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Wanderfeldröhre Die Erfindung bezieht sich auf Wanderfeldröhren
zur Erzeugung oder Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bei der der
Elektronenstrahl längs einer Verzögerungsleitung verläuft, die aus einem Paar gleichsinnig
gewickelter und symmetrisch ineinandergreifender, untereinander gleicher Wendeln
besteht (bifilare Wendel), und bei der zur gebündelten Strahlführung die Wendeln
auf unterschiedlichen Gleichpotentialen gehalten werden.
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Bei einer Wanderfeldröhre, pflanzt sich eine elektromagnetische Welle
entlang einer Verzögerungsleitung fort, längs der ein Elektronenstrahl geleitet
wird. Durch richtige Einstellung der Geschwindigkeit des Elektronenstrahls und der
Phasengeschwindigkeit der Welle können der Strahl und die Welle miteinander in eine
sich aufschaukelnde Wechselwirkung treten.
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Es sind auch Wanderfeldröhren bekanntgeworden, die durch eine »räumlich
harmonisch« genannte Betriebsweise gekennzeichnet sind. Bei ihnen ist die Phasengeschwindigkeit
der Grundkomponente der Welle, beträchtlich verschieden von der Geschwindigkeit
des, Elektronenstrahls. Die Bedingungen für eine Wechselwirkung werden aber in der
Weise erfüllt, daß eine besondere Elektronengruppe beim Fortschreiten durch die
Röhre in aufeinanderfolgenden Gebieten die gleichen Phasenbedingungen vorfindet.
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üblicherweise wird der Elektronenstrahl bei Wanderfeldröhren durch
ein axiales Magnetfeld gebündelt geführt. Es ist jedoch auch schon bekannt, den
Elektronenstrahl einer Wanderfeldwendelröhre mittels einer rotationssymmetrischen
Außenelektrode, die die wendelförmige, den Strahl koaxial umschließende Verzögerungsleitung
umgibt, elektrostatisch gebündelt zu führen. Auch ist schon vorgeschlagen worden,
einen Elektronenstrahl dadurch gebündelt zu führen, daß zwei gleichsinnig gewickelte,
symmetrisch ineinandergreifende, untereinander gleiche Wendeln auf verschieden hohe
Gleichpotentiale gelegt sind, wodurch die Elektronen des von den Wendeln umgebenen
Strahls abwechselnd beschleunigt und verzögert werden.
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Gemäß der Erflndung soll eine Wanderfeldröhre zur Erzeugung oder Verstärkung
sehr kurzer elektromagnetischer Wellen geschaffen werden, bei der der Elektronenstrahl
längs einer Verzögerungsleitung verläuft, die aus einem Paar gleichsinnig gewickelter,
symmetrisch ineinandergreifender und untereinander gleicher Wendeln besteht (bifilare
Wendel), und bei der zur gebündelten Strahlführung die Wendeln auf unterschiedlichen
Gleichpotentialen gehalten werden. Das besondere, erfindungsgemäße Kennzeichen besteht
darin, daß längs der bifilaren Wendel und paraRel zu ihr eine zusätzliche Elektrode
vorgesehen ist, die auf einem Gleichpotential gehalten wird#, das zwischen den Gleichpotentialen
der Wendeln der bifilaren Wendel liegt, und daß der Elektronenstrahl im Raum zwischen
dieser zusätzlichen Elektrode und der bifilaxen Wendel verläuft. Dadurch entsteht
längs des Weges des Elektronenstrahls eine Folge von Gebieten mit longitudinalen
und transversalen elektrostatischen Feldern zwischen den Windungen und mit entgegengesetzten
Richtungen der elektrostatischen Felder bei aufeinanderfolgenden Gebieten. Dadurch
kann die elektro#statische Fokussierung eines vollen oder hohlen Elektronenstrahls
noch besser erreicht werden. (Man kann eine solche Anordnung auch so auffassen,
daß eine erste Elektrode eine äquipotentiale Fläche defim,«ert und die gegenüber
angeordnete bifilare, Elektrodenanordnung eine Fläche, bei der sich das Gleichpotential
periodisch mit der Länge ändert, wobei sich der Elektronenstrahl im Zwischenraum
zwischen der ersten Elektrode und der bifilaren Elektrodenanordnung befindet.) Im
Gegensatz zu bifilaren Anordnungen früherer Technik, bei denen die beiden Wendeln
so betrieben werden, daß die hochfrequenten Polaritäten von aneinander angrenzenden
Windungen annähernd phasengleich sind und der Elektronenstrahl mit einer Geschwindigkeit
durch die Anordnung hindurchgeleitet wird, die im wesentlichen gleich der Phasengeschwindigkeit
der Grundkomponente der längs der Anordnung fortschreitenden elektromagnetischen
Welle ist, stellt (vorzugsweise) bei der Erfindung jede der beiden
Wendeln
einen der beiden Leiter einer symmetrischen Leitung dar, so daß hinsichtlich der
Phasenlage die hochfrequenten Polaritäten von aneinander angrenzenden Windungen
iin wesentlichen um 180' verschieden sind. Dadurch wird die Richtung des
hochfrequenten elektrischen Längsfeldes zwischen aufeinanderfolgenden Spalten umgekehrt.
Der Elektronenstrahl besitzt dabei eine Geschwindigkeit, die gleich der Phasengeschwindigkeit
einer räumlich harmonischen Komponente der längs der bifilaren Wendel fortschreitenden
edektromagnetischen Welle ist.
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Eine Wanderfeldröhre dieser Alt ist leicht zu bauen und zu reproduzieren,
sie besitzt eine hohe Impedanz, so daß eine hohe Verstärkung möglich wird, und es
lassen sich bequem Eingangs- und Ausgangsanschlüsse für die hochfrequente Energie
anbringen.
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Eine bevorzugte Ausführungsforin der Erfindung ist eine Rückwärtswellenoszillatorröhre,
bei der die der Elektronenquelle benachbarten Enden der Wendeln an einen symmetrischen
Ausgang angeschlossen sind und das der Auffangelektrode. benachbarte Ende der bifilaren
Wendel mit deren Wellenwiderstand ohmisch abgeschlossen ist.
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Fig. 1 zeigt die Ausführung eines Verstärkers gemäß der Erfindung,
und Fig. 2 zeigt als bevorzugte Ausführung einen Rückwärtswellenoszillator gemäß
der Erfindung.
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Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Verstärker
50 umschheßt der Glaskolben 51 die verschie>-denen Röhrenelemente.
Die am einen Ende des Kolbens angeordnete Ringkathode 52 erzeugt einen rohrförmigen
Elektronenstrahl, der zur Auffangeiektrode 53 am entgegengesetzten Röhrenende
verläuft. Der Wechselwirkungskreis besteht aus den Leitern 56 und
57, die so ineinandergewickelt sind, daß sie eine bifilare Wendel bilden,
die auf dem keramischen Träger 58 aufgewickelt ist und an beiden Enden durch
starre und gerade, durch den Kolben 51 hindurchführende Fortsetzungen der
Leiter 56 und 57 gehalten wird. Am Strahlanfang bilden die beiden
Leiter 56, 57 eine symmetrische Leitungsankopplung 61, 62 und ebenso
am Strahlende eine symmetrische Leitungsankopplung 63, 64.
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Eine zylindrische Elektrode 59 umgibt.konzentrisch den Wechselwirkungskreis
längs der inneren Oberfläche - des Kolbens 51. Diese Elektrode, trägt
zur Fokussierung des Elektronenstrahls bei und reduziert zugleich die Energieabstrahlung
des Wechselwirkungskreises. Die Elektrode 59 kann in einfacher Weise aus
einem geeigneten Widerstandsüberzug auf dem Kolben 51 bestehen. Zur Beschleunigung
des Strahls werden die beiden Leiter 56 und 57 auf verschiedenes positives
Gleichpotential in bezug auf die Kathode 52
gebracht, indem sie an getrennte
Abgriffe. der Spannungsquälle, 68 angeschlossen werden. Die Hochfrequenzdrosselspulen.
71 und 72 dienen zum Fernhalten der hochfrequenten Energie von der
Spannungsquelle, 68. Die Elektrode 59 wird auf einem Gleichpotential
gehalten, das zwischen den Gleichpotentialen der Leiter 56 und
57 liegt, indem sie an einem geeigneten Abgriff der Spannungsquelle
68 angeschlossen wird. Die Auffangelektrode 53 wird auf dem höheren
der Gleichpotentiale der Leiter 56 und 57 gehalten, um Störungen durch
Sekundärelektronenemission an der Auffangelektrode zu vermeiden. Durc h das Aufrechterhalten
einer 'Gleichspannung zwischen benachbarten Windungen der ineinandergewickelten
Leiter56 und 57 wird entlang der Bahn des Strahles eine Folge von Gebieten
mit eJektrostatischen Längs- und Querfeldern erzeugt, die jeweils ihre Richtung
in aufeinanderfolgenden Gebieten umkehren. Eine solche Folge von Gebieten elektrostatischer
Felder dient zusammen mit einem geeigneten, mit Hilfe der Elektrode 59 erzeugten
radialen Feld dazu, den Strahl zylindrisch zu halten und größere Querkomponenten
des Strahls zu verhindern. Diese Fokussierungsanordnung kann als eine Einrichtung
angesehen werden, bei der die zylindrische Elektrode. 59 eine Aquipotentialfläche
entlang der Bahn des Strahls definiert und die bifilare Wendel eine Fläche, deren
Gleichpotential sich periodisch mit der Länge ändert, wobei die Äquipotentialfläche
59
auf einem Gleichpotential in der Nlitte zwischen den Gleichpotentialen
der beiden Leiter 56 und 57 liegt.
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Gemäß einem anderen wichtigen Merkmal der Erfindung kann die durch
die beiden ineinandergewickelten Leiter gebildete bifilare Wendel als wendelförmig
gewickelte symmetrische Leitung be-
trieben werden, wobei unter einer symmetrischen
Leitung eine Zweidrahtleitung verstanden ist, bei der das hochfrequente Potential
an zwei gegenüberliegenden Punkten (gegenüber einem Bezugspegel) entge.gengesetzt
gleich ist. Die, Länge einer Windung jedes Leiters wird in bezug auf die Wellenlänge
auf der symmetrischen Leitung bei der Betriebsfrequenz verhältnismäßig kurz gemacht,
so daß das momentane hochfrequente Potential von einander gegenüberliegenden Punkten
benachbarter Windungen der beiden Leiter etwa um n in der Phase, verschieden ist.
Dementsprechend besteht zu einem gegebenen Zeitpunkt zwischen benachbarten Windungen
ein hochfrequentes elektrisches Längsfeld, dessen Richtung sich bei den aufeinanderfolgenden
Spalten zwischen benachbarten Windungen umkehrt. Dieses Kennzeichen macht diese,
Art von Wechselwirkungskreis für den räumlich harmonischen Betrieb geeignet.
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Der dargestellte Verstärker 50 eignet sich sowohl für Vorwärtswellen-
als auch für Rückwärtswellenbetrieb. Es sei zuerst der Fall betrachtet, daß die
zu verstärkende Eingangswelle dem Kopplungsanschluß 61, 62 für Vorwärtswellenbetrieb
zugeführt wird und die verstärkte Ausgangswelle am Kopplungsanschluß 63;
64 abgenommen wird. Wenn v die Phasengeschwindigkeit der Welle entlang der bifilaren
Wendel ist, die iin allgemeinen nahe bei der Lichtgeschwindigkeit liegt, ferner
co die Kreisfrequenz der Welle, d der Durchmesser der bifilaren Wendel und
p der axiale Abstand zwischen den beiden wendelförmigen Leitern, dann ist
die Phasenverzögerung 01, für den Abstand p in Richtung des Elektronenstrahls
gegeben durch
V sei die Phasengeschwindigkeit einer räumlich harmonischen Komponente des
Wendelfeldes. Dann ist
Wenn dem Elektronenstrahl eine Geschwindigkeit von nahezu Y verliehen wird, dann
tritt der Strahl
in Wechselwirkung mit dieser räumlich harmonischen
Komponente der Welle. Dementsprechend wird für den Verstärkerbetrieb in Vorwärtswellenform
die durch die Spannungsquelle 68 gelieferte Strahlbeschleunigungsspannung
so eingestellt, daß sie den Elektronen eine Geschwindigkeit verleiht,
die im wesentlichen gleich
ist. Für die Verstärkung in Rückwärtswellenforin werden die zu verstärkenden Eingangswellen
an den Kopplungsanschluß 63, 64 angelegt und die verstärkten Ausgangswellen
am Kopplungsanschluß 61, 62
abgenommen. In diesem Falle ist die, Phasenverzöge,
rung OB für den Abstand p in Richtung des Strahls gegeben durch
Für die Wechselwirkung soll daher die Geschwindigkeit der Elektronen eingestellt
werden zu etwa
Neben den Unterschieden in den Strahlgeschwindigkeiten für die Wechselwirkung unterscheiden
sich der Vorwärtswellenbetrieb und der Rückwärtswellenbetrieb noch in anderer Hinsicht.
Wenn zur Verstärkung der Betrieb in Rückwärtswellenform. durchgeführt wird, soll
die Elektronenstrahlintensität auf einen Wert eingestellt werden, der nicht ausreicht,
um RückwärtsweRenschwingungen der weiter unten beschriebenen Art zu erregen. Wenn
andererseits zur Verstärkung der Betrieb in Vorwärtswellenforrn durchgeführt wird,
wird - wie bekannt - vorzugsweise Dämpfungsmaterial entlang des Wechselwirkungskreises.
vorgesehen, um jede, Neigung zu Schwingungen der für die Vorwärtswellen-Wanderfeldröhren
kennzeichnenden Art zu vermeiden.
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Ferner ist wohl offensichtlich, daß Anordnungen vorgeschlagen werden
können, bei denen die Elektrode 59 im Inneren des von der bifilaren Wendel
umschlossenen Gebiets angebracht ist und der Elektronenstrahl im Raum zwischen dieser
Elektrode und der bifilaren Wendel verläuft. In einem solchen Falle kann die, bißlare,
Wendel durch dielektrische Stäbe ,gehalten werden, die sich axial längs der Röhre
erstrecken und am Umfang der bifilaren Wendel angebracht sind.
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Der in Fig. 2 dargestellte Rückwärtswellenoszillator 80 ähnelt
in mancher Beziehung dem in Fig. 1 gezeigten Verstärker. Für Rückwärtswellenoszillatoren
ist es jedoch bekanntlich kennzeichnend, daß der Wechselwirkungskreis am Strahlende
reffexionsfrei abgeschlossen ist, während die erzeugte Energie dem Wechselwirkungskreis
am Strahlanfang entnommen wird. Ein evakuierter Kolben 81 umgibt eine ringförmige
Kathode 82 zur Bildung eines rohrförmigen Elektronenstrahls sowie eineAuffangelektrode83,
auf der die Elektronen nach dem Durchlaufen der Röhre auftreffen. Innerhalb des
rohrförmigen Strahls erstreckt sich koaxial ein keranlischer Träger 84, auf dem
die Leiter 85 und 86 g gleichmäßig zu einer bifilaren Wendel aufgewickelt sind.
Der Träger 84 ist am Auffangelektrodenende durch den Stift 87 und am Kathodenende
durch die zwei geraden Teile der Leiter 85 und 86 gehalten. Die geraden
Teile der beiden Leiter 85 und 86 sind durch den Glaskolben
81 geführt und bilden einen symmetrischen Ausgangsanschluß 90, 91,
an dem die Schwingungsenergie entnommen werden kann. Am Auffangelektrodenende ist
die bifilare Wendel mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen durch einen Ohmschen
Widerstand 93,
der einen im wesentlichen reflexionsfreien Abschluß in einem
breiten Frequenzband ergibt. Der Widerstand 93 besteht vorzugsweise aus Dämpfungsmaterial,
das so auf dem keramischen Träger 84 verteilt ist, daß es eine große hochfrequente
Dämpfung ergibt, ohne einen Kurzschluß zwischen den Leitern 85 und
86 zu verursachen. Um einen breitbandigen Abschluß. zu erhalten, wird die
Dämpfungswirkung über mehrere Windungen hinweg allmählich vergrößert.
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Der Elektronenstrahl wird im wesentlichen in der gleichen Weise, wie
bei dem in Fig. 1 dargestellten Verstärker beschleunigt. Der Wechselwirkungskreis
85, 86 ist wiederum von einer zylindrischen Elektrode 97 umgeben,
welche mit Hilfe der Spannungsquelle 94 auf einem gegenüber der Kathode
82 positiven Potential gehalten wird. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls
werden die Leiter 85 und 86 (durch Verbindungen zu geeigneten Abgriffen
der Spannungsquelle 94 über die Hochfrequenzdrosseln 95 und 96)
auf
positivem und negativem Potential gegen die Elektrode 97 gehalten, so daß
eine Folge von Gebieten mit elektrostatischen Längs- und Querfeldern zwischen benachbarten
Windungen der beiden Leiter entsteht, deren Richtung sich in aufeinanderfolgenden
Gebieten umkehrt. Auf diese Weise, kann eine elektrostatische Fokussierung des rohrförmigen
Elektronenstrahls längs des Wechselwirkungskreises erreicht werden.
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Im Betrieb wird - wie an sich bekannt - der Strahlstrom
so groß gemacht, daß Schwingungen erregt werden. Die Frequenz der Schwingungen wird
in ebenfalls, bekannter Weise durch Regelung der Elektronengeschwindigkeit eingestellt.
Für zu erregende Schwingungen der Kreisfrequenz a) wird die Strahlbeschleunigungsspannung
so eingestellt, daß eine Strahlgeschwindigkeit von annähernd
entsteht, wobei p der axiale Abstand zwischen den beiden wendelförmigen Leitern,
d der Durchmesser der bifilaren Wendel und v die, Phasengeschwindigkeit einer
längs der bifilaren Wendel fortschreitenden Welle ist. Diese Bedingung für die Elektronengeschwindigkeit
ähnelt der Bedingung für den in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Rückwärtswellenverstärker.
Dementsprechend ist es beim Betrieb als Verstärker wichtig, den Strahlstrom so klein
zu machen, daß keine Schwingungen erregt werden.
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Ein derartiger Oszillator, der elektronisch abgestimmt werden kann,
ist zur Verwendung als Frequenzmodulator sehr geeignet. Zu diesem Zweck wird eine
Modulationsquelle, 98 in Reihe zwischen die
Kathode
82 und die negative Klemme der Spannungsquelle 94 geschaltet, um die auf
den Elektronenstrahl wirkende Beschleunigungsspannung zu modulieren. Durch eine
derartige Modulation der Beschleunigungsspannung und damit der Strahlgeschwindigkeit
durch Nachrichtensignale wird eine entsprechende Modulation der Schwingungsfrequenz
bewirkt.
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Wenn auch die beiden bifilar gewickelten Leiter als Drähte mit kreisförmigem
Querschnitt dargestellt sind, kann es doch bei manchen Anwendungen vorteilhaft sein,
band- oder streifenförmige Leiter zu verwenden.