Frühe deutsche und amerikanische Radar Sendetechnologie

Liebe Mitglieder und Besucher des Radio Museums (RM),

warum Radar-Technologie hier im RM? Weil die Radartechnik die Entwicklung neuer Röhrenwerkstoffe und Röhrentechnologien ganz wesentlich mitgeprägt hat.
Und weil die mit der Radartechnik ebenfalls verbundene Analogrechentechnik (Siehe Anhang a-e) ihrerseits zu vielen für Industrie, Radio- und Fernsehindustrie wesentlichen Erkenntnissen führte.
Nennen lässt sich zum Beispiel die Linearisierung durch Feedback, Fortschritte in der Regeltechnik oder die Entwicklung verschiedenster Filtertopologien,
nicht zuletzt aber auch die Entwicklung von Röhren die für den Empfang höchster Frequenzen geeignet oder besonders widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen sind.

Der folgende Beitrag ist im Original 2002 von Hans H. Jucker in Englisch verfasst worden. Hr. Jucker hat sich beruflich seit Mitte der 50er Jahre mit der Radartechnik befasst und gehört zu der Generation von Fachspezialisten, die Gelegenheit hatten, auch die frühe Radartechnik noch selber studieren zu können.
Kennen gelernt hatte ich Hr. Jucker eher zufällig im Zuge meiner Recherchen im Bereich Radartechnik zu der mich beinahe zwangsläufig die Analogrechentechnik brachte.

Die Geschichte der Radartechnik ist so spannend und so eng mit der Röhrentechnik verbunden, dass ich überzeugt bin, dass sie hier im RM auf Interesse stossen wird.
Hr Jucker hat mir freundlicherweise die Erlaubnis erteilt, das o.g. Original zu übersetzen und hier im RM einzustellen.

Im Gegensatz zur bekannten deutschsprachigen Fachliteratur (wie z.B. "Die deutschen Funkmessverfahren bis 1945, Fritz Trenkle") geht Hr. Juckers Dokumentation deutlich mehr auf technische Details des Sender- bzw- Empfängeraufbaus ein, was für RM-Mitglieder und Besucher eine willkommene Ergänzung sein dürfte.
Aus diesem Grund und weil diese Dokumentation auch der Schlüssel zu weiteren technischen Entwicklungen (dazu später einmal) sein dürfte, habe ich mich dazu entschlossen diese Arbeit für die deutschsprachigen Leser zu übersetzen.

Frühe deutsche und amerikanische Radar Sender Technologie

Zu Beginn der Radar-Entwicklungsgeschichte arbeitete man noch mit kommerziellen Senderöhren.
Bei den für den Impulsbetrieb notwendigen hohen Anodenspannungen kam es allerdings zu schweren Bombardements der Kathoden mit positiven Ionen.
Deswegen konnten zunächst nur die robusten Wolfram-Kathoden bzw. thorierte Wolfram-Kathoden mit ihrer relativ geringen Elektronenemissionsfähigkeit verwendet werden.
1937 gelang Dr. Herringer vom Lorenz Elektronenröhren-Labor die Entwicklung einer Oxydkathoden-Röhre, die für pulsmodulierte Radar-Hochfrequenzsender geeignet war.
Die C.Lorenz AG reichte 1938 für diese Röhrentype das Patent Nr. 862782 "Anodenimpulsmodelung bei Röhren mit Oxydkathode" beim Reichspatentamt ein. Das Foto nebenan zeigt das erste Labormuster der Lorenz UHF-Impulstriode DS323 von 1937. Die DS323 war die erste Impuls-Sendetriode mit Oxydkathode, die für Radar-Sender geeignet war.
Die Oxydkathode mit der höheren Elektronenemission (>5 Amp. Anodensättigungsstrom) erlaubte wesentlich höhere HF-Ausgangsleistungen. Die Verlustleistung der massiven Anodenkonstruktion betrug 75 Watt (Dauerleistung).
Die Röhre benötigte wegen der tantalbeschichteten Anodenoberfläche kein Getter.
1938 entwickelte Dr. Gotthard Müller vom C. Lorenz Laboratorium Berlin mit zwei DS323 einen Gegentaktsender für Impulsbetrieb im 500MHz-Band.
Die C. Lorenz AG reichte für diese neue Art von Sendestufen das Patent Nr. 767453 "Anordnung zur Erzeugung bzw. Tastung sehr kurzzeitiger Dezimeterwellen Impulse, insbesondere für Zwecke der Entfernungsmessung" ein.
Der Sender, getastet mit 18kV-Anodenspannungs-impulsen von 1 Mikrosekunden Dauer erzeugte eine Pulsleistung von 50kW, was wesentlich leistungsfähiger war als alle anderen Radarsender der Periode 1938/1939 .
Bereits 1936 hatte man bei C. Lorenz ein experimentelles Impulsradar mit einer noch bescheidenen Leistung von 400 Watt bei 70cm Wellenlänge entwickelt. Vom Dach des Berliner Büros konnte man damit Refexionen der 7.4 km entfernten Berliner Kathedrale beobachten.
Später, als die DS323 Röhren verfügbar waren, wurde der Sender mit einer transformatorgekoppelten Taststufe mit 2 parallelen RS285 Trioden moduliert. Zusätzlich wurde die Wellenlänge auf 62.5cm umgestellt und die Antennen-Dipolgruppen durch eine Parabolantenne ersetzt. Diese Verbesserungen erhöhten die Reichweite gegen Flugzeuge auf 30km.

Damit wurde auch das RLM aufmerksam und erteilte 1938 schliesslich Entwicklungsaufträge für eine Radareinrichtung zur Ortung und Entfernungsbestimmung für Flugabwehranlagen.

Die C. Lorenz AG reihte sich mit dem jetzt FuMG40L genannten Gerät (li. im Bild) in den Wettbewerb um Radar-anlagen ein. Die grossen Parabolantennen erlaubten zusammen mit den leistungsfähigen DS323 Röhren eine Reichweite von 50km.

Die Entfernungsanzeige war mit einer 168mm Braunschen Röhre (unten) mit kreisförmiger Abbildung der Entfernung auf einer eingravierten Skala ausgerüstet, die eine genauere Ablesung der Entfernung ermöglichte. Trotz aller Bemühungen kam es nicht zu einer Serienproduktion, da das 1939 vom Wettbewerber vorgeführte "Würzburg A" Radar sogar ohne "Quirl" (rotierender Dipol) die Ansprüche des RLM erfüllte.

 

      Bild: Entfernungsanzeige

1941 wurde die Entwicklung eines Flugzeug-Radars begonnen, welches später die Bezeichnung FuG200 "Hohentwiel" trug und welches für die Suche und Ortung von Schiffszielen und für die Navigation an Landmarken geeignet war.
Für diese Entwicklung griff man auf die bereits früher gamachten Erfahrungen bei 50cm Wellenlänge zurück. Da das RLM keine Forderungen stellte, die Antenne schwenkbar zu halten, war die Ausrichtung des Antennenstrahls durch Änderung der Flugrichtung vorgesehen.

Das Bild weiter unten zeigt die Anordnung der horizontal polarisierten "Hohentwiel" Antennen an der Nase einer Ju88.
Die obere Yagi Antennengruppe in der Flugzeugmitte wurde zum Senden, die unteren, links und rechts angeordneten Gruppen zum Empfang benutzt.
Für die Bestimmung der Richtungsabweichung wurde von Hand zwischen linker und rechter Empfangsantenne umgeschaltet und dabei die Echointensität verglichen.
Ursprünglich war der Einsatz in den Flugzeugmustern JU88, FW200 und HE177 geplant, später jedoch kam es zu einer breiteren Anwendung auch in der Marine und in landgestützten Systemen.

Wie bereits erwähnt, wurde der FuG200 Sender ursprünglich von C.Lorenz für das FuMG40L Flugabwehr Radar entwickelt, jedoch später für das "Hohentwiel" Radar verwendet.
Dieses Flugzeugradar wurde für die Suche und Ortung von Schiffszielen und für die Navigation an Landmarken eingesetzt und wurde in Kombination mit dem FuG102 Funkhöhenmesser auch für Torpedoangriffe und Blindabwürfe von Bomben genutzt.
Es arbeitete mit der zu jener Zeit höchsten, bei den deutschen Streitkräften genutzten Frequenz und ist insofern Bemerkenswert als sein Sender der leistungsfähigste auf beiden Seiten der Front war (Reichweite bis 150km). Mit diesem System wurden deutsche Torpedobomber auf ihren Einsätzen im Nordatlantik ausgerüstet, sowie auch Langstreckenbomber mit ferngesteuerten Gleitbomben.

Der "Hohentwiel" Flugzeug-Radarsender (hier abgebildet als offenes Labormodell) entstand aus dem DS323 Sender des FuMG40L.

Der Sender, ein Gitterbasis-Oszillator war abstimmbar zwischen 525 - 575 MHz. Zwei Lorenz RD12Tf Trioden mit Oxyd-Kathoden (ein verbesserter Nachfolger der DS323 Röhren) arbeiteten als Sendeoszillator.

Der Sender wurde mit einem Thyratron mit 2us langen 10kV Pulsen bei einer Wiederholrate von 50Hz getastet. Das Bild zeigt oben den Anodenresonanzkreis, es gab 6 Anodenkontakte je Röhre.

Eine der beiden Kathodenleitungen ist im Vordergrund sichtbar, unten ist die Lecherleitung für die Abstimmung und Antennenanpassung zu erkennen.

Der Sender erzeugt eine Impulsleistung von 30kW.

Der Schaltplan des Hohentwiel Senders ist im Bild rechts nebenan zu erkennen. Rückkopplung an den Kathoden wurde durch Spannungsteilung zwischen den Cak und den Cgk Kapazitäten erzeugt.

Der Antennenkreis ist zwecks Potenzialtrennung induktiv angekoppelt. Die Hochfrequenz wird mit dem abstimmbaren Balun auf den Antennenausgang übertragen.

 

Das Bild nebenan zeigt den Ausgangskreis des "Hohentwiel" Senders mit der induktiven Koppelschleife und dem darunter befindlichen Balun Transformator. Mit den verstellbaren Stichleitungen der Lecher-Anordnung wird der Ausgangskreis auf die Sendefrequenz abgestimmt.

Bei den höchsten nutzbaren Frequenzen einer Triode ist die Gitterbasisschaltung von grösster Bedeutung für Oszillatoren, Grund dafür ist die physikalische Position des Gitters zwischen Anode und Kathode.

 

Es können Gitterbasis-Oszillatoren gebaut werden, in denen das einzige Koppelelement zwischen frequenzbestimmender Anode und Kathode die röhreneigenen inneren Kapazitäten (Cgk, Cpk) sind und dabei den für die Rückkoppelung erforderlichen Spannungsteiler bilden.
Bei der RD12Tf sind dies 1.35-1.65pF für die Anoden-Kathodenkapazität und 6.3-7.7pF für die Gitter-Kathodenkapazität.
Der für die Rückkoppelung zur Kathode benötigte Resonanztransformationseffekt wird durch den genannten kapazitiven Spannungsteiler erzeugt, so dass die Polarität und Höhe der Rückkopplungsspannung die Oszillationsbedingungen erfüllen.

Die Sendetriode RD12Tf wurde 1940 im C.Lorenz Röhrenlabor in Berlin für Radarzwecke entwickelt. Wie ihre Vorgängerin, die DS323 besass sie eine Oxydkathode und war für Frequenzen bis 600 MHz ausgelegt.

Ihre mechanische Konstruktion war für die Erfordernisse der Luftfahrt ausgelegt. Wie im Bild teilweise zu erkennen hat die RD12Tf sechs Anoden- und drei Gitteranschlüsse. Mit Zwangsluftkühlung betrug die erlaubte Anodenverlustleistung 75Watt.

Im Tastbetrieb und auf Meereshöhe konnte die Röhre mit bis zu 18kV Anodenspannungimpulsen eine Hf-Ausgangsimpulsleistung von bis zu 50 kW erzeugen. Im "Hohentwiel" Radar wurden nur 9kV Anodenspannungsimpulse angelegt, die oberhalb 3000m Flughöhe wegen der Gefahr von Überschlägen noch weiter reduziert wurden.

 

In der Abbildung nebenan ist zu erkennen, dass die Sockelschaltung bereits speziell für die Anschaltung symmetrischer Lecher-Leitungen in Gegentaktoszillatoren ausgelegt wurde.
Die den Oxyd-Kathoden innewohnende Schwäche bei hohen Anodenspannungen begrenzte die statische Anodenspannung auf maximal 1000Volt und erlaubte daher nicht den Betrieb mit Gittertastung bei ständig anstehenden hohen Anodenspannungen, wie in manchen anderen Radar-Applikationen.
Demgegenüber stand die Erfordernis eines Hochspannungsimpulsgenerators für die Anodentastung, welcher zudem je nach Sender-Effizienz, bis über das doppelte der Hf-Impulsleistung als Tastimpulsleistung erbringen musste.

Sowohl in Deutschland als auch bei den Alliierten wurden die Radarsender Anfangs wegen fehlender Tastimpulsgeneratoren (Modulatoren) gittergetastet.
Das Problem dabei war der hohe Innenwiderstand bei Hochvakuumröhren, der ihre Verwendung zur Impulstastung verhinderte. Frühe gasgefüllte Schalt-Röhren waren andererseits zu langsam für den Impulsbetrieb, daher experimantierte man erst mit festen bzw. rotierenden Funkenstrecken, was sich aber als zu unverlässig erwies.

1941 entwickelte das AEG-Röhrenlaboratorium Berlin zwei heliumgefüllte Thyratrons entsprechend einem C.Lorenz Patent (Nr. 132856) für Impulsgeneratoren, bezeichnet als S1/3 und S1/6.

Beim Start des "Hohentwiel" Programms 1941 wurde klar, dass die grossen Impulsgeneratoren des FuMG40L für Flugzeuge zu schwer und daher ungeeignet waren.
Für einen geeigneten, leichten und flugzeugtauglichen Modulator benötigte man eine besonders geeignete Röhre. Auf Wunsch der Fa. Lorenz gestaltete Dr. Ahrens vom AEG Röhrenwerk Clausthal-Zellerfeld für diese Anwendung neu. Die S1/3iII wurde entwickelt. Mit ihrer grossflächigen Barium-Strontium-Oxyd Kathode konnten Stromdichten von bis zu 40 Amp/mm2 erreicht werden.

Betrieben mit 1000Volt Anodenspannung konnten bis zu 500Amp bei einer Impulsbreite von 2-3us und einer Wiederholrate von 500Hz geschaltet werden, dabei betrug die erwartete Lebensdauer 1000h. Mit der S1/3iII konnten die Anforderungen für das "Hohentwiel" erfüllt werden.

 

Bild unten: Aufbau induktive Koppelung im Ausgangskreis

 

AEG Helium Thyratron S1/3iII

Wegen ihres ausserordentlichen Designs wurde die Röhre auch nach dem Krieg noch vom LKVO Berlin Oberspree hergestellt

 

Nebenan abgebildet ist ein vereinfachtes Funktionsschema des Thyratron Modulators. Am Ende eines jeden Ladezyklus hatte der Kondensator C2 eine Energie von 0.7 Joule bei 800 Volt Spannung gespeichert.
Im Gegensatz zu den Tastgeräten vom Kriegsbeginn war der "Hohentwiel" Modulator nahezu genial einfach aufgebaut, wie anhand der nachfolgenden Funktionsbeschreibung erklärt wird:
Eine Wechselspannung von 500Hz versorgt die Modulator-Schaltung, die mit Diode D1 gleichgerichtet wird und über R1 und R2 den Ladungsspeicher C2 auflädt.
Die Zeitkonstante von R1, R2 und C2 beträgt zusammen ca. 20ms, für die Aufladung wurden 10 Zyklen der Wechselspannung benötigt. Solange das Thyratron nicht leitet, verhindert Diode D1 die Entladung von C2.
Das Thyratron wurde mit Erreichen einer bestimmten Ladespannung an C2 gezündet, wenn dabei die Giiterspannung positiver als -10V wurde. Dies war erst möglich, wenn der anfänglich hohe Kondensator-Ladestrom allmählich abnahm und dabei gleichzeitig die dadurch an R1 erzeugte negative Gitterspannung immer kleiner wurde.
Die Zeitkonstante von R1 und C1 war so gewählt, dass die am Thyratron anliegende Gitterspannung nur langsam ansteigen konnte und erst mit dem 10ten Ladestromstoss die Zündung einsetzte.
Die Zündung sorgte für eine sofortige Entladung des Kondensators C2 in die Primärwicklung des Impulstrafos TR2 und induzierte dort einen kurzen Hochspannungsimpuls in dessen Sekundärwicklung.
TR2 hatte ein Übersetzungsverhältnis von 1:24 und sorgte gleichzeitig für Spannungs- und Impedanztransformation. Der Modulator teilte gleichzeitig die 500Hz der Versorgungsspannung in die 50Hz Folgefrequenz der 10kV Tastimpulse, deren Dauer 2μs betrug.

Der Impulsübertrager TR2 ist das kritischste Bauteil des "Hohentwiel" Modulators. Seine Konstruktion war ein Kompromiss zwischen einander widersprechenden Anforderungen.
Die Abbildung nebenan zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild eines Impulsübertragers.

Die wichtigste Aufgabe des Impulsübertragers ist die Übertragung der in C3 gespeicherten Energie in eine der Senderimpedanz angepassten Impulsform für die Modulation des Senders.
Parameter wie die Streuinduktivität Li und die Streukapazität Cd von Primär- bzw. Sekundärwicklung sowie ungeeignetes Kernmaterial können die Funktion stark beeinträchtigen.
Durch eine Aufteilung und Verschachtelung der Primär- und Sekundärwicklung kann die Streuinduktivität herabgesetzt werden.

Messungen am original "Hohentwiel" Modulator zeigten, dass vieles von der in C2 gespeicherten Ladung von 0.7 Joule im Impulstransformator verloren ging. Der Grund dafür lag in der geringen Sättigungsflussdichte und den hohen Wirbelstromverlusten im Kernmaterial welches zu jener Zeit verfügbar war.

Nebenstehendes Oszillogramm,

obere Spur:

Primärstrom des Impulsübertragers während der Entladung von C2, Vertikale Ablenkung: 200 Amp / Skt.

Untere Spur:

Sekundärstrom des Impulsübertragers in 1000 Ohm Last, während der Entladung der 0.7 Joule aus Kondensator C2. Vertikalablenkung: 5 Amp / Skt.

 

Horizontalablenkung: 2 us / Skt.

 

Die Impulsformen im Oszillogramm zeigen, dass während dem Beginn der Entladung der Sekundärstrom dem Primärstrom folgt, dann aber bei Erreichen der Sättigung zusammenfällt, während der Primärstrom nochmals bis auf 500 Amp. ansteigt bevor er dann endgültig abfällt.

Trotz des nochmaligen Anstiegs des Primärstroms kann die magnetische Flussdichte nicht weiter ansteigen, daher wird die restliche, im Kondensator verbliebene Energie nur in (Verlust-)Wärme umgewandelt.

Ein Experiment mit einem neuen Impulstrafo (Bild rechts), der mit einem Ringkern hoher Sättigungsflussdichte und geringen Wirbelstromverlusten aufgebaut wurde, zeigte, dass die Modulationsleistung mit bereits 0.32 Joule gespeicherter Kondensatorladung erbracht werden konnte.

Für die Verringerung der Streuinduktivität wurden dazu die Windungen unterteilt.
 

Nebenstehendes Oszillogramm,

obere Spur:

Primärstrom des neuen Impulsübertragers während der Entladung der 0.32Joule elektrischer Energie, Vertikale Ablenkung: 100 Amp / Skt.

Untere Spur:

Sekundärstrom des neuen Impulsübertragers in 1000 Ohm Last, während der Entladung der 0.32 Joule aus Kondensator C2. Vertikalablenkung: 5 Amp / Skt.

 

Horizontalablenkung: 2 us / Skt.

Die Signalformen auf dem Oszilloskop zeigen jetzt, dass der Sekundärstrom dem Primärstrom bis einem Sättigungsstrom von etwa 200 Amp folgt, um anschliessed abzufallen.
Der Primärstrom fällt ebenfalls ab, steigt dann aber wieder an, während die im Kondesator C2 gespeicherte extra Energie abgebaut wird.
Mit dem neuen Kernmaterial des Impulsübertragers kann ein Sekundärstrom von 10 Amp bei einem Primärstrom von 200 Amp, also weniger als der Hälfte des ursprünglichen Primärstroms, erreicht werden.
 

Das Bild nebenan zeigt einen Laborversuch mit dem "Hohentwiel" Modulator, ausgerüstet mit dem neuen Impulsübertrager.

Die beiden grünen Ringkerne zeigen Breitband Stromübertrager für die Messung von Primär- und Sekundärstromimpulsen.

Das messingfarbene Element ganz im unteren Bild zeigt einen nichtinduktiven 1000 Ohm Lastwiderstand, zur Simulation der Senderlast.

Die Spitzenspannung des Hochspannungsimpulses wurde mit einem Sensitive Research Electrostatic Voltage Meter gemessen.

 

Projekt:

Messung der Sender Impulsleistung

Studien der von CIOS und BIOS Teams veröffentlichten Untersuchungen in deutschen Industrie- und Behördenlabors zum Ende des zweiten Weltkriegs, sowie Dokumente des U.S. National Bureau of Standards (NBS), zeigten, dass zu Zeiten des zweiten Weltkriegs weder in den U.S.A noch in Deutschland genaue Messungen der Hf- Impulsleistung möglich waren.
Deshalb waren zu jener Zeit Hf-Impulsleistungsmessungen an Radareinrichtungen ein relativ schwieriges Unterfangen.
Desto trotz spezifizierten erstaunlicherweise die Behörden- und Industrielaboratorien, wie auch die Militäragenturen die Leistungsangaben mit relativ engen Toleranzen, obwohl damals weder Teststandards noch genaue Messgeräte existierten.
Die technischen Spezifikationen damaliger Geräte und Einrichtungen fanden daher ihren Weg in die Nachkriegs Fachliteratur, möglicherweise ohne dass weitere Überprüfungen vorgenommen wurden.
Es ist daher naheliegend, dass viele der damaligen Leistungs-Angaben eher unzuverlässig und möglicherweise zu optimistisch waren.

In den vergangenen Jahrzehnten wurden verschiedene Methoden für die Messung von Hf-Impulsleistung entwickelt und standardisiert. Dabei wurde generell versucht, Geräte zu entwickeln, welche die zu messenden Quantitäten direkt anzeigen.
Indirekte Methoden wie die Berechnung der Impulsleistung aus mittleren Leistungen sind aber begrenzt in der Genauigkeit, weil diese stark vom Tastverhältnis und der Impulsform beeinflusst werden.
Deswegen war es besonders interessant, die Hohentwiel Radar Impulsleistung mit heutigen Messmethoden zu ermitteln, zumal immer noch qualitative intakte Senderöhrenpaare gefunden werden konnten.

Für die Hf-Impulsleistungsmessung wurde der Hohentwiel-Sender über einen Narda Richtkoppler auf eine Kunstlast (Dummy Load) betrieben. Die Leistung wurde mit einem Boonton Electronics Spitzenleistungs Messkopf, Modell 56318 am Richtkoppler gemessen und an einem Boonton 4530A Spitzen-leistungs Messgerät angezeigt.

 

Der Boonton 4530A Spitzenleistungs Messkopf in Kombination mit dem Boonton Electronics Spitzenleistungs Messgerät, Modell 56318, erlaubt bei Pegeln zwischen +20 bis -39dBm eine Leistungs-messung mit einer Genauigkeit von +/- 0.06 dB oder 2.1%.

 

Für die Leistungsmessungen standen fünf Paare RD12Tf Trioden und zwei S1/3iII Thyratrons zur Verfügung.

S1/3iII Thyratrons

Es wurden vergleichende Messungen mit den beiden S1/3iII Thyratrons gemacht, aber der Vergleich zeigte keine wesentlichen Differenzen.
Beide Thyratrons wurden mit Anodenspannungen von 800 Volt und Anodenströmen von bis zu 500 Amp betrieben. Obwohl das Ergebnis eines Vergleichs mit nur zwei Thyratrons nicht sehr aussagefähig ist, scheint es, als waren die Thyratrons des Hohentwiel-Modulators nicht die kritischen Bauteile sind.
Frühere Erfahrungen mit Thyratrons haben den Autor davon überzeugt, dass Thyratrons entweder einwandfrei arbeiten, oder defekt sind.

 

RD12Tf Trioden

Vergleichende Messungen wurden mit den fünf Paaren von RD12Tf Trioden gemacht. Wegen des sehr grossen Tastverhältnisses bzw. Duty Cycles von 0.000125 und wegen der Gauss'schen Verteilung des Hf-Impulsspektrums sind Messungen der mittleren Hf-Leistung problematisch gewesen und hätten die Messung ungenau gemacht. Die Mittlere Hf-Leistung war im Bereich von nur 3-4 Watt!

Die Leistungsmessung wurde bei 525 MHz und ca. 9kV Anodentastspannung gemacht.

Jedes Paar RD12Tf wurde mit dem Abstimmschieber im Anodenresonanzkreis auf die Resonanzfrequenz abgestimmt (siehe Nebenan).

Anschliessend wurde der Lecherkreis in den Kathodenzuleitungen auf maximale Leistung bei 525 MHz getrimmt.

 

Die RD12Tf Trioden haben eine Seriennummer auf der kleinen Metallband-Verbindung zwischen den Kathodenanschlüssen. Die Ergebnisse der Leistungsmessung beziehen sich auf diese Seriennnummern

 

Hier die Messergebnisse:

Der equivalente dynamische Widerstand des "Hohentwiel" Senders war ca. 1000 Ohm.

Schlussfolgerung

Die Messungen bestätigten, dass die Hf-Impulsleistung des "Hohentwiel" Senders im 30kW-Bereich lagen.
Dieses Projekt konnte einige Zweifel an der Korrektheit der angegebenen Hf-Impulsleistung in verschiedenen Dokumenten und Veröffentlichungen ausräumen.

Hohentwiel-Anlage mit gemeinsamer Sende-Empfangsantenne

 

Eine modifizierte Version des Hohentwiel Equipment mit einer drehbaren gemeinsam Sende-Empfangsantenne kam später bei der deutschen U-Boot Flotte zum Einsatz.
Für die Trennung von Sende- und Empfangsweg wurde dabei eine Sende-Empfangsumschaltung, das sogenannte "Simultan-Gerät" verwendet.
Das "Simultan-Gerät" erlaubte eine schnelle Umschaltung von Senden auf Empfang und schützte gleichzeitig die empfindliche Empfänger-Eingangsstufe vor der Sendeleistung.

Die Zeichnungen unten zeigen:

a) den Sendefall

b) den Empfangsfall

Gasentladungsröhren, sogenannte "Nulloden" wurden im "Simultan-Gerät" verwendet. Die starken elektrischen Felder ionisierten beim Senden die Gasfüllung und erzeugten dadurch eine sehr kleine Impedanz am Empfängereingang während des Sendeimpulses.

(Anmerkung vom Übersetzer: Um die einmal gezündete Gasfüllung nach einem Sendeimpuls möglichst schnell zu löschen, wurde der Gasfüllung auch eine kleine Menge Wasser zugesetzt, welches während dem Senden verdampfte und anschliessend die Gas-Ionisation schnell beendete)

Während des Empfangs liess die Nullode die kleinen Empfangssignale mit geringer Dämpfung passieren.

Die Abbildung links zeigt eine Telefunken LG 71 Nullode, wie sie im "Hohentwiel" Simultangerät als Schaltelement eingesetzt wurde

 

Das Amerikanische ASB Airborne UHF Search Radar Programm

Es ist bemerkenswert, dass die Impulsleistung des deutschen "Hohentwiel" Radar Senders weit oberhalb derjenigen der zu gleicher Zeit für die U.S. Navy entwickelten ASB Radar Sender lag.
Das amerikanische ASB-Programm begann im Herbst 1941 als die Amerikaner begannen, Radar in Flugzeugen einzusetzen. Zunächst verwendete man die britischen ASV Radargeräte, danach aber einen neuen Sender der vom NRL (Naval Research Laboratory) entwickelt wurde.
Das britische ASV verwendete einen 200 MHz Sender mit einer völlig neuen Senderöhre, die jedoch für höhere Sendefrequenzen schlecht angepasst war.
Bei 200 MHz waren allerdings die erforderlichen Antennen so sperrig, dass sie die Flugzeugeigenschaften verschlechterten. Daher war es notwendig, die Antennengrösse soweit wie möglich zu verringern, was nur unter Verwendung viel höherer Sendefrequenzen möglich war.
Zu jener Zeit wurde bei EIMAC gerade die Entwicklung einer völlig neuen Röhre für Radar-Zwecke abgeschlossen. Die neue Röhre mit der Typenbezeichnung 15E löste das Problem, hohe Radar-Impulsleistungen bei 500 MHz zu erzeugen.

Originale NRL Spezifikation für das ASB Radar

ASB-1 Sender mit zwei EIMAC 15E Trioden

Original ASB-1 Sender (Bild) mit 2 EIMAC 15E Trioden (AN/APS-18)

Entwickelt 1941 im Naval Research Laboratory

Frequenz 515 MHz

Hf-Impulsbreite 2 us

Impuls-Wiederholfrequenz 400 Hz

Hf-Impulsleistung 5 kW

Selbsterregte Tastung durch eine grosse R-C Zeitkonstante im Gitterkreis (siehe abgebildeter Mica-Kondensator und Gitterwiderstand)

Verbesserter ASB-3 Sender mit 4 EIMAC 15E Trioden

Verbesserter ASB-3 Sender (Bild) mit 4 EIMAC 15E Trioden

Entwickelt 1941 im Naval Research Laboratory, Washington DC (NRL)

Frequenz 515 MHz
Hf-Impulsbreite 2 us
Impuls-Wiederholfrequenz 400 Hz
Hf-Impulsleistung 10 kW

Selbsterregte Tastung durch eine grosse R-C Zeitkonstante im Gitterkreis (Mica-Kondensator und Gitterwiderstand aussen am Gehäuse)

 

Verbesserter ASB-7 transmitter mit sechs EIMAC 15E Trioden

Der Ringoszillator war ein typisches NRL-Design, um die Leistung früher VHF- und UHF-Radarsender zu steigern, es wurde erstmals vom NRL-Experten Morris Page 1941 vorgeschlagen.

Der Ringoszillator konnte mit mehr als 4 Röhren betrieben werden, lediglich eine gerade Anzahl Röhren war erforderlich. Allerdings nahmen mit steigender Röhrenzahl auch Probleme mit der Röhrenselektion und der Ringabstimmung zu. Eine Anordnung mit sechs Röhren erwies sich als stabil.

Impuls Sendertyp: Breitbandsender mit Anodentastung

Hf-Impulsleistung: 50 kW

Hf-Durchschnittsleistung: 8 Watt

Hf-Impulsenergie: 0.02 joule

Verbesserter ASB-7 Sender (Bild) mit 6 EIMAC 15E Trioden

Entwickelt 1944 im Naval Research Laboratory, Washington DC (NRL)

Frequenz abstimmbar von 515 MHz bis 530 MHz

Hf-Impulsbreite 2 us
Impuls-Wiederholfrequenz 400 Hz
Hf-Impulsleistung: 50 kW

Breitbandsender mit Anodentastung hoher Leistung und separatem Impulsmodulator

Schaltung des ASB-3 Radarsenders mit 4 EIMAC 15E Trioden

Das Design des ASB-7 Hochleistungssenders mit Anodentastung bescherte dem NRL einige Schwierigkeiten. Die Leistungsanforderungen machten den Gebrauch extrem hoher Spannungen auf kleinstem Raum erforderlich. Zu Beginn der Produktion begriff man dass die sechs EIMAC 15E Trioden sorgfältig selektiert werden mussten und dass die Abstimmung des Ringoszillators sehr kritisch war.
Wenn der Ringoszillator nach einer von Westinghouse entwickelten Prozedur korrekt abgeglichen war, konnte die Ausgangsleistung derart Ansteigen, dass es bei hohen Flughöhen an Hochfrequenzleitungen zur Koronabildung kam. Solche Probleme konnten esrt nach hohem Entwicklungsaufwand gelöst werden, was für die Verzögerungen der Auslieferungen bis 1944 verantwortlich war.

Empfänger Spezifikation

Frequenz: 510 MHz - 540 MHz
Empfängertyp: Superhet
Zf-Bandbreite: 1.4MHz

Empfänger Oszillator: Acornröhre Typ 955

Mischer: Acornröhre Typ 955

Zf-Frequenz: 55 MHz

Rauschen: 12 - 20dB

Das klassiche Superhet-Prinzip sieht eine Hf-Vorkstufe am Empfängereingang vor, die bei UHF-Schaltungen jedoch nicht immer verwendet wurde. Original ASB-Empfänger arbeiteten mit dem Mischer als erste Stufe des Empfängers.

Die Abbildung zeigt die Eingangsstufe des ASB-Empfängers. Die Röhre V-202 (RCA 955) wurde als typischer Trioden-Mischer in der Schaltung bei 515 - 545 MHz Empfangsfrequenz verewendet. Der Empfänger-Oszillator V-201 (RCA 955) versorgt den Mischer über den Koppelkondensator C-206.
Das Mischer-Ausgangssignal (ZF) geht via C-207 an das Gitter der ersten Ff-Röhre V-203 (6AC7). Die Zf-Frequenz war 55 MHz. Das Rauschen lag in der Grössenordnung von 20dB.

1943, als brauchbare Röhren für die UHF-Verstärkung aufkamen, entwickelte Bell Telephone Laboratories einen Hochfrequenzverstärker für das ASB-7 Radar. Die Scheibengitterröhre oder auch Lighthouse Tube (wegen ihrer Leuchturm-ähnlichen Form) genannte Röhre hatte eine parallele Elektrodenkonstruktion, die einen extrem kleinen Katoden-Gitterabstand ermöglichte.
Diese Konstruktionsweise half, die Elektronenlaufzeit und gleichzeitig die Elektrodenkapazitäten zueinander zu minimieren, so dass die Grenzfrequenz als Oszillator und Hf-Verstärker auf bis zu 1000 MHz angehoben werden konnte.

Die Abbildung nebenan zeigt die Empfängereingangsschaltung de verbesserten ASB-7 Empfängers. Im Eingang befinden sich eine einfache Hf-Verstärkerstufe, ein Oszillator und ein Mischer. Die Lighthouse Röhre 446Aund koaxiale Schwingkreise wird in der Eingangsstufe und im Mischer verwendet. Im Oszillator kommt ebenfalls eine 446A zum Einsatz, aber der Schwingkreis besteht aus einer Lecherleitung.

Der Oszillator wird mit einer variablen Scheibenkapazität an der Anode abgestimmt. Die Verbindungen der Empfängerteile besteht aus kurzen Koaxialkabeln. Die vom Gitter des Oszillators abgenommene Frequenz wird zusammen mit den durch die Vorstufe verstärkten Radarecho-Signalen an das Gitter des Triodenmischers gelegt. Die an der Anode des Mischers entstandene Differenzfrequenz wird anschliessend dem Zf-Vertärker zugeführt.

 

Das Rauschen des ASB-7 Radarempfängers mit dem Lighthouse Hf-Verstärker betrug ca. 12dB.

Komplette Schaltung des ASB-1 Empfängers (Bild)

Anzeigeeinheit

12.7cm Kathodenstrahlröhren mit Vertikalablenkung von unten nach oben Entlang des Bildschirms wurden verwendet. Dabei wurden die Empfangssignale der linken und der rechten Empfangsantenne entsprechend ihrer Entfernung auf der linken oder der rechten Bildschirmseite unterschiedlich hoch angezeigt. 11km, 45km und 110km waren die schaltbaren Messentfernungen. Manche Anlagen hatten 3.5km Reichweite bei einer Eichmarke bei von nur 1000yrd Entfernung.

Die ASB-7A hatte eine verbesserte Anzeigeeinheit mit Bereichen von 4.5km, 24km, 80km und 240km.

Radar Röhre vom Typ 15E

1940 hatte die Eitel - McCullough Company in San Bruno, CA gerade die neue Radar Röhre vom Typ 15E fertig entwickelt. Diese neue Röhre war eine sehr einfach aussehende Triode, ca. 5cm im Durchmesser und ca. 6.5cm lang, das Ergebnis monatelanger Forschung im Bereich Elektrodenmaterialien und deren Behandlung.

Die Röhre löste die Probleme hoher Kathodenemmision bei gleichzeitig geringer Gitterbelastung und geringer Anodentemperatur um die Elektroden sauber halten zu können. Die 15E hat einen direkt geheizten, thorierten Wolframdraht als Kathode. Die Anodenverlustleistung ist 20 Watt und die Röhre kann mit bis zu 12.5 kV Anodenspannung betrieben werden.

 

Allerdings hatten Röhren mit Oxydkathoden wie die deutsche RD12Tf physikalisch bedingt eine höhere Emissions-Stromdichte (mA/cm2) als jene mit thorierten Wolfram-Kathoden. Dadurch konnten Sender mit Oxydkathoden bei gleicher Anodenspannung höhere Impulsleistungen abgeben, andererseits mussten Sie an der Anode getastet werden und benötigten dafür leistungstarke Modulatoren.

Es wurden Vergleichsmessungen bezüglich der Kathodenemission mit einer Anzahl von 15E und RD12Tf - Trioden durchgeführt.

 

Die 15E Triode mit thorierter Wolframkathode wurde mit 5.5 Volt Heizspannung betrieben. Die 15E zeigte dabei Kathodenemissionen von 4 Amp bei 10kV Anodenspannung. Für die Messung wurden die Röhren als Diode mit Gitter- Anodenverbindung betrieben. Das Bild zeigt eine 15E mit dem Anodenkühlelement. Die RD12Tf's mit den Oxydkathoden wurden mit der maximalen Spannung von 14.4Volt für gepulsten Betrieb geheizt. Sie zeigten typische Emissionen im Bereich von 10 Amp bei 10kV Anodenspannung.

Im Rückblick muss darauf hingewiesen werden, dass die Entwicklung der Radarsendetriode DS323 mit Qxydkathode von Lorenz im Jahre 1937 ein technisch sehr weit fortgeschrittenes und zukunftsweisendes Projekt war, ebenso wie die Entwicklung des AEG S1/3iII Helium-Thyratrons für den Pulsmodulator des FuG200 Hohentwiel Radars. Aber auch in Grossbritannien war die Verwendung der Oxydkathode für die Entwicklung der ersten Radar Magnetrons eine zwingende Voraussetzung.

In den Vereinigten Staaten begann die Verwendung von Thyratrons für Radarzwecke erst nach Ende des zweiten Weltkriegs. Die Entwicklung des Wasserstoff-Thyratrons begann 1941 durch Kenneth J. Germershausen, sie verzögerte sich aber wegen Problemen mit der Gas Kontamination und dem Verlust des Wasserstoffvorrates durch Diffusiuon in der damals verwendeten Glasröhrentechnik.

Nach dem zweiten Weltkrieg gründete Kenneth J. Germershausen zusammen mit Harold E. Edgerton und Herbert E. Grier die EG&G Company, EG&G war lange Zeit einer der grössten Hersteller von Wasserstoff -Thyratrons.

Danksagung

Dieses Projekt konnte nur mit der Unterstützung von Günter Hütter, Günther Riedl, Edi Willi, Dieter Beikirch and Arthur Bauer durchgeführt warden. Der Autor möchte diesen Herren insbesonders für das Zurverfügungstellen von Unterlagen und authentischen Bauteilen sowie die oft klärenden Diskussionen seinen Dank aussprechen.

Referenzen

Müller G. Funkmessgeräte Entwicklung bei C. Lorenz AG, 1935 – 1945, Firmeninternes Archivheft der SEL, 2. Erweiterte Fassung, Dezember 1981

RLM Werkschrift 4108, Bordfunkmessgerät FuG 200, G. Kdos. August 1943

RLM Vorschrift Nr. 75/790, Prüffibel für Bordfunkmessgerät FuG 200, Oktober 1944

RLM Luftfahrtsröhren Ringbuch, Daten und Richtlinien über die Verwendung von Luftfahrtsröhren, Januar 1945

Dr. Steimel K. Bericht über den Zustand der Röhrentechnik in Deutschland zum Abschluss des Krieges, August 1945

U.S. Air Material Command Dayton OH, Summary Report No. F-SU-1109-ND, The High Frequency War - A survey of German Electronic War, 10th May 1946

CIOS Final Report 1746, German development of modulator valves for radar applications

CIOS report XXX-36, Physikalisch-Technische Reichsanstalt, June1945

CIOS Report XXVII-46, Design of Radar Test Equipment at Siemens-Halske Munich

BIOS Report 1228, HF Instruments & Measuring Techniques

Achievement in Radio, Radio Science, Technology, Standards and Measurements at the National Bureau of Standards, US Department of Commerce, October 1986

Megla Gerhard, Dezimeterwellentechnik, Kapitel Messgeräte und Messmethoden bei Dezimeterwellen, Fachbuchverlag Leipzig, 1952

Radio Measurements, Proceedings of the IEEE, Volume 55, June 1967

Hewlett Packard, Microwave Measurement Handbook, Chapter RF Peak Power Meas- urement, Procedures and Equipments

Boonton Electronics Company, Application Note AN-50, Measuring the Peak Power

U.S. Naval Research Laboratory, ASB Radar Alignment Procedure, November 1942

Soweit diese hervorragende Dokumentation von Hr. Jucker, die vielleicht bei einigen Lesern das Interesse weckt, sich näher mit diesem Teil der Röhren-Entwicklungsgeschichte zu beschäftigen.

 

Dazu noch eine kurze Übersicht über deutschsprachige Bücher bzw. Dokumente, die sich mit der Geschichte bzw. der Technik beschäftigen (teilweise vergriffen):

1) Harry von Kroge, GEMA – Berlin Geburtsstätte der deutschen Wasserschall- und Funkortungstechnik, ISBN 13: 9783000028656 , ISBN 10: 300002865X

2) Adolf - Eckhard Hoffmann - Heyden, DIE FUNKMESSGERÄTE DER DEUTSCHEN FLAKARTILLERIE (1938-1945), Verkehrs- und Wirtschafts-Verlag GmbH, Dortmund

3) Fritz Trenkle, Die deutschen Funkmessverfahren bis 1945, Motorbuch-Verlag Stuttgart, 1979 erschienen, ISBN 3-87943-668-1

4) Fritz Trenkle, Bordfunkgeräte - vom Funkensender zum Bordradar, Bernard & Graefe Verlag Koblenz, 1986 erschienen, ISBN 3-7637-5289-7

5) FIAT Review of German Science "Naturforschung und Medizin in Deutschland 1939- 1945", Band 15, Dietrichsche Verlagsbuchhandlung Wiesbaden

6) Vilbig F. und Zenneck J., "Fortschritte der Hochfrequenztechnik" Band 1 + 2, Leipzig 1941 + 1943, Akadem. Verlagsgesellschaft Becker & Erler

7) Gerhard Megla, "Dezimeterwellentechnik", Fachbuchverlag Leipzig, 1952 + 1953 + 1954

8) O. Müller, "Rückblick auf die Spezialröhrenentwicklung der deutschen Funkmess- und Dezimeterwellentechnik", FREQUENZ Band 16, 1962

9) Leo Brandt, "Zur Geschichte der Funkortung", Bücherei der Funkortung, Band 2, Teil 1, Verkehrs- und Wirtschafts-Verlag GmbH, Dortmund

10) Flugfunk Forschungsinstitut Oberpfaffenhofen, "Aus Hochfrequenztechnik und Flugfunkforschung", ZWB Berlin-Adlersdorf 1942

11) Besprechungsprotokoll zu der AGR-Sitzung (Arbeitsgemeinschaft Rotterdam) I, II ...XVII, 1943-1945

Ich habe mir die Mühe gemacht, die o.g. Quellen durchzusehen,
nicht alle o.g. Publikationen enthalten gleichviel Information:

1) eine hervorragende Dokumentation der Geschichte der GEMA, sehr ausführlich, mit vielen Fotos.

2) enthält neben entwicklungsgeschichtlichen Informationen auch viele Gerätebilder und teils detaillierte Schaltungen (auch von Anzeigeeinheiten), geht auf techn. Probleme und deren Lösungen ein.

3) + 4) enthält neben vielen Bildern von Geräten und damit bestückten Flugzeugen nur wenige technische Details, geht v.a. auf Einsatzzweck und Entwicklungsgeschichte ein.
enthält jeweils einen grossen, umfassenden Literaturnachweis

5) beschäftigt sich speziell mit den späten Radarröhren in Metall-Keramik Ausführung, Laufzeitröhren, Magnetfeldröhren.

6) - 8) beschäftigen sich mit fertigungstechnischen Problemen und den verschiedenen Ausführungsformen der Röhren, zusätzlich mit Antennentechnik, Schwingkreis-Bauformen, Sender- bzw. Oszillatoraufbau.

9) Eher allgemeine Betrachtung der Radar-Entwicklungsgeschichte aus deutscher und englischer Sicht anlässlich einer Fachtagung in Frankfurt 1953.

10) Enthält Details zur Entwicklung der Dezimeter- und Millimeter- Röhrenentwicklungsgeschichte, beschäftigt sich mit den Problemen von Geometrie, Material und Zukunft der Röhrenentwicklung, enthält viele Literaturhinweise.

11) Protokolliert die hektische Aufholjagd der deutschen Industrie nach Bekanntwerden des technischen Vorsprungs der Alliierten, gleichzeitig offenbart dieses Dokument Fehleinschätzungen und Fehlentscheidungen der militärischen Führung als auch der industriellen Führung

Als Ergänzung zu den unter "Referenzen" genannten CIOS / BIOS Reports:

1. CIOS Final Report No. 30 Item No.1, "Telefunken Metal/Ceramic Radio Valves", London – HMSO

2. FIAT Final Report No. 560, "New Vacuum Tube Techniques for the Telefunken Röhrenwerke, Berlin", London – HMSO

Ausserdem:

3. Very High-Frequency Techniques (Volume 1-2) by Reich, H.J. (Ed. )

4. Erzeugung und Verstärkung von Dezimeter- und Zentimeterwellen, H.E. Hollmann,

   Verlag Richard Dietze Berlin, 1942-1943

5. Microwaves and Radar Electronics, Ernest C. Pollard, Julian M. Sturtevant, John Wiley & Sons, New York

6. Klystrons and Microwave Triodes, Hamilton, Knipp & Kuper, Dover Publications,
   New York

7. Understanding Microwaves, Victor F. Young, John F. Rider Publisher Inc.,
   New York

8. Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer Verlag, Göttingen

 

Speziell die zwischen Radartechnik und Analogrechentechnik (als Teil der Zielverfolgungs-einrichtungen [Target Prediction]) beinahe untrennbare Geschichte wird hier dargestellt:

a) Arnold Mindell, “between human and machine“ (Feedback, Control, and computing),

John Hopkins University Press, ISBN10: 0-8018-6895-5

b) Simon Lavington, “Moving Targets“ (Elliott-Automation and the Dawn of the Computer Age in Britain 1947-67), Springer, ISBN 978-1-84882-932-9

Dazu noch technische Grundlagen bzw. Details die o.g. Zusammenhang untermauern:

c) H. L. Hazen, “Airborne Fire Control“ (Summary technical report of Division 7, Vol.3, NDRC), OSRD, Washington D.C., 1946

d) Walt Jung, “Op-Amp Applications Handbook“, pp. 765-830 (Op Amp History), Newnes, 2006, ISBN10: 0-7506-7844-5

e) FM 44-38 “Service of the M9 and M10 Type Antiaircraft Directors“, 1952

 

Ich wünsche allen, die neugierig geworden sind, viel Erfolg beim Recherchieren und Studieren.

Freundliche Grüße

Achim

 

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.