DE1069790B - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lauffeldröhre mit magnetischen und/oder elektrostatischen Bündelungsvorrichtungen zur Führung des Elektronenstrahls/der Elektronenstrahlen, mindestens einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, Ein- und/oder Auskoppelvorrichtungen, mindestens einer Auffangelektrode und mehreren untereinander gleichen, aus geschichteten Blechscheiben zusammengesetzten Verzögerungsleitungen, die parallel zur und symmetrisch um die Längsachse des Entladungssystems angeordnet sind.

Es ist bereits bekannt, Verzögerungsleitungen für Lauffeldröhren dadurch herzustellen, daß Koaxialleitungen oder Hohlleitungen so umgebildet bzw. belastet werden, daß eine wesentliche Verzögerung der elektromagnetischen Welle auftritt.

Eine bekannte Abänderung einer Hohlleitung besteht darin, daß mehrere Blechscheiben, die mit einer zentralen öffnung versehen sind und in dieser öffnung mehrere nach innen gerichtete und über den Umfang gleichmäßig verteilte T-förmige Ansätze besitzen, aufeinandergeschichtet sind, wobei die einzelnen Bleche sich galvanisch nicht berühren. Es ist ferner bekannt, bei diesen geschichteten Verzögerungsleitungen die Querteile der T-Ansätze mit einer Öffnung zu versehen und die aufeinanderfolgenden Blechscheiben so gegeneinander verdreht anzuordnen, daß sich die öffnungen der T-Ansätze paarweise so überdecken, daß mehrere parallel zur und symmetrisch um die Längsachse des Systems angeordnete Verzögerungsleitungen nach Art der Interdigitalleitungen entstehen.

Bei Lauffeldröhren wird die Sättigungsleistung durch die Kleinheit des effektiven Wechselwirkungsraumes beschränkt. Bei kleinsten Wellenlängen, wie z. B. bei Millimeterwellen, »klebt« die verzögerte Weile an der Verzögerungsleitung, wobei eine Wechselwirkung nur in unmittelbarer Nähe der Leitung stattfindet. Der theoretisch erreichbare Verstärkungsparameter C wird durch folgende Gleichung bestimmt:

C = 11,16. p^ij³

Bei konstanter Gruppengeschwindigkeit v_g muß für konstantes C die Stromdichte I₀ mit abnehmender Betriebswellenlänge quadratisch ansteigen. Da bei kurzen Wellen der Wechselwirkungsraum sehr klein ist, sind sehr hohe Strahlstromdichten erforderlich. Die Strahlstromdichte kann z. B. durch erhöhte Kathodenbelastung oder durch Verdichtung des Elektronenstromes erreicht werden. Diese bekannten Maßnahmen reichen aber zur Erhöhung der Sättigungsleistungen bei Millimeterwellenverstärkung bzw. Lauffeldröhre mit mehreren untereinander gleichen, aus geschichteten Blechscheiben zusammengesetzten Verzögerungsleitungen

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr.-Ing. Franz Groß, München,
ist als Erfinder genannt worden

-erzeugung nicht aus, um eine für die industrielle ^a5 Technik genügend große Ausgangsleistung zu erreichen.

Deshalb bestand die Aufgabe der Erfindung darin, die Sättigungsleistung bei Röhren für sehr kurze AVellen, insbesondere Millimeterwellen, wesentlich zu erhöhen, ohne die Nachteile einer zu großen Kathodenbelastung, eines zu großen Aufwandes hinsichtlich der magnetischen bzw. elektrischen Bündelungsvorrichtung und einer Erhöhung der Betriebsspannungen in Kauf nehmen zu müssen.

Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Lauffeldröhre besteht darin, daß als Verzögerungsleitungen Hohlleiter von kreisförmigem Querschnitt dienen, die mit in der Längsrichtung hintereinanderliegenden, sich kreuzenden (d. h. hinsichtlich der Er-Streckungsrichtung gegeneinander versetzten) Querstegen versehen sind, daß die Hohlleiter aus Blechen zweier Blechschnittarten zusammengesetzt sind, von denen die erste Blechschnittart als runde Scheibe mit symmetrisch zum Scheibenmittelpunkt angeordneten Löchern die zweite Blechschnittart als regelmäßiges Vieleck mit halb soviel Seiten wie Hohlleiter und zwei symmetrisch längs jeder Seite angeordneten, halbkreisförmigen Ausnehmungen ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Löcher und der Durchmesser der halbkreisförmigen Ausnehmungen dem Innendurchmesser der Hohlleiter entspricht, daß die Bleche der beiden Blechschnittarten abwechselnd so aufeinandergeschichtet und aneinander befestigt sind, daß die Löcher und die halbkreisförmigen Ausnehmungen

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Huchtend hintereinanderliegen und jedes Blech der zweiten Blechschnittart (Vieleck) gegenüber dem jeweils vorhergehenden Vieleck um den halben von zwei benachbarten Ecken des Vielecks mit dem Vieleckmittelpunkt gebildeten Zentriwinkel versetzt angeordnet ist, daß des weiteren auf den Seitenkanten der Vielecke Drähte aufgebracht und befestigt sind, die die Hohlleiterquerstege bilden, und daß schließlich die Anordnung so getroffen ist. daß die Elektronen im wesentlichen nahe den Mitten der Querstege vorbeifliegen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lauffeldröhre besteht darin, daß durch die symmetrische Anordnung der als Hohlleiter ausgebildeten Verzögerungsleitungen die symmetrische Einspeisung in einen allen Verzögerungsleitungen gemeinsamen Auskoppelhohlleiter gewährleistet ist. Außerdem ist eine gute Abführung der Systemwärme durch die an sich bekannte Verwendung von geschichteten Blechen gewährleistet, wobei durch die Verwendung von unter Zug aufgewickelten Drähten zur Bildung der Querstege eine Verwerfung durch thermische Einflüsse weitgehend vermieden ist.

Die die Verzögerungsleitungen bildenden Bleche können in der Mitte eine gleichgroße kreisförmige öffnung besitzen, so daß beim Aufeinanderschichten der Bleche auch längs der Längsachse des Entladungssystems ein Hohlleiter von kreisförmigem Querschnitt entsteht (zentraler Hohlleiter).

Weiterhin ist es möglich, längs der Längsachse des Entladungssystems einen Hohlleiter von kreisförmigem Querschnitt vorzusehen, der mit einer Verzögerungsleitung oder einer in Längsrichtung periodischen Struktur zur kapazitiven oder induktiven Belastung des Hohlleiters, die insbesondere für Rückwärtswellenoszillatorbetrieb geeignet ist, versehen ist und daß ein (weiteres) Elektronenstrahlerzeugungssystem derart zu dem zentralen Hohlleiter angeordnet ist, daß dessen Elektronen im wesentlichen in Bereichen größter elektrischer Feldstärke an der Verzögerungsleitung bzw. der periodischen Struktur des zentralen Hohlleiters vorbeifliegen. Dazu ist es vorteilhaft, das Entladungssystem mit dem zentralen Hohlleiter für Rückwärtswellenoszillatorbetrieb und das Entladungssystem mit den symmetrisch um die Längsachse angeordneten Hohlleitern für Verstärker- oder Begrenzerbetrieb bei Millimeterwellen auszubilden.

Weitere Merkmale der Erfindung sollen an Hand der Figuren erläutert werden. Die Fig. 1 bis 4d geben den Erfindungsgedanken in vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung wieder. Alle Teile, die nicht unbedingt zur Erläuterung der Erfindung beitragen, wie z. B. die Magnetsystemanordnung zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls, sind weggelassen worden. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Hintereinanderschaltung eines Rückwärtswellenoszillators und eines Vorwärtswellenverstärkers dargestellt. Die Fig. 2 stellt dabei den in der Schnittebene 2-2 vorhandenen Querschnitt dar. Innerhalb des Entladungsgefäßes 1 sind die Elektronenstrahlerzeugungssysteme mit den Elektronenkanonen 6 und 8 und den Auffangelektroden 7 und 9 angeordnet. Von der Elektronenkanone 6 wird einen Elektronenhohlstrahl 10 für die der Vorwärtswellenverstärkung dienenden äußeren Verzögerungsleitungen 11 erzeugt. Von der Elektronenkanone 8 wird ein Elektronenvollstrahl 27, der auf die Auffangelektrode 9 auftrifft, für die zentral gelegene Verzögerungsleitung 12 des Rückwärtswellenoszillators

erzeugt. Der von der Elektronenkanone 8 erzeugte und von dem Auffänger 9 aufgenommene Elektronenvollstrahl 27 muß solche Eigenschaften (Elektronengeschwindigkeit und Strahlstromstärke) besitzen, daß sich auf der Verzögerungsleitung 12 Rückwärtswellenoszillatorbetrieb einstellt. Die Elektronenkanonen 6 und 8 können so ausgebildet sein, daß zur Erhöhung der Ausgangsleistung die Elektronenstrahlen 10 und 27 verdichtet sind.

ίο Der in Fig. 1 durch Pfeile angedeutete Weg der elektromagnetischen Welle wird auf der Kathodenseite durch eine besonders ausgebildete Elektrode 13. die als Mehrfachstegleitung mit radial auch außen gerichteten Stegen ausgebildet ist, umgelenkt. Die Welle tritt dadurch in die außenliegenden Verzögerungsleitungen 11 des Verstärkersystems ein. Der von der Elektronenkanone 6 erzeugte Elektronenhohlstrahl 10 wird von der Elektrode 13 segmentartig so ausgeblendet, daß jeweils lediglich ein Teil des Hohlstrahls in eine der Verzögerungsleitungen 11 eintritt und die Elektronen vorwiegend nahe den Mitten der Querstege vorbeifliegen. Die elektromagnetische Welle wird in den Verzögerungsleitungen 11, die untereinander gleich sind, gleichmäßig verstärkt, wobei durch den Parallelbetrieb der Verzögerungsleitungen die Sättigungsleistung gemäß der Anzahl der parallel betriebenen Verzögerungsleitungen 11 erhöht wird.

Auf der Auskoppelseite der Hochfrequenzenergie ist innerhalb des metallischen Teiles 3 ein Auskoppelhohlleiter 5 vorgesehen, der ein vakuumdichtes Keramikfenster 4 besitzt. Der Auffänger 9 für den Vollstrahl 27 ist an seiner in den Hohlleiter 5 reichenden kegelförmigen Spitze als Symmetrierstern ausgebildet. Der Symmetrierstern stellt, ähnlich wie die Elektrode 13, eine Mehrfachstegleitung dar. Er ist in Verlängerung der symmetrisch um die Längsachse angeordneten Hohlleiter mit längs der Kegelmantellinien verlaufenden Nuten, deren Tiefe zur Kegelspitze hin abnimmt, versehen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt ist gezeigt, daß die Verzögerungsleitung 12 für den Rück wärtswellenoszillator ebenfalls aus einem Hohlleiter mit in der Längsrichtung hintereinanderliegenden, sich kreuzenden Ouerstegen besteht. In den Quersiegen sind öffnungen vorgesehen, die in Entladungsrichtung deckungsgleich hintereinanderliegen und durch die der Elektronenstrahl 27 geschossen wird. An Stelle der gezeigten Verzögerungsleitung 12 kann auch eine beliebige andere Verzögerungsleitung vorgesehen werden, soweit sie für den Rückwärtswellen oszillatorbetrieb verwendbar ist.

Die Verzögerungsleitungen 11 werden durch Aufeinanderschichten von Blechschnitten (Stanzblechen) hergestellt. Die hierfür verwendeten Blechformen sowie deren Lage zueinander bei der Aufeinanderschichtung sind für zwei Ausführungsbeispiele in den Fig. 3a bis 3d und 4a bis 4d gezeigt. Wie schon in der Fig. 2 im Querschnitt gezeigt ist. sollen die parallel zur und symmetrisch um die Längsachse angeordneten Verzögerungsleitungen 11 Hohlleiter mit in der Längsrichtung hintereinanderliegenden. sich kreuzenden Ouerstegen sein.

In der Fig. 3 a und 3 c ist die eine zur Aufeinanderschichtung notwendige Blechschnittart in Form des Ringes 14 dargestellt. In der Mitte dieser Bleche befinden sich die öffnungen 18, die für alle Bleche (Fig. 3 a bis 3 d) die gleiche Größe besitzen und deckungsgleich hintereinanderliegen müssen. Die Bezeichnung Blechschnittart soll alle die Bleche einschließen, die (z. B. durch die Herstellung mit einem

Claims (1)

Stanzwerkzeug) die gleiche Form, die gleiche Größe und die gleiche Dicke besitzen. Um den Mittelpunkt des Blechringes 14 sind mit gleichem Abstand von demselben und symmetrisch über den Umfang des Ringes 14 verteilt die öffnungen 15 vorgesehen, die alle gleich groß sind und bei Aufeinanderschichtung der Bleche hintereinanderliegen. In den Fig. 3 b und 3 d ist die zweite Blechschnittart in Form des Bleches 19 dargestellt, das in seiner Mitte ebenfalls eine öffnung 18 besitzt. Die äußere Umrandungslinie des Bleches 19 bildet im wesentlichen ein Quadrat. Längs jeder Seite des Quadrates sind zwei symmetrisch angeordnete halbkreisförmige Ausnehmungen 20 vorgesehen. Die Ausnehmungen 20 müssen sich mit den Löchern 15 der Bleche 14 bei Aufeinanderschichtung decken. Die Aufeinanderschichtung der Bleche 14 und 19 geschieht so, daß erst das Blech 14 der Fig. 3 a, dann das Blech 19 in der in Fig. 3 b dargestellten Lage, dann das Blech 14 der Fig. 3 c, darauf das Blech 19 in der in Fig. 3d dargestellten Lage und dann wieder dieselben Bleche in der Reihenfolge der Fig. 3 a, 3 b usw. so lange aufeinandergeschichtet werden, bis die gewünschte Länge der Verzögerungsleitungen 11 erreicht ist. Wie aus den Fig. 3b und 3d zu ersehen ist, müssen die rechtwinkligen Bleche 19 so gegeneinander verdreht werden, daß die bei der Fig. 3 b in der Position a liegende Spitze bei der Fig. 3 d in die Position b gedreht ist. Dabei ist der Verdrehungswinkel a gleich dem halben Zentriwinkel des Vielecks, in diesem Falle des Quadrates. Nach dem Aufeinanderschichten der Bleche 14 und 19 und der Befestigung derselben aneinander werden die die Querstege bildenden Drähte 16 und 17 in die zwischen den Blechen 14 entstandenen Schlitze gewickelt und an den Blechen 14 und 19 festgelötet. Zur Erhöhung der thermischen Stabilität der Ouerstege ist es vorteilhaft, die Drähte 16 und 17 unter Zug aufzuwickeln. Die deckungsgleich hintereinanderliegenden öffnungen 18 bilden einen Hohlleiter von kreisförmigem Querschnitt, der für Ein- oder Auskoppelzwecke benutzt werden kann. Wenn die Verzögerungsleitungen 11 für Rückwärtswellenoszillatorbetrieb verwendet werden sollen, muß der Symmetriestern auf der Kathodenseite angeordnet werden. Eine Verzögerungsleitung mit der Struktur der Leitungen 11 oder 12 hat bei der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit der auf ihr verzögert fortschreitenden elektromagnetischen Welle eine rückwärts laufende Grundwelle und eine vorwärts laufende erste Teilwelle, deren Dispersionskurve bekanntlich zwischen den Phasenwinkeln π und 2 π verläuft. Wenn der Versetzungswinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Querstegen 90° ist, wie dies bei der Verzögerungsleitung 12 der Fall ist, so entsteht für die rückwärts laufende Grundwelle ein breiter Bereich, in dem sich bei genügend hoher Strahlstromstärke Selbsterregung ergibt. Verändert man den Versetzungswinkel der aufeinanderfolgenden Ouerstege, so ergeben sich Dispersionsverläufe für die rückwärts laufende Grundwelle und die vorwärts laufende erste Teilwelle, die sich dadurch auszeichnen, daß bei der vorwärts laufenden ersten Teilwelle ein Bereich auftritt, der keine Dispersion besitzt (Dispersionskurve verläuft über einen großen Bereich waagerecht), so daß in diesem Bereich ein breitwandiger Verstärkerbetrieb auf der vorwärts laufenden ersten Teilwelle möglich ist. Dieser Bereich liegt, wie durch Messungen festgestellt wurde, vorwiegend zwischen den Ver- Setzungswinkeln 10 und 50°. Bei der in den Fig. 3 a bis 3d gezeigten Verzögerungsleitung ist der Versetzungswinkel der die Querstege bildenden Drähte 16 und 17 gleich dem halben Zentriwinkel des Quadrates, d. h. also 45°. Mit der in den Fig. 3a bis 3d gezeigten Verzögerungsleitung kann also der oben geschilderte Verstärkerbetrieb erreicht werden. Genausogut können aber auch an Stelle der Bleche 19 Vielecke verwendet werden mit z. B. fünf, sechs, sieben usw. ic Ecken, wenn der Versetzungswinkel der Drähte 16 und 17 gegeneinander verkleinert werden soll. Der Versetzungswinkel ist dann genauso wie beim Quadrat jeweils gleich dem halben Zentriwinlcel des Vielecks. Genausogut ist es auch möglich, die in den Fig. 3b und 3d gezeigten Bleche als gleichseitige Dreiecke auszubilden. Die Verwendung von gleichseitigen Dreiecken ist dann vorteilhaft, wenn die Verzögerungsleitungen 11 als Rückwärtswellenoszillatoren betrieben werden sollen, da bei der Verwendung ao von gleichseitigen Dreiecken der Versetzungswinkel 60° beträgt. In den Fig. 4 a bis 4d sind Blechschnitte 21 und 24 gezeigt, bei denen wiederum die Öffnungen 15 und die halbkreisförmigen Ausnehmungen 20 zur Bildung der Verzögerungsleitungen 11 vorgesehen sind. Jedoch sind bei den Blechen 21 und 24 der Fig. 4a bis 4d andere zentrale öffnungen als bei den Blechen der Fig. 3 a bis 3 d vorgesehen. Bei dem Blech 21 ragt in die Öffnung 22 ein Ansatz 23, der für den Durchtritt des Elektronenstrahls mit einem Loch versehen ist. Bei dem Blech 24 ist lediglich eine runde Öffnung 25 mit dem gleichen Radius wie bei der Öffnung 22 vorgesehen. Die Aufeinanderschichtung der Bleche 21 und 24 geschieht mit den in den Fig. 4 a bis 4d gezeichneten Positionen, wobei die hinsichtlich der Fig. 3 a bis 3 d geschilderten Verdrehungen auch für die Fig. 4 a bis 4d gelten. Für die Bleche 21 muß darauf geachtet werden, daß sich die Ansätze 23 bei zwei aufeinanderfolgenden Blechen 21 mit einem Versetzungswinkel von 180° gegenüberstehen. Die durch die Ansätze 23 gebildete Verzögerungsleitung stellt bei Verwendung eines Elektronenstrahls genügend hoher Stromstärke einen leicht anregbaren Rückwärtswellenoszillator dar. Diese Form der Verzögerungsleitung K mit rückwärts laufender Grundwelle hat den Vorteil, daß sie ohne weiteres mit den die Verzögerungsleitungen 11 bildenden Blechen 21 und 24 zusammen hergestellt werden kann. Die aufeinandergeschichteten Bleche sowohl der jo Fig. 3a bis 3d als auch der Fig. 4a bis 4d können so aneinander befestigt bzw. miteinander verlötet sein, daß sich ein Winkelkörper ergibt, auf den die Drähte 16 und 17 unter Zug aufgewickelt werden können. Dabei ist nur darauf zu achten, daß in den Blechen 14 >5 bzw. 21 an der Stelle, an der der Draht von dem Blech 19 bzw. 24 zum darauffolgenden Blech 19 bzw. 24 überwechseln soll, ein Schlitz enthalten ist. Weiterhin können zur Herstellung der Bleche 14, 19., 21 und 24 der Fig. 3 a bis 4 d, insbesondere für Verzögerungsleitungen zur Verstärkung kürzester Wellen (Millimeterwellen), Verfahren verwendet werden, wie sie z. B. bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen u. dgl. zur Anwendung kommen. So ist dafür z. B. das Photoätzverfahren vorteilhaft. PATENTANSPRÜCHE:

1. Lauffeldröhre mit magnetischen und/oder elektrostatischen Bündelungsvorrichtungen zur ό Führung des Elektronenstrahls/der Elektronen-