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Elektronenstrahlröhre zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlröhre zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen mit einem
Einkoppelteil, in dem die Elektronen des Elektronenstrahls eine dem Eingangssignal entsprechende Ablen- kung aus der Achse des unmodulierten Elektronenstrahls erfahren, einem aus einem unverdrillten Vierpol bestehenden Verstärkerteil, in dem das Eingangssignal durch Vergrösserung der Ablenkung verstärkt wird, und einem Auskoppelteil, in dem das verstärkte Eingangssignal durch Influenzwirkung ausgekoppelt wird, bei der ein homogenes Magnetfeld sich in Längsrichtung der Röhre über die gesamte, vom Elektronen- strahl durchlaufene Wegstrecke erstreckt.
Es ist eine Verstärkerröhre für sehr hohe Frequenzen bekannt, die einen Einkoppelteil, einen Ver- stärkerteil und einen Auskoppelteil enthält. Über die ganze Röhre erstreckt sich in Längsrichtung ein ho- mogenes magnetischen Längsfeld. Als Einkoppelteil dient ein sogenannter Cuccia-Koppler, der aus einem einfachen Kondensatorplattenpaar besteht, zwischen dem der Elektronenstrahl durchtritt und an dessen
Platten die Hochfrequenzspannung des Eingangssignals gelegt wird. Die Stärke des Magnetfeldes ist so ge- wählt, dass die damit gegebene Zyklotronfrequenz gleich der Frequenz des Eingangssignals ist.
Infolge des magnetischen Längsfeldes und der seitlichen Ablenkung durch das elektrische Querfeld zwischen den Kondensatorplatten erhalten die Elektronen dann zusätzlich zu ihrer Bewegung in Strahlrichtung eine Rotationsbewegung mit einem von der Amplitude des Eingangssignals abhängigen Ablenkradius.
Der Verstärkerteil der Röhre besteht aus einem zur Längsachse der Röhre parallelen, räumlich feststehenden pulsierenden Vierpolfeld, das zwischen vier symmetrisch um die Röhrenachse angeordneten, zur Röhrenachse vorzugsweise konvex gebogenen plattenförmigen Elektroden erzeugt ist, an die eine Hochfrequenzspannung angelegt ist. Die Frequenz dieser Spannung, die sogenannte Pumpfrequenz, ist so eingestellt, dass das Vierpolfeld mit doppelter Zyklotronfrequenz pulsiert. Bei geeigneter Phasenlage der Rotationsbewegung zum pulsierenden Vierpolfeld wird im Verstärkerteil dieAuslenkungderElektronen aus der Achse des unmodulierten Elektronenstrahls exponentiell vergrössert. Im Auskoppelteil, der dem Einkoppelteil gleich ist, wird durch Influenzwirkung des Elektronenstrahls das verstärkte Eingangssignal erhalten.
Die geschilderte bekannte Verstärkerröhre hat den Vorteil, dass sei eine einfache Bauweise hat und sehr rauscharm ist. Wegen der Bedingung, dass die Magnetfeldstärke so gewählt sein muss, dass die damit verbundene Zyklotronfrequenz im wesentlichen gleich der Signalfrequenz ist, kann jedoch das Magnetfeld nicht auf den für die Fokussierung des Elektronenstrahls günstigsten Wert eingestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht im wesentlichen darin, eine rauscharme Ablenkverstärkerröhre zu schaffen, bei der die Signalfrequenz unabhängig von der durch das Magnetfeld gegebenen Zyklotronfre- quenz ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei Elektronenstrahlröhren der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass das Vierpolfeld des Verstärkerteils ein räumlich und zeitlich feststehendes Gleichfeld mit in Strahlrichtung geradlinig verlaufenden Potentialflächen ist.
Einer der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemässenElektronenstrahlröhre ist im Fortfall des hoch- frequente Pumposzillators zu sehen. Die durch das Magnetfeld gegegene Zyklotronfrequenz steht in keiner festen Beziehung zur Signalfrequenz. Das Magnetfeld dient lediglich zur Fokussierung des Elektronenstrahls und kann unabhängig von der Signalfrequenz so gross gewählt werden, dass eine sehr stabile Elektronenbewegung erzielbar ist.
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Die mathematische Untersuchung ergibt überraschend, dass im räumlich und zeitlich feststehenden, geradlinig verlaufenden Vierpolfeld, das im Verstärkerteil vorhanden ist, trotz des Magnetfeldes eine de- finierte Vergrösserung der Auslenkung der Elektronen aus der Achse des unmoduliertenElektronenstrahls er- folgt. Nach Verlassen des Verstärkerteils sind die Elektronen des Elektronenstrahls im wesentlichen in einer Richtung ausgelenkt, wobei das Mass der Auslenkung von der Lage und von der Grösse und Richtung der Geschwindigkeit der Elektronen beim Eintritt in den Verstärkerteil abhängt. Für einen vorgegebenen
Eintrittswinkel (Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und derNormalen zum Ablenkradius des be- treffenden Elektron) wird eine ganz bestimmte Winkellage bevorzugt ausgelenkt.
Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass im Vierpolfeld nur ein Bruchteil der statistisch verteilten Rauschbewegungen der
Elektronen verstärkt wird, d. h. ein besonders günstiges Signal-Rauschverhältnis erhalten wird.
Als Ein- und Auskoppelteil einer erfindungsgemässen Verstärkerröhre eignet sich jeder Koppler, in dem die Elektronen aus der Achse des unmodulierten Elektronenstrahls abgelenkt werden. Der Koppler soll dabei nach Möglichkeit so ausgebildet sein, dass die Elektronen bei ihrer Ablenkung aus der Achse des un- modulierten Elektronenstrahls eine hohe radial gerichtete Geschwindigkeitskomponente erhalten.
Besonders günstig ist ein Koppler, in dem die Elektronen im wesentlichen nur in einer Ebene abge- lenkt werden. Die Winkellage dieser Ebene zum Quadrupolfeld des Verstärkerteils wird dann gemäss der oben genannten, bevorzugten Winkellage der Elektronen so eingestellt, dass die Ablenkung der Elektronen im Verstärkerteil optimal vergrössert wird. Hiezu wird ein Koppler vorgeschlagen, der erfindungsgemäss aus einer Verzögerungsleitung nach Art einer Paralleldrahtleitung besteht, deren Drähte in Längsrichtung der Röhre gesehen übereinander liegen und mäanderförmig gefaltet sind. Jeder senkrecht zur Längsachse der Röhre verlaufende Leitungsabschnitt ist dabei gegen den folgenden entsprechend der Zyklotronbewegung der Elektronen im Magnetfeld verdreht. Ein solcher Koppler kann theoretisch beliebig lang sein, wenn man keine Dämpfung berücksichtigt.
Mit wachsender Länge des Kopplers nimmt die Auslenkung und die Geschwindigkeit in radialer Richtung der Elektronen des Elektronenstrahls linear zu. Unabhängig vom Leistungspegel des Eingangssignals wird dann die Ablenkung der Elektronen im Verstärkerteil stets in gleicher Weise vergrössert.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt die Endpunkte einiger Bahnkurven von Elektronen am Ende des Verstärkerteils, wenn sie, wie in Fig. 2 wesentlich vergrössert dargestellt ist, mit gleichem Eintrittswinkel, aber verschiedener Winkellage in den Verstärkerteil eintreten. Die Fig. 3 zeigt die entsprechenden Endpunkte der Elektronenbahnen für einen andern Eintrittswinkel. Die zugehörigen Eingangswerte sind in Fig. 4 dargestellt. Die Fig,5 zeigt schematisch einen besonders vorteilhaften Koppler für eine erfindungsgemässe Verstärkerröhre.
In den Fig. 1-4 sind gleiche Winkellagen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Vierpol des Verstärkerteils ist vereinfacht durch vier axialsymmetrisch um eine Achse angeordnete, plattenförmige Elektroden 1 - 4 angegeben. Die einzelnen Platten sind mit einer Gleichspannung beaufschlagt, die für alle vier Platten dem Betrag nach gleich ist. Das aus den gegenüberliegenden Platten 1 und 3 gebildete Plattenpaar hat jedoch gegenüber dein andern, aus den Platten 2 und 4 gebildeten Plattenpaar entgegengesetzte Polarität.
In dem dadurch gebildeten räumlich und zeitlich feststehenden, geraden Vierpolfeld
EMI2.1
EMI2.2
:Dabei bedeutet : Uo den Betrag der an die einzelnen Platten 1 - 4 angelegten Gleichspannung, d den Abstand der Platten von der Symmetrieachse des Verstärkerteils, e die Ladung und m die Masse eines Elektron,
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WC die durch das magnetische Längsfeld der Röhre gegebene Zyklotronfrequenz.
Mit An und Bn (n = 1, 2,3, 4) sind Konstanten bzeichnet.
Aus den Fig. 1-4 erkennt man, dass die Elektronen mit gleichem Eintrittswinkel (Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor v und der Normalen n zum Ablenkradius r des betreffenden Elektron in den Fig. 2 und 4), aber verschiedener Winkellage beim Eintritt in den Verstärkerteil am Ende des Verstärkerteils im wesentlichen. alle in gleicher Richtung ausgelenkt sind, wenn sie gleiche Eintrittsgeschwindigkeit haben. Man erkennt weiterhin, dass für einen vorgegebenen Eintrittswinkel eine ganz bestimmte Winkel-
EMI3.1
richteten Geschwindigkeitskomponente der Elektronen ab. Je grösser die radiale Geschwindigkeitskomponente ist, um so grösser ist die Auslenkung.
Die Fig. 5 zeigt schematisch einen besonders vorteilhaften Koppler für eine erfindungsgemässe Verstärkerröhre. Dieser Koppler besteht aus hintereinander angeordneten Metallscheiben 5, die gleiche Form haben und längs eines um die Achse 6 der Scheiben 5 abgewinkelten Schnittes 7 aufgetrennt sind. Die einzelnen Metallscheiben 5 sind in Längsrichtung des Kopplers fortschreitend gegeneinander so verdreht, dass in zwei aufeinander folgenden Scheiben die Schnitte 7 jeweils nur mit einem Schenkel deckungs- gleich hintereinander liegen. Die beiden Teilstücke einer Metallscheibe 5 sind mit den beiden Teil- stücken der nächsten Metallscheibe wechselseitig jeweils am äusseren Ende der Schnittkanten, die dek- kungsgleich hintereinander liegen, durch Streben 8 und 9 miteinander verbunden.
Die Schnittkanten der Schnitte 7 bilden in Verbindung mit den Streben 8 und 9 eine Lecherleitung, die sich aus einer zu einem Mäander gefalteten Paralleldrahtleitung entstanden denken lässt, die in Längs- richtung entsprechend dem Winkel, der zwischen den beiden Schenkeln eines Schnittes 7 eingeschlossen ist, fortschreitend verdreht ist. Der Winkel der Schnitte 7 ist dabei so gewählt, dass die Verdrehung der
Zyklotronbewegung der Elektronen im Magnetfeld folgt. Am Ausgang eines solchen Kopplers, der einfach aus einzelnen Blechschnitten zusammengeschichtet werden kann, sind die Elektronen nur in einer Ebene ausgelenkt.
Man erhält einen optimalen Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Verstärkerröhre, wenn der Einkoppelteil und der Verstärkerteil so aufeinander eingestellt sind, dass die Neigung dieser Ebene der im Verstärkerteil bevorzugten Winkellage entspricht.
Die richtige Einstellung wird in einfacher Weise durch eine Justierung im Prüffeld erreicht. Dazu empfiehlt es sich, das Vierpolfeld des Verstärkerteils mit Hilfe von acht axialsymmetrisch um die Längsachse der Röhre angeordnete, stabförmige Elektroden zu erzeugen, an die in geeigneter Weise Gleichspannung angelegt wird. Durch Variation des Betrages und der Polarität der Gleichspannung der einzelnen Elektroden lässt sich eine schrittweise Drehung der Symmetrieachse des Vierpolfeldes erreichen, bis die gewünschte Übereinstimmung der günstigsten Winkellage mit der Ebene, in der die Elektronen ausgelenkt sind, erreicht ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektronenstrahlröhre zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen mit einem Einkoppelteil, in dem die Elektronen des Elektronenstrahls eine dem Eingangssignal entsprechende Ablenkung aus der Achse des unmodulierten Elektronenstrahls erfahren, einem aus einem unverdrillten Vierpol bestehenden Verstärkerteil, in dem das Eingangssignal durch Vergrösserung der Ablenkung verstärkt wird, und einem Auskoppelteil, in dem das verstärkte Eingangssignal durch Influenzwirkung ausgekoppelt wird, bei der ein homogenes Magnetfeld sich in Längsrichtung der Röhre über die gesamte, vom Elektronenstrahl durchlaufene Wegstrecke erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Vierpolfeld des Verstärkerteils ein räumlich und zeitlich feststehendes Gleichfeld mit in Strahlrichtung geradlinig verlaufenden Potentialflächen ist.