Vorrichtung mit einer Entladungsröhre, in der ein von einer Steuerschwingung in Dichte moduliertes Elektronenbündel erzeugt wird. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung mit einer Entladungsröhre, in der ein von einer Steuerschwingung in Dichte moduliertes Elektronenbündel erzeugt wird, und bei der dem Bündel durch eine in der Nähe des Bündels angeordnete Ausgangs- elektrode Hochfrequenzenergie entzogen wird, welche Vorrichtung insbesondere zur Ver stärkung von Ultrahochfrequenzschwingun- gen geeignet ist.
Zweck der Erfindung ist, eine Vorrich tung der genannten Art zu schaffen, mit der ein sehr breites Frequenzband übertragen werden kann, z. B. für Fernsehzwecke oder zur Übertragung einer durch mehrere Modu- lationskanäle modulierten Trägerwelle.
Dieser Zweck wird erfindungsgemäss da durch erreicht, dass die Ausgangselektrode derart ausgebildet ist, dass das Bündel in dieser Elektrode eine laufende Welle indu ziert, deren Geschwindigkeitskomponente in der Achsrichtung des Bündels wenigstens nahezu jener der Elektronen entspricht. Vor- zugsweise besteht die Ausgangselektrode aus einem schraubenförmig gewundenen Leiter für elektrische Wellen, bei dem der Wick lungsschritt in der Bewegungsrichtung der Elektronen abnimmt.
Auf diese Weise wird eine Vorrichtung zur Verstärkung eines sehr breiten Bandes ultrahoher Frequenzen von der Grössenord nung von 300 Mhz oder höher erhalten, die nicht von der Eigenresonanz des Ausgangs kreises abhängig ist.
Dem Bündel kann in der Weise Energie entzogen. werden, dass die der Ausgangs elektrode seitens des modulierten Bündels ab gegebenen Energiemengen vorzugsweise über die ganze Weglänge additiv kombiniert werden. Dies ist dadurch erreichbar, dass die Elektronengeschwindigkeit wenigstens nahezu der achsialen Geschwindigkeits komponente der in der Ausgangselektrode auftretenden laufenden Welle gleich .ge macht wird.
Die auf .dem Wege des Bündels zum Punkte, wo sie aufgefangen werden, wan dernden Elektronen werden in der Ausgangs elektrode nicht nur an der Stelle, wo die an kommenden Elektronen an sie heranrücken, sondern auch in den Windungen der Aus gangselektrode, durch die sich die Elektronen bereits hindurchbewegt haben, einen Induk- tionastrom hervorrufen.
Weil diese beiden induzierten Komponenten des Stromes in der Ausgangselektrode die Elektronen des Bün dels verzögern, wird eine ununterbrochene Energieabgabe über die ganze Ausgangs elektrode auftreten, falls der Bedingung einer nahezu gleichen Fortpflanzungsge schwindigkeit entsprochen ist.
Dieser Bedin gung kann auf zwei Weisen gerecht werden, und zwar erstens dadurch, dass die Steigung der schraubenförmig gewundenen Ausgangs elektrode in dem Masse verringert wird, als die Elektronengeschwindigkeit abnimmt, und zweitens dadurch, dass der Wicklungsschritt gleichbleibend gehalten und der Elektronen geschwindigkeit ein etwas höherer Anfangs wert als die achsiale Geschwindigkeitskom- ponente der laufenden Welle erteilt wird.
Das erstgenannte Verfahren hat den Vorteil; dass die Elektronen in grösserem Masse ver zögert werden, wobei ein grösserer Wirkungs grad als beim zweiten Verfahren erzieltwird. Beim zweiten Verfahren tritt eine zu nehmende Phasenverschiebung zwischen den Elektronen und dem Strom in der Ausgangs elektrode auf. Hierdurch kann die Elektro- nengeschwindigkeit über einen beträchtlichen Teil des Weges einen wenigstens nahezu ,gleichbleibenden Wert haben.
Darauf wird die Phasenverschiebung aber so gross, dass eine Beschleunigung anstatt einer Verzöge- rung der Elektronen eintritt. Eine solche Be schleunigung ist unerwünscht, weil infolge dessen ein Teil der dem Bündel entzogenen Energie ihm wieder zugeführt werden sollte.
Es ist daher bei Verwendung eines schrau benförmig ,gewundenen Leiters mit gleich bleibender Steigung als Ausgangselektrode erwünscht, dass die Länge dieses Leiters nicht so gross ist, dass eine Beschleunigung der Elektronen eintreten wird.
In der Ausgangselektrode werden auch Ströme induziert, die in entgegengesetzter Richtung fliessen; diese werden nicht auf die beschriebene Art und Weise zusammenarbei ten; es tritt daher an dem von der Ausgangs seite abstehenden Ende der Ausgangselek trode Energie auf, die vorzugsweise von einem Dämpfungswiderstand aufgenommen wird.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfin- dungsgegenstandes .sind in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und werden an Hand derselben nachstehend näher erläutert.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine Entladungsröhre mit einer entlüfteten Hülle 1 dargestellt, in der eine Kathode 2, ein Glühdraht 3, ein Gitter 4, zwei Beschleu nigungselektroden 5, 5; eine Fangelektrode 6 und eine Elektrode 7 zur Unterdrückung von Sekundäremission angeordnet sind.
Die Be schleunigungselektroden 5 sind über Drosseln 8 mit der positiven Klemme einer Spannungs quelle verbunden; diese Drosseln verhüten das Auftreten von Hochfrequenzenergie in den Kreisen dieser Elektroden. Die Fang elektrode 6 befindet sich auf einer hohen positiven Spannung und die Elektrode 7 auf einer niedrigeren positiven Spannung in Be zug auf die Kathode. Das Steuergitter 4 hat eine negative Vorspannung in Bezug auf die Kathode, und diesem Steuergitter werden die durch eine Leitung 10 der Vorrichtung zu geführten Schwingungen über einen Schwin gungskreis 9 zugeführt.
Um das Bündel in der Achse der Röhre zusammenzudrängen, ist ein magnetisches Linsensystem vorgesehen, das aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Elektronenlinsen besteht, die durch Luft spalten einer Anzahl Elektromagneten gebil det werden, von denen die Buchstaben N, S die Nord- und Südpole andeuten, und die von einer Spule 11 erregt werden, die von einer in Reihe mit einem regelbaren Widerstand 13 geschalteten Batterie 12 ,gespeist wird.
Um die Röhre 1 herum ist über den grössten Teil des Weges des Elektronen stromes ein schraubenförmig gewundener Lei ter 14 angeordnet, dessen Steigung in der Richtung gegen die Fangelektrode 6 regel mässig abnimmt. Die Windungen sind vor zugsweise mittels eines zwischen denselben angeordneten Schirmes aus nichtmagneti schem Material gegeneinander abgeschirmt und die Steigung ist immer derart gewählt, dass die Achsialgeschwindigkeit der laufen den Welle mit der der Elektronen überein stimmt.
Es sind mit andern Worten die Stei gung und der Durchmesser der Spule derart gewählt, dass die Geschwindigkeit der in dem Leiter induzierten Welle eine Projektion auf die Röhrenachse hat, die im wesentlichen :der Elektronengeschwindigkeit entspricht. Auf diese Weise wird eine schwache Kopplung zwischen dem Elektronenstrom und jeder Längeneinheit der Ausgangselektrode be stehen, bei der aber den Elektronen eine immer wachsende Energiemenge entzogen wird, je weiter sie sich längs der Achse der Schraubenlinie bewegen.
Je nachdem dem Elektronenbündel Energie entzogen wird, werden die Elektronen verzögert, und weil auch die Steigung der Schraubenlinie ab nimmt, wird das für die Energieabnahme gewünschte Verhältnis zwischen der Elek tronengeschwindigkeit und der achsialen Komponente der Geschwindigkeit der laufen den Welle längs der Schraubenlinie bei behalten.
Da :diese Steigung ausschliesslich von den Geschwindigkeiten des Elektronenstromes und den der laufenden Welle abhängig ist, ist diese nicht auf kritische Weise von der Wellenlänge abhängig.
Die Ausgangselektrode 14 ist von einer Schirmbuchse 16 aus nichtmagnetischem, leitendem Material umschlossen, die zur Ver hütung unerwünschter Strahlung dient. Es ist :dabei vorteilhaft, den Schirm 16 inner halb des magnetischen Linsensystems anzu ordnen, zum Zwecke, eine für sämtliche Win dungen der Ausgangselektrode gleichblei bende Kapazität zwischen den Windungen und der Schirmbuchse zu erhalten.
Das sich der Kathode am nächsten be findende Ende der Ausgangselektrode 14 ist von einem Ohmschen Widerstand 15 abge- schlossen, der als Dämpfungswiderstand für gegebenenfalls an diesem Ende auftretende Schwingungen wirkt und zwischen das er wähnte Ende der Elektrode 14 und das ent sprechende Ende der Buchse 16 geschaltet ist.
Die Belastungsimpedanz wird zwischen die entgegengesetzten Enden der Ausgangs elektrode und der Schirmbuchse 16 ange schlossen, und zwar über eine nach einer Verbrauchsvorrichtung, z. B. einer Antenne, führende Übertragungsleitung 17, deren charakteristische Impedanz an jene des Lei ters 14 angepasst ist. Statt der Übertragungs leitung 17 kann auch ein ImpedaDztransfor- mator vorgesehen werden, sofern dieser die gewünschte Bandbreite durchlässt, oder es kann auch die Belastung unmittelbar an das genannte Ende der Aus,gangselektro,de ange schlossen werden.
Durch Anordnung einer angepassten Belastungsimpedanz wird das Auftreten stehender Wellen vermieden, was eine beschleunigende Wirkung auf das, Elek tronenbündel herbeiführen könnte, wodurch ein Teil der dem Bündel entzogenen Energie diesem wieder zugeführt werden könnte.
Der höchste Wirkungsgrad wird erzielt, wenn die charakteristische Impedanz der schraubenförmig ,gewundenen Ausgangselek trode einen hohen Wert besitzt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn durch die Steuerung Elek tronengruppen erzeugt werden, deren Länge wenigstens so .gross wieder achsiale Abstand zwischen zwei oder mehreren Windungen der schraubenförmig gewundenen Ausgangs elektrode ist. Ausserdem wird der :grösste Wirkungsgrad erzielt, wenn die Röhre eine möglichst grosse Länge hat.
Bei :einer praktisch ausgeführten Vorrich tung war es möglich, bei einer Trägerwellen frequenz von 390 Mhz eine Bandbreite von 30 Mlhz mit bloss einer Änderung von 3 4B , über die ganze Bandbreite zu verstärken.
In Fg. 2 ist eine andere Aus.führungs- form der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt, die sich von der Vorrichtung nach Fig. 1 im wesentlichen darin unterschei det, dass die ischraubenförmig gewundene Ausgangselektrode aus einem dielektrischen Wellenleiter 14' besteht, der einen U-förmi gen Querschnitt hat und dessen offene Seite dem Elektronenbündel zugewendet ist.
Das in Fig. 2 dargestellte Konzentrationssystem besteht aus einer Spule 18, die über einen. regelbaren Widerstand 13 von einer Batterie 12 gespeist wird. Ebenso wie bei der Aus gangselektrode nach Fig. 1 nimmt die Stei gung des schraubenförmig gewundenen U-för- migen Leiters in der Fortpflanzungsrichtung der Elektronen ab.
Das Elektronenbündel gibt dem Wellen leiter Energie ab, weil -dessen offene Seite dem Bündel zugewendet ist, so dass der Wellenleiter mit dem Bündel gekoppelt ist. Weiter ist der Leiter mit Schlitzen versehen, die sich in der Richtung der Radien der Schraubenlinie erstrecken. Diese Schlitze sind in Fig. 3 mit 22 bezeichnet und bewir ken, dass die in dem Wellenleiter induzier ten Ströme einen Weg durchlaufen, der grösser als der kleinste Durchmesser des Wellenleiters ist.
Der Wellenleiter 14' geht an der Aus- gangsseite, in einen sich allmählich erweitern den trompetenförmigen Verlängerungsteil über, der die Energie in den Raum ausstrahlt.
Obwohl in den beiden oben geschilderten Ausführungsformen der Erfindung die Aus gangselektrode ausserhalb der entlüfteten Hülle angeordnet ist, kann diese Elektrode auch ohne Bedenken innerhalb der Röhre aufgestellt werden. Wenn ausserdem der schraubenförmig gewundenen Ausgangselek trode in Fig. 1 eine positive Spannung in bezug auf die Kathode erteilt wird, kann diese Elektrode an deren Eingangsseite als eine Beschleunigungselektrode dienen, und es wird zwischen ihren Enden ein im wesent lichen feldfreier Raum gebildet, insoweit es sich um Gleichströme handelt.
Es kann ge- wünschtenfalls auch ein hohles Elektronen bündel erzeugt werden, wobei die Ausgangs elektrode innerhalb dieses Bündels angeord net werden kann. Zu diesem Zweck kann die Kathode kreisförmig ausgebildet und gleich- achsig in bezug auf die Röhrenachse ange ordnet werden.
Device with a discharge tube in which an electron beam that is density-modulated by a control oscillation is generated. The invention relates to a device with a discharge tube in which an electron beam modulated in density by a control oscillation is generated, and in which high-frequency energy is extracted from the beam by an output electrode located in the vicinity of the beam, which device is used in particular amplification of ultra-high frequency vibrations is suitable.
The purpose of the invention is to provide a Vorrich device of the type mentioned, with which a very wide frequency band can be transmitted, for. B. for television purposes or for the transmission of a carrier wave modulated by several modulation channels.
According to the invention, this purpose is achieved in that the output electrode is designed in such a way that the bundle induces a traveling wave in this electrode, the speed component of which in the axial direction of the bundle at least almost corresponds to that of the electrons. The output electrode preferably consists of a helically wound conductor for electrical waves, in which the winding step decreases in the direction of movement of the electrons.
In this way, a device for amplifying a very wide band of ultra-high frequencies of the order of magnitude of 300 MHz or higher is obtained, which is not dependent on the natural resonance of the output circuit.
Energy can be withdrawn from the bundle in this way. that the amounts of energy given to the output electrode by the modulated bundle are preferably combined additively over the entire path length. This can be achieved by making the electron speed at least almost the same as the axial speed component of the running wave occurring in the output electrode.
The electrons wandering along the path of the bundle to the point where they are intercepted are not only found in the output electrode at the point where the incoming electrons approach them, but also in the turns of the output electrode through which the electrons have already moved through, causing an induction current.
Because these two induced components of the current in the output electrode delay the electrons of the bundle, an uninterrupted release of energy will occur over the entire output electrode if the condition of an almost identical rate of reproduction is met.
This condition can be met in two ways, firstly by reducing the pitch of the helically wound output electrode as the electron speed decreases, and secondly by keeping the winding pitch constant and the electron speed slightly higher Initially value as the axial speed component of the running wave.
The former method has the advantage; that the electrons are delayed to a greater extent, with a greater degree of efficiency being achieved than with the second method. In the second method there is a phase shift to be taken between the electrons and the current in the output electrode. As a result, the electron velocity can have an at least almost constant value over a considerable part of the path.
The phase shift then becomes so great that the electrons are accelerated rather than decelerated. Such acceleration is undesirable because, as a result, part of the energy withdrawn from the bundle should be fed back into it.
It is therefore desirable when using a helical, wound conductor with a constant slope as the output electrode that the length of this conductor is not so great that the electrons will accelerate.
In the output electrode, currents are also induced that flow in the opposite direction; they will not work together in the manner described; it therefore occurs at the end of the output electrode protruding from the output side of energy, which is preferably absorbed by a damping resistor.
Two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the accompanying drawing and are explained in greater detail below using the same.
In the embodiment of Figure 1, a discharge tube with a vented envelope 1 is shown, in which a cathode 2, a filament 3, a grid 4, two acceleration electrodes 5, 5; a collecting electrode 6 and an electrode 7 for suppressing secondary emission are arranged.
Be the acceleration electrodes 5 are connected via chokes 8 to the positive terminal of a voltage source; these chokes prevent the occurrence of high frequency energy in the circuits of these electrodes. The catch electrode 6 is at a high positive voltage and the electrode 7 at a lower positive voltage in relation to the cathode. The control grid 4 has a negative bias voltage with respect to the cathode, and this control grid is supplied with the vibrations fed through a line 10 of the device via an oscillation circuit 9.
In order to force the bundle together in the axis of the tube, a magnetic lens system is provided which consists of a number of successive electron lenses which are formed by splitting the air of a number of electromagnets, of which the letters N, S indicate the north and south poles, and which are excited by a coil 11, which is fed by a battery 12 connected in series with a variable resistor 13.
To the tube 1 around a helically wound Lei ter 14 is arranged over most of the path of the electron flow, the slope of which decreases in the direction towards the target electrode 6 regularly. The windings are preferably shielded from one another by means of a screen made of nonmagnetic material arranged between them and the slope is always chosen so that the axial speed of the running wave matches that of the electrons.
In other words, the pitch and the diameter of the coil are selected in such a way that the speed of the wave induced in the conductor has a projection onto the tube axis which essentially corresponds to the speed of the electron. In this way, there will be a weak coupling between the electron flow and every unit length of the output electrode, but an ever increasing amount of energy will be withdrawn from the electrons the further they move along the axis of the helix.
Depending on the amount of energy withdrawn from the electron bundle, the electrons are decelerated, and because the slope of the helical line also decreases, the ratio between the electron speed and the axial component of the speed of the shaft running along the helical line is maintained.
Since: this gradient depends exclusively on the speed of the electron flow and that of the current wave, it is not critically dependent on the wavelength.
The output electrode 14 is enclosed by a shield socket 16 made of non-magnetic, conductive material, which is used to prevent unwanted radiation. It is: advantageous to arrange the screen 16 within the magnetic lens system, for the purpose of obtaining a constant capacitance between the windings and the screen socket for all windings of the output electrode.
The end of the output electrode 14 closest to the cathode is terminated by an ohmic resistor 15, which acts as a damping resistor for any vibrations that may occur at this end and between the end of the electrode 14 and the corresponding end of the socket 16 is switched.
The load impedance is connected between the opposite ends of the output electrode and the shield socket 16, via a device according to a consumption device, for. B. an antenna, leading transmission line 17 whose characteristic impedance is adapted to that of the Lei age 14. Instead of the transmission line 17, an impedance transformer can also be provided, provided that it allows the desired bandwidth to pass, or the load can also be connected directly to the named end of the output electronics.
By arranging an adapted load impedance, the occurrence of standing waves is avoided, which could have an accelerating effect on the electron bundle, whereby part of the energy withdrawn from the bundle could be fed back to it.
The highest efficiency is achieved when the characteristic impedance of the helical, wound output electrode has a high value. Furthermore, it is advantageous if electron groups are generated by the controller, the length of which is at least as large as the axial distance between two or more turns of the helically wound output electrode. In addition, the greatest possible efficiency is achieved when the tube is as long as possible.
With a practically implemented device it was possible to amplify a bandwidth of 30 MHz with a change of only 3 4B over the entire bandwidth at a carrier wave frequency of 390 MHz.
FIG. 2 shows another embodiment of the device according to the invention, which differs from the device according to FIG. 1 essentially in that the helically wound output electrode consists of a dielectric waveguide 14 'which is U-shaped gen cross-section and whose open side faces the electron bundle.
The concentration system shown in Fig. 2 consists of a coil 18 which has a. adjustable resistor 13 is fed by a battery 12. As with the output electrode according to FIG. 1, the pitch of the helically wound U-shaped conductor decreases in the direction of propagation of the electrons.
The electron bundle emits energy to the waveguide because its open side faces the bundle, so that the waveguide is coupled to the bundle. Further, the conductor is provided with slots which extend in the direction of the radii of the helix. These slots are denoted by 22 in FIG. 3 and cause the currents induced in the waveguide to pass through a path which is greater than the smallest diameter of the waveguide.
On the output side, the waveguide 14 'merges into a gradually expanding trumpet-shaped extension part which radiates the energy into the room.
Although in the two embodiments of the invention described above, the output electrode is arranged outside the vented envelope, this electrode can also be set up inside the tube without hesitation. In addition, if the helically wound output electrode in Fig. 1 is given a positive voltage with respect to the cathode, this electrode can serve on its input side as an accelerating electrode, and a field-free space is essentially formed between its ends, insofar as it is are direct currents.
If desired, a hollow electron bundle can also be generated, with the output electrode being able to be arranged within this bundle. For this purpose, the cathode can be designed to be circular and be arranged on the same axis with respect to the tube axis.