DE950564C - Ultra-Hochfrequenz-Verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Ultra-Hochfrequenz-Verstärkerstufen und befaßt sich im besonderen mit dem Einfluß des Eingangsleitwertes auf die Übertragungscharakteristik.

Durch den Eingangsleitwert der gebräuchlichen Röhren, die in Ultra-Hochfrequenzstufen, z. B. für die Ultra-Hochfrequenz-Verstärkung benutzt werden, wird die Verstärkung wesentlich herabgesetzt. Bei Frequenzen oberhalb io Megahertz oder ungefähr dieser Größenordnung ist der Einfluß des Eingangsleitwertes einer gebräuchlichen Röhre bemerkbar, und bei Frequenzen über 50 Megahertz wird die Verstärkung in stärkerem Maße durch den Eingangsleitwert begrenzt als durch die Eigenkapazität der Röhre und der Schaltung. Der Grund hierfür Hegt darin, daß die Impedanz, welche am Eingangskreis der Stufe bei diesen Ultra-Hochfrequenzen gebildet werden kann, durch den Eingangsleitwert der Röhre begrenzt wird.

Bei Ultra-Hochfrequenz tritt auch im Röhreneingangskreis eine erhebliche scheinbare Kapazität auf, durch die eine noch weitergehende Verschlechterung der Übertragungseigenschaften der Röhrenschaltung herbeigeführt wird. Die Kapazität ist außerdem in hohem Maße von der Steilheit der Röhre abhängig. Obgleich Anordnungen zur Herabsetzung der Eingangskapazität sowie zu ihrer Stabilisierung bei Änderungen des Übertragungsleitwertes der Röhre in einer Ultra-Hochfrequenzstufe vorgeschlagen worden sind, haben sich diese Anordnungen zur Kompensation doch nicht bewährt, und einige Verfahren zur Stabilisierung der Eingangskapazität haben sogar eine

bedeutende Erhöhung des Leitwertes im Eingangskreis zur Folge gehabt. Es ist daher wünschenswert, eine Anordnung zu besitzen, welche bei derartigen Systemen die Eingangskapazität konstant hält und ferner den Leitwert des Eingangskreises der betreffenden Stufe herabsetzt.

Die Erfindung befaßt sich daher mit einer verbesserten Ultra-Hochfrequenz-Verstärkerstufe, deren Charakteristik durch den Eingangsleitwert der in der ίο Stufe liegenden Röhre nicht wesentlich begrenzt wird. Die Erfindung behandelt ferner einen Ultra-Hochfrequenz-Verstärker, der Mittel zur Stabilisierung bzw. zur Konstanthaltung der Eingangskapazität enthält; die Charakteristik der Stufe soll hierbei durch den Eingangsleitwert der benötigten Röhre nicht begrenzt werden.

Gemäß der Erfindung ist eine Ultra-Hochfrequenzstufe vorgesehen, die eine Röhre enthält, deren Eingangskreis eine Kathode, eine Kathodenleitung und eine Steuerelektrode aufweist. Die Eigenkapazität zwischen der Kathode und der Steuerelektrode erreicht bei diesen hohen Frequenzen großen Einfluß, und infolge der Laufzeit der Elektronen und der wirksamen Induktivität der Kathodenleitung wird ein bedeutender Leitwert im Eingangskreis des Systems bedingt. Entsprechend der Erfindung ist daher eine zusätzliche Induktivität im Ausgangskreis der Röhre vorgesehen; die Induktivität ist zwischen die Kathodenleitung der Röhre und ihre Steuerelektrode über einen Kondensator geschaltet. Die Konstanten des Kondensators und der zusätzlichen Induktivität sind in bezug auf die scheinbare Induktivität sowie die Induktivität der Kathodenleitung und die Eingangskapazität so gewählt, daß durch die sich an der zusätzlichen Induktivität bildende und mit der Steuerelektrode der Röhre über den Kondensator gekoppelte Spannung wenigstens ein wesentlicher Teil des Eingangsleitwertes der Stufe eliminiert wird.

In anderen Ausführungsformen der Erfindung sind Mittel zur Stabilisierung der Eingangskapazität der Stufe vorgesehen, die von den Variationen des Ubertragungsleitwertes der benutzten Röhre abhängen. Zusammen mit diesen wirken Mittel zur Eliminierung von wenigstens einem wesentlichen Teil des Leitwertes des Eingangskreises, der von der Laufzeit der Elektronen und der Eigeninduktivität der Kathodenleitung abhängig ist.

Fig. ι zeigt die Schaltung einer Verstärkerstufe, die die Erfindung enthält;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung bestimmter Arbeitscharakteristiken der Schaltung in Fig. 1; die Fig. 3 und 4 bringen Schaltungen von anderen Ausführungsformen der Erfindung, die in verschiedenen Anordnungen zur Stabilisierung der Eingangskapazität dienen.

Der Eingangsleitwert gebräuchlicher Röhren wird durch drei Faktoren bestimmt. Diese sind: erstens die dielektrischen Verluste der Röhrenisolatoren und des Röhrensockels; zweitens die Rückkopplung vom Anoden-Kathoden-Kreis zum Gitter-Kathoden-Kreis durch die Gitter-Kathoden-Kapazität der Röhre und die Selbstinduktivität der Kathodenleitung; die letztere ist den Eingangs- und Ausgangskreisen gemeinsam; drittens die Laufzeit der Elektronen in der Röhre. Die Komponente des Eingangsleitwertes, die von den dielektrischen Verlusten herrührt, ist im Vergleich zu derjenigen, die von der Rückkopplung durch die Gitter-Kathoden-Kapazität und die Selbstinduktivität der Kathodenleitung gebildet wird, gewöhnlich klein und ebenfalls klein im Vergleich mit der Komponente des Eingangsleitwertes, die von der Laufzeit der Elektronen in der Röhre abhängt.

Die Schaltung in der Fig. 1 enthält die Hauptprinzipien der Erfindung, welche dazu benutzt werden können, um die beiden zuletzt erwähnten Komponenten des Eingangsleitwertes zu kompensieren. In der Fig. 1 ist eine Ultra-Hochfrequenzstufe dargestellt, die eine Röhre 10 mit den Eingangsklemmen 11,12 und den Ausgangsklemmen 13,14 aufweist. Die Gitter-Kathoden-Kapazität der Röhre 10 wird durch den Kondensator 15 dargestellt. Dieser ist punktiert gezeichnet, da er gewöhnlich vollständig in der Eigenkapazität des Eingangskreises enthalten ist. Die Induktivität der Kathodenleitung der Röhre 10 wird durch die Induktivität 16 dargestellt. Diese ist ebenfalls gestrichelt eingezeichnet, da sie der Eigeninduktivität und der scheinbaren Induktivität entspricht. Die Impedanz des Ausgangskreises ist schematisch durch den Belastungskreis 17 angedeutet. Dieser liegt an den Ausgangsklemmen 13,14. Die an die Eingangsldemmen 11,12 zugeführte Spannung wird auf die Eingangselektroden der Röhre 10 mit Hilfe der gekoppelten Induktivitäten 18 und ig übertragen. Die Induktivität 20 liegt nur in dem Anoden-Kathoden-Kreis und ihr von der Kathode der Röhre 10 entfernt gelegener Anschluß ist über den Kondensator 21 mit dem Gitter der Röhre gekoppelt, um hierdurch den Leitwert zu eliminieren, der am Eingangskreis der Röhre 10 durch den Rückkopplungskreis, bestehend aus der Induktivität 16 und der Kapazität 15, bedingt wird. Durch die Induktivität 16 wird die wirksame Eigeninduktivität der Kathodenleitung der Röhre 10 bzw. die scheinbare Induktivität dargestellt, die in der Wirkung der Laufzeit der Elektronen in der Röhre 10 entspricht. Bei der Bemessung des Kondensators 21 ist darauf Acht zu geben, daß nicht vermeidbare Streukapazitäten des Eingangskreises schon mit einer gewissen Kapazität zwischen dem oberen Ende der Spule 19 und Masse gleichwertig sein können. Dem Kondensator 21 ist dabei ein entsprechend herabgesetzter Wert zu geben. Die Schirmgitter- und Anodenkreise der Röhre 10 sind mit der Kathode durch die Kondensatoren 22 und 23 verbunden.

Bei der Betrachtung der Arbeitsweise des gerade beschriebenen Kreises wird zuerst angenommen, daß der von der Laufzeit abhängige Eingangsleitwert vernachlässigt werden kann und daß der Eingangsleitwert des Systems nur durch die Rückkopplung über die Induktivität 16 bedingt wird, welche unter den angenommenen Bedingungen die Eigeninduktivität der Kathodenleitung der Röhre 10 und des Kondensators 15 darstellt. In den folgenden Formeln entsprechen die Symbole I, L und C dem Strom, der Induktivität und der Kapazität in bezug auf ein

bestimmtes Schaltelement, das durch den Index bezeichnet ist; m ist die Winkelfrequenz, und g_m stellt den Übertragungsleitwert zwischen der Steuerelektrode der Röhre io und allen anderen Elektroden dar, deren Ströme durch die Induktivität 20 fließen. Unter der Annahme, daß mit Y der Scheinleitwert des Eingangskreises der Röhre 10, rechts der gestrichelten Linie A in der Fig. 1 bezeichnet ist und daß eine Spannung E an der Induktivität 19 gebildet wird und daß

= Z_{

ist, so ist
weil

jm C₁₅

^E = IXsZ₁-I₂₀JmL₁₆

J- on —■

JmC₁

-Ίβ

Angenommen

2 — „· /-> +1^L₂Q

10) Coi

so ist

da

1 +

-y

Izo +Ιχ5

Aus den Gleichungen (4) und (6) folgt:

SW.L

angenommen

■^20

so ist

(i)

(4)

(5) (6) (7)

(8)

¹ (9)

1,1 , . — + —. (10)

gm L

■20

c_{l s}z₂

Unter den Bedingungen der Gleichung (9), von der die Gleichung (10) abgeleitet wurde, ist der Scheinleitwert Y des Eingangskreises, rechts von der gestrichelten Linie A, unabhängig von dem Übertragungsleitwert der Röhre 10 und stellt einen reinen Blindleitwert dar.

Aus der Gleichung (9) ist zu ersehen, daß

T — J —B- —L

■^20 — ■''ΙΟ -γ — *" ^ΔΧ

Für die in Frage kommende Ultra-Hochfrequenz wie auch L₁= und C₁= oberhalb der

sind L₂₀ und C₉

Signalfrequenz in Resonanz. (Dies ist für die gebräuchlichsten Röhren für Frequenzen, die innerhalb des Bandes von 40 bis 100 Megahertz hegen, zutreffend.)
Daher ist:

O) C

O)L₂

C₁

-20

(12)

Es ist somit klar, daß ein Kreis, der unter Berücksichtigung der angeführten Bedingungen dimensioniert ist, den Eingangsleitwert Null für die Röhre 10 bei irgendeiner Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Rückkopplungskreises und für irgendeinen Wert des Übertragungsleitwertes der Röhre 10 aufweist.

Die Charakteristiken für den Kreis in der Fig. 1 sind in der Fig. 2 gezeigt. Die normale Arbeitscharakteristik der in einem Kreise benutzten Röhre ist durch die Kurve B in der Fig. 2 dargestellt. Die Charakteristik der Schaltung in der Fig. 1, die den erwähnten Forderungen entsprechend dimensioniert ist, wird durch die Kurve C erläutert. Der übrigbleibende Eingangsleitwert, der noch nicht eliminiert ist, rührt von den dielektrischen Verlusten her, auf die bereits hingewiesen wurde. Das System in der Fig. 1 kann aber auch so gewählt werden, daß der Eingangsleitwert für irgendeine bestimmte Größe des Übertragungsleitwertes auf Null herabgesetzt wird; dies kann durch eine zusätzliche Erhöhung der Rückkopplung bewirkt werden, die also über den Wert hinausgeht, der zur Neutralisierung der Induktivität in der Kathodenleitung erforderlich ist. Die Charakteristik für diese Anordnung ist durch die Kurve D dargestellt.

Die vorstehende Untersuchung der Arbeitsweise der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung wurde auf Grund der Annahme vorgenommen, daß der von der Elektronenlaufzeit abhängige Leitwert vernachlässigt werden kann und daß nur die Rückkopplung durch die Eigeninduktivität 16 und die Kapazität 15 den Eingangsleitwert des Systems beeinflußt. Die Größen-Ordnung des Eingangsleitwertes einer gebräuchlichen Röhre ist verschiedentlich mathematisch abgeleitet worden. Es hat sich hierbei gezeigt, daß der Eingangsleitwert G_t bei den üblichen Röhren von der Laufzeit der Elektronen in der Röhre abhängig ist, wobei G_t = Fm ²g_m ; F ist hier eine Funktion der Laufzeit.

Die Funktion F ändert sich nur in geringem Maße mit den Variationen des Übertragungsleitwertes g_m und kann für den vorhegenden Zweck als konstant betrachtet werden. Der gesamte Eingangsleitwert G kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

= G_L+G_t=

Fg_n

(13)

Hierin ist Gi der Eingangsleitwert, welcher von der Induktivität der Kathodenleitung abhängt.

Füi G kann also der folgende Ausdruck gelten: G = o»C_1BL'_ieg_m. (14)

Hierbei ist mit £'₁₆ die fiktive Kathodenleitungs-Induktivität bezeichnet, welche für den gesamten Eingangsleitwert der Röhre den folgenden Wert hat:

(15)

Daher kann für gemessene Werte des linken Gliedes der Gleichung (14) der richtige Wert für L_ie zur Verwendung in Gleichung (12) errechnet werden, um so die Neutralisation des Eingangsleitwertes der Röhre zu erzielen. Dieser Wert wird eine genaue Kompensation für irgendeine Frequenz liefern, jedoch nur für eine Größe des Übertragungsleitwertes der Röhre. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß F sich etwas mit dem Übertragungsleitwert ändert. Indessen ist jedoch ein ausreichendes Maß der Neutralisation für einen großen Variationsbereich des Übertragungsleitwertes der Röhre 10 erreicht.

Die Schaltung in der Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen in der Fig. 1 nur darin, daß ein Kathodenwiderstand 24 hinzugefügt worden ist. Die gleichen Schaltelemente haben sonst die gleichen Bezugszeichen in den beiden Figuren erhalten. Ein derartiger Kathodenwiderstand ist in früheren Anordnungen dazu benutzt worden, um die Eingangskapazität einer Röhre zu stabilisieren. Da durch die richtige Bemessung des Widerstandes 24 zur Stabilisierung der Eingangskapazität der Stufe in der Fig. 3 der Eingangsleitwert nicht vollständig eliminiert wird, ist auch die Induktivität 20 vorgesehen, welche gemäß den oben angeführten Bedingungen dimensioniert sein muß. Die Schaltung bewirkt dann eine Herabsetzung des Leitwertes im Eingangskreis der Stufe auf einen sehr niedrigen Wert bei hohen Übertragungsleitwerten; ferner wird die Eingangskapazität über den gesamten Bereich stabilisiert.

Die Schaltung in der Fig. 4 entspricht ebenfalls im wesentlichen derjenigen in der Fig. 1, in beiden haben die Schaltelemente die gleichen Bezugszeichen. Die Schaltung Fig. 4 unterscheidet sich von der Fig. 1 darin, daß Vorkehrung getroffen ist, um eine verschiedene Vorspannung an das Steuergitter und an das Bremsgitter der Röhre 10 anzulegen. Das Verhältnis der angelegten Vorspannungen gestattet eine Änderung des Übertragungsleitwertes der Röhre 10 über einen gewünschten Bereich, außerdem wird die Eingangskapazität des Systems innerhalb des Variationsbereiches des Übertragungsleitwertes der Röhre 10 im wesentlichen konstant gehalten. Obgleich das Schirmgitter der Röhre 10 in der Fig. 4 mit der Kathode durch den Kondensator 23, wie in der Fig. 1, verbunden ist, kann der Kondensator 22 des Anodenkreises entweder mit der gemeinsamen Klemme zwischen den Induktivitäten 16 und 20 oder mit einer Anzapfung der Induktivität 20 durch einen Schalter 22' verbunden werden.

Bei Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltung in der Fig. 4 ist es ersichtlich, daß der Übertragungsleitwert der Röhre 10 über einen gegebenen Bereich verändert werden kann, während die Eingangskapazität durch eine geeignete Wahl der an das Steuergitter und Bremsgitter der Röhre 10 angelegten Vorspannungen konstant bleibt. Bei einer solchen Vorspannungssteuerung wird der Eingangsleitwert der Stufe merklich ansteigen, wenn die Vorspannungen der Röhre 10 erhöht werden. Um diese Variation des Leitwertes des Eingangskreises zu kompensieren, ist es daher notwendig, einen Strom in der Induktivität 20 vorzusehen, dessen Wirkung komplementär zu derjenigen der effektiven Induktivität 16 innerhalb des Variationsbereiches der Vorspannungen für die Röhre 10 verläuft. Der Schirmgitterstrom hat bei den Vorspannungsänderungen die gewünschte Charakteristik, und die Kreiskonstanten können daher entsprechend den oben angeführten Bedingungen gewählt werden, um einen verhältnismäßig konstanten Leitwert im Eingangskreis der Röhre 10 innerhalb des Bereiches des Übertragungsleitwertes zu erhalten, während gleichzeitig die Eingangskapazität verhältnismäßig konstant bleibt.

Bei einigen Röhren erhöht sich der Übertragungsleitwert schneller als der Eingangsleitwert bei ansteigenden Vorspannungen. Um hierbei die gewünschte komplementäre Charakteristik zu erhalten, läßt man den Anodenstrom durch einen Teil der Induktivität 20 fließen. Diese Anordnung wird durch die Betätigung des Schalters 22' in seine untere Stellung bewirkt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Röhrenschaltung für sehr hohe Frequenzen, in der zur mindestens teilweisen Kompensation des erhöhten Eingangsleitwertes der Röhre in dem Anoden-Kathoden-Kreis eine Impedanz eingeschalist, welche einerseits mit der Kathode und andererseits über einen Kondensator mit der Eingangselektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Impedanz im wesentlichen durch eine Induktivität gebildet ist und daß diese Induktivität (20) und der Kondensator (21) im Verhältnis zu der Induktivität (16) der Kathodenleitung und der Gitter-Kathoden-Kapazität (15) so bemessen sind, daß durch die von der zusätzlichen Induktivität (20) über den Kondensator (21) auf die Eingangselektrode rückgekoppelte Spannung die durch die Induktivität (16) der Kathodenleitung und die Gitter-Kathoden-Kapazität (15) bedingte Vergrößerung des Eingangsleitwertes zu einem wesentlichen Teil kompensiert ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer der zusätzlichen Induktivität (20) noch ein Kathodenwiderstand (24) vorgesehen ist, der so dimensioniert ist, daß die Eingangskapazität der Röhre innerhalb des Übertragungsbereiches angenähert konstant bleibt.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenwiderstand (24)

   mit der Induktivität (20) in Serie zwischen dieser und der Kathode geschaltet ist.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Induktivität (20) mit Anzapfungen zur Regelung der Kompensationsspannung versehen ist..

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 642 721 ; ENT, 1936, Bd. 13, H. 8, S. 265; Telefunken Hausmitteilungen, 1937, H. 77, S. 10; Philips Techn. Rundschau, April 1938, S. 110 und

   III.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   1 609 643 10.56