DE1052486B - Nichtresonanzfenster fuer einen kreisfoermigen Hohlleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nichtresonanzfenster für einen kreisförmigen Hohlleiter, welches als vakuum- oder druckdichter Verschluß, der elektromagnetische Energie mit höchsten Frequenzen durchtreten läßt, verwendbar ist.

Insbesondere ist das gemäß der Erfindung ausgebildete Nichtresonanzfenster zur Verbindung mit einer Hochleistungs-Klystronröhre oder einem Magnetron bestimmt. Für diese Zwecke darf das Fenster die durchgelassene Energie nicht merklich beeinflussen oder von ihr beeinflußt werden und muß dennoch genügende mechanische Widerstandsfähigkeit haben, um einen wirksamen beständigen Verschluß zwischen dem luftleer gemachten Inneren der Elektronenröhre und einem angekoppelten, unter Druck stehenden Hohlleiter zu bilden.

Es sind verschiedene Ausbildungen von Ausgangsfenstern bekannt. Ein solches Fenster, das wegen — seiner Einfachheit und Widerstandsfähigkeit allgemeine Verbreitung gefunden hat, besteht aus einer Resonanzblende in einer in den Hohlleiter eingesetzten Metallplatte, wobei die Öffnung der Resonanzblende mit einem Dielektrikum, wie etwa Glas, gefüllt ist, um einen Verschluß zu bilden. Bei dieser Art eines Ausgangsfensters begrenzt jedoch die verhältnismäßig kurze Durchschlagstrecke und die Energieansammlung in dem Resonanzgebilde den Spitzenenergiewert, bei dem der Durchschlag erfolgt. Außerdem bewirkt die Konzentration des elektrischen Feldes in dem Glas und die geringe Kühloberfläche des Fensters übermäßige Erhitzung, insbesondere bei Dauerstrichbetrieb.

Eine gewisse Verbesserung der Durchschnitts- und Spitzenleistung des Resonanzfensters wurde dadurch erreicht, daß der Glasteil domförmig ausgebildet wurde, um die Länge der Entladungsstrecke und die Kühlfläche zu vergrößern. Während das Ausgangsfenster der Resonanztype den Vorteil hat, daß es eine nur sehr geringe Reflexion bei der Resonanzfrequenz entstehen läßt, ist es andererseits sehr frequenzempfindlich und nicht geeignet, um in einem ausgedehnten Frequenzband zu arbeiten. Sowohl das flache als auch das domförmige Fenster führen einen merklichen Blindleitwert ein, der einen hohen Anpassungsfaktor (U_max/U_min) verursacht, es sei denn, daß das Fenster mit einer Blende versehen wäre, um bei der Betriebsfrequenz ein Resonanzgebilde zu schaffen.

Es sind bereits Breitbandfenster verwendet worden, die sehr dünne Glimmerplättchen verwenden, die sich quer über das Innere des Hohlleiters erstrecken. Außer der Tatsache, daß sie eine begrenzte Spitzenleistung haben, ist Glimmer schwer abzudichten und mechanisch sehr schwach, so daß es nur in Speziairöhren benutzt worden ist.

Nichtresonanzfenster
für einen kreisförmigen Hohlleiter

Anmelder:

Sperry Rand Corporation,
Wilmington (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Warren D. McBee₁ Levittown, N. Y.,
und Thomas D. Sege, New York, N. Y. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

In der USA.-Patentschrift 2 442 118 ist eine zur Kopplung eines Magnetrons mit einem Hohlleiter dienende Kopplungsvorrichtung beschrieben, welche einen Koaxialleitungsabschnitt mit einem äußeren röhrenförmigen Leiter aufweist, ferner einen napfförmigen Teil aus einem Isolierstoff enthält, der an das eine Ende des röhrenförmigen Leiters dicht angesetzt ist und diesem gegenüber nach außen ragt.

Ferner weist die Kopplungsvorrichtung einen inneren Leiter auf, der koaxial zu dem äußeren röhrenförmigen Leiter angeordnet ist und nach außen über das Ende des äußeren röhrenförmigen Leiters hervorragt, so daß sein eines Ende die Innenfläche des Napfteiles berührt. Durch diese Anordnung werden Dichtungen zwischen dem Innen- und dem Außenleiter des Koaxialleiters überflüssig, so daß die Innenfläche des Außenleiters zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften des Außenleiters leichter bearbeitet werden kann. Das über das Ende des Außenleiters hinausragende Ende des Innenleiters ragt in den Hohlleiter hinein, wodurch ein elektromagnetisches Feld in Abhängigkeit von der Erregung des Koaxialleitungsabschnittes durch das Magnetron erzeugt wird. Der napfförmige Teil aus Isolierstoff hält einerseits den Innenleiter in seiner Lage und verringert andererseits die am Ende des Innenleiters auftretenden Koronaverluste.

Bei dieser Anordnung wird jedoch ein Koaxialleitungsabschnitt benötigt, um das Magnetron mit dem Hohlleiter zu koppeln. Ferner ist ein Ausgangsfenster für einen rechteckigen Hohlleiter bekannt (USA.-Patentschrift 2 706 275, Fig. 1), welches als ebene, in dem Hohlleiter schräg eingesetzte Platte ausgebildet

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ist, deren Stärke etwa ein Drittel der Höhe des Hohlleiters beträgt. Infolge seiner Unsymmetrie bewirkt dieses Fenster eine Verzerrung des elektromagnetischen Feldes, die an beiden Enden des Fensters verschieden sein wird. Die beiden Enden des Fensters haben überdies verschiedene Spannungen, so daß längs der Fensterfläche ein Strom fließt, welcher ebenfalls die Übertragungseigenschaften des Hohlleiters beeinträchtigt. Die unsymmetrische Anordnung des bekannten Fensters wirkt sich auch darin nachteilig aus, daß der auf dem Fenster lastende Gasdruck das Fenster seitwärts zu drücken sucht. Ein weiterer Nachteil des bekannten Fensters liegt darin, daß sein Einbau in den Hohlleiter schwierig ist, da es in dem Hohlleiter bis an die Einbausteile herangeschoben und wegen des einseitigen Gasdruckes besonders gegen axiale Verschiebung gesichert werden muß. Schließlich ist hervorzuheben, daß das bekannte Fenster nicht für alle Wellenarten in gleicher Weise wirksam ist, sondern auf vertikal polarisierte Wellen eine ausgeprägtere Wirkung ausüben würde als auf Wellen, die in anderer Richtung polarisiert sind.

Schließlich wurde bereits in dem deutschen Patent 1 003 826 ein Nichtresonanzfenster für einen kreisförmigen Hohlleiter mit einem koaxial zu diesem angeordneten dünnwandigen, hohlen, im wesentlichen kegelförmigen Bauteil aus einem verlustarmen dielektrischen Werkstoff, dessen Durchmesser in der Grundlinie nahezu dem inneren Durchmesser des Hohlleiters gleich ist und mit einer Vorrichtung zur vakuumdichten Befestigung des kegelförmigen Bauteils an dem Hohlleiter versehen ist, vorgeschlagen. Bei diesem Fenster weist der konische Teil eine Höhe in der Größe einiger Wellenlängen des Hohlleiters auf.

Ein Nichtresonanzfenster für einen kreisförmigen Hohlleiter mit einem koaxial zu diesem angeordneten dünnwandigen, hohlen, im wesentlichen kegelförmigen Bauteil aus einem verlustarmen dielektrischen Werkstoff, dessen Durchmesser in der Grundlinie nahezu dem inneren Durchmesser des Hohlleiters gleich ist und mit einer Vorrichtung' zur vakuumdichten Befestigung des kegelförmigen Bauteils an dem Hohlleiter versehen ist, wird erfindungsgemäß in der Weise ausgebildet, daß der kegelförmige Bauteil eine Höhe zwischen einer halben und etwa einer Weilenlänge bei der Arbeitsfrequenz des Hohlleiters aufweist und daß die Anschmelzung zwischen dem kegelförmigen Bauteil und der Befestigungsvorrichtung in der Nähe der Grundlinie des kegelförmigen Bauteils erfolgt.

Zweckmäßig wird die Höhe des kegelförmigen Bauteils im wesentlichen gleich einer Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz des Hohlleiters gewählt.

Die durch die Erfindung geschaffene Ausbildung des Fensters vermeidet die Nachteile der bekannten Bauarten von Fenstern. Es eignet sich insbesondere als Abschluß einer Elektronenröhre, ist einfach herzustellen und weist einen widerstandsfähigen Aufbau auf. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß es über ein breites Frequenzband eine gute Anpassung zeigt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einer in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsform.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, als Ausgangsfenster einer Klystronröhre mit Ausgangshohlleiter verwendet.

10 ist ein Abschnitt eines kreisförmigen Hohlleiters, an dessen äußerem Umfang ein ringförmiger Flansch-

teil 12 befestigt- ist. Der Hohlleiterabschnitt ist bei 14 zylindrisch versenkt, um eine Schulter zu bilden, gegen die eine zylindrische Hülse 16 anliegt. Die Hülse 16 wird in ihrer Lage an dem kreisförmigen Hohlleiterabschnitt 10 hart angelötet, um einen druckdichten Verschluß zwischen den beiden Teilen zu erzielen.

Das Ausgangsfenster umfaßt weiterhin einen Körper 18 in Form eines hohlen, dünnwandigen

ίο Kegels aus dielektrischem Material. Der konische Körper 18 besteht bei einer Ausführungsform der Erfindung aus einem Glas mit niedrigem Verlustfaktor für elektromagnetische Energie im Ultrahochfrequenzbereich. Er kann jedoch auch aus jedem anderen geeigneten keramischen, verlustarmen, dielektrischen Material hergestellt sein. Glas hat den Vorteil, daß es einfacher zu bearbeiten und abzudichten ist. Jedoch hat anderes keramisches dielektrisches Material, wie etwa Tonerde, den Vorteil, daß mit höheren Temperaturen gearbeitet werden kann als bei Glas und daß es sich daher zur Übertragung einer höheren Durchschnittsleistung sehr gut eignet.

Die an sich bekannte konische Form des Bauteils 18 ist wichtig, um die niedrige Reflexion und die Fähigkeit zum Arbeiten mit hohen Leistungen bei dem Fenster sicherzustellen. Es hat sich gezeigt, daß der Kegel mindestens eine halbe Wellenlänge hoch (bei Betriebsfrequenz) und höchstens etwa eine Wellenlänge hoch sein muß, um ein Mindestmaß an Energiereflexion an dem Fenster zu erzielen. Bei dem vorher bereits erwähnten flachen Resonanzfenster und in geringerem Ausmaß auch bei dem domförmigen Fenster erfolgt der Spannungsdurchschlag bei verhältnismäßig niedriger Spitzenleistung, weil sich das dielektrische Material praktisch quer in einer Ebene über einen wesentlichen Teil des Hohlleiters erstreckt. Bei dem Fenster nach der Erfindung ist es günstig, daß keine Querebene vorhanden ist, in der das Dielektrikum des Fensters einen wesentlichen Teil des elektrischen Feldweges zwischen gegenüberliegenden Flächen des Hohlleiters darstellt. In der Mitte des Hohlleiters, wo das elektrische Feld am größten ist, verläuft das elektrische Querfeld durch nur zwei Dicken des dielektrischen Fenstermaterials, während bei den domförmigen oder flachen Fenstern das elektrische Querfeld in der Mitte des Hohlleiters auf einer Strecke durch das Dielektrikum verläuft, die im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Fensters ist. Der Kegel des Fensters mit der Höhe nach einem Merkmal der Erfindung drückt weiter die Reflexion auf ein Mindestmaß herab und vermeidet die Bandbreitenbegrenzung der üblichen Resonanzausgangsfenster.

Die Grundlinie 20 des konischen Bauteils 18 ist abdichtend an einer zylindrischen Befestigungshülse 22 angebracht, die aus einem Material besteht, das im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Material des konischen Bauteils 18. Wenn Glas verwendet wird, dann werden der konische Bauteil 18 und die Befestigungshülse 22 miteinander verbunden, indem das Glas, wie in der Zeichnung dargestellt, um den Rand der Befestigungshülse herumgeschmolzen wird. Wenn ein Fenster aus Tonerde-Keramik benutzt wird, dann wird eine Schulter an der Befestigungshülse 22 vorgesehen, gegen die die metallisierte Grundkante des konischen Bauteils 18 anliegt, und die beiden Teile werden entlang ihrer Verbindungsfuge verlötet, um einen vakuumdichten Verschluß zu erzielen.

Die mit dem konischen Bauteil 18 verbundene Hülse 22 wird dann in ihrer Stellung gegenüber dem kreis-

Claims (3)

förmigen Hohlleiterabschnitt 10 dadurch festgelegt, daß die zylindrische Befestigungshülse 22 in geeigneter Weise an der zylindrischen Hülse 16 befestigt wird, etwa durch eine überlappende Verbindung mit anschließendem Verlöten, um einen druck- und vakuumdichten Verschluß zwischen den beiden Teilen zu erzielen. Diese Bauweise wird benutzt, weil die Glas-gegen-Metall-Abdichtung in einem vorhergehenden Arbeitsgang erledigt werden kann. Sie ist nur als Beispiel des bevorzugten Verfahrens der Herstellung des Fensters geschildert. Ein zweiter Hohlleiterabschnitt 24 mit einem inneren Durchmesser, der etwas größer ist als der äußere Durchmesser der Befestigungshülse 22, hat an seinem äußeren Umfang einen Flanschteil 26, der an dem Flanschteil 12 angeschraubt oder in anderer Weise befestigt ist. Auf diese Weise entsteht ein vollständiges Ausgangsfenster, das aus einem Ausgangsund Eingangsteil eines kreisförmigen Hohlleiters mit einem konischen Körper aus Glas besteht, der einen mechanischen, druck- und vakuumdichten Verschluß zwischen den Teilen bildet. Wie gezeigt, bilden die Hülsen 16 und 22 zusammen mit dem kreisförmigen Hohlleiterabschnitt 24 und dem Flanschteil 26 einen einseitig kurzgeschlossenen Abschnitt von halber Wellenlänge oder eine Koaxialleitung, die sich von der Ebene der Grundlinie 20 aus erstreckt. Der so gebildete Koaxialleitungsabschnitt hat zwei Teile von einer Viertelwellenlänge verschiedenen Wellenwiderstandes, was sich durch die Stufe bei 25 ergibt. Der Abschnitt mit höherem Wellenwiderstand liegt dabei an dem kurzgeschlossenen Ende. Die sich ergebende Drosselkonfiguration ergibt einen wirksamen Kurzschluß zwischen der Grundlinie 20 des Fensters und dem kreisförmigen Hohlleiter 24. Während hier eine Drossel koaxialer Art dargestellt und beschrieben wurde, können auch andere bekannte Kopplungsdrosselkonfigurationen verwendet werden, wie etwa radiale oder kombinierte radiale und koaxiale Drosselanordnungen. Wie in Fig. 1 dargestellt, bilden die kreisförmigen Hohlleiterabschnitte 10 und 24 einen Teil eines Systems mit hohlen Wellenleitern, das Übergangsteile 30 und 32 aufweist, um das Fenster an ein rechteckiges Hohlleitersystem anzukoppeln. Jedoch bilden die Übergangsteile 30 und 32 keinen wesentlichen Teil der Erfindung, sondern sollen lediglich zeigen, wie das Fenster in eine Anlage mit rechteckigen Hohlleitern eingebaut wird, da diese Form dem kreisförmigen Hohlleitersystem normalerweise vorgezogen wird. Der gesamte oben beschriebene Fensteraufbau kann als ein Ausgangsfenster für ein Klystron mit rechteckigem Hohlleiterausgang benutzt werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Übergangsteil 30 ist abdichtend in dem Ausgangshohlraum des Klystrons 40 eingesetzt, so daß der innere Hohlraum des Klystrons luftleer gemacht werden kann. Das konische Fenster 18 erstreckt sich gegen die Hochdruckseite des Systems, so daß der Druckunterschied auf dem Fenster Druckbeanspruchungen hervorruft, denen das Glas oder anderes keramisches Material leicht widerstehen kann. Als Beispiel und zur Veranschaulichung eines zur Verwendung mit einem System rechteckiger Hohlleiter von 51-25,4 mm geeigneten Fensters werden die folgenden Maße angegeben: Äußerer Durchmesser der Befestigungshülse 44,5 mm Höhe des konischen Bauteils 61 mm Wandstärke des konischen Bauteils 2,16 mm Es hat sich gezeigt, daß ein Ausgangsfenster mit den vorstehenden Abmessungen über eine Bandbreite von 4700 bis 6400 Megahertz mit einem Anpassungsfaktor von weniger als 1,5 über das Band arbeitet, wobei ein Anpassungsfaktor von weniger als 1,1 über ein 10%-Band möglich ist. Die Anpassungseigenschaften des Kegel werden etwas von der Länge und der Wandstärke beeinflußt. Ein Fenster, wie das hier beschriebene, hat bei einem Versuch eine Spitzenleistung in der Größenordnung von 2,2 Megawatt in Luft bei atmosphärischem Druck mit 3-Mikrosekunden-Impulsen bei 100 Impulsen je Sekunde ausgehalten, ohne daß es zerstört wurde. Da die Dauerstrichleistung normalerweise auf Werte beschränkt ist, bei denen der Temperaturanstieg nicht übermäßig ist, können verschiedene bekannte Mittel zum Kühlen benutzt werden, um die Durchschnittsbetriebsleistung zu erhöhen, so daß das Fenster für hohe Durchschnittsleistungen verwendet werden kann. Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß ein Fenster als druck- und vakuumdiichter Verschluß in einem kreisförmigen Wellenleiter geschaffen wurde, das durch seine besondere Bemessung nicht nur ein baulich kräftiges und festes Fenster darstellt, sondern auch ein Mindestmaß an Reflexion aufweist und mit einer weit höheren Spitzenleistung arbeiten kann, als sie durch bekannte Verfahren zum Abschließen eines Hohlleiters erzielt worden ist. Diese Ergebnisse werden mit dadurch erreicht, daß das Fenster über eine Strecke von einer halben Wellenlänge bis zu etwa einer Wellenlänge konisch gestaltet wird, wobei die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn der Kegel über eine Strecke von einer Wellenlänge verjüngt ist. In der Tat hat es sich gezeigt, daß eine Kegelhöhe von einer halben Wellenlänge bis ungefähr einer Wellenlänge ein zufriedenstellendes Gleichgewicht zwischen höchster Betriebswirksamkeit und einem Mindestaufwand an Kosten und Kompliziertheit der Bauweise ergibt. Eine kleinere Kegelhöhe mindert die Leistung beträchtlich, und eine größere Kegelhöhe ergibt eine schwächere und kostspieligere Konstruktion. Patentansprüche:

1. Nichtresonanzfenster für einen kreisförmigen Hohlleiter mit einem koaxial zu diesem angeordneten dünnwandigen, hohlen, im wesentlichen kegelförmigen Bauteil aus einem verlustarmen dielektrischen Werkstoff, dessen Durchmesser in der Grundlinie nahezu dem inneren Durchmesser des Hohlleiters gleich ist und mit einer Vorrichtung zur vakuumdichte» Befestigung des kegelförmigen Bauteils an dem Hohlleiter versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Bauteil (18) eine Höhe zwischen einer halben und etwa einer Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz des Hohlleiters aufweist und daß die Anschmelzung zwischen dem kegelförmigen Bauteil und der Befestigungsvorrichtung in der Nähe der Grundlinie des kegelförmigen Bauteils erfolgt.

2. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des kegelförmigen Bauteils im wesentlichen gleich einer Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz des Hohlleiters ist.

3. Fenster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter einen ersten Abschnitt (10) und einen zweiten Abschnitt (24) aufweist, der einen größeren Durchmesser als der erste Abschnitt hat und mit dem ersten Abschnitt