DE1303696C2 - Verstaerkungseinrichtung, vorzugsweise fuer sehr kurze elektromagnetische wellen - Google Patents

Description

a) Im Bereich des Nutzbandes ist die Übertragungsdämpfung der Siebschaltung weitgehend konstant und möglichst gering. ^ao

b) In dem (den) Übertragungsbereich(en) zwischen dem Nutzband und dem (den) daran angrenzenden Sperrbereich(en) nimmt im Fall eines frequenzhöheren Sperrbereichs im Vergleich zum Nutzband die Übertragungs- ^ϊ5 dämpfung der Siebschaltung etwa nach der Funktion

a_ft=*-MV(///o)^s-l+///_e)

zu bis u einem Grenzwert a_s, der etwas größer ist als der Wert, für den sich die geforderte Gegenkopplung ergibt, während im Fall eines frequ Miztiefp.ren Sperrbereichs, bezogen auf das NutzbaiA-i, der Verlauf der Übertragungsdämpfung hierzu spiegelbildlieh ist; darin bedeuten a_h die Übertragungsdämpfung in Neper, k einen Faktor zur Bestimmung von a_h und a_g, f die laufende Frequenz und /„ die Grenzfrequenz der für das Nutzband ausgelegten Siebschaltung.

c) In den Sperrbereichen der Siebschaltung hat die Übertragungsdämpfung einen wenigstens nahezu konstanten Wert, der zumindest gleich dem Grenzwert a„ ist.

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2. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebschaltung aus einem Einzelresonanzkreis besteht, dessen Bandbreite etwa dem Nutzband entspricht.

3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch ϊ so oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker als Laufzeitröhrenverstärker, insbesondere Wanderfeldröhrcnverstärker, ausgebildet ist.

4. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitröhre(n) in einem derartigen Arbeitsbereich ihrer Ausgangsleistungs - Eingangsleistungs - Charakteristik betrieben ist (sind), daß bei voller Aussteuerung der Maximalwc· der Ausgangsleistung noch wenigstens 3 Dezibel unter der Sättigungsleistung der Laufzeitröhre(n) liegt.

5. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zuführung der zu verstärkenden Wellen dienende Eingangslcitung für den zur Gegenkopplung rückgeführten Anteil der Ausgangsenergie wenigstens nahezu reflexionsfrei abgeschlossen ist.

6. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleitung des gegengekoppelten Verstärkers, der der geforderten Gegenkopplung entsprechende Anteil der Ausgangsenergie entnommen wird, wenigstens nahezu reflexionsfrei abgeschlossen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkereinrichtung vorzugsweise für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei der vom Ausgang ein einer geforderten Gegenkopplung entsprechender Teil der Ausgangsenergie dem Eingang zugeführt wird, und zwar möglichst exakt gegenphasig für eine Mittenfrequenz des Nutzbandes.

Insbesondere bei der Übertragung einer größeren Anzahl von Nachrichtenkanälen kommt es darauf an, die in den einzelnen Verstärkern auftretenden nichtlinearen Verzerrungen so gering wie möglich zu halten, da diese die Ursache für das bei der Übertragung auftretende Klirrgeräusch sind. Es gibt eine Reihe von Schaltungen, die eine Verminderung der nichtlinearen Verzerrungen und damit des Klirrgeräusches ermöglichen. Diese Schaltungen arbeiten nach dem Prinzip der Gegenkopplung, d. h., vom Ausgang einer Verstärkereinrichtung wird ein der geforderten Gegenkopplung entsprechender Anteil der Ausgangsenergie entnommen und dem Eingang der Einrichtung zugeführt, gegebenenfalls unter Frequenztransformierung in die Frequenzlage einer im Bereich niedriger Frequenzen arbeitenden Vorstufe. An sich wird auf diese V/eise eine wirksame Verminderung des Klirrgeräusches erreicht. Es zeigt sich jedoch, daß, infolge der unvermeidbar frequenzabhängigen Phasendrehung im Verstärker, Bereiche auftreten, in denen die Gegenkopplung in eine Mitkopplung verfälscht wird. Damit entsteht die Gefahr einer Selbsterregung der gesamten Verstärkereinrichtung, die die mögliche Gegenkopplung stark einschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem eine Lösung dieses Problems in einfacher Weise möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß, ausgehend von einer Verstärkereinrichtung der einleitend beschriebenen Art, die Bandbreite der Verstärkereinrichtung wesentlich weiter gewählt ist als das eigentliche Nutzband und daß in dem Verstärkerzug, vorzugsweise unmittelbar am Verstärkereingang, eine Siebschaltung vorgesehen ist, die ein Filter minimaler Phase darstellt und wenigstens nahezu folgende Eigenschaften hat:

a) Im Bereich des Nutzbandes ist die Übertragungsdämpfung der Siebschaltung weitgehend konstant und möglichst gering.

b) In dem (den) Übertragungsbereich(en) zwischen dem Nutzband und dem (den) daran angrenzenden Sperrbereich(en) nimmt im Fall eines frequenzhöheren Sperrbereichs im Vergleich zum Nutzband die Übcrtragungsdämpfung der Siebschaltung etwa nach der Funktion

zu his /ii einem Grenzwert ti_v, der etwas größer ist als der Wert, für den sich die geforderte Gegenkopplung ergibt, während im Fall eines frequenztieferen Sperrbereichs, be/ogui auf das Nut/band, der Verlauf der überttugur.gsdämpfung hierzu spiegelbildlich ist; darin bedeuten «,, die Übertragungsdämpfung in Neper, k einen Faktor zur Bestimmung von a_h und a_K. / die laufende Frequenz und /₀ die Grenzfrequenz der für das Nutzbund ausgelegten Siebschaltung.

c) In den Sperrbereichen der Siebschaltung hat die übertragungsdämpfung einen wenigstens nahezu konstanten Wert, der zumindest gleich dem Grenzwert a_v ist.

Der Faktor k ist eine in gewissen Grenzen frei wählbare Konstante, die, vom Grad der angewendeten Gegenkopplung abhängend, um so kleiner gewählt werden muß, je größer die Gegenkopplung ist. In erster Näherung empfiehlt sich die Verwendung eines Einzelresonanzkreises als S'abschaltung, der auf die Mittenfrequenz des Nutzbandes abgestimmt ist und dessen Bandbreite etwa der des Nutzbandes entspricht.

Durch die USA.-Patentschrift 2 244 259 sind zwar rück- oder gegengekoppelte Verstärker bekannt, bei denen zumindest im Eingang KC-Resonanzkreise teilweise in Kombination mit /.C-Resonanzkreisen liegen. Die LC-Kreise sollen dabei besonders an den Rändern des Übertragungsbereiches die selektive Wirkung der /iC-Resonanzkreise erhöhen. Diese als Empfängereingangsstufen ausgebildeten Verstärker sind im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand rüek- oder gegcngekoppeltc selektive Verstärker mit den eingangs geschilderten nachteiligen Eigenschaften.

Durch die deutsche Patentschrift 853 014 ist auch ein gegengekoppelter Wanderfeldverstärker bekanntgeworden. Es ist jedoch dort im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand zur Verringerung des Stromverteilungsrauschens einer Wanderfeldröhre ein besonders ausgebildeter Gegenkopplungszweig vorgesehen, der zwischen dem Eingang der Röhre und einer Hilfselektrode angeordnet ist. Selektive Elemente finden sich hier außerdem im Gegenkopplungskreis, und ihre Bandbreite soll wenigstens so groß sein wie die Bandbreite des Gesamtverstärkers.

In mehreren Abhandlungen wurde außerdem das Gebiet der Rück- und Gegenkopplung, insbesondere bezüglich der Bandbreitenregelung und der Kopplungsänderung bei mchrkreisigen Filtern untersucht. Es finden sich jedoch auch in diesen Literatursteilen keine Hinweise auf die Lehre nach der Erfindung.

Durch die Zeitschrift »Proceedings of the IRE« Februar 1938, S. 226 bis 235, ist eine selektive Schaltung vor allem für den Bereich der niedrigen Frequenzen bekanntgeworden, bei der ein aperiodischer Verstärker mit einer Gegenkopplung vom Ausgang zum Eingang versehen ist, jn die ein frequenzselektiv die Gegenkopplung aufhebendes Netzwerk eingeschaltet ist. Das Netzwerk ist hinsichtlich der Frequenz, bei der die Aufhebung der Gegenkopplung eintritt, abstimmbar. Die Aufhebung bewirkt für Signale in dies jm schmalen Frequenzband eine Übertragung mit dem vollen Verstärkungswert des wesentlich im Frequenzbereich breiteren Verstärkers, während bei den übrigen Frequenzen dieses breiten Frequenzbereiches durch die hohe Gegenkopplung Signale weitgehend geschwächt werden. Unterschiedlich zum Erfindungsgegenstand ist, daß der eigentliche breite Verstärker im Übertragungsweg zwischen Signaleingang und Signalausgang keine Siebschaltung enthalt, die auf den wesentlich schmaleren Nutzfreqtienzbcreich begrenzt. Des weiteren tritt gerade für die zu übertragenden Signale keine Gegenkopplung und damit keine Minderung der Klirrgeräusche

ίο auf. In der Literaturstelle ist auch darauf hingewiesen, daß mit einfacheren Gegenkopplungsnetzwerken und Verstärkerschaltungen die Gefahr einer Selbsterregung am oberen oder unteren Ende des Verstärkerfrequenzbereiches eintreten kann, und zwar durch die Phasendrehungen in der Verstärkerschaltung selbst. Aus diesem Grunde wird empfohlen, die Phasendrehung etwas mehr als über den Betriebsbereich bzw. den Durchstimmbereich auf einem Minimum zu halten oder Mittel zur Korrektur

ίο der Phasendrehung vorzusehen. Für den Niederfrequenzbereich werden daher vor allem direkt gekoppelte Verstärker als vorteilhaft angesehen bzw. es wird darauf hingewiesen, daß Verstärkersdialiungen mit starkem cut-off an den Grenzen des Durch-

"ö slimmbereiches und mit einem Minimum an Phasendrehung wünschenswert sind. Zur Erreichung eines scharfen cut-off an der unteren Frequenzgrenze wird die Einfügung einer Serienkapazität oder Querinduktivität vorgeschlagen, während für die Erreichung eines scharfen eut-oil an der oberen Frequenzgrenze die Einschaltung einer Serieninduktivität bzw. Parallelkapazität empfohlen wird. Es ist weiterhin darauf hingewiesen, daß auch kompliziertere Filterschaltungen angewendet oder Phasenkorrekturglieder entweder in den Verstärker oder in die Gegenkopplungsichaltung eingefügt werden können.

Diese Hinweise auf die Behebung von Schwierigketten bei der bekannten frequenzselektiven Schaltung führen aber ebenfalls nicht zum Erfindungsgegenstand. Während es sich bei den Maßnahmen in der bekannten Schaltung darum handelt, die an den Frequenzgrenzen des breiten Frequenzbereichs im eigentlichen Verstärker auftretenden Phasendrehungen rückgängig bzw. unwirksam zu machen.

handelt es sich beim Erfindungsgegenstand um Probleme an den Grenzen des im Vergleich zur Verstärkerbandbreite wesentlich schmaleren Nutzbereiches.

Bei der Erfindung wird von der an sich bekannten Erkenntnis ausgegangen, daß der noch mögliche Grad einer Gegenkopplung in einem Verstärker dadurch bestimmt ist, daß die im selektiven Verstärker auftretenden Phasendrehungen — vor allem in den Randgebieten des Durchlaßbereiches — die ursprüngliche Gegenkopplung in eine Mitkopplung verfälschen und somit zu einer Selbsterregung der Verstr.kcreinrichtung Anlaß geben können. Wie die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen und daran anknüpfende Überlegungen gezeigt haben, läßt sich diesem Nachteil dadurch entgegenwirken, daß die Bandbreite des Verstärkers wesentlich weiter gewählt wird als die Bandbreite der zu übertragenden bzw. zu verstärkenden elektromagnetischen Wellen, und daß außerdem in den Zug des Verstärkers eine Siebschaltung eingefügt wird, die in ihrer Bandbreite wesentlich schmaler als die des eigentlichen Verstärkers gewählt ist. Zusammen mit diesem darf sich in den Randgebieten des Durchlaßberciches der

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Siebschaltung noch keine Phasendrehung ergeben, Übcrtragungsdämpfimg bereits erreicht sein, d. h., in

die eine Verfälschung der Gegenkopplung in eine diese Bereiche muß die Frequenz/, der Siebschaltung

Mitkopplung verursacht. Die Siebschaltung muß in gelegt werden.

den Randbercichen der Durchlaßkurve des cigcnt- Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines liehen Verstärkers bereits eine derart hohe Dämpfung 5 in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels in die zusammen mit der Gegenkopplung gebildeten näher erläutert, das die Anwendung der Lehre nach Schleife einfügen, daß die in diesen Randgebieten der Erfindung bei einem Wanderfeldröhrenverstärker verstärkt auftretenden Phasendrehungen hinsichtlich zeigt, der ohne Frequenzumsetzung gegengekoppell einer Selbsterregung der Verstärkereinrichtung nicht ist. Der Wanderfeldröhrenverstärker 1 habe beispielsmehr wirksam werden. Wie umfangreiche malhema- io weise eine Gesamtverstärkung von etwa 40 oder tische Untersuchungen gezeigt haben, ist das Ideal- 50 Dezibel. Der Verstärker wird über eine Zubild einer derartigen Siebschaltung ein Filter mit leitung 2 mit den zu verstärkenden Wellen unter minimaler Phase, das die vorstehend aufgeführten Zwischenfügung der Siebschaltung 3 gespeist, die Merkmale ii) bis c) hat. In diesen Eigenschaften ist nach der Lehre der Erfindung ausgebildet ist. Vum zwar nichts unmittelbar über die Phasen zwischen 15 Ausgang des Verstärkers 1 wird über ein Schwädem Filtercingang und dem Filterausgang gesagt, chungsglicd 4 ein der geforderten Gegenkopplung doch ist die Beschreibung der Filtercigenschaften entsprechender Anteil der verstärkten Wellen entdeshalb eindeutig, weil bei Netzwerken minimaler nommen und über ein der Einstellung der Gegcn-Phase zwischen der Phase und der Übertragungs- kopplungsphase für eine Mittenfrequenz des Nutzdämpfung a_h ein Zusammenhang dergestalt besteht, ao bandcs dienendes Phascndrehglied S dem Eingang daß durch die Festlegung der Übertragungsdämpfung der Verstärkereinrichtung, und zwar vor der Siebim Frequenzbereich zwischen Null und Unendlich schaltung 3 zugeführt. Als Siebschaltung diene beiauch der Verlauf der Phase eindeutig bestimmt ist. spielsweise ein Einzelrcsonanzkreis, dessen Band-

Um einen Überblick über den Verlauf einer der- breite der des Ni'izbandcs entspricht. Bei einer derartigen Funktion zu gewinnen, ist in der Fig. 1 35 artigen Verstärkereinrichtung empfiehlt es sich — da derselbe dargestellt, worin /_m die Mittenfrequenz des die Gegenkopplung nicht beliebig hoch gewählt Durchlaßbereiches, I₀ und /₀' die Grenzfrequenzen w-dcn kann — die Wanderfeldröhre in einem Bcdes Durchlaßbercichcs und /, bzw. /,' die Frequcn- reich ihrer Eingangsleistungs - Ausgangslcistungszcn bedeuten, bei denen die Siebschaltung einen Charakteristik zu betreiben, in dem die maximal wenigstens nahezu konstanten Wert der Über- 30 auftretende Ausgangsleistung P„ noch wenigstens tragungsdämpfung in den Spcrrbercichen erreicht. etwa 3 Dezibel unter der Sät'igungsleistung P₀, der a_t und a_h sind die vorerwähnten Werte der Über- Röhre liegt. Die Eingangsleistung ist mit P₁. bezeichtragungsdämpfung. Der mit der ersten Näherung, net (Fig. 3).

nämlich einem auf die Bandmittc abgestimmten An Stelle einer Wanderfeldrohre können im Bc Einzelrcsonanzkreis, erreichbare Verlauf der über- 35 reich höherer Frequenzen auch andere Laufzeit tragungsdämpfung ist gestrichelt mit eingezeichnet. röhren und Verstärkereinrichtungen verwendet wcr-Durch kosnpliziertere Netzwerke kann man den den. Im Bereich niedrigerer Frequenzen, beispicis-Verlauf der Ubcrtragungsdämpfung in den Sperr- weise zwischen 50 und 1000 MHz, in dem Richtbereichen (oberhalb /, und unterhalb /,') dem stark funkstrecken mit Einseitenbandmodulation bzw ausgezogenen Verlauf der idealen Siebschaltung 40 Amplitudenmodulation Anwendung finden können, annähern. empfiehlt sich die Verwendung dichtegesteuerter

Von besonderer Bedeutung ist die Anwendung Röhren, wie Trioden. Tetroden und Pentoden,
einer derartigen Siebschaltung bei einem Laufzeit- Da es beim Erfindungsgegenstand wesentlich röhrenverstärker, z. B. Wanderfeldröhrcnverstärker, darauf ankommt, die Phasendrehung in ihrem schädder zur Verstärkung amplitudenmodulierter Wellen 45 liehen Einfluß auf ein Minimum zu reduzieren, dient. Bei einem Wanderfeldröhrcnverstärker wird, empfiehlt es sich fernerhin, die in dem Gegenwic die der Erfindung weiterhin zugrunde liegenden kopplungsweg auftretende Phasenschicbung derart Untersuchungen gezeigt haben, die maximal erreich- klein zu wählen, daß die gesamte Laufzeit von 4 bare Gegenkopplung durch die elektrische Länge über 5 nach dem Eingang der Verstärkert-nrichtung 1 (Lichtgeschwindigkeit · Laufzeit) der den Verstärker 5° gerade dem Wert entspricht, für den mit einer Minenthaltenden Gegenkopplungsschleife bestimmt. Bei destlänge gerade noch exakt für eine Mittenfrequem einer elektrischen Länge, die einer Laufzeit von etwa gegengekoppelt wird. Außerdem empfiehlt es sich. 1,3 · 10~⁸ s entspricht, dreht sich die Phase bei einer dafür Sorge zu tragen, daß die Zuleitung 2 für der Frequenzänderung von + 18,75MHz um 90°. Da vom Verstärkerausgang 4 rückgeführten Anteil dei für die zusätzliche Siebschaltung noch ein bestimmter 55 Wellen wenigstens nahezu reflexionsfrei abgeschlos-Anteil an zusätzlicher Phasendrehung vorgesehen sen ist, was in der F i g. 2 durch den gestrichelt einwerden muß, z. B. 90°, kann demnach die maximal gezeichneten Abschlußwiderstand Z — Innenwiderausnutzbare Bandbreite im theoretischen Grenzfall stand der speisenden Quelle — angedeutet ist. Ir den Wert von 37,5 MHz haben. In der Praxis wird diesem Fall sind dann zusätzliche Phasendrehunger dieser Wert jedoch praktisch nicht erreicht werden, 60 durch die Zuleitung 2 vermieden. Eine andere weil der Übergangsbereich der zusätzlichen Sieb- Lösung, die gegebenenfalls hierzu auch zusätzlich schaltung einen bestimmten Anteil der theoretischen angewendet werden kann, besteht darin, daß dei Grenzbandbreite beansprucht. Bei Mehrkreisklystrons zur Gegenkopplung rückgeführte Anteil' der verist dieser Bereich unter Umständen noch schmaler. stärkten Wellen über einen Richtungskoppler an sich In den Randgebieten dieser Bereiche, in denen eine 65 bekannter Bauart in die Zuleitung 2 derart einge-Verfälschung der Gegenkopplung in eine Mitkopp- speist wird, daß dieser Anteil sich in der Zuleitung 2 lung eintritt, muß also der vorstehend erläuterte zur Siebschaltung 3 hin ausbreitet. Auch für die Wert a_g der durch die Siebschaltung eingefügten Entnahme des vom Ausgang des Verstärkers 1 zu-

rückzufühirenden Anteils an Ausgangsenergie empfiehlt sich die Verwendung eines Richtungskoppler», ebenso wie der möglichst reflexionsfrcie Abschluß der Ausgaiigsleitung des Verstärkers, der die Gegenkopplungsspannung entnommen wird. Eine weitere Lösung in dieser Richtung ist die gegebenenfalls auch zusätzlich oder allein vorzunehmende Einschaltung von sogenannten Lastisolatoren in die Leitungen (Eingang und/oder Ausgang), in denen zusätzliche Phasendrehungen durch Reflexionen ver-

mieden werden sollen. Dabei kann in an sich bekannter Weise die Einspeisung bzw. Auskopplung über den Lastisolator (nichtreziproker Vierpol) unter Umständen selbst erfolgen.

Der Erfindungsgcdanke hat besondere Bedeutung bei der Übertragung amplitudenmodulierter Wellen, und zwar sowohl nach dem Zweiscitenband- als auch nach dem Einseitenbandverfahren modulierter Wellen, wobei der Träger ungeschwächt oder teilweise

ίο oder nahezu vollkommen unterdrückt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. I 303

   Patentansprüche:

   I. Verstärkereinrichtung, vorzugsweise für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei der vom Ausgang ein einer geforderten Gegenkopplung entsprechender Teil der Ausgangsenergie dem Eingang zugeführt wird, und zwar möglichst exakt gegenphasig für eine Mittentrequenz des Nutzbandes, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des Verstärkers wesentlich weiter gewählt ist als das eigentliche Nutzband und daß in dem Verstärkerzug, vorzugsweise unmittelbar am Verstärkereingang, eine Siebschaltung vorgesehen ist, die ein Filter minimaler Phase darstellt und wenigstens nahezu folgende Eigenschaften hat: