DE1591225C - Generator zur Erzeugung von Entladungs stoßen hochfrequenter Impulssignale mit ho her Impulsfolgefrequenz - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeu- erzielen, deren Dauer kürzer ist als einige Mikrogung von Entladungsstößen, bestehend aus einer vor- Sekunden.

bestimmten Anzahl hochfrequenter Impulssignale mit Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hoher Impulsfolgefrequenz. Hochfrequenzgenerator zu schaffen, der impulsför-Kurze Impulse von Mikrowellenenergie bei Fre- 5 mige Mikrowellenenergie mit hoher Ausgangsleistung quenzen in der Größenordnung von 1 GHz und dar- und hohem Wirkungsgrad liefert und dennoch einüber werden bis jetzt im allgemeinen mit Hilfe von fach im Aufbau und mit relativ geringen Kosten her-Magnetronen, Klystronröhren und Frequenzverviel- stellbar ist.

fächern erzeugt. Bei den Klystronröhren handelt es Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch sich gewöhnlich um Vorrichtungen mit geringer Aus- io gelöst, daß der Innenleiter einer an eine Ladeschal-, gangsenergie. Magnetrone sind Vorrichtungen von tung angeschalteten Übertragungsleitung in mehrere hoher Genauigkeit, deren Herstellung hohe Kosten durch dielektrische Spalte distanzierte und elektrisch verursacht. Bei beiden Arten von Vorrichtungen ist gekoppelte Abschnitte aufgeteilt ist, wobei die Anes bei einer Erhöhung der Betriebsfrequenz erforder- Ordnung und Abmessung derart getroffen ist, daß lieh, die Abmessungen der Konstruktion zu verklei- 15 eine von der Ladeschaltung gelieferte lange Rechtnern, so daß sich die Fähigkeit der Vorrichtung, eckwelle in einer ersten Richtung längs des Leiters Wärme abzugeben, verringert; infolgedessen ergibt wandert und jeder Spalt innerhalb einer vorbestimmsich in der Praxis eine Begrenzung sowohl bezüglich ten Zeitdauer auf das Eintreffen der Front der Welle der verfügbaren Ausgangsenergie als auch bezüglich an dem betreffenden Spalt anspricht und ein eine der erreichbaren Frequenz. 20 vorbestimmte Länge aufweisender Teil dieser Welle Zwar ermöglichen Frequenzvervielfacher das Ar- reflektiert wird, indem der Spalt diesem Teil einen beiten im Bereich noch kürzerer Wellen, wobei die großen Widerstand darbietet, und daß der verblei-Frequenzvervielfacher gewöhnlich mit Kristallen ar- bende Teil der langen Rechteckwelle auf den nächbeiten, mittels deren eine erzeugte Welle verzerrt sten Leiterabschnitt übertragen wird, indem der bewird, doch geht die aus den Harmonischen abgeleitete 35 treffende Spalt so dimensioniert ist, daß er diesem Energie bei zunehmenden Frequenzen sehr schnell verbleibenden Teil nur einen kleinen Widerstand zurück. darbietet.

Brauchbare Energiemengen können bei Wellen- Durch diesen- Generator können außerordentlich längen unter 5 mm mit Hilfe von Funkengeräten er- kurze Wellen während einer sehr kurzen Gesamtzeit zielt werden, bei denen resonanzfähige Dipole in 30 erzeugt werden. Die Wellenzüge treten mit sehr einem isolierenden Medium verwendet werden. Bei hochfrequenten Wellen auf, und die Zahl der Wellen einer solchen Vorrichtung ist ein resonanzfähiger kann auf vier oder fünf beschränkt sein. Die Gesamt-Dipol, der gewöhnlich kugelförmig ist, in einem dauer, während der dieser Impulszug auftritt, liegt in Abstand zwischen zwei Elektroden angeordnet. der Größenordnung von see 10~⁹. Somit stellt jede Eine Funkenentladung über die Funkenstrecke 35 Wellenimpulsfolge einen Entladungsstoß dar, und zwischen der Elektrode und dem Resonator erregt die Frequenz der Wellen und die Ausgangsleistung die Eigenschwingung des Resonators dadurch, in dem Entladungsstoß ist sehr groß,
daß sie ein plötzliches Zusammenbrechen des Es ist zwar bekannt, zur Erzeugung kurzer Imelektrischen Feldes bewirkt. Die Funken sind von pulse einer elektrischen Übertragungsleitung durch gedämpften Wellenzügen von regelloser Phasen- 40 Impulslademittel eine lange Rechteckschwingung zulage begleitet. Solche Vorrichtungen bilden daher zuführen, von der ein Teil infolge Fehlanpassung am Breitbandfunksender, und ihre Energieabgabe ist Ende der Leitung reflektiert wird. Bei einem bekannbegrenzt, ten Verfahren dieser Art wird eine einzige Länge eines

Es wurden auch bereits Versuche unternommen, ungeteilten Koaxialkabels benutzt, welches als Ver-

um die Anzahl der resonanzfähigen Dipole dadurch 45 zögerungsleitung dient. Dabei kann das Kabel an

zu vergrößern, daß die Dipole in Form einer langen einem Ende kurzgeschlossen sein, um ein reflektie-

Reihe angeordnet wurden, um die Energieabgabe zu rendes Ende zu bilden, und am anderen Ende kann

vergrößern. Zwar wird hierbei eine Vergrößerung der das Kabel an das Gitter einer Röhre angeschaltet

Energieabgabe erzielt, doch steht die Energieabgabe sein, wobei das freie Ende des Kabels an ein Poten-

in keinem brauchbaren Verhältnis zu der Zahl der 50 tiometer angeschlossen ist. Die Impulsbreite wird

zusätzlich verwendeten Dipole. dadurch verringert, daß die Differenz eines unver-

Ferner hat man Funkenstrecken in Mikrowellen- zögerten Impulses und eines Impulses entgegengesetzhohlräumen angeordnet, die als resonanzfähige FiI- ter Polarität, der durch das Kabel verzögert worden ter wirken sollten. Bei diesen Vorrichtungen handelt ist, benutzt werden. Auch diese bekannte Anordnung es sich theoretisch um mit hohem Wirkungsgrad ar- 55 besitzt jedoch einen schlechten Wirkungsgrad und beitende Vorrichtungen, doch arbeiten diese Vor- ist bezüglich der Frequenz und der Leistungsabgabe richtungen in der Praxis mit einer geringen Ausgangs- beschränkt (deutsche Auslegeschrift 1098 055).
leistung. Man kann alle vorstehend beschriebenen Demgegenüber ist nach der Erfindung der Innen-Vorrichtungen als harmonische Generatoren be- leiter einer elektrischen Übertragungsleitung durch zeichnen, da es sich um schwingende Vorrichtungen 60 Luftspalte in mehrere aufeinanderfolgende Abhandelt, die durch ein resonanzfähiges Element ge- schnitte aufgeteilt, und diese Luftspalte wirken als steuert werden, durch welches die Grundfrequenz Schaltmittel, um elektrisch jeden Abschnitt mit dem bestimmt wird. nächstfolgenden Abschnitt in der Weise zu koppeln,

Ferner ist bei der Anwendung impulsförmiger Mi- daß eine Aufteilung in Einzelimpulse erfolgt, wenn

krowellen bei Entfernungsmeßsystemen das erzielbare 65 eine lange Rechteckwelle am Einspeiseende zugeführt

Auflösungsvermögen eine Funktion der Impulsdauer. wird. Zweckmäßigerweise sind die als Funkenstrek-

Bei den bis jetzt bekannten Mikrowellenverfahren ist ken wirkenden Spalte mit einem sich selbsttätig er-

es außerordentlich schwierig, Impulse oder Stöße zu gänzenden Dielektrikum ausgefüllt. Dabei können

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sämtliche Spalte die gleiche Durchbruchsverzöge- als Dielektrikum Luft unter einem Druck von rungszeit gegenüber der eine vorbestimmte Spannung 760 mm Hg verwendet wird, wobei die Länge der aufweisenden Rechteckwelle besitzen. Funkenstrecke etwa 0,25 mm beträgt, wird die Fun-Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Er- kenstrecke z. B. bei einer Spannung von 30 kV innerfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der 5 halb einer Nanosekunde oder weniger leitfähig, was Zeichnung zeigt sich jeweils nach dem Kathodenmaterial und den geo-F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Aus- metrischen Verhältnissen der Funkenstrecke richtet, führungsform der Erfindung und diese teilweise in Um eine große Zahl von Rechteckwellen zu erzeueinem Blockdiagramm und teilweise in einem Teil- gen, kann man mehrere Funkenstrecken hintereinanschnitt längs der Fortpfianzungsachse eines Hoch- io der in eine Übertragungsleitung einschalten. Grundfrequenzimpulses, wobei die wesentlichen Elemente sätzlich wird dann die Ursprünglich in einer rechtder Erfindung dargestellt sind, eckigen Wanderwelle gespeicherte Energie durch F i g. 2 in einem idealisierten Zeitdiagramm die mehrere Reflexionsvorgänge an den nacheinander fortschreitende Entstehung von beispielhaften WeI- zusammenbrechenden Funkenstrecken unterbrochen, lenformen bei der Anordnung nach Fig. 1, 15 so daß man einen Satz von kurzen Wanderwellen er-F i g. 3 im Längsschnitt eine weitere Ausführungs- hält. Die Breite jedes Impulses ist dann durch T₁ geform der Erfindung mit einem System zum Abfüh- geben, wobei T₁ der Durchbruchsverzögerungszeit ren des Hochfrequenzimpulses aus der Vorrichtung, jeder Funkenstrecke G₁ entspricht. Man kann den F i g. 4 im Schnitt eine weitere Ausführungsform Wellenzug periodisch oder aperiodisch machen, inder Erfindung und läßt ein anderes System zum Ab- 20 dem man die Funkenstrecken auf geeignete Weise führen des Hochfrequenzimpulses erkennen,- ausbildet, d. h., indem man die Durchbruchszeit regelt Fig. 5 ein idealisiertes Zeitdiagramm, das die Wir- und/oder indem man die Länge der Übertragungskungsweise der Anordnung nach F i g. 4 veranschau- leitung von Funkenstrecke zu Funkenstrecke auf gelicht, eignete Weise wählt. Da keine resonanzfähigen EIe-Der erfindungsgemäße Hochfrequenzgenerator 35 mente verwendet werden, darf ein solcher Hochfreumfaßt allgemein eine Übertragungsleitung und Mit- quenzgenerator nicht als harmonischer Generator betel, um einen Impulserzeugungsteil dieser Leitung trachtet werden.

mit Hilfe eines Gleichspannungsimpulses aufzuladen; In F i g. 1 erkennt man eine erfindungsgemäße Vorhierbei ist die Übertragungsleitung in mehrere Ab- richtung mit einer Übertragungsleitung 20 in Form schnitte unterteilt, die jeweils durch Schaltmittel mit- 30 eines koaxialen Kabels mit einem zylindrischen hoheinander verbunden werden können, wobei diese len äußeren Leiter 22 und einem damit konzentri-Schaltmittel nacheinander dadurch betätigt werden, sehen, insgesamt mit 24 bezeichneten inneren Leiter, daß an die Schaltmittel ein vorbestimmtes Potential der von dem äußeren Leiter durch ein dielektrisches über den unmittelbar vorangehenden Teil der Lei- Material 26, z. B. Luft, getrennt ist. Man kann Untung angelegt wird, und wobei die Schaltmittel im 35 terstützungen, z. B. geschlitzte Scheiben aus Kunstgeöffneten Zustand einen hohen Widerstand haben, stoff, verwenden, um die beiden Leiter in der richtiwährend sie im geschlossenen Zustand einen Wider- gen Lage zueinander zu halten; aus Gründen der stand haben, der nahezu gleich dem charakteristi- Deutlichkeit sind diese Unterstützungen in Fig. 1 sehen Leitungswiderstand ist. Im übrigen ist der nicht dargestellt. Ferner sind zur Vereinfachung der Widerstand jedes Leitungsabschnitts vorzugsweise 40 Zeichnung die Ableitungswiderstände nicht dargegleichmäßig und dem charakteristischen Leitungs- stellt, die jeden Abschnitt des Mittelleiters 24 mit widerstand angepaßt. Wenn bei der bevorzugten Aus- dem äußeren Leiter 22 verbinden. Diese Widerführungsform ein Schaltmittel geschlossen wird, so stände, die in einem typischen Fall einen Widerdaß eine Fortleitung von Energie zwischen benach- standswert von 1 Megohm haben, dienen zum Abbarten Teilen der Übertragungsleitung erfolgt, blei- 45 führen der elektrischen Restladung, die anderenfalls ben die Schaltmittel für Impulse geschlossen, die sich einen unregelmäßigen Betrieb verursachen würden in der einen oder anderen Richtung fortpflanzen, und und insbesondere einen Betrieb mit einer hohen Imwährend einer Zeit, die derjenigen Zeit entspricht, pulsfrequenz behindern würden. Wenn solche Widerweiche benötigt wird, um dem einen oder anderen stände eingebaut sind, werden alle Teile der Über-Ende der Vorrichtung die hochfrequente Energie zu 50 tragungsleitung auf dem Erdpotential gehalten, beentnehmen. Die Dämpfung an jedem der Schaltmittel vor die Vorrichtung betätigt wird, um einen Wellensoll gering sein; dies entspricht einer schnellen Ände- zug zu erzeugen. Der äußere Leiter 22 dient, wie rung des Zustandes zwischen einem »unendlich gro- im folgenden näher erläutert, in erster Linie als Abßen« Widerstand und einem Widerstand, der eine schirmung, und daher ist er lückenlos entweder aus sehr kleine ohmsche Komponente umfaßt. 55 einem massiven Material oder aus einem geklöppel-Zwar können Schaltvorrichtungen, z.B. Thyra- ten bzw. geflochtenen Material od. dgl. ausgebildet, trone, mit außerordentlich kurzen Schaltzeiten ar- und er besteht aus Kupfer oder einem ähnlichen Mabeiten, die nur einigen Nanosekunden entsprechen, terial von hoher elektrischer Leitfähigkeit,
wenn Energieimpulse von erheblicher Größe in Frage Eine Einrichtung zum Einführen einer im wesentkommen, doch können die einfachsten und außer- 60 liehen rechteckigen Welle .in die Übertragungsleitung ordentlich schnell arbeitenden Leistungsschalter ein- ist in F i g. 1 in Form einer Ladeschaltung 28 darpefach durch in die Übertragungsleitung eingeschaltete stellt, die mit einem Impulserzeugungsabschnitt 30 Funkenstrecken gebildet werden, in denen ein dielek- des Mittelleiters zusammenarbeitet. Solche Impulstrisches Material angeordnet ist. Wenn in der Über- ladeschaltungen sind bereits bekannt, und man kann tragungsleitung an einer solchen Funkenstrecke eine 65 normalerweise einen ÄC-Kreis oder eine resonanz-Überspannung auftritt, bricht die Funkenstrecke zu- fähige Ladeschaltung verwenden. Der Mittelleiter 24 sammen, so daß sie sehr schnell leitfähig wird. Bei ist in mehrere hintereinander angeordnete Abschnitte einer Übertragungsleitungs-Funkenstrecke, bei der 30, 32, 34, 36, 38 und 40 unterteilt.

Jeder Abschnitt der Übertragungsleitung ist dem nächstfolgenden Abschnitt nahe benachbart und von ihm durch Schaltmittel in Form eines engen Spaltes getrennt, in dem sich ein dielektrisches Material befindet. Die Anordnung nach F i g. 1 umfaßt somit die mit 42, 44, 46, 48 und 50 bezeichneten Funkenstrekken. Das dielektrische Material in den Spalten der Funkenstrecken ist vorzugsweise ein sogenanntes selbstheilendes Material, so daß sich das dielektrische Material nach dem Überschlagen eines Funkens selbsttätig erneuern kann. Die Enden der Abschnitte des Leiters 24, welche jede Funkenstrecke abgrenzen, sollen auf bekannte Weise so geformt sein, daß sich eine möglichst kurze Durchbruchszeit ergibt und daß das Material durch die beim Durchbrechen der Funkenstrecken auftretenden Lichtbogen möglichst wenig beschädigt wird. Wenn das dielektrische Material 26 der Übertragungsleitung strömungsfähig ist, kann es natürlich auch das Dielektrikum in den Funkenstrecken bilden.

Die Leitungsabschnitte 32, 34, 36, 38 und 40 bilden zusammen mit den Funkenstrecken Impulserzeugungsmittel, die es ermöglichen, eine sich längs des Abschnitts 30 fortpflanzende rechteckige Welle in mehrere Impulse oder einen Wellenzug zu verwandein. Bei der Anordnung nach Fig. 1 haben alle Funkenstrecken 44, 46, 48 und 50 im wesentlichen die gleichen Abmessungen und daher auch gleich große Durchbruchsverzögerungszeiten. Im Hinblick auf ihre im folgenden beschriebene Funktion ist die Funkenstrecke 42 so eingestellt, daß sie im Vergleich zu den Funkenstrecken 44, 46, 48 und 50 langsamer anspricht.

Wenn der Abschnitt 30 der Übertragungsleitung mit Hilfe der Schaltung 28 auf ein Potential V aufgeladen wird und wenn eine plötzliche Umschaltung zu dem nächsten Abschnitt 32 mit einem ähnlichen charakteristischen Widerstand erfolgt, wird bekanntlich in dem ursprünglich nicht geladenen Abschnitt 32 eine Wanderwelle von rechteckiger Wellenform er- _ zeugt. Die Amplitude der Wellenform ist dann mit V/2 gegeben, und die Länge T der rechteckigen Wellenform ist gleich dem Zweifachen der elektrischen Länge des Abschnitts 30. Die Funkenstrecke 42 ist so eingestellt, daß sie mit einer ausreichenden Verzögerung durchschlagen wird, damit der Abschnitt 30 auf seine volle Spannung V aufgeladen werden kann. Beim Zusammenbrechen wird die Funkenstrecke 42 schnell leitfähig, so daß dem Abschnitt 32 eine schnell ansteigende rechteckige Welle zugeführt wird. Wenn jedoch gemäß der Erfindung eine weitere Funkenstrecke 44 so angeordnet wird, daß sie den Abschnitt 32 abschließt, trifft die Wanderwelle auf den hohen Widerstand dieser Funkenstrecke, so daß sie nach hinten reflektiert wird. Die so reflektierte Welle wandert nach hinten in Richtung auf ihre ursprüngliche Quelle durch die jetzt leitfähige Funkenstrecke 42 mit einer Amplitude V/2 und einer Dauer T_R. Wenn sich die Wanderwelle gegenüber der Funkenstrecke 44 auf einer hohen Überspannung befand, wird die Funkenstrecke 44 automatisch durchschlagen, so daß sie plötzlich der Wanderwelle den für die Leitung charakteristischen Widerstand darbietet, so daß die reflektierte Welle plötzlich abklingt. Die Dauer T_x der letzteren reflektierten Welle wird daher durch die Zeit bestimmt, die die Funkenstrecke benötigt, um vollständig zusammenzubrechen.

Somit wird eine hohe Spannung von z. B. 20 kV in Form eines Impulses an den Leitungsabschnitt 30 durch die Schaltung 28 angelegt, so daß der Abschnitt 30 aufgeladen wird. Wenn an der Funkenstrecke 42 eine hohe Überspannung erscheint, erfolgt ein Überschlag, so daß das in dem Abschnitt 30 vorhandene Potential plötzlich dem Abschnitt 32 in Form einer Wanderwellenfront 52 zugeführt wird, wie es in F i g. 2 A gezeigt ist. Diese die Funkenstrecke 44 erreichende Wellenfront trifft auf den anfänglich hohen Widerstand der Funkenstrecke 44, so daß sie in der in F i g. 2 B gezeigten Weise reflektiert wird, wie es durch die gestrichelt eingezeichnete reflektierte Wellenfront 54 angedeutet ist. Aus Gründen der Deutlichkeit ist die reflektierte Wellenfront mit einer etwas kleineren Amplitude dargestellt als die Wanderwelle, obwohl dann, wenn der Widerstand der nicht leitfähigen Funkenstrecke im Vergleich zum Widerstand der Leitung hoch ist, in der Praxis nur eine geringe Dämpfung auftritt. Die Funkenstrecke 44 bricht schnell zusammen, z. B. innerhalb einer halben Nanosekunde, so daß die Wellenfront 52 in den Leitungsabschnitt 34 übergeführt wird. Schließlich erreicht die Wellenfront 52 die nächste Funkenstrecke 46, wie es in Fig. 2C gezeigt ist. Hierbei beendete natürlich der Überschlag an der Funkenstrecke 44 die reflektierte Wellenform 54, die sich dann als Impuls 58 längs des Mittelleiters 24 nach hinten bewegte.

Wenn die Front der Rechteckwelle jetzt auf den durch die Funkenstrecke 46 gebildeten großen Widerstand trifft, wie es in Fig. 2D gezeigt ist, wird die Rechteckwelle ebenfalls durch den hohen Widerstand der nicht leitfähigen Funkenstrecke reflektiert, so daß sie beginnt, sich nach hinten in Richtung auf den Anfang der Übertragungsleitung zu bewegen. Jedoch bewirkt das Eintreffen der Wellenfront an der Funkenstrecke 46, daß an dieser Funkenstrecke eine Überspannung auftritt, so daß diese Funkenstrecke sehr schnell durchschlagen wird. Dieses Zusammenbrechen der Funkenstrecke ermöglicht es, die anfängliche Wanderwelle in den nächsten Abschnitt 36 der Leitung zu überführen, wobei gleichzeitig bewirkt wird, daß das reflektierte Potential zurückgeht. Auf diese Weise bewegt sich ein kurzer Impuls 60 mit der Dauer T_g, die im wesentlichen durch die Durchbruchszeit der Funkenstrecke 46 bestimmt wird, in der entgegengesetzten Richtung längs des Leiters 24, wie es in F i g. 2 E gezeigt ist.

Wenn man annimmt, daß die Funkenstrecken 44 und 46 gleich große Durchbruchsverzögerungszeiten gleich T_g aufweisen, wird die Dauer der längs des Abschnitts 36 wandernden Rechteckwelle jetzt auf T-2T_g verkürzt. Wenn die Front der Welle die nächste Funkenstrecke 48 erreicht, tritt eine kleine Verzögerung ein, die auf die Durchbruchsverzögerungszeit dieser Funkenstrecke zurückzuführen ist. Hierbei wird durch Reflexion ein Impuls 62 erzeugt, während sich die Impulse 58 und 60 längs des Mittelleiters bewegen, wie es in Fig. 2F gezeigt ist. Es liegt auf der Hand, daß sich danach eine ähnliche Erscheinung an der Funkenstrecke 50 abspielt.

Der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen 58 und 60 ist gleich der Zeit, die die Wellenfront 52 benötigt, um sich längs des Abschnitts 34 fortzupflanzen, zuzüglich der Zeit, welche die reflektierte Welle benötigt, um sich nach hinten längs des Abschnitts 34 fortzupflanzen. Somit entspricht der zeitliche Abstand zwischen den verschiedenen Impulsen dem

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Zweifachen der elektrischen Länge der die verschie- Die oberen Frequenzgrenzen des durch den er-

denen Funkenstrecken voneinander trennenden Lei- findungsgemäßen Hochfrequenzgenerator erzeugten

tungsabschnitte. Wellenzuges werden offenbar in erster Linie durch

Wenn man die Durchbruchsverzögerungszeiten T_g bestimmt. Zeitverzögerungen bis herab zu der Funkenstrecken und die Länge der Abschnitte 5 0,3 Nanosekunden wurden routinemäßig gemessen, der Übertragungsleitung auf geeignete Weise wählt, und es wird angenommen, daß Funkenstrecken, wird somit durch aufeinanderfolgende Reflexionsvor- denen eine hohe Überspannung zugeführt wird, Vergänge an den' verschiedenen Funkenstrecken eine zögerungszeiten aufweisen können, die kürzer sind Impulsreihe erzeugt. Die Impulse können sich längs als 0,1 Nanosekunde. Somit lassen sich Frequenzen der Übertragungsleitung nach hinten, d. h. entgegen io bis zu 10¹⁰ Hz oder darüber erzielen. Natürlich erder ursprünglichen. Laufrichtung der anfänglichen hält das System bei niedrigen Frequenzen eine un-Rechteckwelle, ohne Verzögerung oder Reflexion handliche Länge, woraus sich in der Praxis eine Befortpflanzen, da jede Funkenstrecke, sobald sie ein- grenzung der Anwendbarkeit ergibt,
mal durchschlagen wurde, im leitfähigen Zustand Betrachtet man die ursprünglich in dem ersten Imgehalten wird, und zwar deshalb, weil das Potential 15 pukerzeugungsteil der Leitung gespeicherte Energie der anfänglichen Rechteckwelle vorhanden ist und und deren nachfolgende Unterteilung in einen WeI-die Widerstände der Leitungsabschnitte einander an- lenzug, so ist die in einem solchen Wellenzug enthalgepaßt sind, sowie deshalb, weil das Abklingen des tene Energie P annähernd durch folgenden Ausdruck leitfähigen Zustandes einer Funkenstrecke gewöhn- gegeben:

lieh erheblich langsamer erfolgt, als es der Durch- 20 ρ ^ jq-³ V₀ ² (Watt). (3)
bruchsverzögerungszeit entspricht. Somit wirken

diese durch leitfähige Funkenstrecken miteinander Bekannte Impulsladeverfahren ermöglichen das

verbundenen Abschnitte wie eine gewöhnliche Über- Arbeiten mit Ladespannungen V₀ von bis zu 10^e V

tragungsleitung. und möglicherweise bis zu 10⁷ V. Somit kann man

Das Endergebnis dieser aufeinanderfolgenden 25 eine Rechteckwelle mit einem Energieinhalt erzeugen, Schaltvorgänge besteht darin, daß die Gleichspan- der etwa 10⁹ bis etwa 10¹¹ Watt beträgt. Bei der nungsenergie des rechteckigen Impulses in eine Reihe vorstehend beschriebenen Umwandlung kann man von durch Abstände getrennten Impulsen verwandelt unter Berücksichtigung von Verringerungen infolge wird, wie es in Fig.2G dargestellt ist. Man kann von Verlusten sowie des Wirkungsgrades der Umeine periodische Impulsreihe auf einfache Weise da- 30 Wandlung eine vergleichbare Energie in dem Hochdurch erzeugen, daß man die elektrische Länge jedes frequenzspektrum erwarten. Zusätzlich zu der Span-Abschnitts des Impulserzeugungsteils des Mittelleiters nung, die einen der Parameter bildet, durch welche auf geeignete Weise wählt; alternativ kann man eine die Energie bestimmt wird, bestehen zahlreiche veraperiodische Impulsreihe dadurch erzeugen, daß man schiedene Möglichkeiten, die Übertragungsleitung einen Mittelleiter verwendet, bei dem sich die Ab- 35 geometrisch auszubilden. Beispielsweise könnte man schnitte bezüglich ihrer Länge unterscheiden. Die eine Streifen- oder Bandleitung verwenden, um die Zahl der jeweils erzeugten Impulse richtet sich nach Kapazität je Längeneinheit und damit den Energieder Zahl der Abschnitte des Impulserzeugungsteils inhalt der erzeugten Impulse zu vergrößern,
der Leitung. Wenn vier Abschnitte vorhanden sind, F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform ähnlich derwie es in Fig. 1 gezeigt ist, werden somit vier ent- 40 jenigen nach Fig. 1, wobei gleiche Teile jeweils mit sprechende Impulse erzeugt, wie sie in F i g. 2 G dar- den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Man ergestellt sind. Wenn die Vorrichtung einwandfrei ar- kennt jedoch, daß geeignete Mittel, z. B. in Form beiten soll, müssen natürlich alle Funkenstrecken mit eines den Außenleiter 22 mit dem Leitungsabschnitt Ausnahme der letzten Funkenstrecke 50 während 40 verbindenden Widerstandes 66, vorgesehen sind, einer Zeitspanne leitfähig bleiben, die ausreicht, um 45 um die Übertragungsleitung abzuschließen. Der es dem letzten Impuls 64 zu ermöglichen, das System Widerstandswert des Widerstandes 66 wird entweder zudurchlaufen. so gewählt, daß er annähernd gleich dem Wellen-

Die Dauer T der anfänglichen Rechteckwelle muß widerstand der Leitung ist, wenn keine Reflexion erin der nachstehend angegebenen Weise in einer Be- wünscht ist, oder daß ein großer Widerstandsziehung zu den Schaltmitteln stehen: 50 abstimmungsfehler vorhanden ist, wenn eine Re-

_N flexion erzielt werden soll. Ferner ist gemäß F i g. 3

7" > "S^ j» m eine Leitung 68 vorgesehen, die bezüglich ihres

^ /£ί Widerstandes auf die Übertragungsleitung abgestimmt ist, sich quer zur Achse der Übertragungs-

Hierin ist N die Zahl der Schalter, z. B. der Fun- 55 leitung durch eine öffnung 70 des Außenleiters 22 kenstrecken zum Erzeugen reflektierter Impulse mit erstreckt und direkt mit dem Leitungsabschnitt 30

der Dauer T_gi. Wenn die Schaltmittel durch Funken- verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht es, die

strecken gebildet werden, ist natürlich T_et die Durch- durch Reflexion an den Funkenstrecken erzeugte

bruchsverzögerungszeit der ΐ-ten Funkenstrecke. Impulsreihe dem System zu entnehmen. Die T-för-

Wenn alle Verzögerungszeiten gleich T_g sind, und 60 mige Anordnung, die durch die Leitung 68 und den

wenn T_t seinerseits gleich der Laufzeit in beiden Abschnitt 30 gebildet wird, kann eine Kopplung für

Richtungen durch die Abschnitte zwischen den Fun- einen Wellenleiter oder eine weitere koaxiale Lci-

kenstrecken ist, wird eine periodische und symme- tung oder eine Hälfte einer Halbwellenantenne oder

irische Wellenform erzeugt, deren Frequenz durch eines Dipols bilden.

den folgenden Ausdruck gegeben ist: 65 Es ist ersichtlich, daß bei der Anordnung nach

F i g. 3 die hochfrequente Impulsreihe dem Gencra-

/ = .—!_. (2) tor nahe dem Ende der Übertragungsleitung entnom-

IT₁, men wird, in welchem der anfängliche Rcchteck-

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impuls erzeugt wird, d. h. nach einmaligen Reflexio- der Übertragungsleitung in der gleichen Richtung

nen der dem System ursprünglich zugeführten Ein- fortpflanzt wie der ursprüngliche Rechteckimpuls,

gangsenergie. Jedoch kann der hochfrequente Im- wie es in F i g. 5 J dargestellt ist. Vorzugsweise kann

puls der Übertragungsleitung auch an deren anderem der ursprüngliche Rechteckimpuls gerade genügend

Ende entnommen werden. Fig. 4 zeigt eine Anord- 5 lang sein, um eine solche Impulsreihe zu erzeugen, so I

nung, bei der die typische Ladeschaltung 28 eine Ein- daß die gesamte anfänglich in dem langen Impuls

gängsklemme 72 umfaßt, die mit einer Quelle für eine enthaltene Energie jetzt in der durch.die kurzen Im-

hohe Lädespannung von z.B. 20 kV verbunden wer- pulse gebildeten Reihe verteilt ist.

den kann. Eine Seite des Ladewiderstandes 74 ist mit Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist das hintere j

der Klemme 72 verbunden, während das andere Ende io Ende der Übertragungsleitung, d.h. der Abschnitt |

an eine Klemme eines Speicherkondensators 78 an- 40, durch eine Vorrichtung zum Entnehmen der j

geschlossen ist. Die andere Klemme des Kondensa- Hochfrequenzenergie abgeschlossen, die typischer- >

tors ist geerdet. Bei einer Ausführungsform kann der weise durch eine einem Türknopf ähnelnde Verdik- '

Kondensator eine Kapazität von etwa 500 Picofarad kung 84 des Abschnitts 40 gebildet wird, welche die |

haben, und der Widerstandswert des Widerstandes 74 15 Energie einem rechteckigen Wellenleiter 88 zuführt :

kann etwa 1 Gigaohm betragen. Der Knotenpunkt und vorzugsweise in einem Abstand von einer Vier-

zwischen dem Kondensator und dem Ladewiderstand telwellenlänge vom gekrümmten Ende 86 des WeI-

ist über einen Dämpfungswiderstand 76 von z. B. lenleiters 88 angeordnet ist.

etwa 2000 Ohm mit der Klemme 80 verbunden. Die Bei einer Versuchsausführung der erfindungsgemä-

Klemme 80 ist bei einer typischen Anordnung durch 20 ßen Anordnung nach Fig. 3 würde die Übertra- j

schnell arbeitende Schaltmittel, z. B. eine Funken- gungsleitung aus Aluminiumrohr mit einem Durch-

strecke 82, vom Eingangsende des Mittelleiters 24 messer von etwa 50 mm für den Außenleiter 22 her- ₍

der Übertragungsleitung 20 getrennt. gestellt; hierbei bestand der Innenleiter 24 aus einer J

Es sei bemerkt, daß der Kondensator 78 aufge- Messingstange mit einem Durchmesser von etwa i

laden wird, wenn eine hohe Spannung an die Klemme 25 9,5 mm. Der Innenleiter wurde durch mehrere Schei- j

72 angelegt wird. Wenn diese Ladung bewirkt, daß ben aus Polyäthylen unterstützt, wobei darauf ge- ι

an der Funkenstrecke 82 eine Überspannung er- achtet wurde, daß die Unstetigkeiten des Widerstan-

scheint, wird die Funkenstrecke durchschlagen, so des möglichst klein gehalten wurden. Bei dieser An-

daß die Spannung zu dem ersten Abschnitt 30 des Ordnung nach Fig. 3 hatte der Abschnitt30 eine j

Mittelleiters 24 der Übertragungsleitung gelangt. Der 30 Länge von etwa 1320 mm, die Abschnitte 32, 34, 36 |

Widerstand 76 gewährleistet, daß die Ladung in den und 38 hatten jeweils eine Länge von etwa 150 mm, i

Abschnitt 82 exponentiell und nicht etwa schwingend und die Länge des Abschnitts 40 betrug etwa 255 mm.

übergeführt wird, um eine im wesentlichen gleich- Der Widerstand 66 hatte einen Widerstandswert, der

mäßige oder zügige Annäherung an die Ladespan- gleich dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitung

nurig V sicherzustellen. 35 war und etwa 100 Ohm betrug. Kapazitätsuntertei-

Wenn die nächste Funkenstrecke 42 zusammen- lungssonden waren sowohl am vorderen als auch bricht, wird die rechteckige Wanderwelle in den Ab- am hinteren Ende eingebaut, um eine Messung der schnitt 32 der Übertragungsleitung übergeführt, wie Wellenform zu ermöglichen. Die Impulsladeschaltung es an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde und wie 28 entsprach der Darstellung in Fig. 4. Der Wideres in Fig. 5A erneut dargestellt ist. Gemäß Fig. 5B 40 standswert des Widerstandes 74 betrug 1 Gigaohm, und 5C entsteht eine erste Wellenfront 54 durch eine der Kondensator 78 hatte eine Kapazität von 900 Pico-Reflexion an der Funkenstrecke 44, so daß dann der farad, und der Widerstandswert des Widerstandes 76 Impuls 58 nach Fig. 5C entsteht. Fig. 5D und 5E betrug 2 Kiloohm. An die Klemme 72 wurde eine veranschaulichen die Entstehung des nächstfolgenden Spannung von 2OkV angelegt. Gemäß Fig. 3 bil-Impulses 60, der an der Funkenstrecke 46 auftritt. 45 dete die Leitung 68 zusammen mit ihrem Außen-Zwar wandert die anfängliche.Rechteckwelle in einer leiter einen koaxialen Dipolstrahler mit einer Ge-Richtung längs der Übertragungsleitung, doch pflan- samtlänge von etwa 305 mm. Ein einfacher Eckenzen sich die reflektierten Impulse 58 und 60 in der reflektor aus Aluminium war hinter dem Dipol angeentgegengesetzten Richtung fort. F i g. 5 F und 5 G ordnet, um jede etwa auftretende Strahlung zu veranschaulichen das nachfolgende Entstehen der 50 richten.

Impulse 62 und 64. Wenn jeder dieser Impulse nach- Die mit Hilfe der Kapazitätsteiler gemessene Welle einander auf den großen Widerstand trifft, der z. B. zeigte die erwartete Form; d. h., sie hatte die Form durch ,den Dämpfungswjderstand 76 gebildet wird, eines Wellenzuges, bei dem T_g etwa gleich 0,6Nanowerden diese Impulse erneut reflektiert, so daß sie Sekunden betrug. Die einzelnen Impulse des Wellensich in. der gleichen Richtung wie die anfängliche 55 zuges waren durch Abstände von 1,0 Nanosekunden Rechteckwelle fortpflanzen, wobei sie jedoch der getrennt, was der. Zweiwegelaufzeit, längs der Ab-Rechteckwelle nacheilen. Dies ist in Fig.5H, 51 schnitte zwischen den Funkenstrecken entsprach.Der und 5 J dargestellt. Man erkennt, daß jeder erzeugte Wellenzug wurde dann durch eine Frequenz von reflektierte Impuls die Dauer der anfänglichen recht- etwa 600 MHz mit einer Gesamtdauer von 6,4Nanocckigen Wanderwelle um einen Betrag verkürzt, der 60 Sekunden beschrieben. Während des Betriebs wurin der beschriebenen Weise gleich der Dauer jedes den Impulsfolgefrequenzen von 20 Impulsen/sec erdieser reflektierten Impulse ist. Somit wird der an- zielt, wobei die Spitzenenergie innerhalb der Impulsfängliche rechteckige Gleichspannungsimpuls von reihe etwa IO⁵ Watt betrug. Somit ermöglichte es das langer Dauer dazu benutzt* eine Reihe oder Serie von vorstehend beschriebene Versuchssystem, eine Imwandernden kleinen Rechteckwellen zu erzeugen, 65 pulsreihe oder einen Stoß zu erzeugen, der kürzer von denen; jede durch eine Reflexion an der betref- war und eine höhere Energiemenge enthielt, als es fanden Funkenstrecke entsteht und von denen jede bis jetzt ohne Schwierigkeiten erreichbar ist. Da alle danach erneut reflektiert wird, so daß sie sich längs Funkenstrecken von dem Außenleiter der koaxialen

Leitung umschlossen sind, haben alle regellosen Wellen, die in den Funkenstrecken erzeugt werden, bestenfalls eine sehr geringe Energie, so daß sie nur eine geringe Dämpfung bewirken, und diese Wellen werden durch den Außenleiter gut abgeschirmt.

Unter Anwendung der vorstehend beschriebenen Betriebsbedingungen wurden mit dem erfindungsgemäßen System weitere Versuche durchgeführt, bei denen der Hochfrequenzstoß oder Impuls in der Form beobachtet wurde, in der er in der beschriebenen Weise von dem Dipol und dem Eckenreflektor abgestrahlt wurde. Es wurde ein Impuls bzw. Stoß von 600 MHz beobachtet, dessen Breite zwischen den der halben Energie entsprechenden Punkten etwa Nanosekunden betrug. Das erzeugte Signal war sehr stark (mehrere hundert V/m bei Laboratoriumsentfernungen), und die Amplitude und die Phase des Signals waren so gleichmäßig, daß eine Entfernungsmessung mit einem Auflösungsvermögen von erheblich weniger als 0,3 m möglich war.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Generator zur Erzeugung von Entladungsstößen, bestehend aus einer vorbestimmten An- zahl hochfrequenter Impulssignale mit hoher Impulsfolgefrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (24) einer an eine Ladeschaltung (28) angeschalteten Übertragungsleitung (20) in mehrere durch dielektrische Spalte (42." 44, 46. 48, 50) distanzierte und elektrisch gekoppelte Abschnitte (30, 32, 34, 36, 38, 40) aufgeteilt ist, wobei die Anordnung und Abmessung derart getroffen ist. daß eine von der Ladeschaltung (28) gelieferte lange Rechteckwelle in einer ersten Richtung längs des Leiters wandert und jeder Spalt innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer auf das Eintreffen der Front der Welle an dem betreffenden Spalt anspricht und ein eine vorbestimmte Länge aufweisender Teil dieser Welle reflektiert wird, indem der Spalt diesem Teil einen großen Widerstand darbietet, und daß der verbleibende Teil der langen Rechteckwelle auf den nächsten Leiterabschnitt übertragen wird, indem der betreffende Spalt so dimensioniert ist, daß er diesem verbleibenden Teil nur einen kleinen Widerstand darbietet.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Funkenstrecken wirkenden Spalte (42 ... 50) mit einem sich selbsttätig ergänzenden Dielektrikum ausgefüllt sind.

3. Generator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Spalte (42 ... 50) die gleiche Durchbruchsverzögerungszeit gegenüber der eine vorbestimmte Spannung aufweisenden Rechteckwelle besitzen.

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Leiterabschnitte (30 . .. 40) bezüglich ihres Widerstandes aufeinander abgestimmt sind.

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (20) als Koaxialleitung ausgeführt ist, deren Außenleiter (22) über Übergangswiderstände in der Größenordnung von 1 Megohm mit den Abschnitten (30 ... 40) des Innenleiters verbunden ist.

6. Generator nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltung einen Leitungsabschnitt aufweist, dessen eines Ende (80) von dem Ende des ersten Innenleiterabschnitts (30) durch eine Funkenstrecke (82) getrennt ist.

7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Einspeiseende der Übertragungsleitung (20) quer zu dieser eine Koaxialleitung angeschlossen ist, deren Innenleiter (68) durch eine Ausnehmung (70) des Außenleiters mit dem Innenleiterabschnitt (30) verbunden ist, um der Übertragungsleitung (20) den reflektierten Teil der Welle entnehmen zu können.

8. Generator nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Einspeiseende gegenüberliegende Ende der Übertragungsleitung (20) mit dem Wellenwiderstand (66) (wenn keine Reflexion erwünscht ist) bzw. mit einem hiervon abweichenden Widerstand abgeschlossen ist (wenn eine Reflexion erzielt werden soll).

9. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Einspeisestelle am weitesten entfernte Innenleiterabschnitt (40) mit seinem vorderen verdickten Ende (84) in einen Rechteckhohlleiter (88) einsteht und im Abstand von λ/4 vom gekrümmten Ende (86) des Wellenleiters (88) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPV