DE1106000B - Wechselwirkungskreis mit periodischer Struktur fuer Elektronenroehren nach Art einer Wanderfeldroehre - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen neuartigen Wechselwirkungskreis (Verzögerungsleitung) für eine Wanderfeldröhre.

Als Verzögerungsleitung hat sich eine Wendel am besten bewährt, längs deren Achse ein Elektronenstrahl geführt wird. Bei sehr hohen Frequenzen müssen die Wendelabmessungen außerordentlich klein sein, wodurch mechanische Schwierigkeiten entstehen und vor allem die zulässige Strahlstromstärke für verzerrungsfreie Verstärkung auf sehr kleine Werte be- ίο grenzt wird.

Um die Leistung zu erhöhen, wurde versucht, mehrere solcher Röhren parallel zu schalten. Die Verstärker wurden dann jedoch unhandlich, außerdem konnten die Phasenprobleme nicht hinreichend gelöst werden. Es wurden deshalb mehrere Wendeln parallel zueinander angeordnet, an ihren Enden zusammengelötet und in eine Röhre eingebaut. Hierbei trat eine starke Kopplung zwischen den einzelnen Wendeln auf, und der Gesamtkreis zeigte zwei Phasengeschwindigkeiten, deren Größe vom Kopplungsgrad abhing und mit stärker werdender Kopplung dem Wert Null bzw. Unendlich zustrebte, so daß eine Fortpflanzung der Welle unmöglich wurde. In jedem Fall wurde aber das Ubertragungsband sehr schmal. Darüber hinaus entstanden Unstetigkeiten an den Lötstellen und Herstellungsschwierigkeiten, da die einzelnen Wendeln extrem genau gleich sein mußten.

Es ist ferner bereits ein Wechselwirkungskreis mit periodischer Struktur für Elektronenröhren nach Art einer Wanderfeldröhre bekanntgeworden, der sich aus einer Folge von in Längsrichtung (Elektronenstrahlrichtung) hintereinanderliegenden Schichten zusammensetzt, die jeweils aus mehreren geradlinigen, in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung mit Abstand parallel zueinander angeordneten drahtförmigen leitenden Elementen bestehen, und bei dem die Elemente einander benachbarter Schichten einen vorzugsweise rechten Winkel miteinander bilden.

Von diesem bekannten Wechselwirkungskreis geht die Erfindung aus und empfiehlt, daß die Elemente jeder Schicht mit den Elementen der nächstfolgenden Schicht derart in leitender Berührung stehen, daß sich eine Vielzahl in Längsrichtung parallel zueinander verlaufender wendelartiger Ausbreitungswege für die längs des Wechselwirkungskreises fortschreitenden elektromagnetischen Wellen ergibt und die Steigungen einander benachbarter wendelartiger Wege entgegengesetzten Sinn haben. Das läßt sich auf besonders einfache Weise dadurch erreichen, daß die Elemente einer jeden Schicht zu den Elementen der übernächsten Schicht parallel verlaufen aber quer zu denselben versetzt angeordnet sind, derart, daß jeweils die periodisch einander entsprechenden Elemente in Längs-Wechs elwirkungskr eis

mit periodischer Struktur

für Elektronenröhren nach Art

einer Wanderfeldröhre

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. April 1956

Cassius Chapin Cutler, Gilette, N.J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

richtung fluchtend hintereinanderliegen. Übersichtliche Verhältnisse ergeben sich dann, wenn jede Schicht zwei Elemente enthält, die senkrecht zu den Elementen der nächstfolgenden Schicht angeordnet sind.

Die Erfindung wird eingehender an Hand der Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Wechselwirkungskreis ausgestatteten Wanderfeldröhre, die teilweise geschnitten dargestellt ist,

Fig. 1B einen Querschnitt entlang der Ebene 1B- IB der Fig. IA,

Fig. 2 A eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Wechselwirkungskreises der Röhre der Fig. 1,

Fig. 2 B eine Aufsicht auf den in Fig. 2 A dargestellten Teil des Wechselwirkungskreises.

Die Röhre der Fig. IA weist einen evakuierten Kolben 11 auf, der in einem typischen Fall aus Glas oder einem nichtmagnetischen Metall, z. B. Kupfer, besteht und der ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 12 umschließt, um einen Elektronenstrahl zu bilden, der auf einem sich in Längsrichtung erstreckenden Weg zur Auffangelektrode 13 geleitet wird. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem enthält, wie schematisch dargestellt ist, eine Kathode 15, eine strahlbildende Elektrode 17 und eine Beschleunigungsanode 18. Die Kathode liegt gewöhnlich auf einem Gleichpotential, das etwas positiv gegenüber der

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Svtrahlbildenden Elektrode 17 und beträchtlich negativ gegenüber der Beschleunigungsanode 18 ist. Zusätzlich ist im allgemeinen eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Längsfeldes vorgesehen, um den Strahl entlang seines Weges gebündelt zu halten. Diese Einrichtung kann z. B. eine Zylinderspule enthalten, welche die Röhre längs des Strahlweges umgibt, oder zwei entgegengesetzt gepolte permanente .Magnete, die an gegenüberliegenden Enden der Röhre 10 angebracht sind, um ein magnetisches Längsfeld zu erzeugen.

Ein Wechselwirkungskreis 22, der aus einer matrixartigen Anordnung von geraden horizontalen und vertikalen Drahtelementen besteht, die in Fig. 1A schematisch dargestellt sind, ist entlang des größeren Teils des Strahlweges angeordnet. Der Kreis 22 ist derart ausgebildet, daß jeder der Wellenwege längs des Kreises eine Vielzahl von Betriebswellenlängen lang ist. Die Einzelheiten des Kreises werden später geschildert. Der Kreis hat ein geeignetes positives Gleichpotential gegenüber der Kathode. Dieses Gleichpotential legt die Geschwindigkeit der Elektronen bei ihrem Flug durch den Kreis fest; es ist so eingestellt, daß man eine Verstärkung der entlang des Kreises sich fortpflanzenden Welle erhält.

Der Kreis 22 wird vorteilhafterweise auf seiner gesamten Länge durch den Kolben 11 gehalten, wie man in Fig. 1B erkennen kann. Wie oben angegeben wurde, kann der Kolben 11 entweder aus Glas oder aus einem nichtmagnetischen Leiter, z. B. Kupfer, bestehen. Wenn man Glas verwendet, können die drahtartigen Elemente des Kreises in das Glas eingebettet werden. Wenn ein Kupferkolben \*erwendet wird, können die Elemente an das Kupfer angelötet werden.

Ein Verfahren, das sich bei Verwendung eines Kupferkolbens als zufriedenstellend ergeben hat, besteht darin, den Kolben aus einer Folge von lochscheibenartigen Elementen zu bilden. Bei diesem Verfahren werden zwei drahtartige Elemente in der Öffnung jeder Lochscheibe angeordnet und an ihren Enden mit der Lochscheibe verlötet. Die Lochscheiben werden dann zusammengesetzt, so daß ein Kolben entsteht, der den Kreis 22 enthält, welcher in seinen Einzelheiten in den Fig. 2 A und 2 B zu sehen ist. Ein anderes \^rerfahren zur Halterung des Kreises in einem Glaskolben oder einem leitenden Kolben besteht darin, die Kolbenabmessung so zu wählen, daß man eine enge Passung innerhalb des Kolbens erhält und einen Teil des Kreises fest mit dem Kolben verbindet, um ein Verdrehen zu verhindern.

Wenn der Wechselwirkungskreis den Kolben berührt, beeinflußt die Verwendung eines leitenden Materials für den Kolben die Eigenschaften des Kreises. Insbesondere wird bei einem leitenden Kolben die Bandbreite des Kreises verringert, da eine niederfrequente Grenzfrequenz an einem Punkt auftritt, an dem die Abmessung / der Fig. 1 B annähernd eine Viertelwellenlänge beträgt. Eine solche Verringerung der Bandbreite ist jedoch von einer Erhöhung der Wechselwirkungsimpedanz begleitet und damit von einer Erhöhung der Verstärkung bei Betrieb in der Nähe der Grenzfrequenz. Wenn somit eine extrem breitbandige Arbeitsweise wesentlich ist, wird vorteilhafterweise ein Glaskolben verwendet. Wenn jedoch geringere Bandbreitenforderungen gestellt werden, kann eine höhere Verstärkung erzielt werden, indem ein leitender Kolben verwendet wird und in der Nähe der Grenzfrequenz gearbeitet wird.

Eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Kreises 22 erscheint in den Fig. 2A und 2 B. Der dargestellte Teil besteht (in Richtung des Strahls gesehen) aus einem ersten Paar von drahtartigen Elementen 101 a und 101c in Form einer ersten Schicht, das sich in einer senkrechten Richtung erstreckt, einem zweiten Paar von drahtartigen Elementen 102 e und 102 g· in Form einer zweiten Schicht, das sich in einer waagerechten Richtung erstreckt, einem dritten Paar von drahtartigen Elementen 103 b und 103 ti, das sich senkrecht in Form einer dritten Schicht erstreckt und zwisehen den Elementen 101 α und 101 c der ersten Schicht liegt, aus einem vierten Paar von drahtartigen Elementen 104/ und 104 h, das sich waagerecht in Form einer vierten Schicht erstreckt und zwischen den Elementen 102 e und 102g· der zweiten Schicht liegt. Die Elemente der folgenden fünften Schicht sind mit den Elementen der ersten Schicht fluchtend ausgerichtet usw.; d. h., die Anordnung der ersten vier Schichten wiederholt sich. In der Praxis enthält der Kreis typischerweise etwa vierzig Schichten. Er kann jedoch mehr oder weniger Schichten enthalten, wenn eine größere oder eine kleinere Verstärkung gewünscht wird.

Der Wechselwirkungskreis besteht demgemäß, allgemein ausgedrückt, aus einer Folge von jeweils \'ier Schichten, die sich in Richtung des Elektronenstrahls periodisch wiederholen. Jede Schicht besteht aus mehreren mit Abstand parallel zueinander angeordneten, geraden drahtartigen Elementen, die jeweils in einer Ebene quer zur Richtung des Strahls liegen. Die EIemente aller übernächsten Schichten liegen parallel zueinander, während die Elemente benachbarter Schichten senkrecht zueinander angeordnet sind. In Längsrichtung gesehen, liegen die Elemente der ersten Schicht zwischen den Elementen der dritten Schicht und die Elemente der zweiten Schicht zwischen den Elementen der vierten Schicht (seitliche Versetzung).

Die so entstandene Anordnung ergibt eine Vielzahl

von leitenden Wegen durch den Kreis 22, die jeweiliim wesentlichen wendelförmig sind. Einer dieser Wege ist in Fig. 2 A durch die gestrichelte Linie 23 dargestellt, die entlang des ersten Elementes 101 c beginnt und sich dann nach rechts entlang des Elementes 102 c nach unten entlang des Elementes 103 d, nach links entlang des Elementes 104/, herauf entlang des nachfolgenden Elementes 101 c usw. durch die ganze Anordnung fortsetzt. Die Steigung des so gebildeten wendeiförmigen Weges liegt in der Figur im Uhrzeigersinn. Durch die gestrichelte Linie 27 ist ein benachbarter wendeiförmiger Weg dargestellt, der entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft. Sieben weitere, ebenso wendeiförmige Wege können durch den Kreis verfolgt werden, wobei benachbarte Wege jeweils im entgegengesetzten Sinn verlaufen. In der Figur bildet die Form jedes der wendeiförmigen leitenden Wege, von einem Kreisende her gesehen, ein Quadrat. Diese Formen können aber auch rechteckig sein, z. B. wenn der Abstand zwischen den verschiedenen vertikalen Elementen verschieden vom Abstand zwischen den verschiedenen horizontalen Elementen ist; sie können auch Parallelogramme darstellen, wenn die Elemente aufeinanderfolgender Schichten nicht horizontal und vertikal angeordnet sind, sondern sich unter einem von 90° verschiedenen Winkel kreuzen. Ferner können die Formen durch geeignete Abänderungen irgendeine regelmäßige geometrische Figur mit einer geraden Anzahl von Seiten annehmen, z.B. ein Hexagon; die wendeiförmigen Wege bleiben jeweils erhalten.

Eine zu verstärkende Welle, die phasenrichtig in die Elemente 101a und 101c der ersten Schicht eingekoppelt wird, wird längs jedem der wendeiförmigen Wege

Claims (3)

übertragen. Die Einkopplung ist in Fig. 1A klar zu sehen, wo die koaxiale Leitung 24 dazu dient, eine Signal welle phasenrichtig auf die beiden drahtartigen Elemente am Anfang des Kreises 22 zu übertragen, wobei der Innenleiter der koaxialen Leitung 25 mit den Elementen, die die erste Schicht bilden, verbunden ist. Die Welle wird so in verschiedene Komponenten aufgeteilt, die jeweils entlang eines anderen der wendeiförmigen Wege durch den Kreis 22 laufen. Jede der Wellenkomponenten wird beim Durchgang durch den Kreis durch Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl verstärkt und die verschiedenen Wellenkomponenten werden an den beiden drahtartigen Elementen am Ende des Kreises 22, die die letzte Schicht bilden, wieder vereinigt. Die so verstärkte Welle wird dann über die koaxiale Leitung 25, deren Innenleiter mit den beiden Elementen der letzten Schicht verbunden ist, auf einen (nicht dargestellten) äußeren Kreis übertragen. Die Verstärkung kann durch Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Signalwellenkomponenten und einem Elektronenvollstrahl erzielt werden, dessen äußerer Umfang durch die strichpunktierten Linien 26 der Fig. 1A und 1 B dargestellt ist. Einige Elektronen dieses Strahls treffen die drahtartigen Elemente am Anfang des Kreises 22, während der größte Teil der Elektronen entlang der Längsdurchgänge durch den Kreis 22 verläuft. Der Kreis 22 kann leicht ausreichend robust ausgeführt werden, um die Erwärmung durch auf ihn auftreffende Elektronen auszuhalten, insbesondere, wenn der Kreis innerhalb eines leitenden Kolbens angeordnet wird und gute Wärmeleitwege zum Kolben aufweist. Nichtsdestoweniger kann das Auftreffen der Elektronen durch Einschalten eines Auffanggitters zwischen dem Elektronenstrahlerzeugungssystem 12 und dem Kreis 22 auf ein Minimum gebracht werden. Das Auffanggitter hat vorteilhafterweise im wesentlichen die gleiche Gestalt wie der Kreis 22 in Fig. 1B. Beim Kreis 22 besteht nicht das Problem der Einführung einer Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Komponenten der Wellenenergie, die entlang der verschiedenen wendeiförmigen Wege durch den Kreis laufen. Dies ist deshalb der Fall, weil die verschiedenen wendeiförmigen Wege des Kreises 22 leicht völlig gleichgemacht werden können. Zudem werden diese wendeiförmigen Wege durch den Eingangsanschluß der koaxialen Leitung 24 symmetrisch erregt, außerdem sind die verschiedenen Wendelwege an verschiedenen Punkten entlang ihrer Länge miteinander verbunden. Diese Verbindungen tragen dazu bei, konstante Phasenbedingungen auf den verschiedenen Wendelwegen aufrechtzuerhalten. Es sei bemerkt, daß die Steigungen benachbarter wendeiförmiger Wege in der matrixartigen Anordnung 22 entgegengesetzten Sinn haben. Dieses Kennzeichen gewährleistet — wie oben erläutert wurde — das Nichtvorhandensein unerwünschter Kopplungen zwischen benachbarten Wendeln und macht damit eine Wellenfortpfianzung im Kreis 22 bei einer Phasengeschwindigkeit möglich, die zur Wechselwirkung mit dem Strahl geeignet ist. Dadurch ist jeder der verschiedenen Wendel wege ein im wesentlichen unabhängiger Fortpflanzungskreis, dessen Phasengeschwindigkeit im wesentlichen die gleiche ist, wie sie sein würde, wenn die anderen Wendel wege nicht vorhanden wären. Wenn somit verschiedene Signale an die verschiedenen wendeiförmigen Wege angelegt werden, würde jedes der Signale für sich verstärkt werden. In diesem Fall wurden getrennte Eingangs- und Ausgangsanschlüsse an jedem der verschiedenen wendeiförmigen Wege vorgesehen, und es würden mehrere Teilelektronenstrahlen verwendet, die axial durch diese Wege geleitet werden. Bei einer solchen Anordnung dient der Kreis 22 als Mehrkanaleinrichtung. Zur Erleichterung der getrennten Erregung der verschiedenen wendeiförmigen Wege einer solchen Mehrkanaleinrichtung ist es in manchen Fällen erwünscht, die Wendeln räumlich weiter zu trennen, wobei der entgegengesetzte Sinn der Steigung benachbarter Wendeln aufrechterhalten bleibt. P A T E N T Λ N" S P R Ü C H E :

1. Wechselwirkungskreis (Verzögerungsleitung) mit periodischer Struktur für Elektronenröhren nach Art einer Wanderfeldröhre, der sich aus einer Folge von in Längsrichtung (Elektronenstrahlrichtung) hintereinanderliegenden Schichten zusammensetzt, die jeweils aus mehreren geradlinigen, in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung mit Abstand parallel zueinander angeordneten drahtartigen leitenden Elementen bestehen, und bei dem die Elemente einander benachbarter Schichten einen vorzugsweise rechten Winkel miteinander bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente jeder Schicht mit den Elementen der nächstfolgenden Schicht derart in leitender Berührung stehen, daß sich eine Vielzahl in Längsrichtung parallel zueinander verlaufender wendeiförmiger Ausbreitungswege für die längs des Wechselwirkungskreises fortschreitenden elektromagnetischen Wellen ergibt und die Steigungen einander benachbarter wendeiförmiger Wege entgegengesetzten Sinn haben.

2. Wechselwirkungskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente einer jeden Schicht zu den Elementen der übernächsten Schicht parallel verlaufen, aber quer zu denselben versetzt angeordnet sind, derart, daß jeweils die periodisch einander entsprechenden Elemente in Längsrichtung fluchtend hintereinanderliegen.

3. Wechselwirkungskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht zwei Elemente enthält, die senkrecht zu den Elementen der nächstfolgenden Schicht angeordnet sind (Fig. 2).

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 708 236.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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