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Schaltung zur Frequenzvervielfachung oder -teileng von Hochfrequenz-
und Ultrahochfrequenzschwingungen Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur hrequenzvervielfa.chung
oder -teileng von Hochfrequenz- und Ultrahochfrequenzschwingungen, die darin besteht,
daß ein. Magnettun mit mehr als zwei Anoden verwendet wird, bei dem die Anoden,
die auf dem Umfang eines Zylindermantels angeordnet sind, in zwei Gruppen unterteilt
sind, und .alle Anoden einer Gruppe und alle Anoden der anderen Gruppe über einen
Abstimmkreis verbunden sind und wenigstens zwei Anoden derselben' Gruppe miteinander
über einen Kreis verbunden sind, der auf eine Harmonische oder Subharmonische der
Frequenz abgestimmt ist, auf die der erstgenannte Kreis abgestimmt ist.
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Bei einer Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung sind die
Anoden jeder Gruppe von den Anoden der anderen'Gruppe durch eine Symmetrieebene
getrennt, die durch die Achse der von den Anoden gebildeten Zylinderfläche gelegt
ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform gehört jede Anode einer anderen
Gruppe an als die benachbarten Anoden.
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Die Erfindung ist in. der Zeichnung in einigen Ausführungsformen der
Schaltung nach der Erfindung beispielsweise näher erläutert.
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Die Schaltung nach Fig. r enthält ein Magnetron mit zwei Anodenpaaren.
Die Röhre selbst wie auch das Magnetsystem ist in der Zeichnung nicht dargestellt,
aber der Elektrodensatz, den die Röhre enthält, ist im Schnitt dargestellt. 3 bezeichnet
die zur Zeichenebene senkrechte Kathode. Das Magnetron enthält vier mit z, q., G
und 8 bezeichnete, auf dem Umfang eines Zylinder=
mantels angeordnete
Anoden, die in zwei Grüppen unterteilt sind, die. voneinander durch eine Ebene getrennt
sind, die durch die Achse der von den Anoden gebildeten" Zylinderfläche gelegt ist
und durch eine strichelte Linie bezeichnet ist. Die Anoden.-. und 4: gehören
somit der einen Gruppe, die Anoden 6 und 8 der anderen Gruppe an. Die Anoden 2 und
4. der ersten Gruppe sind miteinander über einen Kreis 5 verbunden, der auf die
zweite Harmonische der zu vervielfältigenden Frequenz abgestimmt ist. Die .,%,noden
6 und 8 der anderen Gruppe sind über einen Schwingungskreis 7 verbunden, der auf
die gleiche Frequenz wie der Kreis 5 abgestimmt ist. Die Mitten der Kreise 5 und
7 sind über eine Impedanz. miteinander verbunden, die .gemeinsam mit den Kreisen
5 und 7 den Kreis 9 bildet, die auf die zu vervielfältigende Frequenz abgestimmt
ist: Die Mitte- des Kreises 9 ist mit dem Pluspol cler Anodenspannungsquelle verbunden,
deren Minuspol an die Kathode 3 angelegt ist. Die Ouelle der für die Kathode 3 benötigten
Glühspannung ist in der Figur nicht dargestellt.
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Der Grundsatz, auf dem die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung
beruht, besteht darin, daß das Magnetroh sich den zu vervielfältigenden Schwingungen
gegenüber wie ein Magnetion mit nur zwei Anoden verhält, indem für die im Kreis
9 auftretenden Schwingungen auf die Anoden 2 und d: bzw. 6 und 8 die gleichen Spannungen
ausgeübt werden, was durch eine richtige Wahl der Impedanzen der Kreise 5 und 7
erreicht werden kann. Werden die zu vervielfältigenden Schwingungen dem Kreis 9
zugeführt, so entsteht somit ein elektrisches Wechselfeld zwischen den Anoden 2
und .I einerseits und den Anoden 6 und 8 andererseits, und außerdem ist ein magnetischen
Feld vorhanden. Unter dem Einfluß dieser beiden Felder wird von den durch die Kathode
ausgesandten Elektronen eine spiralförmige Bahn um die Kathode herum durchlaufen;
wobei hintereinander ein Teil dieser Elektronen die Anoden 2, d., 6 und 8 passiert.
Die Geschwindigkeit, mit der von den Elektronen die erwähnte Bahn durchlaufen wird,
ist derart, daß während der halben Schwingungszeit der im Kreis 9 auftretenden Schwingungen
die Elektronen einen Weg über den Umfang des von den Anoden gebildeten Zylindermantels
durchlaufen haben, der einem Winkel von iSo° entspricht. Beim Durchlaufen dieser
Strecke werden hintereinander die Anoden 2 und d. bzw. 6 und 8 von einem Teil der
Elektronen passiert; so daß der Kreis, der die Anoden 2 und d. bzw. 6 und 8 verbindet,
während der halben Schwingungszeit der dein Kreis 9 zugeführten Schwingungen einmal
an der Stelle der Anode ä bz`w. 6 und einmal an der Stelle der Anode 4. bzw 8 angestoßen
wird, wobei die Zeit zwischen (lein Anstoßen an der Stelle der Anode 2 bzw. 6 .,
und an der Stell( der Anode 4 bzw. 8 die FI lfte der halben Schwingungszeit der
im -"xe i s 9 auftretenden Schwingungen beträgt.
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fn den Kreisen 5 und 7 treten somit Schwingungen auf, deren Frequenz
gleich zweimal der Frequenz der dem Kreis 9 zugeführten zu vervielfältigenden Schwingungen
ist.
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Die beschriebene Schaltung eignet sich sowohl zur Vervielfachung als
auch zur Teilung von Hochfrequenz- und Ultrahochfreqüenzschwingungen. Im zuletzt
genannten Fall werden die zu teilenden Schwingungen den Kreisen 5 und 7 zugeführt,
worauf Schwinaungen mit einer Frequenz, welche die Hälfte der Frequenz der den Kreisen
5 und 7 zugeführten Schwingungen ist, dem Kreis 9 entnommen werden können. Die in
der Frequenz zu vervielfältigenden oder zu teilenden Schwitigungen können auch von
dein Magnettun selbst erzeugt werden.
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Wenn die beschriebene Schaltung zur Vervielfältigung der (lern Kreis
9 -zugeführten Schwingungen oder im Kreis 9 erzeugten Schwingungen dienen soll;
ist es nicht erwünscht, daß die Schaltung eine Neigung zur Selbsterzeugung von Schwingungen
mit der Frequenz der Kreise 5 und 7 zeigt. Eine Schaltung, die diese Neigung nicht
zeigt, ist in Fig. 2 dargestellt: Die Schaltung nach Fig.2 stellt ein Magnetion
dar, bei dem die eine Gruppe aus den Anoden 2 und d:, die andere Gruppe aus einer
einzigen Anode io besteht. Die Anöden 2 und q. der einen Gruppe sind miteinander
über einen Schwingungskreis 5 verbunden, dessen Mitte finit der Anode io über eine
Impedanz verbunden ist, die gemeinsam mit dem Kreis 5 den Kreis 9 bildet. Wenn die
zu vervielfältigenden Schwingungen dem Kreis 9 zugeführt bzw. firn Kreis 9 erzeugt
werden, können dem Kreis 5 Schwingungen entnommen werden, deren Frequenz die zweite
Harmonische der zu vervielfältigenden Schwingungen ist. Umgekehrt eignet sich die
Schaltung gut zur Frequenzteilung von Hochfrequenz- und Ultrahochfrequenzschwingungen,
wenn die zu teilenden Schwingungen dem Kreise 5 zugeführt werden. Mit dieser Schaltung
können jedoch keine Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Kreises 5 erzeugt werden.
Ein weiterer Vorteil der in Fig, 2 dargestellten Schaltung liegt darin, daß die
in der Frequenz vervielfältigten Schwingungen in nur einem einzigen Kreis auftreten,
so daß nur ein einziges Koppelelement zum Zuführen der in der Frequenz vervielfältigten
Schwingungen zu einer Belastung erforderlich ist.
Eine Ausführungsform
einer Schaltung nach der Erfindung, mit der die dritte Harmonische einer Grundfrequenz
erzielt werden kann, ist in Fig.3 der Zeichnung dargestellt.
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Bei dieser Schaltung wird ein Magnettun angewendet, das drei Paäre
gleich große Anoden enthält. Die Anoden dieses Magnetrons sind wieder in zwei Gruppen
unterteilt, wobei die Anoden 12, 14 und 16 der einen Gruppe, die Anoden 18, 2o und
22 der anderen Gruppe angehören. Damit das Magnetron sich einer gewissen, nachstehend
als Grundfrequenz bezeichneten Frequenz gegenüber verhält, als ob es nur zwei Anoden
enthielte, sind alle Anoden der einen Gruppe mit allen Anoden der anderen Gruppe
über einen Schwingungskreis 9 verbunden, der auf die Grundfrequenz abgestimmt ist
und dem zu vervielfältigende Schwingungen in Grundfrequenz zugeführt werden oder
in dem die zu vervielfältigenden Schwingungen erzeugt werden. Bei jeder Gruppe sind
je zwei benachbarte Anoden miteinander über einen Kreis verbunden, der auf die dritte
Harmonische der zu vervielfältigenden Grundfrequenz abgestimmt ist. Diese Kreise
i i, 13, 15 und 17 bilden einen Teil des zwischen den Anoden 12, 14 und 16 einerseits
Lind den Anoden 18, 20, 22 andererseits eingeschalteten Kreises 9, dem die
zu vervielfältigenden Schwingungen zugeführt werden oder in dem diese erzeugt werden.
Daß die beschriebene Schaltung sich zum Erzeugen der dritten Harmonischen der im
Kreis 9 auftretenden Schwingungen eignet, folgt daraus, daß während der halben Schwingungszeit
der zu vervielfältigenden Schwingungen, in der die Elektronen eine Bahn auf dem
Umfang des von den Anoden gebildeten Zylindermantels durchlaufen, die einem Winkel
von i8o° entspricht, hintereinander die Anoden 12, 14, 16 bzw. 18, 20, 22 von,einem
Teil der Elektronen passiert werden. I?ie zwischen dem gegenphasigen Anstoßen eines
jeden der Kreise 11, 13, 15 und 17 verstreichende Zeit ist somit ein Drittel der
halben Schwingungszeit der zu vervielfältigenden Schwingungen.
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Eine Vereinfachung der in Fig.3 angegebenen Schaltung ist in Fig.
4 dargestellt. Sie besteht darin, daß eine der Gruppen aus einer einzigen Anode
24 besteht, daß -nur zwei benachbarte Anoden 14 und 16 der anderen Gruppe miteinander
verbunden sind und die Anode 12 direkt mit der Anode 16 verbunden ist. Diese Schaltung
hat die gleichen Vorzüge gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, wie sie
die in Fig.2 dargestellte Schaltung gegenüber derjenigen der Fig. i hat. Die in
Fig. 4 dargestellte Schaltung eignet sich somit nicht zum Erzeugen von Schwingungen,
deren Frequenz dieselbe ist wie die Eigenfrequenz der Kreises 13.
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Die in Fig.5 dargestellte Schaltung enthält ein Magnetron, bei dem
die eine Gruppe aus vier Anoden 26, 28, 30 und 32 und die andere Gruppe aus
einer einzigen Anode 34 besteht. Die Anoden 26 und 30 bzw. 28 und 32 der
einen Gruppe sind im Innern -der Röhre leitend miteinander verbunden, während zwischen
den Anoden 26 und 30 einerseits und den Anoden 28 und 32 andererseits ein
Schwingungskreis i9 liegt, der auf die vierte Harmonische einer Grundfrequenz abgestimmt
ist. Die Mitte des Kreises i9 ist mit der Anode 34 über eine Impedanz verbunden,
die gemeinsam mit dem erwähnten Kreis i9 den Kreis 9 bildet, der auf die genannte
Grundfrequenz abgestimmt ist. Daß im Kreis i@9 Schwingungen mit der vierten Harmonischen
der Grundfrequenz erzeugt werden, folgt daraus; daß während der halben Schwingungszeit
der im Kreis 9 auftretenden Schwingungen die Elektronen die vier Anoden 26, 28,
30 und 32 passieren, so daß der Kreis i9 zweimal in Gegenphase angestoßen-
wird, während die Zeit zwischen dem gegenphasigen Anstoßen des Kreises i9 ein Viertel
der Schwingungszeit der im Kreis 9 auftretenden Schwingungen ist.
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In Fig.6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Anodenzahl
der einen Gruppe von der Anodenzahl der anderen Gruppe abweicht. Die eine Gruppe
enthält zwei Anoden 36 und 38, die über einen abgestimmten Kreis 21 verbunden sind,
der auf die zweite Harmonische einer Grundfrequenzabgestimmt ist. Die andere Gruppe
enthält drei Anoden 40, 42 und 44, von denen die benachbarten Kathoden 40 und 42
miteinander über einen abgestimmten Kreis 23 verbunden sind, der auf die dritte
Harmonische der Grundfrequenz abgestimmt ist, während die Anode 40. direkt mit der
Anode 44 verbunden ist. Die Mitten der Kreise 21 und 23 sind über eine Impedanz
verbunden, die gemeinsam mit den genannten Kreisen den Kreis 9 bildet, dem die zu
vervielfältigenden Schwingungen in Grundfrequenz zugeführt oder in dem die zu vervielfältigenden
Schwingungen erzeugt werden.
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Den Kreisen 21 und 23 können Schwingungen entnommen werden, deren
Frequenz . 'die gleiche wie die zweite und die dritte Harmonische der im Kreis 9
auftretenden Schwingungen ist. Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung eignet sich
somit zum gleichzeitigen Verdoppeln und Verdreifachen einer gewissen Grundfrequenz.
Daß in den Kreisen 21 und 23 Schwingurigen mit den erwähnten harmonischen Frequenzen
erzeugt werden, folgt aus der an Hand der in den Figuren i
und 3
dargestellten Schaltungen gegebenen Erläuterung.
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Bei der in Fig.7 dargestellten Ausführungsform wird ein Magnetion
verwendet, bei dem die eine Gruppe aus zwei Anoden 46 und .:1.8 besteht, die über
einen auf die zweite Harmonische einer Grundfrequenz abgestimmten Kreis 25 miteinander
verbunden sind. Die andere Gruppe enthält vier Anoden 50, 52, 54 und 56, von denen
j e zwei benachbarte Anoden 5o und 52 bzw. 54 und 56 miteinander über einen Schwingungskreis
27 bzw. 29 verbunden sind, der auf die vierte Harmonische der Grundfrequenz abgestimmt
ist.
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Die Mitten der Kreise 27 und 29 sind über eine Impedanz verbunden,
die gemeinsam mit den Kreisen 25 und 27 den Kreis 31 bildet, der auf die
zweite Harmonische der Grundfrequenz abgestimmt ist, wobei die Mitte des Kreises
3 i mit der Mitte des Kreises 25 über eine Impedanz verbunden ist, die gemeinsam
mit den genannten Kreisen 25, 27 und 29 und 3 i den Kreis 9 bildet, dem die zu vervielfältigenden
Schwingungen in Grundfrequenz zugeführt oder in dem die genannten Schwingungen erzeugt
werden. Daß den Kreisen 27 und 29 Schwingungen entnommen werden können, deren Frequenz
gleich der vierten Harmonischen der im Kreis 9 auftretenden Schwingungen ist; folgt
daraus; daß während der halben Schwingungszeit der im Kreis 9 auftretenden Schwingungen
die in der Röhre vorhandenen Elektronen hintereinander die Anoden 5o, 52, 54. und
56 passieren und die Kreise 27 und 29 anstoßen. Die zwischen dem gegenphasigen Anstoßen
eines jeden der Kreise 27 und 29 verstreichende Zeit ist somit ein Viertel der halben
Schwingungszeit der im Kreise 9 auftretenden Schwingungen. Für die im - Kreis 3
i auftretenden Schwingungen verhält die Röhre sich, als ob die :Anodengruppe, die
aus -den Anoden 5o, 52, 5.4 und 56 besteht, nur zwei Anoden enthielte, indem für
die im Kreise 3 1 auftretenden Schwingungen auf die Anoden 5o und 52 bzw.
5.4 und 56 die gleichen Spannungen ausgeübt werden. Dem Kreis 3 i können somit Schwingungen
entnommen werden, deren Frequenz die zweite Harmonische der Grundfrequenz ist. Die
in Fig. 7 dargestellte Schaltung eignet sich somit dazu, gleichzeitig die im Kreis
9 auftretenden Schwingungen in der Frequenz zu verdoppeln und vervierfachen.
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Bei der in Fig. 8 angegebenen Ausführungsform wird ein Magnetion mit
vier Anoden 62, 6q., 66 und 68 verwendet, die derart in zwei Gruppen unterteilt
sind, daß jede Anode einer anderen Gruppe angehört als die benachbarten Anoden.
Die Anoden 62 und 66 bilden somit die eine Gruppe, die Anoden 64 und 68 die andere
Gruppe. Die Anoden 62 und 66 sind miteinander über einen Kreis 33 verbunden, der
auf die halbe Frequenz einer Grundfrequenz abgestimmt ist. Die Anoden 6.4 und 68
sind über einen Kreis 35 verbunden, der auf die gleiche Frequenz abgestimmt ist.
Die Mitten der Kreise 33 und 35 sind über eine Impedanz verbunden, die gemeinsam
mit den genannten Kreisen 33 und 35 den Kreis 37 bildet, der auf die Grundfrequenz
abgestimmt ist und dem in der Frequenz zu teilende Schwingungen zugeführt öder in
,dem Schwingungen mit der erwähnten Grundfrequenz erzeugt werden. Durch genauen
Vergleich dieser Schaltung mit der Schaltung nach Fig. i ergibt sich, daß die Kreise
33 und 35 bzw. 37 in ähnlicher Weise mit den Anoden verbunden sind wie der Kreis
9 bzw. die Kreise 5 und 7 bei der Schaltung nach Fig. i. Der Unterschied zwischen
den beiden Schaltungen liegt ausschließlich darin, daß bei der in -Fig. i dargestellten
Schaltung zwei Kreise 5 und 7 vorgesehen sind, die auf die doppelte Frequenz abgestimmt
sind, was zwei Koppelelemente zum Zuführen der frequenzver doppelten Energie zu
einer Belastung bedingt, während bei der in Fig. 8 angegebenen Schaltung ausschließlich
dem Kreis 37 Schwingungen mit der doppelten Frequenz der den Kreisen 33 und 35 zugeführten
Schwingungen bzw. in diesen Kreisen erzeugten Schwingungen eiitnommen werden können.
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Bei der Anwendung einer Röhre mit sechs Anoden, deren Anoden auf die
in Fig. 8 angegebene Weise in zwei Gruppen unterteilt sind und bei der sämtliche
Anöden einer Gruppe über einen auf eine Grundfrequenz abgestimmten Kreis mit allen
Anoden der -anderen Gruppe verbunden sind, können den zwischen den benachbarten
Anoden derselben Gruppe geschalteten Kreisen Schwingungen entnommen werden, deren
Frequenz die dritte Subharmonische der genannten Grundfrequenz ist. In entsprechender
Weise können mit einer Schaltung, die in Magnetion mit acht Anoden erhält, Schwingungen
erhalten werden, deren Frequenz die vierte Subharmonische ist.
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Anwendung kann. eine Schaltung nach der Erfindung besonders dort finden,
wo Bedarf an L?ltrahochfreqenzschwingungen mit konstanter Frequenz. vorliegt. LTltrahochfrequeiiz-Schwingungen
mit einer Frequenz von der Größenordnung von q..io$ Per./Sek. und höher können mit
einem rückgekoppelten Generator nicht mehr erzeugt werden; während ein Magnetrongenerator
sich hingegen zum Erzeugen von Schwingungen mit eitler solchen hohen Frequenz eignet,
aber die Frequenz der mit einem Magnetrongenerator erzeugten
Schwingungen
in hohem Maße von den den Elektroden des Magnettrons zugeführten Spannungen abhängig
ist. und somit die Frequenz der erzeugten Schwingungen nicht konstant ist.
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Zwecks Erzeugung von Schwingungen mit konstanter Frequenz von der
vorher erwähnten Größenordnung kann- ein rückgekoppelter Generator verwendet werden,
der zum Erzeugen einer Subharmonischen der gewünschten Frequenz eingerichtet ist
und deren erzeugte Schwingungen einem Frequenzvervielfacher nach der Erfindung zugeführt
werden.