerwähnten Vorteile besitzt. Dieses aus Kupfer hergestellte Magnetron besaß vier Hohlraumsektoren mit einer Öffnung von 8o^;, wobei die Durchmesser der Kathode und der Anode 13 bzw. 16 mm waren, was einem Verhältnis von o,8 entspricht. Das Verhältnis zwischen Segment und Hohlraum betrug 0,10.

Bei einem mit diesem Magnetron vorgenommenen Versuch empfing ein Hohlleiter G (Fig. 1) eine durch ein Klystron erzeugte Welle von 3000 MHz, die mit Rechtecksignalen von 1000 Hz moduliert wurde. Das Magnetron war mit dem Hohlleiter durch eine koaxiale Leitung gekoppelt, die selbst mit diesem Hohlleiter durch eine Sonde S gekoppelt wurde. Die zwischen den Elektroden der Röhre angelegte Spannung betrug 350 V, das magnetische Feld hatte annähernd 1250 Gauß, und der Ruhestrom des Magnetrons betrug etwa 10 mA. Der Widerstand der Detektion bei seinem optimalen Wert betrug 30000 Ohm, und die an den Klemmen dieses Widerstandes abgenommene gleichgerichtete Leistung war 300 bis 400 mW bei einer ausgesandten Leistung von 1 Watt. Ein an den Klemmen des Widerstandes R angeschlossener Oszillograph hat die Feststellung ermöglicht, daß die Spannungsänderungen an den Klemmen dieses Wider-Standes auf Grund des Vorgangs der Detektion demselben Modulationsgesetz folgten wie die einfallende Welle. Der vorher geeichte Oszillograph hat es ferner ermöglicht, die modulierte Spannung zu messen und auf Grund dieser Messung und des Wertes des Wider-Standes R die gleichgerichtete Leistung zu berechnen. Fig. 2 zeigt die Änderung der unter diesen Umständen abgenommenen gleichgerichteten Leistung in Abhängigkeit von der Eingangsleistung.

Die Kurven der Fig. 3, welche mit dem bei diesem Versuch benutzten Magnetron aufgenommen wurden, erläutern die Wirkungsweise der Anordnung und veranschaulichen den erzielten Vorgang der Detektion. Die Kurven, welche den Anodenstrom I in Abhängigkeit von dem an die Röhre angelegten magnetischen Feld H bei Anwesenheit eines Hochfrequenzsignals wiedergeben, wurden für drei verschiedene Werte der Anodenspannung Va = 40 bzw. 180 bzw. 350 V gestrichelt eingetragen. Die voll gezeichneten Kurven sind diejenigen, welche mit denselben Spannungen erhalten wurden, wenn ein Hochfrequenzsignal in die Röhre geschickt wird. Die drei Kurven a, b, c entsprechen drei verschiedenen Hochfrequenzsignalen bei einer Anodenspannung von 350 V. Wie ersichtlich, wird durch Zuführung des gleichzurichtenden Signals der Anodenstrom vermindert und dieser Stromabfall ist besonders empfindlich bei einem genau bestimmten Wert des magnetischen Feldes H. Dieser Wert, welcher der Elektronenresonanz entspricht, ist 1250 Gauß bei einer Spannung Va = 350 V unter den Verhältnissen der Darstellung nach Fig. 3, welche zeigt, daß es darauf ankommt, die Bedingungen einer solchen Resonanz zu verwirklichen. Wenn der Arbeitspunkt bei Abwesenheit eines Signals sich bei P befindet, wird die Zuführung der Hochfrequenz ihn auf der Geraden PQ verschieben. _Er befindet sich dann bei A, wenn das Signal dasjenige der Kurve α ist, bei B bei einem Signal nach b, bei C bei einem Signal nach c usw. Der gleichgerichtete Strom oder die Stromänderung wird gemessen durch die Differenz

PQ-AQ=PA, PQ-BQ = PB, PQ-CQ = PC

usw. Man braucht also nur in den Anodenkreis einen Widerstand oder eine Impedanz einzuschalten, um an deren Klemmen eine veränderliche Spannung abzunehmen, welche demselben Änderungsgesetz folgt wie die Amplitude des der Röhre zugeführten Hochfrequenzsignals.

Die Kurve der Fig. 2 zeigt, daß die Beziehung zwischen der gleichgerichteten Leistung und der Eingangsleistung annähernd linear ist, abgesehen von den sehr schwachen Eingangssignalen.

Das Magnetron gemäß der Erfindung ist in einer großen Anzahl von verschiedenen Fällen anwendbar. Nur beispielsweise sei auf seine Verwendung als Detektor in Radarempfängern mit Überlagerungsverfahren hingewiesen. In diesem Falle besitzt das erfindungsgemäße Magnetron gegenüber dem bisherigen Verfahren mit Kristalldetektion die beiden folgenden Vorteile:

1. Man braucht nicht eine (den Sender bzw. Empfänger abwechselnd verriegelnde) Schutzeinrichtung mit einem hohen Verriegelungsgrad zu benutzen. Eine solche Schutzeinrichtung mit 20 db, welche ein breites Band aufweisen kann und leicht herzustellen ist, ist bei weitem ausreichend;

2. man kann einen sehr viel kräftigeren Überlagerer verwenden, entweder ein Reflexionsklystron mit starker Leistung oder ein besonders ausgebildetes Magnetron mit veränderlicher Frequenz. Unter diesen Umständen kann der Wirkungsgrad des Empfängers ,110 stark erhöht werden, und es wird eine geringere Verstärkung im Zwischenfrequenzverstärker erforderlich. Der Betrieb des Empfängers wird daher viel einfacher und das Rauschen der ganzen Anordnung kann herabgesetzt werden.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Magnetrondetektoranordnung für in der Amplitude modulierte Ultrakurzwellen, gekennzeichnet durch ein Magnetron mit Hohlraumresonatoren, die miteinander über Einschnitte verbunden sind, die in dem Anodenblock angebracht sind, ein Kopplungsorgan zur Einführung des gleichzurichtenden Ultrahochfrequenzsignals in den Wechselwirkungsraum des Magnetrons, eine Impedanz in

   Reihe mit der das Magnetron speisenden Anodenstromquelle und durch Einrichtungen zur Abnahme der gleichgerichteten Spannung an den Klemmen dieser Impedanz, wobei die geometrischen Parameter des Magnetrons und die Werte des magnetischen Feldes und der Anodenspannung so gewählt sind, daß durch die Zuführung des Hochfrequenzsignals der Anodenstrom eine zu der Amplitude dieses Signals proportionale Verminderung erfährt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetron vier Hohlräume besitzt, welche in den Wechselwirkungsraum zwischen Kathode und Anodenblock weit geöffnet sind, wobei das Verhältnis der Breite der Pole oder vollen Teile des Anodenblocks zu derjenigen der Hohlräume kleiner ist als 0,3 und das Verhältnis des Durchmessers der Kathode zu dem Durchmesser des Anodenblocks sehr nahe an 1 kommt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenspannung und das magnetische Feld so geregelt sind, daß das Magnetron nicht schwingt und sich in Elektronenresonanz befindet.

   Angezogene Diruckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 638 761.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   I 5725 2.53