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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von impulsförmigen Schwingungen
sehr hoher Frequenz Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Erzeugung von impulsförmigen Schwingungen sehr hoher Frequenz mit Hilfe eines Steuergenerators
und einer nachgeschalteten, als Verstärker betriebenen Lauffeldröhre.
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Unter Lauffeldröhren versteht man Elektronenröhren, bei denen ein
Elektronenstrahl im Feld einer auf einer Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen
Welle mit einer der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle nahezu gleichen Geschwindigkeit
geführt ist. Dabei findet eine Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und
der Welle statt, die zur Verstärkung der Welle benutzt wird.
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Bei Lauffeldröhren sind Eingang und Ausgang durch die Verzögerungsleitung
miteinander verbunden, und somit ist ein Rückkopplungsweg gegeben, über den selbsterregte
Schwingungen entstehen können. Bei den ersten bekanntgewordenen Lauffeldröhrenanordnungen
wurden keine besonderen Maßnahmen ergriffen, um eine solche Selbsterregung zu verhindern.
Derartige Röhren wiesen daher eine relativ geringe Verstärkung auf, denn die theoretische
Verstärkung ließ sich infolge des Einsetzens selbsterregter Schwingungen bei weitem
nicht erreichen.
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Eine wesentliche Erhöhung der Verstärkung von Lauffeldröhren läßt
sich bekanntlich durch Anordnung einer Hochfrequenzdämpfung in dem Bereich der Verzögerungsleitung,
in welchem der Elektronenstrom mit dem Hochfrequenzfeld in Wechselwirkung tritt,
erreichen. Diese Technik ist heute allgemein üblich. Die durch Fehlanpassung am
Ausgang oder durch eine sonstige Störung in Richtung zum Eingang der Lauffeldröhre
reflektierten Wellenanteile erfahren durch künstlich eingebrachte Dämpfungsglieder
auf ihrem Wege zum Eingang der Röhre eine derart starke Dämpfung, daß die für eine
Selbsterregung notwendige Amplitudenbedingung nicht erreicht wird, so daß die Röhre
stabil arbeitet. Die Kaltdämpfung muß in dem gesamten Frequenzband, in welchem die
Lauf feldröhre verstärkt, immer größer sein als die Verstärkung der Röhre. Unter
Kaltdämpfung wird hier die Dämpfung, der eine auf der Verzögerungsleitung fortschreitende
Welle bei Nichtvorhandensein eines Elektronenstrahles unterliegt, verstanden. In
Vorwärtsrichtung wirkt die Dämpfung erheblich weniger stark, weil der Elektronenstrahl
die Energie gewissermaßen an der Dämpfung vorbeitransportiert. Die theoretisch mögliche
Verstärkung läßt sich also auch durch diese 1-laßnahme nicht erreichen. Vielmehr
wird eine Dämpfung in Vorwärtsrichtung bewußt in Kauf genommen, und es muß ein Kompromiß
zwischen größtmöglicher Verstärkung und Stabilität des Betriebs der Röhre geschlossen
werden. Alle Dämpfungsanordnungen zur Unterdrückung der Selbsterregung müssen außerdem
zur Vermeidung von Reflexionen an den Dämpfungselernenten, die auch zu einer Selbsterregung
und zu Phasenverzerrungen führen können, einen stetigen Übergang von den Dämpfungselementen
zur Verzögerungsleitung aufweisen (üblicherweise als Taper bezeichnet). Solche Übergänge
sind in ihrer Herstellung besonders kritisch, wenn eine Fehlanpassung zwischen Verzögerungsleitung
und Dämpfung in der Größenordnung <1"1/o erforderlich ist, was dann der Fall
ist, wenn die Röhre besonders hohe Verstärkungseigenschaften aufweisen soll. In
Hochleistungsröhren wird in diesen Dämpfungsgliedern eine erhebliche Leistung in
Wärme umgesetzt, deren Abführung große Schwierigkeiten bereitet.
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Es ist bereits bekannt, Wanderfeldröhren mit Impulsen zu betreiben,
jedoch läßt sich auch bei Impulsbetrieb nicht die volle theoretische Verstärkung
erreichen, weil auch hier durch die in der Nähe der Wendel angeordnete Hochfrequenzdämpfung
die Verstärkung der Röhre herabgesetzt wird, diese Hochfrequenzdämpfung jedoch zur
Verhinderung von Rückkopplungserscheinungen notwendig ist.
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Es ist weiterhin bekannt, den Elektronenstrahl einer Wanderfeldröhre
vor Eintritt in die Verzögerungsleitung zu modulieren, um auf diese Weise eine höhere
Leistungsverstärkung zu erzielen. Auch in diesem Fall wird jedoch ein Teil der Verstärkung
durch die notwendigen Dämpfungsmittel innerhalb der Röhre vernichtet.
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Die Erfindung ermöglicht es, bei gewissen Betriebsarten gänzlich auf
eine künstliche Dämpfung der Verzögerungsleitung von Lauffeldröhren zu verzichten
und somit die an sich erzielbare Verstärkung voll auszuschöpfen, ohne daß Instabilität
auftritt.
Die Erfindung besteht demgemäß in der Verwendung einer
Lauffeldröhre ohne Hochfrequenzdämpfung in dem Bereich der Verzögerungsleitung,
in welchem der Elektronenstrom mit dem Hochfrequenzfeld in Wechselwirkung tritt
und in der Verwendung eines Steuergenerators, der in der Lauffeldröhre Stromimpulse
solcher Länge erzeugt, daß die auf der Verzögerungsleitung reflektierte Welle bei
Erreichen des kritischen Selbsterregungspunktes keine Elektronen des Elektronenstrahles
mehr vorfindet.
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Gemäß der Erfindung wird die Impulsdauer derart bemessen, daß eine
auf der Verzögerungsleitung zurücklaufende, vom Ausgang reflektierte Welle vor Beendigung
des Impulses nicht mehr den Punkt der Verzögerungsleitung erreichen kann, an dem
die Amplitudenbedingung zur Selbsterregung erfüllt ist. Die zurücklaufende Welle
findet vielmehr, wenn sie den kritischen Punkt auf der Verzögerungsleitung erreicht,
an dem die Amplitudenbedingung zur Selbsterregung erfüllt ist, keine Elektronen
mehr vor, mit denen sie in Wechselwirkung treten könnte, da der Impuls bereits beendet
ist. Somit kann eine Selbsterregung der Röhre nicht eintreten.
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Die Impulsdauer hängt somit wesentlich von der Amplitude der reflektierten
Welle ab. Ist der Reflexionsfaktor klein, so liegt der kritische Punkt näher am
eingangsseitigen Ende der Verzögerungsleitung, und man kann die Welle weiter zum
Eingang zurücklaufen lassen, bevor Selbsterregung eintritt; ist er dagegen groß,
so wählt man eine kürzere Impulsdauer. Wird der Steuergenerator über einen großen
Frequenzbereich durchgestimmt, so werden sich im allgemeinen zu den Bandgrenzen
hin größere Reflexionen ergeben. Man kann dann die Impulsdauer in Abhängigkeit vom
jeweiligen Reflexionsfaktor variieren.
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Es ist an sich bekannt, Lauffeldröhren auch im Impulsbetrieb zu benutzen.
Dabei wird ihnen eine Hochfrequenzsteuerleistung von einem Steuergenerator zugeführt
und beispielsweise die Zuganode in Lauffeldröhren in an sich bekannter Weise getastet.
Der Steuergenerator kann z. B. ein Klystron sein, das über einen größeren Bereich
durch mechanische Veränderung des Resonators durchgestimmt wird (Wobbelsender).
Es kann auch ein sogenannter Rückwärtswellengenerator (Carcinotron) vorgeschaltet
werden, der über einen sehr großen Frequenzbereich elektronisch durchstimmbar ist.
Mit einer solchen Anordnung können große Impulsleistungen erzeugt werden.
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Wenn zwischen dem Ausgang der La,uffeldröhre und dem Verbraucher eine
größere Fehlanpassung besteht, so kann die vom Steuergenerator normalerweise ständig
zugeführte Hochfrequenzenergie Anlaß zu stehenden Wellen auf der Verzögerungsleitung
geben. Ihre Ausbildung kann einfach dadurch verhindert werden, daß man auch den
Steuergenerator impulsmäßig tastet, und zwar mit der gleichen Folgefrequenz, mit
der die nachgeschaltete Lauffeldröhre getastet wird. Die Impulsdauer der Tastung
des Steuersenders und der Lauffeldröhre ist nicht auf diese Betriebsweise beschränkt
und kann gegebenenfalls auch verschieden bemessen sein.
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Die Berechnung der Verzögerungszeit von \°erzögerungsleitungen, die
Anpassung der Phasengeschwindigkeit der Welle an die Elektronengeschwindigkeit,
die Wahl des Potentials der Verzögerungsleitung und ihre Länge ist dem Fachmann
durchaus geläufig, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen werden soll. Als
Richtwert sei nur angegeben, daß bei einem Potential von 1 kV und einer Länge von
30 cm der Verzögerungsleitung die Verzögerungszeit über die Gesamtlänge der Leitung
etwa 0,5 gsec beträgt.