CH653480A5 - Hochleistungs-elektronenroehre. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Elektronenröhre gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochleistungs-Elektronenröhren, wie die lineare VHF-Leistungsverstärkerröhre RCA 8916 werden z.B. in hochverstärkenden, hochlinearen Geräten für VHF-Fernseh- und FM-Dienste sowie für Nachrichtensender bis 400 MHz benötigt. Solche Leistungsröhren haben koaxiale Anschlüsse für einen Betrieb in einer normalen koaxialen TEM-Mode. Beim Betrieb einer solchen Leistungsröhre gibt es eine unendliche Anzahl von Störschwingungsmoden, wie die TE- und TM-Moden, die gleichzeitig mit der gewünschten TEM-Mode in einem Resonanzhohlraum oder -system auftreten können. Bei einer typischen Leistungsröhre treten diese Störresonanzen bei Frequenzen auf, die im allgemeinen wesentlich höher sind als die Nenn-Betriebsfrequenz der Röhre, so dass sie keine Probleme verursachen, da in der Röhre bei diesen Frequenzen wenn überhaupt nur wenig Leistung erzeugt werden kann. Es gibt jedoch gewöhnlich wenige Störschwingungsmoden, die Probleme verursachen können und sich in Hochfrequenzschwingungen bei den Störmodefrequenzen äussern. Diese Hochfrequenzschwingungen beeinträchtigen das Betriebsverhalten der Röhre, da sie jeden der folgenden Röhrenparameter erhöhen können: Betriebs-Spitzenspannung, flächenspezifische Elektrodenverlustleistung, dielektrische Verluste, Störanteil des Signals und Hochfrequenz-Leckage; ferner können durch solche hochfrequente Störschwingungen Interferenzsignale erzeugt und der Betriebswirkungsgrad der Schaltung herabgesetzt werden. Es wurde sogar über Röhrenschäden infolge von Sprüngen in Keramikisolatoren berichtet, die auf solche Hochfrequenzschwingungen zurückzuführen sind.

Damit solche schädlichen Wirkungen der Hochfrequenz-Störschwingungen auftreten können, muss eine Hochfrequenzrückkopplung von einem Ausgangskreis, der die Anode und zugehörige Elektroden enthält, auf einen Eingangskreis,

der das Steuergitter und zugehörige Elektroden enthält, mit einer solchen Grösse und Phase, dass die inhärenten Kreisverluste überwunden werden, vorhanden sein. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, nimmt die Stärke der Störschwingungen zu, bis die durch die Störschwingungen verursachten Verluste gleich der bei den Störfrequenzen erzeugten Leistung sind. Es wurde festgestellt, dass die Hochfrequenzrückkopp-lung durch Faktoren, wie die Gitteröffnungslänge, Gitterdicke und Öffnungsorientierung bestimmt werden.

Die Versuche, die Ursachen solcher unerwünschter Hochfrequenzschwingungen zu beseitigen, waren bisher im grossen und ganzen ohne Erfolg. Man hat stattdessen im allgemeinen versucht, die Störschwingungen zu dämpfen, zumindest auf Werte, bei denen die Amplituden klein im Vergleich zu denen der Schwingungen bei der Nenn-Betriebsfrequenz sind. Zum Beispiel schwingen die derzeitigen Leistungsröhrenschaltungen im allgemeinen bei Frequenzen, die den zirkulären TE-oder TM-Moden zugeordnet sind. Diese Moden haben typischerweise von Natur aus niedrige Verluste und die Versuche, die Zirkularmode-Schwingungen nennenswert zu belasten, werden oft durch die Unmöglichkeit zunichte gemacht, eine Zirkularmodebelastung ohne Verringerung des Wirkungsgrades der Schaltung bei der Nenn-Betriebsfrequenz zu erreichen.

Da es schwierig ist, die störenden zirkulären Schwingungstypen gezielt zu belasten, ohne die Betriebseigenschaften der Röhre zu beeinträchtigen, wird es attraktiv, das Einsetzen der Störschwingungen durch rekative Dämpfung der unerwünschten Hochfrequenzrückkopplung zu verhindern oder zu steuern. Dies ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochleistungs-Elektronen-röhre der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der er-findungsgemässen Hochleistungs-Elektronenröhre sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Eine Hochleistungs-Elektronenröhre gemäss der Erfindung enthält also eine hohlzylindrische Gitterelektrode mit einer Anordnung von Öffnungen. Jede dieser Öffnungen ist in Umfangsrichtung langgestreckt, wobei die lange Dimension nicht grösser als das 0,55-fache des Durchmessers dieser Gitterelektrode ist.

Es ist zwar aus der US-PS 1 437 607 eine Elektronenröhre mit einem zylindrischen Gitter bekannt, das sich in Umfangsrichtung erstreckende Öffnungen aufweist. Aus dieser Patentschrift kann jedoch nicht entnommen oder geschlossen werden, dass störende TE- oder TM-Moden dadurch verhindert oder gesteuert werden können, dass man die Umfangsabmes-sung der Gitteröffnungen in der erfindungsgemässen Weise begrenzt. Die Struktur der bekannten Röhre ist vielmehr eine im wesentlichen offene Struktur, d.h. die Gitterelektroden und die Anode haben offene Enden und die Röhre hat keine koaxialen Anschlüsse, so dass auch keine störenden Zirkular-mode-Schwingungen in der Röhre zu erwarten sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Hochleistungs-Elektronenröhre gemäss der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Hochleistungs-Elek-tronenröhre mit hohlzylindrischen Gitterelektroden gemäss einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine vergrösserte, teilweise weggebrochene Ansicht der Gitterelektroden der Röhre gemäss Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Hochleistungs-Elektronenröhre 10 enthält eine Kathode 12, ein Steuergitter 14, ein Schirmgitter 16 und eine Anode 18. Diese Röhrenelemente sind alle zylindrisch und ineinander koaxial verschachtelt, ohne sich zu

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berühren. Die offenen Enden der koaxialen Elektroden sind voneinander durch isolierende Keramikringe 20 getrennt und enthalten Anschlussflächen 22. Die zylindrische Anode 18 bildet einen Teil des Kolbens der Röhre 10. Der Bereich zwischen der Anode 18 und der Kathode 12 bildet ein Resonanzsystem 24. Bei einer Tetrode, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, enthält das Resonanzsystem 24 einen Ausgangsresonator 26 und einen Eingangsresonator 27. Der Ausgangsresonator 26 enthält den Raum zwischen der Anode 18 und dem Schirmgitter 16. Der Eingangsresonator 27 enthält den Raum zwischen dem Schirmgitter 16 und dem Steuergitter 14 sowie zwischen dem Steuergitter 14 und der Kathode 12. Von der Aus-senseite der Anode 18 springt eine Mehrzahl von beabstande-ten Kühlrippen 28 vor. Der äussere Rand der Kühlrippenanordnung ist mit einer zylindrischen Muffe 29 umgeben.

Soweit beschrieben ist die Konstruktion bekannt. Neu ist es, eine Mehrzahl von gebogenen, in Umfangsrichtung langgestreckten Öffnungen 30 und 32 im Steuergitter 14 bzw. Schirmgitter 16 vorzusehen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Gitter 14 und 16 sind jeweils aus einer starren, hohlzylindrischen, am einen Ende geschlossenen Gitterelektrode gebildet. Die Gitter 14 und 16 können aus einem dünnwandigen Material hergestellt werden, wie es für solche Zwecke üblich ist. Die in Umfangsrichtung langgestreckten Öffnungen 30 und 32 haben eine Länge x und eine Breite y, hierbei ist die Länge x grösser als die Breite y. Jede der Öffnungen 32 des Schirmgitters 16 fluchtet radial mit einer entsprechenden Öffnung 30 des Steuergitters 14. Die Öffnungen 30 und 32 können durch ein mit einer elektrischen Entladung arbeitendes Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, wie es in der US-PS 2 980 984 beschrieben ist. Wenn die Öffnungen 30 und 32 durch ein mit einer elektrischen Entladung arbeitendes Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, kann eine ganze longitudinale Spalte von Öffnungen in ein und demselben Bearbeitungsschritt hergestellt werden.

Es wurde durch Betriebstests festgestellt, dass die Anregung von unerwünschten TM- und TE-Störmoden oder Störschwingungstypen, die hier als zirkuläre Moden bezeichnet werden sollen, wie sie bei Leistungsröhren, die sich in Longi-tudinalrichtung erstreckende Gitteröffnungen aufweisen und in der TEM-Mode betrieben werden, bei Röhren, wie der linearen VHF-Leistungsverstärkerröhre RCA 8916 dadurch wesentlich gedämpft oder sogar ganz beseitigt werden können, dass man die Orientierung und die Länge der Gitteröffnungen in der hier beschriebenen Weise ändert. Als allgemeine Regel gilt, dass bei Steuergittern mit einem Aussen-durchmesser D die in Umfangsrichtung verlaufende, langgestreckte Dimension oder Länge x der Öffnungen nicht grösser als das 0,55-fache des Durchmessers D und die Breite y der Öffnungen nicht grösser als das 0,1-fache des Durchmessers D sein soll.

Bei einem Test hatte das Steuergitter 14 der Röhre einen Innendurchmesser von 3,77 cm und einen Aussendurchmes-ser von 3,92 cm. Längs des Umfanges des Steuergitters 14 erstreckte sich eine Vielzahl von länglichen Öffnungen 30, die jeweils eine Länge von 1,14 cm und eine Breite von 0,165 cm hatten. Das Schirmgitter 16, das koaxial um das Steuergitter 14 angeordnet war, hatte einen Innendurchmesser von 4,07 cm und einen Aussendurchmesser von 4,23 cm. Das

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Schirmgitter hatte eine Vielzahl von länglichen Öffnungen 32 mit einer Länge von 1,14 cm und einer Breite von 0,165 cm, die mit den Steuergitteröffnungen 30 radial fluchteten. Jedes der Gitter 14 und 16 hatte insgesamt 10 longitudinale Spalten 5 von Öffnungen, die in Umfangsrichtung gleichmässig beabstandet waren. Achtzehn in Umfangsrichtung verlaufender Reihen von Öffnungen vervollständigten die Öffnungsanordnung. Ein Elektronen-Wechselwirkungsbereich 34, der als die gesamte longitudinale Spaltenhöhe der Gitteröffnungen defilo niert ist, wie Fig. 2 zeigt, erstreckte sich über etwa 3,55 cm längs des Steuergitters 14 und des Schirmgitters 16.

Durch die oben angegebenen Öffnungsdimensionen ist sichergestellt, dass die Hochfrequenzkopplung für die zirkulären Schwingungstypen erheblich gedämpft wird, so dass keine 15 Störschwingungen bei den zirkulären Schwingungstyp-Reso-nanzen auftreten.

Die vorliegende Gitterstruktur erhöht zwar die Wahrscheinlichkeit von störenden TEM-Schwingungen, diese Störschwingungen sind jedoch unwahrscheinlich, da die Länge 20 des erwähnten Wechselwirkungsbereiches 34 wesentlich kleiner als eine halbe Wellenlänge bei der TEM-Betriebsfrequenz ist. Es ist in der Hochfrequenztechnik bekannt, dass solche Störschwingungen nur dann auftreten können, wenn das Verhältnis der Länge des Wechselwirkungsbereiches zur halben 25 Wellenlänge der TEM-Betriebsfrequenz beträchtlich ist. Ausserdem ist die Länge des Wechselwirkungsbereiches 34 erheblich kleiner als der Umfang der Gitterelektroden 14 und 16, daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Rückkopplung im TEM-Mode bei der vorliegenden Gitterstruktur kleiner als 30 für die Rückkopplung in der zirkulären Mode bei der konventionellen longitudinalen Gitterstruktur.

Die Begrenzung der Umfangsdimension jeder der Öffnungen 30 und 32 der vorliegenden Gitterstruktur, wie sie oben beschrieben wurde, hält die Zirkularmodeanregung minimal, 35 die im Ausgangsresonator 26 entwickelt und auf den Eingangsresonator 27 rückgekoppelt werden kann, so dass das Einsetzen von Zirkularmode-Schwingungen stark behindert wird. Bei der oben beschriebenen neuen Gitterstruktur wird die Tatsache ausgenutzt, dass Stör-TEM-Moden mit Kreis-40 kopplern leichter belastet oder gedämpft werden können, wie sie normalerweise für die vorgesehenen Betriebsmoden verwendet werden. Die Güte Q des Resonanzsystems 24, definiert als das Verhältnis des zeitlichen Mittelwertes der im Resonanzsystem gespeicherten Energie zu den Energieverlusten 45 pro Zyklus der Stör-TEM-Moden ist also wesentlich geringer als das der störenden zirkulären Moden im gleichen Frequenzbereich. Da es ausserdem unmöglich ist, Röhren und Resonanzsysteme mit idealer Symmetrie herzustellen, wird etwas Energie von den TEM-Moden in zirkuläre Moden umge-50 setzt, wodurch sich ein zusätzlicher Belastungsmechanismus für die TEM-Moden ergibt und dadurch die Rückkopplung verringert wird, die störende Hochfrequenzschwingungen verursachen könnte.

Die als Ausführungsbeispiel beschriebene Röhre 10 hatte 55 eine Gitteröffnungsanordnung mit zehn Spalten und achtzehn Reihen, selbstverständlich handelt es sich bei diesen Werten nur um ein vorteilhaftes Beispiel und die Anzahl der Spalten und Reihen kann in der Praxis von diesen Werten abweichen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Hochleistungs-Elektronenröhre mit einer Anode und mindestens einer hohlzylindrischen Gitterelektrode, die am einen Ende geschlossen ist, einen vorgegebenen Aussendurch-messer D sowie eine Anzahl durchgehender Öffnungen mit vorgegebener Länge x und vorgegebener Breite y aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (30) in Um-fangsrichtung langgestreckt sind, wobei die Länge x grösser als die Breite, y und höchstens das 0,55-fache des Durchmessers D der hohlzylindrischen Gitterelektrode (14) ist.
2. 2. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (30) so aufeinander ausgerichtet sind, dass sie eine Anzahl von in Umfangs-richtung verlaufenden Reihen und von longitudinalen Spalten bilden.
3. 3. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zweite hohlzylindrische Gitterelektrode (16), welche im Abstand und isoliert von der ersterwähnten hohlzylindrischen Gitterelektrode sowie zu dieser koaxial und mit ihr verschachtelt angeordnet ist und eine Mehrzahl von gebogenen, zweiten Öffnungen (32) aufweist, die mit den Öffnungen der ersterwähnten hohlzylindrischen Gitterelektrode (14) radial ausgerichtet sind.
4. 4. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite hohlzylindrische Gitterelektrode (16) zwischen der ersterwähnten hohlzylindrischen Gitterelektrode (14) und der Anode (18) angeordnet ist.
5. 5. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite y der Öffnungen nicht grösser als das 0,1-fache des Durchmessers D der hohlzylindrischen Gitterelektrode (14) ist.