DE660477C - Magnetronroehre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetronröhre für die Modulation und den Betrieb von Sendern für die Zwecke der drahtlosen Telegraphie und Telephonie. Die darin enthaltene besonders wirtschaftliche Modulationsmethode beruht auf bestimmten Eigenschaften dieser Röhre, auf die im nachstehenden näher eingegangen wird. Gleichzeitig wird eine Stabilisierung der Schwingungen erzielt.

Es ist bekannt, daß eine Magnetronröhre, die aus einem entlüfteten Gefäß, welches eine oder mehrere Anoden und eine Elektronen emittierende Kathode enthält, besteht, einen angeschlossenen Kreis zu Schwingungen anfachen kann, sofern sie in geeigneter Weise in ein Magnetfeld gebracht wird. Diese Schwingungen können sich über einen breiten Frequenzbereich erstrecken. Wenngleich die Erfindung in erster Linie für den Kurz-Wellenbereich bestimmt ist, so läßt sie sich auch für alle übrigen Frequenzen, die mit diesen Sendern erzeugt werden können, mit Vorteil anwenden.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Magnetronröhre, welche in dem Schwingungskreis 3 Schwingungen sehr hoher Frequenz erzeugt. Die Röhre besteht beispielsweise aus zwei Anoden 1 und einer Kathode 2 und befindet sich zwecks Anfachung von Schwingungen in einem Magnetfeld H. Die Anoden sind an die Spannungsquelle V_p angeschlossen und nehmen einen Strom I_p auf. Der Schwingungsstrom, der beispielsweise im Strombauch einer mit dem Schwingungskreis 3 gekoppelten Antenne auftritt, soll mit I^ bezeichnet werden.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Anodenmodulierung von Magnetrons in der Weise zu bewerkstelligen, daß die Anodenspannung in dem Gebiet moduliert wird, wo 4" bei ihrer Zunahme der Nutzhochfrequenzstrom abfällt. Man hat hierbei aber keine befriedigenden Resultate erzielt, da man eine ungünstige gegenseitige Lage der Charakteristik des Anodenstromes Ip und des Nutzhochfrequenzstromes I^ in Abhängigkeit von der Spannung V_p hatte. ·

Erfindungsgemäß kann man jedoch sehr günstige Resultate erzielen, wenn die Röhre so gebaut ist, daß der Bereich des mit der wachsenden Anodenspannung abfallenden Schwingstromes in das Sättigungsgebiet der Röhre fällt und somit während der Modulierung der Widerstand des Schwingungserzeugers R = —τη- praktisch unendlich groß bleibt.

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Anders ausgedrückt, besteht die Erfindung in derartiger zweckentsprechender Dimensionierung der Elemente der Schaltung nach Fig. 1, daß für eine gegebene Wellenlänge die Charakteristiken des Oszillators, welche den Zusammenhang zwischen den Strömen l_p und 1_A

und der Spannung V_p darstellen, die aus Fig. 2 und 3 ersichtliche gegenseitige Lage haben. Die Stärke des Magnetfeldes bleibt konstant, während die Spannung V_v allmählich, von Null ausgehend, erhöht wird. Von einem bestimmten Spannungswert an beginnt der Strom Ip langsam zuzunehmen, um dann plötzlich innerhalb eines äußerst kleinen Spannungsbereiches den Sättigungswert I_s zu erreichen. Der Anodenstrom I₁, bleibt dann weiterhin trotz steigender Spannung V_p konstant. Der Schwingungsstrom I^ setzt dort - ein, wo der Anodenstrom I_p steil ansteigt, erreicht mit diesem zugleich ein Maximum und nimmt dann mit zunehmender Anodenspannung Vp allmählich wieder ab, wobei der Abfall des Schwingungsstromes bedeutend sanfter erfolgt als sein Anstieg.

Die Fig. 3 zeigt dieselben Kennlinien für ao verschiedene Werte von H (H₁, H₂, H₃, H₄); Hysteresiserscheinungen, die in dem das Feld erzeugenden Magnet auftreten können, wurden dabei vernachlässigt.

Die erwähnten Kennlinien aller Magnetronsender haben jede für sich allein denselben Verlauf; die Unterschiede sind lediglich quantitativer Art und treten vor allem hinsichtlich der Steilheit der Gebiete m-n und der Abflachung des Maximums auf. Es kann jedoch bei verschiedenen Dimensionierungen derselben Schaltung die gegenseitige Lage der Kurve I_A und der Kurve I_p ganz verschieden sein, und es ist festgestellt worden, daß es möglich ist, einen Sender so zu bauen, daß der fallende Bereich M-N der I_A-Kennlinie zusammenfällt mit einem Gebiet konstanten Anodenstromes I_p.

Als Zahlenbeispiel diene ein Sender für eine Welle von 87 cm; die Stärke des Magnetfei des betrage dabei 6ooGauß: der Anodenstrom steigt sprunghaft von 4 auf 35 Milliampere (Sättigungsstrom) während einer Änderung der Anodenspannung von 360 auf 365 Volt und bleibt von da an konstant, selbst wenn man die Anodenspannung auf den höchsten mit Rücksicht auf die Belastbarkeit der Rohre noch zulässigen Betrag erhöht. Der Strom I_A beginnt von 360 Volt an rasch zuzunehmen, um bei 380 Volt sein Maximum zu erreichen (bei 370 ist er bereits auf das 0,9-fache des Höchstwertes gestiegen); das Maximum erstreckt sich bis 415VoIt₁ und von da an nimmt der Strom I_A allmählich ab, um bei 460 Volt ganz zu verschwinden. Der fallende Bereich M-N des Stromes l_A fällt also größtenteils mit dem Gebiet konstanten Anodenstromes Ip zusammen.

Die erfindungsgemäße, durch entsprechende Dimensionierung zu erhaltende gegenseitige Lage der beiden in Frage kommenden Charakteristiken ermöglicht es, die vorher beschriebenen Zusammenhänge in besonders vorteilhafter Weise auszunutzen. Auf Grund dieser Eigenschaften ist eine besonders wirtschaftliche Modulation möglich, da der Widerstand des Senders im Bereich M-N gleich unendlich ist; mit Vp ändert sich nur die vom Sender abgegebene Leistung. Daraus ergibt sich unmittelbar, daß der Sender in an sich bekannter Weise durch Beeinflussung der Anodenspannung Vp moduliert werden kann, ohne daß hierzu Leistung verbraucht wird. An sich sind Verfahren zur sogenannten Anodenmodulation der üblichen Mehrelektrodenröhren bereits bekannt, und man hat bereits früher, wie oben erwähnt, versucht, die Anodenmodulierung auf Magnetrons in der Weise zu bewirken, daß die Zunahme der Anodenspannung der Abnahme des Schwingungsstromes entspricht und umgekehrt; aber dabei wird eine beträchtliche Leistung benötigt, die von einer oder mehreren Modulationsröhren aufgebracht werden muß. Diese Röhren müssen in allen Fällen von einer großen Leistungs- und Belastungsfähigkeit sein, da sie einerseits die erforderliche Modulationsleistung liefern und andererseits die volle Verlustleistung des Senders im unmodulierten Zustand aufnehmen sollen. Der Grund des früher erzielten ungenügenden Erfolges besteht darin, daß man früher die Elemente der Schaltung so dimensionierte, daß das Modulationsgebiet mit dem Gebiet der Röhrensymmetrierung nicht zusammenfiel.

Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung eines Magnetrons, bei welcher die Modulation der Anodenspannung im Gebiete eines unendlich großen Widerstandes vorgenommen wird, werden die erwähnten- Nachteile beseitigt, da dann überhaupt keine Leistung für die Modulation mehr verbraucht wird.

Im folgenden werden besonders zweckmäßige Ausführungen der Erfindung beschrieben, jedoch sind auch noch weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen. Kennzeichnend hierfür ist die Modulation der Anodenspannung V_p ohne Leistungsaufwand oder zum mindesten mit einem Leistungsverbrauch, welcher verschwindend klein ist gegenüber der dem Sender zugeführten Leistung. Zwei besonders einfache und vorzugsweise verwendete Schaltungen sind in den Fig. 4 und S dargestellt.

Gemäß Fig. 4 wird die Anodenspannung der Magnetronröhre, die im unmodulierten Zustand auf den Wert V₀ (vgl. Fig. 2) eingestellt wird, mittels eines Transformators T moduliert. Der Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, daß eine beträchtliche Schwingleistung mit einem kleinen Transformator durchgesteuert werden kann; das Über-

Setzungsverhältnis muß hoch genug sein, um auf der Primärseite unmittelbar ein Mikrophon anschließen zu können; die einzige Vorbedingung besteht darin, daß der Kern des Transformators durch den Gleichstromfluß auch nicht annähernd gesättigt sein darf. Die Schaltung gemäß Fig. 4 eignet sich beispielsweise für einen Kurzwellensender mit einer Wellenlänge von etwa 80 cm, ohne jedoch ausschließlich darauf beschränkt zu sein.

Gemäß Fig. 5 wird die Anodenspannung des Magnetrons und damit auch dessen Schwingleistung mittels einer Modulatorröhre L, die an eine Impedanz Z angeschlossen »5 ist, moduliert. Die Modulatorröhre kann eine ganz kleine Röhre, beispielsweise eine Empfängerröhre kleinster Leistung sein, nur muß sie einen großen Verstärkungsfaktor aufweisen. Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung einer Schirmgitterröhre, da diese einen hohen Verstärkungsfaktor besitzt, so daß die am Gitter derselben wirksamen Modulationsspannungen äußerst klein sein können. Die hervorragende Wirkungsweise dieser Schaltung beweist der Umstand, daß Leistungen von 20 Watt und mehr mit einer Schirmgitter-Empfangsröhre oder einer anderen kleinen Empfängerröhre mit großem Verstärkungsfaktor durchmoduliert werden konnten.

Die Impedanz Z kann an sich von beliebiger Art sein. Wenn man jedoch einen Ohmschen Widerstand an dieser Stelle verwendet, kommt man zu folgendem neuartigen Ergebnis: die Modulation des Magnetrons erfolgt in Phase mit der dem Gitter der Modulationsröhre L zugeführten Wechselspannung (wie sich aus der Betrachtung der Fig. 2 unmittelbar ergibt), während bei den bisher bekannten Schaltungen zwischen diesen eine Phasenverschiebung von i8o° auftritt.

Bei Magnetronröhren ergibt sich außerdem noch die Möglichkeit, das vorhin beschriebene Modulationsverfahren in Verbindung mit der Modulation des Magnetfeldes ohne zusätzliche Hilfsmittel auszuführen; die Erfindung erstreckt sich demgemäß auf die gleichzeitige Anwendung beider Modulationsmethoden. Die Modulation des Magnetfeldes ist jedoch weitaus weniger vorteilhaft als das erstbeschriebene Verfahren: falls man eisenlose Spulen verwendet, sind die verhältnismäßig starken Ströme, die darin auftreten, hinderlich, und bei Elektromagneten mit Eisenkern treten Hysteresiserscheinungen auf, welche zur Verwendung von geblätterten Spezialkernen zwingen, wenn man die Verluste an Modulationsleistung verringern will.

Falls man indessen zu dieser Modulationsmethode greift, kann man ihren Wirkungsgrad durch nachstehend beschriebene Maßnahmen beträchtlich erhöhen. In Fig. 6 bedeutet 0 den Schwingungserzeuger und E eine Einrichtung zur Modulation des Magnetfeldes; diese besitzt eine bestimmte Impedanz, und der sich daran ausbildende modulierte Spannungsabfall kann zur Modulation der Anodenspannung nutzbar gemacht werden. Der Anschluß des Magnetrons beeinträchtigt die Modulation des Magnetfeldes in keiner Weise, da dieses erfindungsgemäß einen unendlich großen Widerstand darstellt. Diese Schaltung arbeitet naturgemäß am besten, wenn die beiden Modulationswirkungen gleichphasig vor sich gehen. Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise wird auf die Fig. 7 Bezug genommen, welche drei Kennlinien nach Fig. 3 enthält. Die Modulation des Schwingungsstromes I^ durch das Magnetfeld liefert die Kennlinie CD, während die kornbinierte Modulation die Charakteristik A B ergibt; die beiden Effekte sind in diesem Falle gleichphasig. Wenn dies nicht zutrifft, schwächen sich die beiden Modulationen gegenseitig, so daß beispielsweise die Modulationslinie E F zustande kommt. Erfindungsgemäß kann dieser letztgenannte Effekt zur Unterdrückung einer Störmodulation ausgenutzt werden.

Die Fig. 8 stellt eine besonders einfache Schaltung zur Anwendung der kombinierten Modulation dar. Die Modulationsspannung e wird dem Gitter der Röhre L aufgedrückt, deren Anodenstrom in der Spule M das Modulationsfeld h erzeugt, und zwar entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators. Ferner ist eine Impedanz Z vorhanden, durch welche die Anodenmodulation erfolgt. Man kann.die Schaltung so wählen, daß sich die beiden Modulationen unterstützen oder aufheben; im ersten Fall besteht Z beispielsweise aus einem Ohmschen Widerstand. Im zweiten Fall dient die Schaltung zur Stabilisierung der Schwingungen oder zur Unterdrückung einer Störmodulation.

Die Fig. 9 zeigt eine Schaltung, in welcher die Feldschwankungen, die von dem Wechselstromerzeuger e herrühren mögen, unwirksam gemacht werden. Der Anodenkreis des Magnetrons ist mit dem Stromkreis der Feldspule no durch den Übertrager T gekoppelt; da der Anodenkreis einen unendlich großen Wechselstromwiderstand darstellt, wird in diesem keine Modulationsleistung verbraucht. Das Übersetzungsverhältnis und die Polung des Transformators ist so gewählt, daß die Anodenmodulation der Modulation des Magnetfeldes H genau entgegenwirkt.

Bei der praktischen Ausführung eines Magnetrons verwendet man zur Erzeugung des Magnetfeldes einen Elektromagnet. Dann · kann man die Magnetspulen selbst als Impe-

danz, wie sie erfindungsgemäß erforderlich ist, benutzen.

Diese Anordnung ist in Fig. io dargestellt.

Die Impedanz Z gemäß Fig. 5 wird durch eine Selbstinduktionsspule gebildet, die auf den Magnetkern aufgeschoben ist; diese kann auch an die Stelle der Modulationsspule M in

. Fig. 8 treten. Auch der Transformator T in Fig. 4 kann auf diese Weise ersetzt werden.

Zwecks Nachbildung der Schaltung von Fig. 5 kann man im Bedarfsfalle die Spule stets so bauen, daß der'Einfluß des Anodenstromes der Röhre L auf das Magnetfeld vernachlässigbar klein ist. Im Falle einer kombinierten Modulation nach Fig. 8 dient, die Spule M gleichzeitig zur Modulation des Magnetfeldes und der Anodenspannung; eine besondere Impedanz Z ist dann entbehrlich.

Um den Erfindungsgegenstand konstruktiv so gut wie möglich auszubilden, ist eine sorgfältige Überlegung hinsichtlich der Lage der Spulen erforderlich. Vor allem muß eine nennenswerte Verminderung der Selbstinduk-

■ tion oder der Änderungen des Magnetfeldes infolge der Kopplung zwischen der Erregerwicklung des Elektromagneten und der Hilfsspule vermieden werden. Die Hilfsspule soll daher zweckmäßig an einer Stelle angeordnet werden, wo die magnetische Streuung hinreichend groß ist. Da das Magnetron M (Fig. 10) ein Kraftfeld großer Ausdehnung erfordert, ist der Durchmesser der Polschuhe sehr beträchtlich. Die Hilfswicklung B ist erfindungsgemäß in zwei Aussparungen der PoI-schuhe untergebracht oder wird von diesen getragen.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Magnetronröhre für Erzeugung von Schwingungen, die mittels Änderung der Anodenspannung im Gebiete des mit wachsender Anodenspannung abfallenden Nutzhochfrequenzstromes moduliert werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre so gebaut ist, daß der Bereich des mit der wachsenden Änodenspannung abfallenden Schwingstrom.es in das Sättigungsgebiet der Röhre fällt und somit während der Modulierung der Widerstand

   des Schwingungserzeugers R — -^-praktisch unendlich groß bleibt.
2. 2. Schaltung zur Modulierung von Schwingungen mit einer Röhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation mittels eines Transformators (T in Fig. 4) oder einer Röhre von im Vergleich zur Leistungsaufnahme des Schwingungserzeugers schwacher Leistung bewirkt wird. ^:
3. 3. Schaltung zur Modulierung von Schwingungen mit einer Röhre nach An^ spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der erzeugten Schwingungen in gleicher Phase mit der Modulationsspannung vor sich geht.
4. 4. Schaltung zur Modulier ung von Schwingungen mit einer Magnetronröhre nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Modulation der Anodenspannung eine Modulation des Magnetfeldes vorgenommen wird.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung so gewählt ist, daß sich die beiden Modulations-Wirkungen unterstützen.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung so gewählt ist, daß sich die beiden Modulationswirkungen zwecks Stabilisierung der Schwingungserzeugung oder zwecks Unterdrückung einer Störmodulation entgegenwirken.
7. 7. Schaltung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Anodenstromkreis liegende Impedanz und/oder die zur Erzeugung des Modulationsfeldes dienende Spule aus einer weiteren Wicklung des zum Betrieb des Magnetrons erforderlichen Elektromagneten besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen