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Elektronenbündelröhre für Signalverstärkung mittels einer schnellen Welle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenbündelröhre für Signalverstärkung mittels einer schnellen Welle und auf für eine solche Einrichtung geeignete Elektronenbündelröhren. Es sind bereits Einrichtungen eingangs erwähnter Art bekannt, wobei die Elektronenkanone der Röhre ein Elektronenbündel erzeugt, dass parallel zu den Kraftlinien eines nahezu homogenen Magnetfeldes solcher Starke verläuft, dass die Zyklotronfrequenz fc der Elektronen nur wenig von der Frequenz fs des zu verstärkenden Signals verschieden ist, wobei in der Röhre zwischen der Elektronenkanone und einer Kollektorelektrode, in der Bewegungsrichtung der Elektronen, in Reihenfolge drei Kopplungsvorrichtungen angeordnet sind ;
das zu verstärkende Signal wird dabei der ersten Kopplungsvorrichtung zugeführt, die ein sich transversal auf das Bündel auswirkendes Feld erzeugt, wodurch eine schnelle Welle entsteht, während ein Pumpsignal, dessen Frequenz gleich dem Zweifachen der Zyklotronfrequenz ist, der zweiten Kopplungsvorrichtung zugeführt wird, die ein sich transversal auf das Bündel auswirkendes inhomogenes elektrisches Feld erzeugt, wobei der dritten Kopplungsvorrichtung durch die schnelle Welle das verstärkte Signal entnommen wird.
Obgleich die Wirkungsweise einer solchen Einrichtung bereits beschrieben worden ist, wird nachstehend für ein gutes Verständnis der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe eine kurze Erläuterung gegeben.
Die von der Elektronenkanone stammenden Elektronen durchlaufen die erste Kopplungsvorrichtung, wobei sie unter der Wirkung des axialen Magnetfeldes und des von dem zu verstärkenden Signal mit der Frequenz fs stammenden, transversalen, elektrischen Feldes eine schraubenlinienförmige Bewegung mit einer als Zyklotronfrequenz fc bezeichneten Frequenz vollführen. Wenn die Zyklotronfrequenz fc nicht gleich der Signalfrequenz f. ist, zeigt es sich, dass die Signalfortpflanzung durch zwei transversale Wellen beschrieben werden kann, deren Phasengeschwindigkeiten grösser bzw. kleiner sind als die Gleichstromgeschwindigkeit der Elektronen.
Es ist nun theoretisch möglich, die Länge der ersten Kopplungsvorrichtung in bezug auf die Elektronengeschwindigkeit so zu wählen, dass lediglich die schnelle Welle erzeugt wird. Wird auch die Belastungsimpedanz der Kopplungsvorrichtung richtig gewählt, so ist es ausserdem grundsätzlich möglich, die schnelle Wellenkomponente des Rauschens mit der Signalfrequenz, das im Bündel, nachdem es die Kanone verlassen hat, auftritt, vollständig zu absorbieren.
Es ergibt sich, dass dazu die erste Kopplungsvorrichtung sich als ein auf die Zyklotronfrequenz fc abgestimmter Parallelkreis mit bestimmter Kreisgüte verhalten muss.
Es ist somit grundsätzlich möglich, dass die Signalfortpflanzung nach der ersten Kopplungsvorrichtung längs der schraubenlinienförmigen Bahnen der Elektronen lediglich über die transversale, schnelle Welle erfolgt, die von dem Rauschen mit der Signalfrequenz frei ist. In der Praxis hat es sich im übrigen ergeben, dass das Rauschen, obgleich nicht vollständig, so doch grösstenteils unterdrückt werden kann.
Die Länge, die Abstimmung und die Belastung der dritten Kopplungsvorrichtung werden derart gewählt, dass diese Vorrichtung mit der transversalen, schnellen Welle gekoppelt ist und im Prinzip alle Signalenergie absorbiert.
Um eine Verstärkung zu erzielen, ist zwischen der ersten und der dritten Kopplungsvorrichtung die zweite Kopplungsvorrichtung angebracht, die mittels eines Pumpsignals ein auf das Bündel transversal
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einwirkendes, unhomogenes elektrisches Feld liefert, dessen Frequenz gleich dem Zweifachen der Zyklotronfrequenz ist.
Vor dem Eintreten in diese zweite Kopplungsvorrichtung ist der Radius der schraubenlinienförmigen Bahn der Elektronen proportional der Amplitude des zu verstärkenden Signals. Wenn die innerhalb der zweiten Kopplungsvorrichtung auf die Elektronen ausgeübten Kräfte proportional dem Radius der Elektronenbahn sind, wird dieser Radius sich exponentiell in Abhängigkeit von der Phase des Pumpensignals beim Eintritt des Elektron ändern. Über alle möglichen Phasen tritt dabei durchschnittlich eine Vergrösserung des Radius der Elektronenbahnen auf. Die Elektronen treten somit mit einem auf Kosten der Energie der Pumpsignalfrequenz erzielten vergrösserten Radius der schraubenlinienförmigen Bahn in die dritte Kopplungsvorrichtung ein, wodurch eine Signalverstärkung erzielt wird.
Bei dieser Einrichtung tritt jedoch eine Komplikation auf infolge der Tatsache, dass die Signalfrequenz fs nicht gleich der Zyklotronfrequenz fc ist, da bei der Verstärkung ein neues Signal entsteht, dessen Frequenz 2fc-fs das Spiegelbild der ursprunglichen Frequenz gegenüber der Frequenz fc ist. Dies hat zur Folge, dass nicht nur die schnelle Rauschwelle mit der Signalfrequenz fs, sondern auch die schnelle Rauschwelle mit der Spiegelsignalfrequenz'2fc - fs behoben werden muss. Um dies zu bewerkstelligen, müsste die erste Kopplungsvorrichtung sich als ein symmetrisch abgestimmter Eingangskreis verhalten, so dass nicht nur die Zyklotronfrequenz und die Signalfrequenz, sondern auch die Spiegelsignalfrequenz innerhalb des Durchlassbandes fallen würde.
Dies hat jedoch den grossen Nachteil, dass dabei auch Mittel verwendet werden müssen, um zu verhüten, dass dieser ersten Kopplungsvorrichtung, der bereits das zu verstärkende Signal zugeführt wird, auch Störsignale mit der Spiegelsignalfrequenz 2fizz zugeführt werden, die sonst wegen der symmetrischen Abstimmung verstärkt werden würden. Wenn die erste Kopplungsvorrichtung z. B. mit einer Antenne gekoppelt ist, sollte zwischen dieser Antenne und der Kopplungsvorrichtung z. B. ein Zirkulator angebracht werden. Für den bei der geschilderten Einrichtung in Betracht kommenden Frequenzbereich von etwa 400 bis 2000 MHz lassen sich diese Zirkulatoren jedoch schwierig konstruieren.
Die Einrichtung nach der Erfindung tritt diesen Nachteilen entgegen und hat das Merkmal, dass zwi- schen der Elektronenkanone und der ersten Kopplungsvorrichtung eine vierte Kopplungsvorrichtung angeordnet ist, die sowohl in dem Frequenzband um die Signalfrequenz ig als auch in dem Frequenzband um die Spiegelsignalfrequenz 2f,-fs die schnellen Wellenkomponenten des Rauschens absorbiert.
Wenn diese vierte Kopplungsvorrichtung also z. B. eine symmetrische Abstimmung aufweist, in der Weise, dass sowohl die schnelle Welle der Rauschkomponenten mit der Signalfrequenz f als auch die mit der Spiegelsignalfrequenz 2fc-fs absorbiert werden, braucht die erste Kopplungsvorrichtung nicht mehr symmetrisch abgestimmt zu sein, so dass zusätzliche Massnahmen an dieser Stelle zum Verhüten eines Durchdringens von Signalen mit der Frequenz 2fc-fs entbehrlich sind.
Eine Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Innerhalb einer nicht dargestellten Hülle einer Elektronenbündelröhre befindet sich in einem luftleeren Raum eine Elektronenkanone 5 zum Erzeugen und ein Kollektor 6 zum Auffangen des Elektronenbündels. Sowohl die Hülle als auch die Elektronenkanone und die Kollektorelektrode können von bekannter Bauart sein.
Ein axiales, konstantes Magnetfeld, das durch den Pfeil 7 bezeichnet wird, wird auf bekannte Weise mittels eines ausserhalb der Röhre angeordneten, nicht dargestellten Elektromagneten oder Dauermagneten erzeugt.
In Richtung von der Elektronenkanone 5 zur Kollektorelektrode 6 sind längs des Bündels in Reihenfolge angeordnet : Die vierte Kopplungsvorrichtung 4, die erste Kopplungsvorrichtung 1, die zweite Kopplungsvorrichtung 2 und die dritte Kopplungsvorrichtung 3.
Die Kopplungsvorrichtung 1 besteht aus zwei beiderseits des Bündels, parallel dazu angeordneten, zueinander parallelen Metallplatten 8 und 9, die durch eine Spule 10 miteinander verbunden sind.
Parallel zu mindestens einem Teil der'Spule 10 ist über zwei Leitungen 11 die nicht dargestellte Si- ; nalquelle geschaltet, die das zu verstärkende Signal mit der Frequenz fs liefert.
Die Kopplungsvorrichtung 3 hat eine ähnliche Bauart und besteht aus zwei Metallplatten 12 und 13, die über die Spule 14 miteinander verbunden sind. Mindestens einem Teil der Spule 14 wird über die Leitungen 16 das verstärkte Signal mit der Frequenz fs entnommen.
Wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die Platten 12 und 13 vorzugsweise 90 gegenüber den Platten 8 und 9 gedreht und auch die Achsen der Spulen 10 und 14 schliessen einen Winkel von 90 miteinander ein, um unerwünschte Kopplungen zwischen diesen beiden Teilen möglichst zu vermeiden.
Die zweite Kopplungsvorrichtung 2 besteht aus vier zu dem Bündel parallelen Metallplatten 17,18, L9 und 20, die in zu dem Bündel senkrechten Ebenen eine konvexe Krümmung gegenüber dem Bündel
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aufweisen. Die einander gegenüberliegenden Platten 17 und 19 sind elektrisch miteinander verbunden.
Auch die Platten 18 und 20 sind elektrisch miteinander verbunden. Zwischen den Plattenpaare wird über die Leitungen 22 eine von einem nicht dargestellten Generator stammende Wechselspannung mit der Fre- quenz 2 fc zugeführt.
Die beschriebenen Kopplungsvorrichtungen 1, 2 und 3 sind bekannter Art und können im übrigen auch auf andere Weise gestaltet sein. Die Vorrichtungen 1 und 3 können bekanntlich z. B. auch aus Schwin- gungshohlräumen bestehen, wobei auf der Vorder- und Rückseite Teile der Wand zungenförmig nach in- nen abgebogen sind, welche zungenförmigen Teile wieder parallel zueinander liegen, so dass zwischen ihnen ein transversales Feld erzeugt werden kann.
Das transversale, inhomogene Feld, das durch die Vorrichtung 2 erzeugt werden soll, kann z. B. auch auf bekannte Weise mittels einer längs des Bündels angeordneten Anzahl von das Bündel senkrecht kreu- zenden Drähten erzeugt werden, die eine abwechselnd verschiedene Polarität haben.
Gemäss der Erfindung befindet sich zwischen der Elektronenkanone 5 und der Kopplungsvorrichtung 1 die vierte Kopplungsvorrichtung 4, die bezweckt, die transversalen, schnellen Rauschkomponenten mit den Frequenzen fs und 2fc-fs zu absorbieren.
Nach der Zeichnung besteht die Vorrichtung 4 aus zwei Metallplatten 23 und 24, die durch eine
Spule 25 gekoppelt sind. Parallel zu mindestens einem Teil der Spule 25 liegt über die Leitungen 27 eine
Belastung 28, die vorzugsweise als Widerstand gestaltet ist und sich vorzugsweise ausserhalb der Röhren- hülle befindet.
Da bekanntlich Absorption von Rauschkomponenten lediglich bei der schnellen Welle möglich ist, sollen die Kopplungsvorrichtungen 4, 1 und 3 lediglich mit der schnellen Welle gekoppelt sein. Dies kann auf bekannte Weise wenigstens grundsätzlich, durch eine richtige Wahl der axialen Länge der Kopplungs- vorrichtung in Abhängigkeit von der Gleichstromgeschwindigkeit der Elektronen des Bündels bewerkstel- ligt werden. Die Gleichstromgeschwindigkeit wird durch die Spannungen an der Kollektorelektrode 6 und an der Elektronenkanone 5, die dazu auf bekannte, nicht dargestellte Weise mit einer Spannungsquelle verbunden sind, und durch die mittleren Potentiale der längs des Bündels angeordneten Vorrichtungen be- dingt.
Die Kopplungsvorrichtungen 1 und 3 werden derart abgestimmt, dass eine maximale Energieübertra- gung für die Signalfrequenz fs und keine Signalübertragung für die Frequenz 2fc - fs stattfindet.
Um zu sichern, dass die Kopplungsvorrichtungen 4, 1 und 3 die unerwünschte, schnelle Rauschkomponente absorbieren, müssen sie eine Belastung mit einer Widerstandskomponente bestimmten Wertes ha- ben. Bei der Kopplungsvorrichtung 1 wird diese Belastung im wesentlichen durch die über die Leitun- gen 11 und die Spule 10 transformierte Impedanz des Signalgenerators gebildet. Bei der Kopplungsvorrichttmg 3 wird sie durch die über die Leitungen 16 und die Spule 14 transformierte Impedanz des daran angeschlossenen Ausgangskreises gebildet. Die Kopplungsvorrichtung 4 wird durch den über die Leitungen 27 und die Spule 25 transformierten Widerstand 28 belastet. Um auch das von dem Widerstand 28 hervorgerufene Rauschen möglichst zu unterdrücken, kann er, wenn er ausserhalb der Röhrenhülle angebracht ist, abgekühlt werden.
Der Widerstand 28 kann auch durch die charakteristische Impedanz einer Antenne gebildet werden, die auf eine "kalte" Stelle des Weltalls gerichtet ist.
Zum Vermeiden von Kopplungen zwischen den verschiedenen Kopplungsvorrichtungen können zwischen ihnen Blenden angeordnet werden, wie diese bei 29 und 30 angegeben sind.