DE1044992B - Wanderfeldroehre fuer raeumlich harmonische Betriebsweise - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Vorrichtungen vom Wanderfeldtyp zur Erzeugung oder Verstärkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen, die in an sich bekannter Weise die Form von Vorwärtswellen oder Rückwärtswellen haben können. Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, den Aufbau von Wanderfeldröhren, welche mit extrem kurzen Wellen arbeiten, zu vereinfachen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwirklichung einer Breitbandverstärkung durch Wanderfeldröhren, ohne daß eine Beeinträchtigung der Verstärkung und der Zwanglosigkeit der Konstruktion auftritt.

Bisher haben Wanderfeldröhren zwecks Verwirklichung einer Verstärkung gewöhnlich die Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer elektromagnetischen Welle benutzt, welche in Elektronenstrahlrichtung mit angenähert der gleichen Geschwindigkeit wie die Elektronen fortschreitet. Dabei wird die (Phasen-) Geschwindigkeit der Welle auf die Geschwindigkeit der Elektronen verlangsamt, indem man die Welle längs eines verzögernd wirkenden Wellenleiters führt, z. B. längs einer Wendel mit geeigneter Ganghöhe. Eine solche Anordnung ist gut geeignet für die Verstärkung von Wellen, die eine Wellenlänge von mehr als einigen Zentimetern haben. Mit dem bisher benutzten Aufbau würde auch die Verstärkung von noch kürzeren Wellen möglich sein, wenn nicht die Schwierigkeit bestehen würde, ausreichend kleine Röhrenkonstruktionen zu verwirklichen. Eine optimale Wendel für den Betrieb mit beispielsweise einer Welle von V2 cm Wellenlänge hat einen Durchmesser in der Größenordnung des Schaftes einer gewöhnlichen Nadel und die einzelnen Windungen der Wendel könnten ohne Vergrößerungsgerät fast nicht mehr unterschieden werden. Infolgedessen ist allein schon die Herstellung einer solchen Konstruktion beschwerlich und schwierig, wenn nicht unmöglich.

Im Sinne eines ihrer Ziele bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen neuen Wellenleiteraufbau, welcher mechanisch widerstandsfähig und leicht herstellbar ist und für sehr kurze Wellen eine günstige Breitbandverstärkungskurve schafft.

Es sind bereits Wanderfeldröhren bekannt, die von dem sogenannten räumlich harmonischen Wellentyp Gebrauch machen. Eine solche Röhre ist in dem Aufsatz »A Spatial Harmonie Traveling-Wave Amplifier for Six Millimeters Wavelength« von S. MiIlmann beschrieben, der in den »Proceedings of the Institute of Radio· Engineers«, September 1951, S. 1035 ff., erschienen ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Prinzip der räumlich harmonischen Betriebsweise ebenfalls benutzt. Es erscheint daher vorteilhaft, eine kurze Erläuterung dieses an sich Wanderfeldröhre für räumlich
harmonische Betriebsweise

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)
10

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. Dezember 1952

Arthur Karp, Red Bank, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

bekannten Prinzips zu geben, um eine Grundlage für das leichtere Verständnis der erfindungsgemäßen Maßnahmen zu haben.

Bei einer Wanderfeldröhre, deren Wirkungsweise auf der Übertragung von elektrischer Energie von einem Elektronenstrahl auf eine elektromagnetische Welle beruht, ist es notwendig, daß der Elektronenstrahl auf seinem Weg von der Elektronenquelle zur Auffangelektrode resultierend eine Verlangsamung erfährt. Damit das der Fall ist, muß die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle längs des Fortpflanzungsweges der Welle so eingestellt sein, daß der mit der Welle zusammenarbeitende Elektronenstrahl resultierend eine Verzögerung erfährt. Eine übliche Wanderfeldröhre mit einer Wendel als Fortpflanzungsweg verwirklicht dies, indem die elektromagnetische Welle veranlaßt wird, längs der Wendel mit solcher Phasengeschwindigkeit zu wandern, daß die in Richtung des Elektronenstrahls liegende Phasengeschwindigkeitskomponente der Welle nahezu der Elektronengeschwindigkeit gleich ist. Die Elektronengeschwindigkeit kann dabei beispielsweise ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit betragen. Bei einer Wanderfeldröhre mit räumlich harmonischer Betriebsweise wird dies dadurch verwirklicht, daß eine verhältnismäßig schnelle elektromagnetische Welle, deren Phasengeschwindigkeit beispielsweise nur wenig geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, längs eines Wellenleiters fortschreitet, welcher in periodischer Folge ausgeprägte Unstetigkeiten enthält. Diese Unstetigkeiten werden

809 680/440

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so gewählt, daß im Bereich jeder Unstetigkeit eine Fig. 2 die Draufsicht einer zweiten Ausführungs-Komponente des elektrischen Wellenfeldes besteht, form eines erfindungsgemäßen Wechselwirkungswelche parallel zur Richtung des Elektronenstrahls kreises, wobei die Durchbrechungen mittels paralleler, verläuft, während eine solche Komponente an anderen quer verlaufender Drähte geschaffen werden,
Stellen des Wellenleiters im Elektronenstrahlbereich 5 Fig. 3 einen Längsschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2, nicht besteht. Durch Einstellung der Geschwindigkeit Fig. 4 einen Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig. 2, des Elektronenstrahls kann man dafür sorgen, daß Fig. 5 die Draufsicht einer dritten Ausführungsein Elektron jede der Unstetigkeiten in einem Zeit- form, wobei die Durchbrechungen mittels eines bandpunkt erreicht, wo die Phase der elektrischen Feld- förmigen Drahtes gebildet werden,
stärke die gleiche ist, wie sie an der vorhergehenden io Fig. 6 einen Querschnitt nach Linie 6-6 der Fig. 5, Unstetigkeit war, als dieses Elektron dort ankam. Fig. 7 einen mit einer Anordnung nach Fig. 5 aus-Auf diese Weise können die Elektronen mit irgend- gestatteten Rückwärtswellenoszillator.
einer Welle synchronisiert werden, welche längs des Fig. 1 zeigt als Beispiel einen erfindungsgemäßen, Wellenleiters mit einer entsprechenden Phasen- für räumlich harmonischen Betrieb geeigneten Wechselgeschwindigkeit fortschreitet. 15 Wirkungskreis 10 der eine Reihe sich periodisch wiederAusführungen von Wanderfeldröhren, welche auf holender Durchbrechungen aufweist, welche in Richdem Prinzip der räumlich harmonischen Betriebs- tung der Wellenfortschreitung hintereinanderliegen. weise beruhen, haben Vorzüge, die sich mit üblichen Die Durchbrechungen werden durch schlitzförmige Wanderfeldröhren vom z. B. Wendeltyp bei Milli- Queröffnungen 14 in der Wand 12 gebildet. Die meterweilen nicht verwirklichen lassen, da solche 20 inneren Abmessungen des U-förmigen Querschnitt Röhren mechanisch widerstandsfähiger sind und aufweisenden Teiles 11 mit dem Sattel 13 sind so gegrößere Dimensionen besitzen als die üblichen wählt, daß eine Transversalwelle sich im von den Wanderfeldröhren. Teilen 11, 12 und 13 gebildeten Hohlleiter fort-Die Besonderheit der erfindungsgemäßen, für räum- pflanzen kann, wobei das elektrische Feld der Welle lieh harmonische Betriebsweise eingerichteten Wander- 25 senkrecht zur Wand 12 verläuft (TE-Welle). Der feldröhre, bei der der Elektronenstrahl in bekannter Sattel 13, welcher in Längsrichtung verläuft, in der Weise längs eines Wellenleiters mit periodischer Mitte der der Wand 12 gegenüberliegenden Wand Struktur (Wechselwirkungskreis) gebündelt geführt aufruht und von der Wand 12 den Abstand Ji hat, wird, besteht nun darin, daß der Wechselwirkungs- dient vornehmlich dazu, die Wandbreite der nutzkreis aus einem Hohlleiter besteht, dessen Wandung 30 baren Betriebsfrequenz zu verbreitern. An sich ist in Richtung einer längs des Hohlleiters sich fort- der Sattel nicht von wesentlicher Bedeutung. Der pflanzenden elektromagnetischen Welle eine Vielzahl Sattel kann getrennt von dem Teil 11 hergestellt sein, von periodisch aufeinanderfolgenden, schlitzartigen Es ist aber zweckmäßig, ihn mit dem Teil 11 aus Durchbrechungen aufweist, die im wesentlichen quer einem Stück herzustellen. Im übrigen kann der Sattel zur Wellenfortpflanzungsrichtung angeordnet sind. 35 je nach Wunsch hohl oder massiv ausgeführt sein. Es empfiehlt sich, einen Hohlleiter mit rechteckigem Sowohl der Sattel als auch der übrige Wellenleiter Querschnitt zu verwenden, wobei die Durchbrechungen sind aus einem nichtmagnetischen gut leitenden Malängs einer Breitseite des Hohlleiters angeordnet terial hergestellt, z. B. Kupfer oder goldplattiertem sind. Als vorteilhaft hat sich außerdem erwiesen, den Molybdän. Die Querschlitze 14, welche Schlitzresona-Hohlleiter in seinem Innern mit einem leitenden 40 toren bilden, sind in gleichmäßigem Abstand längs Sattel zu versehen, der sich — unter Freilassung der Wand 12 parallel zueinander angeordnet. Die eines Zwischenraumes zu der mit Durchbrechungen Länge Z der Schlitze 14 ist ein wenig kleiner als ein versehenen Hohlleiterbreitseite hin — längs der nicht Viertel der Raumwellenlänge λ₀ bei der oberen Grenzmit Durchbrechungen versehenen Hohlleiterseite er- frequenz des Wechselwirkungskreises. Diese Länge streckt und mit dieser leitend verbunden ist. 45 ist ein wesentlicher Faktor bei der Festlegung der

Auf der Grundlage dieser Ausbildungen der er- Frequenz.

findungsgemäßen Wanderfeldröhre besteht die Mög- Die an den Enden liegenden Schlitze sind in zulichkeit für eine Reihe weiterer zweckdienlicher Maß- nehmendem Maße verkürzt, dergestalt, daß die Länge nahmen. Dazu gehört insbesondere die Ausführung, der jeweils letzten Durchbrechung nicht größer ist wonach der Hohlleiter von einem einen U-förmigen 50 als die halbe Länge einer im mittleren Bereich des Querschnitt aufweisenden Teil gebildet wird, längs Hohlleiters angeordneten Durchbrechung. Längs der dessen offener Seite und im wesentlichen quer zur gleichen oder einer vergrößerten Strecke ist die Höhe Wellenfortpflanzungsrichtung drahtförmige Leiter- des Sattels 13 bis zu dem Wert Null verjüngt. Die teile angeordnet sind, die die Schenkelenden des erwähnte Verkürzung und ebenso die genannte Ver-U-förmigen Teils leitend miteinander verbinden und 55 jüngung können jedoch je nach der Güte der gedie in Wellenfortpflanzungsrichtung einen Abstand wünschten Scheinwiderstandsanpassung zwischen dem voneinander aufweisen. Die drahtförmigen Leiter- geschlitzten Abschnitt und den nicht geschlitzten Abteile können dabei aus einzelnen Drahtstücken be- schnitten des Hohlleiters verändert werden. Der stehen oder Teile einer zusammenhängenden wendel- Längsspalt 15 halbiert die Schlitze 14. Dieser Spalt förmigen Bewicklung des U-förmigen Teils sein. 60 hat einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Eigen-Zur Erleichterung des Verständnisses des Wesens schäften des Wechselwirkungskreises 10. Die Elekder Erfindung und ihrer Ziele wird auf die folgende tronenquelle 17 und die Auffangelektrode 18 sind so Beschreibung Bezug genommen, welche in Verbin- angeordnet, daß der zwischen denselben fließende dung mit der Zeichnung verschiedene Ausführungs- Elektronenstrahl 16 längs der Achse der Spaltes 15 formen veranschaulicht. In der Zeichnung zeigt 65 verläuft, wie es die Zeichnung veranschaulicht. Die Fig. 1 die perspektivische Darstellung einer Aus- mit dem Elektronenstrahl 16 in Wechselwirkung führungsform eines erfindungsgemäßen Wechselwir- tretende Welle wird dem Wechselwirkungskreis 10 kungskreises, wobei die sich wiederholenden Durch- dadurch zugeführt, daß man an dessen Ende 19, brechungen von Schlitzen gebildet werden, die in welches nach unten aus der Richtung der Elektroneneiner Breitseite des Hohlleiters eingeschnitten sind, 70 strömung abgebogen ist, einen Wellenleiter von

gleichen Abmessungen anschließt, in welchem eine elektromagnetische Transversalwelle fortschreitet, deren elektrisches Feld senkrecht zu den Breitseiten des Wellenleiters verläuft (TE-Welle). Die Ausgangsenergie wird an dem Ende 20 abgenommen, welches in ähnlicher Weise nach unten abgebogen ist. Mit Φ soll das magnetische Feld zur gebündelten Führung des Elektronenstrahles veranschaulicht werden. Dieses Feld kann mit Hilfe von Magneten, z. B. der Magnete 77 und 78 gemäß Fig. 7, oder mit Hilfe irgendwelcher anderer geeigneter Mittel gebildet werden. Es wird bemerkt, daß der in Fig. 1 dargestellte Aufbau in einer evakuierten Hülle untergebracht ist (vgl. Fig. 7).

Die Dicke t der Wand 12 (Fig. 1) bestimmt teilweise das Verhältnis der Reihenkapazität zur Parallelkapazität des Kreises 10 und daher die Impedanz und die Bandbreite des Kreises. Ein praktisches Verhältnis dieser Dicke t zu dem Abstand h beträgt 0,1. Die Schlitze 14 in der Wand 12 können nach irgendeiner geeigneten Methode hergestellt werden; es hat sich aber als zweckmäßig erwiesen, diese Schlitze mittels Fotogravüre eines Metallbleches geeigneter Dicke herzustellen.

Die Betriebsweise des Wechselwirkungskreises 10 wird am besten aus der folgenden mathematischen Analyse verständlich, welche speziell auf den Betrieb dieser Konstruktion abgestellt ist, aber allgemein bei

räumlich harmonischer Betriebsweise Anwendung finden kann.

Wenn ζ die Richtung der Geschwindigkeit einer in dem Kreis 10 fortschreitenden Welle ist, dann ergibt sich im Bereich der sich wiederholenden Durchbrechungen die ^-Komponente des elektrischen Wellenfeldes zu

E_x=F (z)-e^, (1)

ίο worin ω die Kreisfrequenz bedeutet und

F (z) = y\ A_n- exp —/(2πη + Θ) 4 (2)

ist, wobei d den mittleren Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen, η eine ganze Zahl und Θ die im Einheitswinkelmaß ausgedrückte Phasenverzögerung von einer Durchbrechung zur nächsten bedeutet; die Phasenverzögerung Θ ergibt sich aus

<9=

2nd

Darin bedeutet l_g die Leitungswellenlänge der Grundwelle. Wenn angenommen wird, daß die Amplitude von E_z an dem dem Elektronenstrahl benachbarten Rand der Schlitze jeweils konstant ist, und wenn diese Amplitude mit B₀ bezeichnet wird, so ergibt sich der Wert A_n aus

= — / exp ι (δ π η

2 P
^2

, dz — — sin \(2πη + _,

2πη+Θ I 2d

Darin bezeichnet w die Breite eines Schlitzes 14. Durch Einführung dieses Wertes in Gleichung (1) ergibt sich

2 sin \(2πη -\-

[ 2d

2τιη + Θ

expj (

Aus der letzten Gleichung ist ersichtlich, daß im 45 Für η — — 1 scheint eine Welle in der positiven Bereich der Schlitze eine unendliche Anzahl von ^-Richtung fortzuschreiten, und zwar mit einer räumlich harmonischen Komponenten der Grundwelle Phasengeschwindigkeit (fj = O) zu bestehen scheint, von denen jede mit einer
unterschiedlichen Phasengeschwindigkeit fortschreitet,
die sich aus 50

ω d

o) d

2πη +Θ

ergibt, wobei η eine ganze Zahl zwischen — 00 und + 00 ist. Wenn man n = 0 setzt (Grundwelle), so ist festzustellen, daß die Grundwelle in der positiven

^-Richtung mit einer Phasengeschwindigkeit -^p fortschreitet. Für η — 1 scheint eine Welle in der positiven a-Richtung mit einer Phasengeschwindigkeit von

ω d

2π

fortzuschreiten, welche kleiner ist als die für die Grundwelle geltende Phasengeschwindigkeit. Eine ähnliche Schlußfolgerung gilt für die übrigen positiven Werte von n. welche negativ ist, da die Phasenverzögerung Θ zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen kleiner als 2π ist. Demgemäß besteht für jede negative ganze Zahl η eine entsprechende Welle mit negativer Phasengeschwindigkeit, mit anderen Worten, eine nach rückwärts wandernde Welle. Die Gruppengeschwindigkeit aller räumlich harmonischen Wellen verläuft, wie nochmals hervorgehoben werden soll, stets in der Richtung der Energiefortpflanzung und ist für alle diese Wellen die gleiche, einschließlich derjenigen, welche negative Phasengeschwindigkeit besitzen. In den Bereichen zwischen den Schlitzen 14 begegnen die Elektronen im wesentlichen keiner ^-Komponente des elektrischen Feldes, während in den Bereichen der Schlitzöffnungen ein starkes elektrisches Feld in der ^-Richtung zur Wirkung kommt.

Wenn angenommen wird, daß die Gruppengeschwindigkeit der längs des Wechselwirkungskreises fortschreitenden Welle der Geschwindigkeit des Elek-

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tronenflusses entgegengesetzt gerichtet ist, so ist er- eine gegebene Betriebsfrequenz aus den Gleichungen

kennbar, daß die Elektronen mit einer räumlich Har- (6) und (8) bestimmt werden.

monischen der Welle, welche eine mit Bezug auf die Eine ins einzelne gehende Betrachtung der

Gruppengeschwindigkeit negative Phasengeschwin- Gleichung (7) zeigt, daß für kleine Werte von n,

digkeit besitzt, synchronisiert werden können. Wenn 5 ^ · r> · ι j /^ .,· -ι -i

solche Bedingungen in einer räumlich harmonisch ^Wenn Ύ ^{lm Bereich des} °P^timums verändert wird,

betriebenen Röhre bestehen, dann fließt — wie be- die Verstärkung nicht sehr rasch abfällt. Es besteht

kannt — elektromagnetische Energie von dem Auf- , , . ,_r ^. , . ^ w

r IWJ j T^i ι i ii jj daher nur geringer Verstarkungsverlust, wenn —

fangelektrodenende zum Elektronenquellenende der t> & & > _d

Röhre. Diese in bekannter Weise für Verstärkungs- io nicht genau dem Sollwert entspricht, zwecke bis zu einem kritischen Wert des Strahl- Die Zahl der Schlitze, welche in die Leiterwand 12

Stromes brauchbare Betriebsart ist in gleicher, eben- eingeschnitten sind und mit dem Elektronenstrahl in

falls bekannter Weise anwendbar, um Schwingungen Kopplungsbeziehung stehen, ist von der Verstärkung

oberhalb dieses kritischen Wertes des Strahlstromes abhängig, welche mit einem Elektronenstrahl ge-

zu erhalten, da der notwendige Rückspeisungsweg 15 gebener Länge und Stärke gewünscht wird. Beispiels-

zur Aufrechterhaltung der Schwingungen dann selbst- weise ist 70 eine typische Zahl.

tätig durch den Elektronenstrom geschaffen wird. In einer der Fig. 1 entsprechenden Anordnung Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß für einen gegebenen haben sich für die Betriebsweise mit der ersten Vormittleren Schlitzabstand d zwischen dem Zustand, wo wärtswelle (n = 1) mit einer Elektronengeschwindigdie Schlitzbreite w fast gleich d ist (in welchem Fall 20 keit, welche ungefähr 1300 Volt entspricht, folgende die Größe des räumlich harmonischen Feldes ver- Abmessungen als zweckdienlich erwiesen (λ₀ ist die nachlässigbar ist und im wesentlichen keine Wechsel- Raumwellenlänge bei der mittleren Betriebsfrequenz):

wirkung zwischen der elektromagnetischen Welle und ₄. .„„. ₇„ _ _{n rtQV} ,

j T-i 1 i 11 1. χ 1 i\ jj -7-ij Abstand η = U,Oö7 A_n

dem Elektronenstrahl besteht), und dem Zustand, Dicke t = 0 0087 λ

wo die Breite w der Schlitzöffnung nahezu Null ist 25 Schlitzabstand ^ = O 086 1

(in welchem Fall die Impedanz sich dem Wert Null cun+ τ,^;+ „„, — ηήοκ ι °

^v... 1 j- TTT 1 t · 1 t. j-Ίι 1 ischhtzbreite h; = U,Uz5 A_n

nähert und die Wechselwirkung ebenfalls vernach- Schlitzlän^e Z = O 210 λ

lässigbar ist) ein Verhältnis zwischen Schlitzbreite w _{Breite des} ^& _Längsspaltes° 15 = 0,065 I_n

und Schlitzabstand d bestehen muß, welches eine Breite des Sattels 13 = 0 437 λ

optimale Wechselwirkung liefert, wenn überhaupt 30 Innere Breite des Leiterteils 11° = 0,655 I₀

irgendeine resultierende Verstärkung bestehen soll. _{Innere Höhe des Leiterteils u = 0 31 λ} Es laßt sich zeigen, daß die fur die Synchronisation

benötigte Elektronengeschwindigkeit V_e sich ergibt Es sei jedoch bemerkt, daß ein Wechselwirkungsaus der Gleichung kreis mit diesen Dimensionen nicht auf die Verwen-

35 dung mit der speziellen Elektronengeschwindigkeit

y_e — ^vl _j (5) und Betriebsfrequenz beschränkt ist. Er läßt sich

\2jcd -\- Θ\ vielmehr auch verwenden, um eine Wechselwirkung

zwischen einem Elektronenstrahl mit davon stark

worin ω die Kreisfrequenz, d den Mittelabstand be- verschiedener Elektronengeschwindigkeit und Wellen,

nachbarter Schlitze, η eine ganze Zahl und Θ die 40 die etwas größere oder kleinere Frequenzen besitzen,

Phasenverzögerung zwischen benachbarten Schlitzen, zu veranlassen.

gewöhnlich ^ bis £, bedeutet. Es läßt sich weiterhin , ..?^{ie Fi}f · ^{2 bis} 4 veranschaulichen eine zweite Aus-3 2' fuhrungsform nach der Erfindung, wobei eine Reihe

zeigen, daß die Verstärkung G der mit den Elektronen von Durchbrechungen längs des Wellenleiterkreises 30 in Wechselwirkung stehenden elektromagnetischen 45 mittels paralleler, im gleichen Abstand angeordneter Welle der folgenden Größe proportional ist; Drähte 31 gebildet werden, welche quer über den

_ Wellenleiterteil 32 angebracht und an diesem mittels

(2πη + Θ) w _emes Abdeckrahmens 33 befestigt sind. Die in dem

2 d _ Rahmen 33 vorgesehene Öffnung, deren Breite so be-

» (^) 50 messen ist, daß die Drähte 31 bei der oberen Grenzfrequenz des Wechselwirkungskreises Halbwellenlängenresonanz aufweisen, ist an den beiden Enden verjüngt, um die Impedanzanpassung an die EinDarm bedeutet K eine Proportionalitätskonstante. gangs- und Ausgangshohlleiter zu erleichtern. Bei der Differenzierung der letzterwähnten: Gleichung 55 Fig. 3, welche einen Längsschnitt der Anordnung

,w j ^₁ . , , J-C-U- 'j. HT 11 nach Fig. 2 darstellt, läßt die Verjüngung der Enden

nach -7- und Gleichsetzung des Ergebnisses mit Null , _o *?, _ΟΛ , , τ-, ι j τ> -τ,^ q-i

d &S. ^_es Sattels 34 und den Durchmesser der Drahte 31,

sin·

Γ-

{2πη + Θ) w

ergibt sich ein Maximalwert für die Verstärkung, welche im Abstand d voneinander angeordnet sind, wenn erkennen. Der Durchmesser dieser Drähte entspricht

_w 2,33 ^5o sowohl der Dicke t der mit Schlitzen versehenen

^;® Wand gemäß Fig. 1 als auch der zwischen den

() Di

7 Tö/τΓ ® Wand gemäß Fig. 1 als auch der zwischen den

d μπη + V\ Schlitzen verbleibenden Metallstärke (d-w). Die

ist. Wie bereits erwähnt wurde, liegen die prak- ^{Enden des} Wechselwirkungskreises 30 sind wiederum tischen Werte für Θ etwa zwischen ?^{ach unt}™ ^{aus der} Rötung des Elektronenstrahls

65 herausgebogen. Der Elektronenstrahl kann so dicht

π _ß π an den Drähten 31 vorbeigeführt werden. Die zur

— < (y < —. Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl bestimmte

Wellenenergie kann an dem Wellenleiterende 35 zuge-

Somit können d und w für eine gegebene Elektronen- führt und an dem Ende 36 abgenommen werden, wogeschwindigkeit V_e, einen gegebenen Wert für n. und 70 bei ähnliche Mittel Verwendung finden können, wie

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sie in Verbindung mit der Ausführungsfarm nach Verhältnis der Dicke ί zum Abstand h sollte etwa das

Fig. 1 vorgeschlagen worden sind. Desgleichen können gleiche sein wie das entsprechende Verhältnis bei der

die Elektronenquelle, die Auffangelektrade und das Ausführungsform nach Fig. 1.

Magnetfeld in der vorbeschriebenen Weise ausge- Die Arbeitsweise des Kreises 50 entspricht im bildet sein. Alle diese Teile sind der Einfachheit 5 wesentlichen der Arbeitsweise des oben beschriebenen halber in der Darstellung weggelassen worden. Kreises 30 (Fig. 2 bis 4). Es ist daher nur notwendig, Fig. 4 zeigt einen Querschnitt des Wechselwirkungs- kurz auf die verschiedenen, jedoch nicht wesentlichen kreises nach Fig. 2. Der Sattel 34, welcher nicht not- Abweichungen im Aufbau der beiden Ausführungswendigerweise vollen Querschnitt zu besitzen braucht, formen einzugehen. Unter diesen Abweichungen steht liegt in gleichem Abstand von den Seitenwänden des io im Vordergrund, daß in Fig. 5 die Öffnungen Leiterteils 32 und hat von den Drähten 31 einen Ab- zwischen den Windungen des Drahtes 52 sich über stand h. Er wird vorzugsweise als Bestandteil des die ganze Breite des Leiterteils 51 erstrecken, und Wellenleiterteils 32 ausgebildet, während der Abdeck- daß die Länge dieser Öffnungen an den Enden des rahmen 33 zweckmäßig getrennt hergestellt und durch Wellenleiters nicht verkürzt sind. Für eine Länge Lötung oder Hartlötung befestigt wird. Alle diese 15 dieser Öffnungen, die der Öffnungslänge nach Fig. 2 Teile bestehen aus gut leitendem, unmagnetischem bis Fig. 4 gleich ist, ist die Bandbreite des Kreises 50 Metall, z. B. aus Kupfer oder goldplattiertem Molyb- etwas geringer als diejenige des Kreises 30. Das läßt dän oder Wolfram. sich aber beispielsweise dadurch ausgleichen, daß die Die Ausführung mit der Paralleldrahtanordnung Höhe der Seitenwände des Wellenleiterteils 51 (Fig. 6) nach Fig. 2 bis 4 ist besonders, wenn auch nicht aus- 20 größer gewählt wird als die Höhe der Seitenwand schließlich, für den räumlich harmonischen Betrieb des Wellenleiterteils 32 (Fig. 4). Die Scheinwidermit Rückwärtswelle geeignet, da das Verhältnis des Standsanpassung an die Eingangs- und Ausgangslichten Abstandes w zu dem mittleren Drahtabstand d kreise ohne Anwendung einer Verkürzung der Schlitzleicht so hergestellt werden kann, daß es für negative länge und der Sattelhöhe läßt sich mit Hilfe geeigganze Zahlen den Gleichungen (6) und (8) genügt. 25 neter Mittel bewerkstelligen. Eine beispielsweise Die Wellenenergie wird dann an dem Auffang- Möglichkeit ist in Fig. 7 veranschaulicht, elektrodenende des Wechselwirkungskreises zugeführt Die Breite des Drahtes 52 und die Ganghöhe d. und an dessen Elektronenquellenende abgenommen. mit welcher der Draht um den Leiterteil 51 herum-Für den Fall, daß dieser Kreis als Rückwärtswellen- gelegt wird, lassen weitere Änderungen zu. Demoszillatorkreis betrieben wird, sollte in an sich be- 30 gemäß kann der Kreis 50 leicht für die Verstärkung kannter Weise das Auffangelektrodenende mit einer mit einer sich vorwärts oder rückwärts fortpflanzendie Wellenreflexion vermindernden Impedanz abge- den Welle oder für die Erzeugung von Energie beschlossen werden. Die Schwingungsenergie wird dann messen werden. Ein Beispiel eines Rückwärtswellenan dem Elektronenquellenende über einen Ausgangs- Oszillators unter Verwendung des Kreises 50 nach wellenleiter abgenommen. Die Einzelheiten einer bei- 35 Fig. 5 und 6 ist in Fig. 7 veranschaulicht. Es sei jespielsweisen Ausführungsform für einen Rückwärts- doch bemerkt, daß die dort gezeigte Anordnung nicht wellenoszillator werden in Verbindung mit Fig. 7 auf die Verwendung des Kreises 50 beschränkt ist ausführlicher angegeben. und daß andererseits der Kreis 50 nicht nur für die

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen eine dritte Mög- Herstellung einer solchen Anordnung erforderlich ist. lichkeit, um längs des Wechselwirkungskreises die 40 Fig. 7 stellt eine Seitenansicht bzw. einen Längs-Durchbrechungen auszubilden, welche für den räum- schnitt einer Anordnung dar, bei welcher eine Wellenlich harmonischen Betrieb erforderlich sind. Bei leiterkonstruktion nach Fig. 5 und 6 als Oszillatordieser in Draufsicht gezeigten Ausführungsform ist kreis mit rückwärts fortschreitender Welle vorgean dem Wechselstromkreis 50 ein bandförmiger Draht sehen ist. Der Kreis 50 ist so angeordnet, daß der 52 angebracht, welcher unter Einhaltung einer Gang- 45 Elektronenstrahl 79 sowohl oberhalb als auch innerhöhe d um den Wellenleiterteil 51 herumgelegt ist, halb des Zwischenraumes zwischen dem Sattel 54 und so daß er über dem Sattel 54 eine Aufeinanderfolge den die Durchbrechungen bildenden Windungsparalleler Drahtabschnitte bildet, welche bei der abschnitten des Drahtes 52 verläuft. Die nicht maunteren Grenzfrequenz des Kreises in Halbwellen- gnetischen Hüllen 74 und 75 und das für die Wellen längenresonanz sind. Diese Windungen verlaufen im 50 durchlässige Fenster 72 bilden zusammen mit den wesentlichen in Querrichtung über den Wellenleiter; Magnetpolen 77 und 78 eine luftdichte Umhüllung, die dazwischen frei bleibenden öffnungen sind den welche die Elektronenquelle 73 mit dem Elektronen-Durchbrechungen der oben beschriebenen Ausfüh- strahl 79 und dem Wechselwirkungskreis 50 umgibt, rungsformen äquivalent. Der Sattel 54 ist inner- Die Ausnehmung 76 dient als Auffangelektrode. Sie halb des Leiterteils 51 angebracht und erstreckt sich 55 soll zugleich die Emission von Sekundärelektronen in der Längsrichtung desselben zwischen den beiden von dem Polstück 78 vermindern. Als Füllkeil ge-Seitenwänden. Der Sattel54 und ebenso die parallelen formtes Widerstandsmaterial 70 ist in den Zwischen-Drahtabschnitte sind hier an den Enden des Wellen- räumen 55, welche in Fig. 6 ohne Füllkeil veranleiters nicht verjüngt bzw. verkürzt, wie es bei den schaulicht sind, an dem Auffangelektrodenende des oben beschriebenen Ausführungsformen der Fall war, 60 Kreises 50 angebracht, um eine Wellenreflexion zur da die Impedanzanpassung in diesem Falle in einer Elektronenquelle hin zu verhindern. Der in die Hülle Weise verwirklicht wird, die in Verbindung mit 75 eingeschmolzene Hohlleiter 71 besitzt eine etwas Fig. 7 noch beschrieben wird. größere Breite als der Kreis 50 und ist etwa ent-

Fig. 6, welche einen Querschnitt der Anordnung sprechend der Darstellung verjüngt. Dieser Ausnach Fig. S wiedergibt, läßt erkennen, daß der band- 65 gangswellenleiter ist über dem Kreis 50 angeordnet, förmige Draht 52 von der Dicke t vollständig um den und zwar in der Nähe der zweiten Windung von der Leiterteil 51 herumgelegt ist. Der Sattel 54, welcher Elektronenquelle aus gesehen, so daß Wellenenergie, vorzugsweise mit dem Leiter 51 aus einem Stück be- die zum Elektronenquellenende des Kreises 50 gesteht, weist einen Abstand h von den über ihm lie- langt, in den Wellenleiter 71 gekoppelt und dadurch genden Abschnitten der Drahtwindungen 52 auf. Das 70 von dem Kreis 50 abgenommen werden kann.

Wenn die in Fig. 7 veranschaulichte Röhre in Betrieb ist, findet eine Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der von dem Auffangelektrodenende des Kreises 50 ausgehenden und in Richtung zum Elektronenquellenende fließenden Wellenenergie statt. An dem Elektronenquellenende wird der größte Teil der Wellenenergie durch Impedanzanpassung des Wellenleiters 71 aus dem Kreis 50 entnommen. Die restliche Energie wird zu dem Auf f angelektrodenende zurückreflektiert, ohne daß eine Wechselwirkung auf diesem Wege stattfindet; an dem Auffangelektrodenende wird dieser Energieteil durch das dort angebrachte und für diesen Zweck bestimmte Verlustmaterial 70 absorbiert.

Wenn Wellenenergie in Richtung zum Elektronenquellenende des Kreises 50 fließt, so veranlaßt die räumlich harmonische Wechselwirkung mit dem Elektronenstrom eine Vergrößerung dieser Energie. Gleichzeitig bewirkt diese Wechselwirkung eine Bündelung der Strahlelektronen, so daß durch die Elektronen Energie in Richtung zu dem Auffangelektrodenende befördert wird. Auf diese Weise wird die für die Aufrechterhaltung der Schwingungen erforderliche Rückspeisung selbsttätig von dem Elektronenstrahl geschaffen. Es ist jedoch — wie bekannt — für die Aufrechterhaltung der Schwingungen erforderlich, daß die Stärke des Elektronenstroms einen bestimmten Mindestwert überschreitet. Die Oszillationsfrequenz für eine gegebene Anordnung wird hauptsächlich durch die Größe der Elektronengeschwindigkeit bestimmt, und da diese Geschwindigkeit elektrisch in weitem Umfang leicht geändert werden kann, so läßt sich die Frequenz stetig über ein breites Band verändern.

Aus der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, welche in der Zeichnung veranschaulicht sind, geht hervor, daß die Erfindung nicht ausschließlich auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Sie ist gleicherweise nicht auf Wechselwirkungskreise von rechteckiger Ouerschnittsform beschränkt, sondern kann auch Kreise anderer Querschnittsformen umfassen. Es ist weiterhin zu bemerken, daß die in Verbindung mit der Zeichnung erläuterten Eingangs- und Ausgangsanschlüsse durch andere Ausführungen ersetzt werden können, ohne daß dadurch das Wesen der Erfindung berührt wird. Schließlich ist es für den Fachmann klar, daß die Abmessungen der dargestellten Wechselwirkungskreise in weiten Grenzen geändert werden können, ohne daß von dem Sinn und dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims (14)

PATENTANSPRÜCHE: 55

1. Wanderfeldröhre für räumlich harmonische Betriebsweise, bei der der Elektronenstrahl längs eines Wellenleiters mit periodischer Struktur (Wechselwirkungskreis) gebündelt geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselwirkungskreis aus einem Hohlleiter besteht, dessen Wandung in Richtung einer längs des Hohlleiters sich fortpflanzenden elektromagnetischen Welle eine Vielzahl von periodisch aufeinanderfolgenden, schlitzartigen Durchbrechungen aufweist, die im wesentlichen quer zur Wellenfortpfianzungsrichtung angeordnet sind.

2. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt besitzt und die Durchbrechungen längs einer Breitseite des Hohlleiters angeordnet sind.

3. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter in seinem Innern mit einem leitenden Sattel versehen ist, der sich — unter Freilassung eines Zwischenraumes zu der mit Durchbrechungen versehenen Hohlleiterbreitseite hin — längs der nicht mit Durchbrechungen versehenen Hohlleiterbreitseite erstreckt und mit dieser leitend verbunden ist.

4. Wanderfeldröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiterwandung einen Längsspalt aufweist, der sich, die Durchbrechungen schneidend, parallel zur Hohlleiterachse erstreckt, und daß der Elektronenstrahl den Spalt der Länge nach durchströmt.

5. Wanderfeldröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Hohlleiters mit rechteckigem Querschnitt der Längsspalt im wesentlichen in der Mitte der mit den Durchbrechungen versehenen Hohlleiterbreitseite verläuft.

6. Wanderfeldröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Durchbrechung aus einem senkrecht zur Richtung der Wellenfortpflanzung verlaufenden Schlitz besteht.

7. Wanderfeldröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen so bemessen sind, daß sie Schlitzresonatoren bilden.

8. Wanderfeldröhre nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter von einem einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden Teil gebildet wird, längs dessen offener Seite und im wesentlichen quer zur Wellenfortpflanzungsrichtung drahtförmige Leiterteile angeordnet sind, die die Schenkelenden des U-förmigen Teils leitend miteinander verbinden und die in Wellenfortpflanzungsrichtung einen Abstand voneinander aufweisen.

9. Wanderfeldröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Leiterteile aus einzelnen Drahtstücken bestehen oder Teile einer zusammenhängenden wendeiförmigen Bewicklung des U-förmigen Teils sind.

10. Wanderfeldröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile des Hohlleiters senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls abgebogen sind.

11. Wanderfeldröhre nach Anspruch 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile des leitenden Sattels, im wesentlichen längs der abgebogenen Enden des Hohlleiters, verjüngt sind.

12. Wanderfeldröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der mit Durchbrechungen versehenen Hohlleiterwand etwa ein Zehntel des Abstandes zwischen dieser Wand und dem leitenden Sattel beträgt.

13. Wanderfeldröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden liegenden Durchbrechungen hinsichtlich ihrer Länge in jeweils zunehmendem Maße verkürzt sind, dergestalt, daß die längs der jeweils letzten Durchbrechung nicht größer ist als die halbe Länge einer im mittleren Bereich des Hohlleiters angeordneten Durchbrechung.

14. Wanderfeldröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

für die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls die Beziehung gilt:

cod

V. =

\2π

worin ω die betriebsmäßige Kreisfrequenz, d den Mittenabstand benachbarter Durchbrechungen, η eine ganze Zahl und Θ '—2ndll_g Q._g = Wellenlänge der Grundwelle auf der Leitung mit peri-

odischer Struktur) die im Einheitswinkelmaß ausgedrückte Phasenverzögerung zwischen benachbarten Durchbrechungen bedeutet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Proceedings IRE, 1951, S. 1035ff.; Das Elektron, 1948, S. 220ff.;
Comptes rendus de l'Academie des Sciences, Paris, 1952, S. 236 ff.

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