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Schaltanordnung zum Empfang von ultrakurzen elektrischen Wellen mit
einer Elektronenröhre in Bremsfeldschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltanordnung zum Empfangen von ultrakurzen elektrischen Wellen mit einer Elektronenröhre
in Bremsfeldschaltung, bei welcher ein an die Elektroden angeschlossenes Empfangssystem
durch die Elektronenbewegung in der Röhre entdämpft wird.
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Es sind schon Empfangsschaltungen mit Bremsfeldröhren bekannt, bei
welchen die Dämpfungsverminderung eines Empfangssystems durch Einregulierung des
Emissionsstromes und der Spannung der Röhre bis vor dem Einsetzen von Schwingungen
bzw. bis zum Einsetzen von Schwingungen bewirkt wird. Beim Auftreffen von elektrischen
Wellen auf das Empfangssystem und bei Übereinstimmung der Eigenfrequenz des Empfangssystems
mit der Senderwelle werden dann im Empfänger Schwingungen ausgelöst bzw. die schon
vorhandenen Schwingungen zu einer hohen Amplitude aufgeschaukelt. Man erhält auf
diese Weise zwar einen empfindlichen Empfänger, dieser zeigt jedoch infolge der
auftretenden Schwingungen Nachteile. Insbesondere treten bei einem bis vor dem Schwingungseinsatz
entdämpften Empfänger, durch die beim Auftreffen der Senderwelle einsetzenden Schwingungen,
starke Verzerrungen der zu übertragenden Zeichen auf, so daß sich eine einwandfreie
Telephonieübertragung nicht durchführen läßt.
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Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß zum Empfangen
von ultrakurzen elektrischen Wellen eine Schaltanordnung mit einer Elektronenröhre
in Bremsfeldschaltung gewählt wird, bei welcher der Emissionsstrom etwas unterhalb
der zur Aufrechterhaltung -der Schwingungen des betreffenden Schwingbereiches notwendigen
minimalen Emission und die Elektrodenspannungen in der Umgebung der zu der minimalen
Emission gehörenden Spannung gewählt sind.
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Die Erfindung sei im folgenden näher erläutert Zur übersichtlichen
Darstellung der Betriebsverhältnisse einer Ultrakurzwellenröhre in Bremsfeldschaltung
werde in einem Koordinatensystem (Gitter-Anoden-Spannungsebene) die positive Gitterspannung
als Abszisse, die negative Anoden- oder Bremselektrodenspannung als Ordinate aufgetragen,
Heizt man die Röhre derart, daß sie einen bestimmten konstanten Emissionsstrom ergibt,
so zeigt sich, daß für Zustandspunkte in dieser Gitter-Anoden-Spannungsebene, die
innerhalb eines bestimmten geschlossenen Bereiches liegen, die Röhre schwingt und
ultrakurze elektrische Wellen aussendet. Für Werte der Gitter- und Anodenspannung,
denen Zustandspunkte außerhalb dieses Bereiches entsprechen, schwingt die Röhre
nicht. Vergrößert man den Emissionsstrom, so dehnt sich der Schwingbereich aus,
und zwar derart, daß er im allgemeinen den zu einem kleineren Emissionsstrom gehörenden
Bereich umfaßt. Verkleinert man den Emissionsstrom, so zieht sich der Schwingbereich
zusammen und erreicht schließlich bei einer bestimmten minimalen Emission eine punktförmige
Ausdehnung. Für Emissionsströme, die kleiner sind als die minimale Emission, schwingt
die Röhre nicht. Werden Gitter-und
Anodenspannung festgehalten,
so existiert offenbar eine zu diesen Spannungswerten gehörende Grenzemission, von
der an die Röhre schwingt. Diese Grenzemission ist dadurch`,' gekennzeichnet, daß
die Grenze des Schwing:; bereiches durch den Zustandspunkt hin=k durchgeht, welcher
den festgehaltenen Werten von Gitter- und Anodenspannung entspricht. Innerhalb dieser
Schwingbereiche emittiert die Röhre eine Welle nahezu konstanter Frequenz. Durch
die Werte der Gitter- und Anodenspannung sind die Laufzeiten, mit welchen die Elektronen
um das positiv geladene Gitter pendeln, bestimmt. Wie Rechnungen ergeben, stimmt
die Dauer einer derartigen Elektronenpendelung ungefähr überein mit der Periodendauer
der emittierten ultrakurzen Welle.
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Außer diesen Schwingbereichen, die als Schwingbereiche erster Ordnung
bezeichnet werden, zeigt die Röhre im allgemeinen noch weitere Schwingbereiche,
sogenännte Schwingbereiche höherer Ordnung. Die Röhre emittiert auch in diesen Schwingbereichen
höherer Ordnung eine ultrakurze Welle von nahezu derselben Frequenz wie im Schwingbereich
erster Ordnung. Dagegen sind entsprechend den gegenüber dem Bereich erster Ordnung
niedrigeren Werten der Gitter- und Anodenspannung die Elektronenlaufzeiten für die
höheren Bereiche größer. Die Rechnung zeigt, daß in den Bereichen zweiter Ordnung
die Dauer einer Elektronenpendelung ungefähr das Doppelte der Periodendauer der
emittierten Welle, in den Bereichen dritter Ordnung ungefähr Idas Dreifache der
Periodendauer der emittierten Welle usw. beträgt. Die Ausdehnung dieser Schwingbereiche
höherer Ordnung hängt- von der Emissionsstärke der Röhre in gleicher Weise ab, wie
dies für den Bereich erster Ordnung der Fäll ist. So ergibt sich für die Bereiche
zweiter, dritter und höherer Ordnung je eine minimale Emission, bei welcher der
Bereich sich auf einen Punkt zusammenzieht und unterhalb welcher die Röhre nicht
mehr schwingt. Werden Gitter- und Anodenspannung passend festgehalten, so existiert
analog wie bei den Bereichen erster Ordnung auch für die höheren Bereiche eine zu
diesen Spannungswerten gehörende Grenzemission, von der an die Röhre schwingt.
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Die beiliegende Figur veranschaulicht die geschilderten Verhältnisse.
Als Abszisse ist die Gitterspannung eg, als Ordinate die negative Anodenspannung
-e", aufgetragen. a1, b1, cl sind drei Schwingbereiche erster Ordnung, und zwar
ist die Emission für a1 am größten, für b, kleiner und erreicht für den auf einen
Punkt reduzierten Schwingbereich cl ihren minimalen Wert, für welchen die Röhre
bei einem einzigen Wertepaar der Gitter- und Anodenspannung gerade noch in einem
Bereich erster Ordnung schwingt. a2, a3, a4 sind Schwingbereiche zweiter, dritter
und vierter Ordnung von gleicher Emission wie beim Bereich erster Ordnung a, ,Fixa
den vierten Bereich a4 erreicht in dem .'estellten Beispiel die Anodenspannung po-@xve
Werte. c2; c3, c4 sind die punktförmigen Schwingbereiche minimaler Emission für
die betreffenden Ordnungen: 'Diese durch Versuche und Rechnungen festgestellten
Verhältnisse deuten darauf hin, daß die Existenz von Schwingbereichen verschiedener
Ordnungszahl, innerhalb welcher Wellen nahezu konstanter Frequenz emittiert werden,
sehr wahrscheinlich auf den folgenden Mechanismus zurückzuführen ist.
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Ein entweder ganz im Innern der Röhre oder teils im Innern, teils
außerhalb der Röhre befindliches Schwinggebilde bestimmter Eigenfrequenz ist maßgebend
für die Frequenz der emittierten ultrakurzen Welle. Immer dann, wenn die Gitter-
und Anodenspannung derart gewählt werden, daß die Dauer einer, Elektronenpendelung
ungefähr ein ganzes Vielfaches, allgemein etwa das n-fache einer Periode des betreffenden
Schwinggebildes, beträgt, kann das betreffende Schwinggebilde angestoßen und die
Röhre zur Emission von ultrakurzen Wellen im n-ten Schwingbereich angeregt werden.
Diese Vorstellung gibt offenbar eine zwanglose Erklärurig für das Auftreten der
Schwingbereiche verschiedener Ordnungszahlen und nahezu konstanter Wellenlänge.
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Als Schwinggebilde, die in ihrer Eigenfrequenz angestoßen werden,
können je nach der Konstruktion der Röhre verschiedene Leitergebilde in Betracht
kommen. Z. B. ist es möglich, daß eine Gitterspirale als solche oder eine Gitterspirale
und ein ihre Enden in bekannter Weise kurzschließender Bügel das frequenzbestimmende
Gebilde darstellt. Auch die Gitter-Anodenkapazität mit den Gitter-Anodenzuleitungen,
evtl. zusammen mit einem angekoppelten Lechersystem, können als Schwinggebilde in
Betracht kommen. Es ist auch-möglich, daß bei ein und derselben Röhre mehrere frequenzbestimmende
Gebilde vorhanden sind, so daß die Röhre mit verschiedener Wellenlänge schwingen
kann, wobei dann jeder Wellenlänge ein ganzes System von Schwingbereichen verschiedener
Ordnungszahlen zugeordnet sein kann: Es hat sich gezeigt; daß eine Ultrakurzwellenröhre
in Bremsfeldschaltung, deren Betriebsbedingungen sich durch die beschriebenen Schwingbereiche
übersichtlich darstellen lassen; ; auch als Empfänger benutzt werden kann; wenn
die Gitter- und Anodenspannung noch außerhalb, aber in der Nähe der Grenze eines
Schwingbereiches gelegen ist. Die Röhre ist dann noch nicht imstande, von selbst
in Schwingungen zu geraten, aber durch die gewählte Einstellung von Emissionsstrom,
Gitter- und
Anodenspannung nicht mehr sehr weit von Zuständen entfernt,
in denen sie schwingt. Trifft nun eine Fremdwelle, die in ihrer Frequenz genügend
genau übereinstimmt mit der Eigenfrequenz des Schwinggebildes der Röhre, von außen
auf die Röhre auf, so kann die Röhre durch die Fremdwelle zu Schwingungen angeregt
werden, und diese Schwingungen können in bekannter Weise, z. B. durch Niederfrequenzverstärker,
Telephon usw., den Empfang der ultrakurzen Fremdwelle anzeigen.
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Diese Art der Einstellung der Empfangsröhre zeigt jedoch die eingangs
erwähnten Nachteile. Da der Empfänger ferner nur bei Betriebsspannungen in unmittelbarer
Nähe der Grenze eines Schwingbereiches empfindlich ist, bereitet außerdem das Auffinden
und die Konstanthaltung des günstigsten Arbeitspunktes beträchtliche Schwierigkeiten.
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Werden dagegen die Betriebsbedingungen der Empfangsröhre derartig
gewählt, daß der Emissionsstrom etwas kleiner als die zu den betreffenden Schwingbereichen
der betreffenden Ordnungszahl gefiörende minimale Emission gewählt ist, so daß in
der Umgebung des Arbeitspunktes in der Gitter-Anoden-Spannungsebene ein eigentlicher
Schwingbereich nicht vorhanden ist, so treten diese Nachteile nicht mehr auf. Diese
Wahl des Betriebspunktes hat den besonderen Vorteil, daß die Schwingneigung oder
die Empfangsempfindlichkeit der Röhre in Abhängigkeit von Gitter- und Anodenspannung
ein Maximum ist und folglich relativ unempfindlich ist gegen kleine Abweichungen
dieser Spannungen von ihren zur minimalen Emission gehörendenWerten. Gitter-und
Anodenspannung brauchen daher nicht so genau eingestellt und konstant gehalten zu
werden wie bei Empfang in einem Zustandspunkt in der Nähe der Grenze eines Schwingbereiches
endlicher Ausdehnung.
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Versuche haben ergeben, daß es für den Empfang vorteilhaft sein kann,
in der Nähe eines Schwingbereiches höherer Ordnung zu arbeiten. Erstens kommt man
bei den Schwingbereichen höherer Ordnung mit kleineren Gitter- und Anodenspannungen,
also billigeren und kompendiöseren Stromquellen aus, zweitens wird durch die kleinere
Gitterspannung die Röhrenbelastung herabgesetzt, und drittens nimmt im allgemeinen
bei gleicher Emission die Empfangsempfindlichkeit beim Übergang von einem Schwingbereich
erster zu einem Schwingbereich zweiter Ordnung zu. Es ist möglich, daß für die gleiche
Emission beim Übergang von einem Schwingbereich zweiter zu einem Schwingbereich
dritter Ordnung eine weitere Zunahme der Empfangsempfindlichkeit eintritt. Doch
gilt nicht etwa allgemein, daß bei gleicher Emission der Schwingbereich n-ter Ordnung
immer die höhere Empfangsempfindlichkeit hat als der Schwingbereich (n-Z-ter) Ordnung.
Denn mit zunehmender Ordnungszahl, also abnehmender Gitterspannung, nimmt allerdings
die Beeinflußbarkeit der Röhre durch eine Fremdwelle zu, anderseits nimmt aber die
durch die Fremdwelle zu steuernde Sendeleistung der Röhre, welche beispielsweise
über einen Niederfrequenzverstärker im Telephon wahrnehmbar wird, ab, so daB es
für eine bestimmte Emission einen Schwingbereich bestimmter Ordnung gibt, für welchen
die Empfangsempfindlichkeit maximal ist. Überall da, wo die Empfangsempfindlichkeit
eine möglichst gtoße sein soll, empfiehlt es sich, die Gitter- und Anodenspannung
auf einen derartigen Schwingbereich optimalen Empfanges einzustellen.
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Es liegt auch im Interesse hoher Empfangsempfindlichkeit, das die
Eigenfrequenz bestimmende Schwinggebilde möglichst genau auf die zu empfangende
Welle abzustimmen. Es kann dies beispielsweise dadurch geschehen, daß dem eigentlichen
frequenzbestimmenden Schwinggebilde ein vorzugsweise außerhalb der Röhre befindliches
Schwinggebilde, z. B. ein Lechersystem, lose angekoppelt wird und daß durch Veränderung
der Eigenfrequenz des letzteren die Koppelfrequenz des ersteren innerhalb relativ
enger Grenzen verändert wird.
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Die Hauptanwendung vorliegender Erfindung bilden die Empfangsapparate
für ultrakurze, vorzugsweise gerichtete elektrische Wellen.