Elektronenröhre zur Frequenzvervielfachung für sehr kurze Wellen. Die Erfindung betrifft eine Röhre zur Frequenzvervielfachung nach dem Prinzip der Wanderfeldröhren. Der Mechanismus dieser Röhren beruht bekanntlich auf dem Vorgang, dass eine Elektronenströmung im Felde einer fortschreitenden Welle läuft, wo bei die Geschwindigkeit der Elektronen gleich oder angenähert gleich der Phasengeschwin digkeit der Welle ist.
Durch die Wechselwir kung zwischen Elektronenströmung und elek trischem Feldvektor der Welle entsteht eine Verstärkung, das heisst längs des gemein samen Weges von Welle und Strömung wird die dem Röhreneingang durch einen ange schlossenen Generator zugeführte Hochfre- quenzleistung verstärkt; die Amplitude und die Leistung der Welle steigen auf Kosten der kinetischen Energie der Elektronen längs dieses Weges exponentiell an. Zugleich damit entsteht auch ein exponentiell ansteigender Elektronenwechselstrom der Frequenz des Generators.
Die Welle wird bei diesem Vorgang durch eine Leitung geführt. Diese Leitung hat die Eigenschaft, die Welle gegenüber ihrer Aus breitung im freien Raum so zu verzögern., wie dies zur Erzielung der Gleichheit von Elektro nen- und Phasengeschwindigkeit erforderlich ist.
Es ist bekannt, solche Röhren durch Über steuerung, das heisst durch Ausnutzung des bei grossen Eingangssignalen vorhandenen nichtlinearen Zusammenhanges von Aus- und Eingangsleistung zur Frequenzvervielfachung auszunutzen. Wie jeder nichtlineare Steuer- vorgang hat auch -die Übersteuerung dieser Röhre die Entstehung von. Oberwellen im Elektronenstrom am Ausgang zur Folge.
Diese Ausnutzung einer Lauffeldröhre mit einer einzigen Verzögerungsleitung zur 'Fre- quenzvervielfachung hat jedoch den Nachteil sehr geringen Wirkungsgrades, das heisst das Verhältnis der Oberwellenleistung zur Steuer leistung ist klein. Dem Wunsche, eine Anord nung zu schaffen, die schon gleich die Ober wellen verstärkt abzunehmen gestattet, trägt die Erfindung Rechnung.
Die Erfindung be steht darin, dass zur Erhöhung des Wirkungs grades in Richtung des Weges de; Elektronen strömung zwei oder mehr Leitungen vorge sehen sind, wobei die erste Leitung für die ('srundfrequenz und die fohenden Leitungen für die gewünschten Oberwellen bevorzugt ausgebildet sind. Die geometrischen Abmes sungen der Leitungen werden zweckmässig entsprechend der verschiedenen Betriebsfre quenzen unterschiedlich gewählt. Es empfiehlt sieh, die Leitungen galvanisch voneinander zu trennen, um an dieselben unterschiedliche C'sleiehspannungen anlegen zu können.
Auf diese Weise ist es möglich, für die jeweiligen Betriebsfrequenzen in den einzelnen Systemen optimale Spannungsbedingungen zti schaffen.
Die wellenführenden Anordnungen kön nen in an sieh bekannter Weise ausgebildet sein. Es können Drahtwendeln verwendet wer den, denen dann durch geeignete Querschnitt form Bandpasseigenschaften gegeben werden. Es kann auch zweckmässig sein, Kettenleiter oder dergleichen vorzusehen, bei denen ein zelne Elementarvierpole in Elektronenstrahl richtung hintereinander angeordnet sind. Sol che Leitungen mit Filterstruktur sind z. B. durch Blenden beschwerte Hohlrohrleitungen oder auch koaxiale Leitungen, bei denen In nen- oder Aussenleiter mit Vertiefungen ver sehen sind, um die erforderliche Verzögerung der Welle gegenüber der Lichtgeschwindig keit zu erzielen.
Die Abmessungen der Ele- mentarvierpole dee einzelnen Leitungen kön nen gegebenenfalls hinsichtlich ihrer geo metrischen Abmessung um ein Geringes von einander unterschiedlich bemessen sein, um die gewünschte Bandpasscharakteristik zu er zielen.
Der erwähnte geringe Wirkungsgrad der Frequenzvervielfachung bei Wanderfeldröh- ren mit einer einzigen Leitung beruht auf fol gender Tatsache: Jede Leitung, die zur Füh- rung der Welle dient, hat stets einen mehr oder weniger ausgeprägten selektiven Charak ter.
Dies bedeutet: Die Wechselwirkung zwi- sehen der Elektronenströmung und dem Feld der von der Leitung geführten Welle ist Ire- quenzabhängig. Die Verstärkung einer Welle durch die Elektronenströmung ist eine Funk tion von Phasenkonstante
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und von den geometrischen Abmessungen der Verzögerungsleitung. In obiger Beziehung be deuten (o <I>= 2</I> ucf die Kreisfrequenz,<I>p</I> die Phasengeschwindigkeit der von der Leitung geführten Welle, c die Liehtgeschwindigkeit, die Wellenlänge der zu verstärkenden Fre quenz im Vakuum.
Bei der in Wanderfeldröh- ren viel benutzten Leitungsform, einer kreis zy lindrischen Wendel mit dem Radius a, ist z. B. die Verstärkung G eine Funktion von P - a,, und sie hat als Funktion von ,P, das heisst als Funktion der Frequenz etwa den Verlauf, wie er schematisch in Fig. 1 gezeich net ist.
Bei etwa ssa = 1,3<B>...</B> 1,8 hat die Wech selwirkung von Wellen und Elektronenströ mung ein Maximum. Entsprechend dem Sprachgebrauch pflegt man dies so auszu drücken, dass man sagt, die Kopplung von Welle und Elektronenströmung ist frequenz- abhängig und besitzt ein Maximum. In Fig. 1 sei nun z. B. f 1 die Frequenz des an den Ein gang der zur Frequenzvervielfachung dienen den Röhre angeschalteten Generators.
Wie aus der Kurve 1 ersichtlich ist, besteht dann für die Harmonischen 2 f 1, 3 f 1 usw. nur noch eine geringe Wechselwirkung zwischen Welle und Elektronenströmung; entsprechend sind Feldstärke und Leistung der Welle der Har monischen, die durch Übersteuerung entste hen, gering, der Wirkungsgrad der Oberwel- lenleistung klein. Erfindungsgemäss wird dieser Wirkungsgrad verbessert, indem hinter der ersten Leitung, in Richtung der Elektro nenströmung, eine zweite angeordnet wird.
Diese hat durch geeignete Wahl der Abmes sungen und der Betriebsspannung für die Kopplung G als Funktion der Frequenz einen Verlauf, wie er in Fig. 1 durch die gestrichelt gezeichnete Kurve 2 angedeutet ist. Es ist evi dent, dass durch die bei dieser sehr viel stär keren Kopplung für die zweite Harmonische die Feldstärke und damit die Leistung der Welle mit der Frequenz '2 f1 (Frequenzver- dopplung) wesentlich grösser ist. Würde man die Abmessungen dieser zweiten Leitung be reits für den Eingang der Röhre gewählt haben, so würde, wie ersichtlich, die Kopp lung für die Frequenz f 1 sehr klein sein, das heisst die Steuerleistung sehr hoch.
Die Kom bination mehrerer hintereinanderliegender Leitungen mit jeweils optimaler Kopplung für eine Oberwelle hat also den Vorteil hohen Wirkungsgrades und hoher Verstärkung, wo bei unter Verstärkung das Verhältnis der Ausgangsleistung der Oberwelle zur Steuer leistung der Grundwelle zu verstehen ist. Die strichpunktierte Kurve 3 gilt schliesslich noch für eine Leitung, die für die dritte Oberwelle bemessen ist.
Zur Erläuterung der Arbeitsweise möge folgende Beschreibung der physikalischen Vorgänge dienen: Die Röhre wird am Ein gang der ersten Leitung durch einen Genera tor der Frequenz f 1 erregt und so stark aus- gesteuert, dass der Wechselwirkungsmechanis mus zwischen Strahl und Welle nichtlinear wird. Es entstehen dann im Elektronenstrom. und in der Welle Komponenten der Frequen zen 2 f 1, 3 f 1, 4 f 1 usw. Die Feldstärke der Welle enthält um so stärker diese Komponen ten, je stärker die Kopplung von Welle und Elektronenströmung ist.
Ist dagegen die Kopplung im Grenzfall Null, so enthält zwar der Elektronenwechselstrom diese Oberwellen, nicht jedoch die von der Leitung geführte Welle, so dass man dem Wellenfeld in diesem Fall gar keine Oberwellenleistung entziehen kann. Schliesst man nun an die erste Leitung mit geringer Kopplung für die gewünschte Oberwelle nf, <I>1</I> (n = ganze Zahl) eine zweite Leitung mit hoher Kopplung für diese Ober welle n f 1 an, so erregt der Elektronenstrom der Frequenz nf i, der in diese zweite Leitung eintritt,
in dieser ein Wellenfeld der Fre quenz nf1, das im Zuge der zweiten Leitung durch Wechselwirkung mit dem Elektronen wechselstrom verstärkt wird. Anfangsampli tude des Wellenfeldes und Verstärkung sind um so höher, je stärker die Kopphzng ist.
Bei Wendeln führt die Erreichung opti maler Kopplung angenähert zur Bedingung, dass ss # a = 1,6 sein soll. Hat man also z. B. für die Eingangsfrequenz 109 Hz (2 = 30 cm) und eine Elektronengeschwindigkeit, die an genähert gleich der Phasengeschwindigkeit der Welle sein muss, entsprechend 1600 V, so folgt daraus plc = 1/12,5 also
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Die Bedingung ss <I>-</I> a <I>=</I> 1,6 wird damit durch einen Wendelradius von
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er füllt.
Soll für die zweite Oberwelle wiederum <I>></I> ss # a <I>=</I> 1,6 sein, so folgt daraus
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also für = 30 cm, A/2 = 15 cm die Bedin gung
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Dies kann man entweder bei gleicher Betriebs spannung, das heisst gleichem Verhältnis c/p durch verkleinerten Wert des Wendelradius a = 0,38 cm erreichen öder auch bei andern Werten c/p und :damit andern Betriebsspan nungen (möglich bei entsprechender Wendel steigung) und entsprechenden Werten von a <I>(z.
B.</I> clp <I>= 9,</I> a = 0,43 cm). Analoge Bedin gungen gelten, wenn. man nicht die Oberwelle 2 f 1, sondern andere Oberwellen 3<B><I>f l,</I></B> 4 f 1 usw. erzeugen will. Diese quantitativen Dimen- sionierungsbedingungen gelten nur roh und in grosser Annäherung.
Die Erfindung ist keineswegs auf die Ver wendung von Wendeln als Verzögerungslei tungen beschränkt. Sie bezieht sich auf be liebige Formen von Leitungen mit Filter struktur. Solche Leitungen besitzen Bandpass- eharakter, das heisst ihr Durehlassbereich ist im allgemeinen so schmal, dass, bei Steuerung mit der Frequenz f 1, Oberwellen der Fre quenzen nf, überhaupt nicht mehr in. ihrem Durchlassbereich liegen.
Wohl entstehen ent sprechend der obigen Erläuterung Elektro nenströme der Frequenzen nf <I>1,</I> durch die dann in den auf die Eingangsleitung folgen den Leitungen, bei entsprechender Lage von deren Durchlassbereich, Wellen. der Frequen zen nf1 angeregt werden, deren Leistung je weils aus der einzelnen Leitung ausgekoppelt werden kann.
Die erforderliche Lage des Durchlassbereiches (Fig. 2) dieser Verzöge- rungsleitimgen mit Filterstruktur kann durch geeignete Dimensionierung der * Leitungen und Anlegen geeigneter Gleichspannungen gegen die Kathode erzielt werden.
Die Verwendung solcher Filterleitungen hat weiterhin den Vorteil, dass jede Leitung praktisch nur Leistung der Harmonischen er zeugt, für die sie dimensioniert ist, da der Durchlassbereich meist so schmal ist, dass in ihm nur eine Harmonische liegt. Es tritt also zugleich eine Filterwirkung für die nicht er wünschten Harmonischen auf. Für die opti male Dimensionierung lassen sich keine so einfachen optimalen Bedingungen angeben wie die oben genannte; angenäherte Bedin gung für die Wendel.
Als Prinzip soll einzig gelten, dass in der Leitung, die zur Abnahme einer Oberwelle dient, für diese Oberwelle die Kopplung von Welle und Elektronenströ- mung fester ist als ins der an den. Steuergene rator angekoppelten Leitung für die gleiche Oberwelle.
In Fig. 3 ist ein. Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter Darstellung schematisch ver- anschaulicht. Es handelt sich dabei um eine Röhre, bei der in Richtung des Elektronen stromes zwei Leitungen hintereinanderliegen. Der Elektronenstrahl 4 wird durch eine Elek tronenkanone erzeugt.
Die Kathode ist mit 5 bezeichnet; eine Fdkussierungselektrode 6 und eine Voranode 7 sind derselben vorgelagert. Der Elektronenstrahl 4 durchläuft die beiden Leitungen 8 und 9. Gegebenenfalls können hier noch weitere Leitungen vorgesehen sein, die sich in Strahlrichtung hinter der Leitung 9 an dieselbe anschliessen. Bei dem dargestell ten Ausführungsbeispiel sind diese Leiturigen schematisch als Verzögerungsleitungen in Form von Hohlrohrleitungen mit äquidistan- ten Blenden dargestellt.
An den Eingang der ersten Leitung 8 wird der Generator 10 mit der Frequenz f 1 angekoppelt, an den Ausgang der zweiten Leitung 9 der Verbaucher 11 für die Leistung der Frequenz nf <I>1.</I> Die Lei- tungen sind so dimensioniert und an solche Gleichspannungen gelegt, dass in jeder der selben für die gewünschte Frequenz Kopp lung und Verstärkung gross sind.
Dies bedeu tet: In der zweiten Leitung 9 ist die Verstär- kung für die gewünschte Harmonische mf <I>1</I> höher als für diese Frequenz n f 1 in, der Steuer leitung B. Analoges gilt für evtl. weitere im Zuge der Röhre liegende Leitungen, die hin ter der Leitung 9, in Richtung des Elektro nenstrahls gesehen, liegen.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Form der Leitungen entsprechend Fig. 3. Beliebige Leitungsformen können benutzt werden. Sie ist ferner auch anwendbar auf Röhren vom Typ des Wanderfeldmagnetron- Verstärkers, bei der die Verstärkung der Welle in elektrostatischem Querfeld und dazu senkrechtem, zeitlich konstantem magneti- sehem Querfeld erfolgt.
Es ist zur Unterdrückung der Selbsterre gung vielfach erforderlich, jede einzelne der Leitungen in der Röhre zu dämpfen. Diese Massnahme ist bei normalen Verstärkerröhren vom Typ der Wanderfeldröhren bekannt und bedarf daher hier keiner besonderen Erläu terung.
Es ist möglich, die verschiedenen Leitun gen mit verschiedenen Dimensionen zu einer baulichen Einheit' zu vereinigen. Dies ist ins besondere dann möglich, wenn die Abmessun gen der verschiedenen Leitungen trotz der verschiedenen Frequenzen. so gewählt sind, dass ihre optimalen Betriebsspannungen gleich oder angenähert gleich sind. Vielfach muss man jedoch an die einzelnen Leitungen ver schiedene Betriebsspannungen legen, das heisst den Elektronen in ihnen verschiedene Ge schwindigkeiten erteilen.
Dann lässt sich eine bauliche Einheit aus verschiedenen Leitungen nur durch potentialmässige Trennung mit Hilfe von isolierenden Zwischenstücken her stellen.