DE1127497B - Elektronenstrahlroehre mit Geschwindigkeitsmodulation zur Verstaerkung sehr kurzer elektrischer Wellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21g 13/17

INTERNATIONALE KL.

HOIj; H03f

W 23406 IXd/21g

ANMELDETAG: 28. MAI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 12. A P R I L 1962

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlröhren mit Geschwindigkeitsmodulation zur Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, die nach dem Prinzip der parametrischen Verstärkung arbeiten.

Eine Verstärkeryorrichtung, die nach dem Prinzip der Änderung eines Parameters in einer Stromkreis masche arbeitet, um eine Verstärkung eines angelegten elektrischen Signals zu erzielen, ist bereits bekannt. Wird beispielsweise die Kapazität in einem Resonanzkreis, der bei einer Frequenz /„ in Resonanz ist, mit einer Frequenz von 2 /₀ verändert, dann stellt sich dem übrigen Teil der Schaltung bzw. des Systems ein frequenzabhängiger negativer Wirkwiderstand dar, dessen größter negativer Wert für die Frequenz /₀ auftritt. Wird dieser negative Widerstand bei einem Wert gehalten, der geringfügig kleiner ist als die Summe der positiven Wirkwiderstände im übrigen Teil der Schaltung, dann ist die Schaltung stabil und wird nicht selbst schwingen. Der Wert des negativen Wirkwiderstandes kann nun so eingestellt werden, daß der resultierend verbleibende positive Gesamtwirkwiderstand beliebig klein wird. Wird dann ein Signal mit der Trequenz /₀ in das System eingespeist, dann hat der kleine positive Gesamtwirkwiderstand des Systems große, durch das System fließende Signalströme zur Folge. Macht man die Last zu einem der positiven Wirkwiderstände des Systems, dann fließt in der Last ein wesentlich vergrößerter Signalstrom. Solch ein Verstärker hat von Natur aus einen sehr kleinen Rauschpegel und ist insbesondere dort nützlich, wo eine Signalverstärkung mit einem besonders kleinen Rauschanteil erwünscht ist. Im folgenden Teil der Beschreibung soll der Ausdruck »parametrische Verstärkung« die im vorgehenden beschriebene Verstärkungsart bezeichnen.

Im allgemeinen verstärken Elektronenröhren mit Geschwindigkeitsmodulation durch die Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit einer in einem Kreis in der Nachbarschaft des Strahls auftretenden Wellenenergie. Die Wechselwirkung zwischen der Wellenenergie und dem Strahl ergibt einen Energieaustausch, wobei einige der Elektronen verzögert und andere Elektronen beschleunigt werden, so daß sich als Folge davon eine Dichtemodulation der Elektronen in dem Strahl ergibt. Der dichtemodulierte Strahl steht dann in Wechselwirkung mit der Wellenenergie in dem genannten Kreis oder induziert Wellenenergie in einen anderen Kreis, um ein verstärktes Signal zu liefern, das dann zu weiterer Verwendung ausgekoppelt wird.

Elektronenstrahlröhre

mit Geschwindigkeitsmodulation

zur Verstärkung sehr kurzer

elektrischer Wellen

Anmelder: ίο Western Electric Company, Incorporated,

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

Vertreter: Dr.-Ing. K. Boehmert und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte, Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 20. Juni 1957 CNr. 666 812)

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Thomas James Bridges

und Rudolf Kompfner, Far Hüls, N. J. (V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden

Eine allgemein bekannte Röhrenart für Geschwindigkeitsmodulation verwendet einen ersten Hohlraumresonator, in den das zu verstärkende Signal eingekoppelt wird. Durch den Hohlraumresonator wird ein Elektronenstrahl hindurchgeleitet und durch die Wechselwirkung mit dem in einem schmalen Spalt innerhalb des Hohlraumresonators bestehenden hochfrequenten elektrischen Feld in seiner Geschwindigkeit moduliert. Der Strahl durchläuft hierauf einen hochfrequenzfeldfreien Laufraum, in dem sich die Geschwindigkeitsmodulation in Dichtemodulation umwandelt, läuft dann durch einen weiteren Spalt in einem zweiten Hohlraumresonator und gibt Hochfrequenzenergie an diesen Hohlraumresonator ab. Das aus dem zweiten Hohlraumresonator ausgekoppelte Signal ist ein wesentlich verstärktes Abbild des in den ersten Hohlraumresonator eingekoppelten Signals. Eine solche Vorrichtung liefert eine Verstärkung bei außerordentlich hohen Frequenzen und ist daher im Mikrowellengebiet gut brauchbar.

Geschwindigkeitsmodulierte Röhren der eben beschriebenen Art haben jedoch von Natur aus ein ziemlich starkes Rauschen, und man hat viel Mühe und Arbeit aufgewandt, um die Rauscheigenschaften dieser Röhren zu verringern, ohne dabei die Vor-

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teile einer hinreichend hohen Verstärkung bei hohen Induktivität des Hohlraumresonators mit der Fre-Frequenzen aufgeben zu müssen. quenz2/₀ ist äquivalent der Änderung eines Parameters Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine hohe eines Resonanzkreises mit der Frequenz 2/₀, also die Signalverstärkung in Elektronenstrahlröhren mit Ge- Voraussetzung für eine parametrische Verstärkung, schwindigkeitsmodulation zu erzielen, wobei gleich- 5 Im Anschluß daran durchläuft der Elektronenstrahl zeitig der Rauschanteil des verstärkten Signals zu den zweiten Wechselwirkungsspalt des auffangelektroeinem Minimum gemacht wird. Bei einer Elektronen- denseitigen Hohlraumresonators, der von dem ersten strahlröhre mit Geschwindigkeitsmodulation zur Ver- Spalt durch einen hochfrequenzfeldfreien Laufraum Stärkung sehr kurzer elektrischer Wellen mit einem getrennt ist. Der Abstand des zweiten Koppelspaltes Elektronenstrahlerzeugungssystem an dem einen und io von dem ersten Koppelspalt ist so groß, daß die einer Auffangelektrode an dem anderen Röhrenende, Wechselwirkung zwischen der hochfrequenten Spanbei der das zu verstärkende Signal einem dem Elek- nung der Frequenz /„ und dem (dichtemodulierten) tronenstrahl benachbarten Resonanzkreis zugeführt Elektronenstrahl im ersten Spalt am zweiten Spalt wird, der auf die Frequenz des zu verstärkenden einen Strom der Frequenz/₀ induziert, der in seiner Signals abgestimmt ist und an zwei in Strahlrichtung 15 Phasenlage gegenüber der Spannung am zweiten Spalt mit Abstand voneinander angeordneten Koppel- um 90° verschoben ist. Dies hat zur Folge, daß dem spalten mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung auffangelektrodenseitigen Hohlraumresonator eine steht, und das verstärkte Signal aus diesem Wechsel- Reaktanz parallel geschaltet ist, die sich mit der Wirkungskreis entnommen wird, wird dies erfindungs- Frequenz 2/₀ ändert. Dabei ist der Abstand zwischen gemäß dadurch erzielt, daß zwischen dem Elektronen- 20 den beiden Spalten vorzugsweise so gewählt, daß diese Strahlerzeugungssystem und dem genannten Wechsel- sich ändernde Reaktanz induktiv ist und daß schädwirkungskreis ein weiterer, dem Elektronenstrahl liehe oder nachteilige Einwirkungen einer Wirkbenachbarter und mit ihm in Wechselwirkung stehen- Widerstandsbelastung (die sich aus dem Durchgang der Kreis angeordnet ist, dem ein HÜfssignal zugeführt des Elektronenstrahls durch die Spalte ergeben) wird, dessen Frequenz größer ist als die Frequenz 25 beseitigt sind. Die durch das Strahlrauschen bedingten des zu verstärkenden Signals, und der den Elektronen- Rauschschwankungen der Frequenz/₀ werden dastrahl mit dieser Hilfssignalfrequenz derart moduliert, durch im verstärkten Signal ebenfalls effektiv bedaß der Elektronenstrahl beim Durchlaufen des ersten seitigt.

Koppelspaltes des erstgenannten Wechselwirkungs- In einer anderen beispielsweisen Ausführungsform kreises eine ausgeprägte Dichtemodulation in der 30 der Erfindung ist der strahlerzeugerseitige Hohlraum-Hilfssignalfrequenz aufweist, und daß der in Strahl- resonator durch eine Verzögerungsleitung, beispielsrichtung nachfolgende zweite Koppelspalt des erst- weise eine Wendel, ersetzt, an deren einem Ende der genannten Wechselwirkungskreises in einem solchen Hilfssignaleingang angeschlossen ist, während das Abstand vom genannten ersten Koppelspalt dieses andere Ende der Verzögerungsleitung im wesentlichen Kreises angeordnet ist, daß — bedingt durch die 35 reflexionsfrei abgeschlossen ist. Wechselwirkung des in der Dichte vormodulierten Die Erfindung und ihre oben angeführten sowie Elektronenstrahls mit dem in den erstgenannten weitere Merkmale werden aus der folgenden Beschrei-Wechselwirkungskreis eingekoppelten zu verstärken- bung in Verbindung mit den Figuren noch besser den Signal — parallel zum erstgenannten Wechsel- verstanden werden. Dabei zeigt Wirkungskreis ein Bündwiderstand zu liegen kommt, 40 Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung des Prinzips dessen Wert sich zwischen einem Maximal- und einem der parametrischen Verstärkung, Minimalwert entsprechend der Hilfssignalfrequenz Fig. 2 eine schematische Ansicht einer ersten beändert, und das in den erstgenannten Wechselwirkungs- vorzugten Ausführungsform der Erfindung, kreis eingekoppelte zu verstärkende Signal nach dem Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung einiger Prinparametrischen Prinzip verstärkt wird. 45 zipien, auf denen die Erfindung beruht,

In einer beispielsweisen Ausführungsform der Fig. 4 eine schematische Ansicht einer zweiten beErfindung bestehen die beiden Wechselwirkungskreise vorzugten Ausführungsform der Erfindung und der Elektronenröhre aus zwei Hohlraumresonatoren, Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren die durch einen hochfrequenzfeldfreien Lauf raum bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, voneinander getrennt sind. 5° In Fig. 1 ist zur Erläuterung der Erscheinung der

Der strahlerzeugerseitige Hohlraumresonator ist in parametrischen Verstärkung ein Resonanzkreis mit Resonanz bei einer Frequenz 2/₀, und es wird ihm einer Induktivität L₀, einer Kapazität C₀ und einem über den Hilfssignaleingang Wellenenergie der Fre- Wirkwiderstand R₀ dargestellt, der aus dem Lastquenz 2/₀ zugeführt. Der Elektronenstrahl, der durch widerstand Rl und dem Kreiswiderstand Rc besteht, einen kleinen Koppelspalt dieses Hohlraumresonators 55 die parallel geschaltet sind. Die Parameter L₀, C₀ und hindurchtritt, wird dadurch mit der Frequenz 2/₀ R₀ sind so gewählt, daß der Kreis eine Resonanzgeschwindigkeitsmoduliert. Hierauf läuft der so modu- frequenz /₀ aufweist. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung lierte Strahl durch den hochfrequenzfeldfreien Lauf- hat gemeinsame Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, raum, wo er dichtemoduliert wird, und durchläuft die aus einer Übertragungsleitung mit dem Wellendann den anderen, den auffangelektrodenseitigen 60 widerstand Rl bestehen. Sie wird von einem an-Hohlraumresonator. Dieser ist bei einer Frequenz /₀ gepaßten Generator mit der Leerlaufspannung Vs in Resonanz, und es wird ihm über eine Signaleingangs- gespeist. Die an dem Kondensator C₀ liegende Spanschaltung das zu verstärkende Signal der Frequenz/₀ nung hat den Wert zugeführt. Der Elektronenstrahl, der mit einer Frequenz If₀ dichtemoduliert ist, läuft durch den ersten 65 F = F₀ · sin a>t, (1) Wechselwirkungsspalt des auffangelektrodenseitigen

Hohlraumresonators und verändert dessen Induktivität wobei ω gleich 2π/₀ ist. Diese Spannung wird der

mit einer Frequenz von 2/₀. Diese Änderung der Schaltung über den Signaleingang zugeführt.

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Wird die Kapazität so geändert, daß ist, dann ist wegen _ Qy ™

worin q die Ladung auf dem Kondensator ist, der C = C₀[I + ε · sin(2 cot + ψ)] (2) strom durch die Kapazität

ist, wobei ε das Verhältnis der maximalen Änderung dt dt dt

Δ C (von C₀ nach C) zu C₀ und φ der Phasenwinkel woraus sich

Γ eel

/= O)F₀C₀ cos ω t + £-sin(3ft)i + φ) — —-sin(cui + φ) + -=- sin(3coi + φ)\

ergibt. Eliminiert man die harmonischen Ausdrücke, dann ergibt sich die Augenblicksleistung in der Kapazität zu

₌ IV = V₀- sin cot

NCoF₀C₀ coscoi — —-sin(coi + φ)\ L =

[1 ε ε

— sin2eui — -r-cosip — —cos(2 cot + <p)\ . (6)

Die mittlere Leistung in der Kapazität ist gegeben Da RLeimng = Rl und

durch j 21

•i'Mittel== -Tj IVd(Wt). (7) RAbschiuß Rc Rp

25 ist, wird daher

Kombiniert man die Gleichungen (6) und (7), so 111

ergibt sich Ίν7~~ΐν7~1ζ

ε ^g ϊ ϊ ΐ

Puma = -CuF₀ ²C_0xCOS^ . (8) i i J

30 JvL jR_c Aji

Aus Gleichung (8) sieht man, daß die mittlere Betrachtet man das Q = ω C₀R₀ des Kreises vor

Leistung durch einen negativen Ausdruck gegeben ist, dem Einführen der Reaktanzänderung, dann ist so daß man annehmen kann, daß sie durch einen
(negativen) Wirkwiderstand R_p verbraucht wird, der 35 J 1 L(iμ L

( _p (μ _L_\ η ς\

die Kapazität C₀ überbrückt, wie dies gestrichelt in Q ω C₀R₀ ω C₀ \ Rl R₀) Fig. 1 gezeigt ist. In diesem Fall ist

Aus Gleichung (10) folgt (cosip = 1)

-^-= -COF₀ ²C₀-Jc₀S₉, (9) _4o

und ._.

Daher wird:

Schwingungen treten in der Schaltung nach Fig. 1

45 „ _

auf, wenn Rp gleich —R₀ ist (Bedingung für Schwin- Q

gungseinsatz). Diese Bedingung· wird am besten er-

füllt, wenn cos ψ gleich 1 ist, so daß dann _J L _|_

^f

2 2 ^S0 =-^ f\ Λ—. (18)

CoC₀Jv₀ Q
wird.

Beim Berechnen der Verstärkung V_g soll die Aus Gleichung (18) erkennt man, daß dann, wenn ε

Schaltung nach Fig. 1 so angesehen werden, daß sie 55 ein Wert gegeben wird, der wenig kleiner ist als der gerade unter dem Schwingungseinsatzpunkt liegt. Aus Wert in Gleichung (11) (die Bedingung für Schwinder Theorie der Übertragungsleitungen ist bekannt, gungseinsatz), die Schaltung nach Fig. 1 stabil ist daß die Spannungsverstärkung in dem Kreis gleich und hohe Verstärkungsgrade zuläßt, dem Reflexionskoeffizienten Γ ist, daher wird In Fig. 2 ist schematisch eine Elektronenstrahl-

6o röhre 11 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Er-

_ „ _ RAbschiuß — RLeitung _ ^ findung dargestellt. An gegenüberliegenden Enden

³ — ^l — τ, , + RLeitung ^^ luftleergepumpten Kolbens 12, der beispiels

weise aus Glas oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, liegen eine Elektronenstrahlquelle 13 65 und eine Auffangelektrode 14. Die Elektronenstrahl-. (13) quelle 13 ist schematisch dargestellt und enthält im

allgemeinen eine Elektronen emittierende Kathode mit einer Heizvorrichtung und eine Elektrodenanordnung,

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um die Strahlstromstärke einzustellen und dem Strahl geleitet, wo er mit der Wellenenergie aus der Hilfsseine Form und seine Beschleunigung zu geben. Die signalquelle 41 in Wechselwirkung tritt. Diese Wechsel-Auffangelektrode 14 ist auf einem geeigneten Gleich- wirkung erzeugt eine Geschwindigkeitsmodulation des potential gehalten, das in bezug auf die Kathode der Elektronenstrahls entsprechend der Frequenz 2/₀. Elektronenstrahlquelle 13 positiv ist. Dies wird durch 5 Nach dem Austreten des Strahls aus dem Hohlraumgeeignete Anschlüsse an eine Gleichspannungsquelle, resonator 16 durchläuft der nunmehr geschwindigkeitsdie hier nicht dargestellt ist, erreicht. Im allgemeinen modulierte Strahl einen hochfrequenzfeldfreien Laufhat eine solche Röhre eine magnetische Fokussierungs- raum 24, in dem die Geschwindigkeitsmodulation in anordnung oder andere hier nicht dargestellte geeignete eine Dichtemodulation umgewandelt wird. Die Länge Mittel, um den Elektronenstrahl während des Durch- io des Laufraumes 24 ist derart bemessen, daß der Strahl laufens der Röhre gebündelt zu führen. An dem der beim Spalt 30 des Hohlraumresonators 23 zu einem Quelle 13 benachbarten Ende des langgestreckten Zeitpunkt einläuft, wenn seine Geschwindigkeits-Kolbens 12 ist ein Hohlraumresonator 16 angeordnet, modulation im wesentlichen vollständig in eine Dichteder vorzugsweise aus sehr gut leitendem Material be- modulation umgewandelt worden ist. Wenn der Strahl steht. Der Resonator 16 kann, wie in Fig. 2, ein Teil 15 an dem Spalt 30 vorbeiläuft, wird er durch die zu des Kolbens 12 sein, er kann aber auch außerhalb verstärkende Signalspannung der Frequenz /₀, die des Röhrenkolbens in an sich bekannter Weise an- von der Quelle 36 geliefert wird und an dem Spalt 30 geordnet sein. Der Resonator 16 weist einen hohl- liegt, neuerdings geschwindigkeitsmoduliert. Wenn der zylindrischen inneren Wandteil 17 auf, der koaxial Strahl nunmehr durch den Laufraumzylinder 28 läuft, mit dem Elektronenstrahl liegt. In den senkrecht zur 20 werden die Geschwindigkeitsmodulationen vom Strahlrichtung liegenden Wandteilen des Hohlraum- Spalt 30 in Dichtemodulationen umgewandelt, und resonators 16 befinden sich Öffnungen 18, so daß der wenn der Strahl an dem Spalt 35 vorbeiläuft, indu-Elektronenstrahl den Hohlraumresonator durchlaufen zieren diese Dichtemodulationen in dem Spalt 35 kann. Das rechte Ende des Wandteils 17 bildet mit einen Strom entsprechend der Geschwindigkeitsdem benachbarten senkrechten Wandten des Hohlraum- 25 modulation, die dem Strahl durch die Hochfrequenzresonators einen Spalt 22, an dem der Elektronen- spannung der Frequenz /₀ am Spalt 30 aufgedrückt strahl vorbeilaufen muß. Strahlabwärts, vom Hohl- wurde, d. h. also entsprechend der zu verstärkenden raumresonator 16 aus gesehen, ist ein zweiter Hohl- Signalspannung. Das Verhältnis dieser modulierenden raumresonator 23 angeordnet, der wie der Hohlraum- Spannung der Frequenz /₀ zu dem induzierten Strom resonator 16 ein Teil des leergepumpten Kolbens 12 30 der Frequenz /₀ kann als eine Impedanz angesehen ist, aber auch außerhalb des Kolbens 12 angeordnet werden, die parallel zum Hohlraumresonator 23 liegt, sein kann. wobei sich diese Impedanz (entsprechend der Dichte-

Der Hohlraumresonator 23 ist von dem Hohlraum- modulation am Spalt 30) mit einer Frequenz 2/„ resonator 16 durch einen Teil 24 des luftleer- ändert. Dies entspricht, wie weiter oben ausgeführt gepumptenKolbensl2 getrennt, der einenhochfrequenz- 35 wurde, der Bedingung zur Erzeugung einer parafeldfreien Laufraum darstellt, dessen Funktion weiter metrischen Verstärkung.

unten näher erläutert wird. Der Hohlraumresonator 23 Für ein besseres Verständnis, warum die Impedanz

weist zwischen den inneren Wandteilen 26, 27 und 28 sich mit der Frequenz 2/₀ ändert, sei auf Fig. 3 verzwei schmale Spalte 30 und 35 auf, an denen der wiesen. Fig. 3 zeigt das Verhältnis der hochfrequenten Elektronenstrahl vorbeilaufen muß. Es ist jedoch 40 Felder, die sich aus der Signalspannung am Spalt 30 klar, daß die Hohlraumresonatoren 16 und 23 auch ergeben, zu den Elektronenanhäufungen des mit der eine andere geometrische Form haben können und Frequenz 2/₀ modulierten Strahls. Die Kurve 45 daß die hier gezeigte Form lediglich eine zweck- stellt die zu der Signalfrequenz /„ gehörende Spanmäßige Ausführungsform darstellt. nung am Spalt 30 dar, während die Kurve 46 den Dem Hohlraumresonator 23 wird das zu verstär- 45 Elektronenstrahl darstellt, der eine Dichtemodulation kende Signal, das eine Mittenfrequenz /₀ haben entsprechend der Frequenz 2/₀ aufweist. Die positiven möge, über eine Einkoppelvorrichtung 34 zugeführt. Amplituden der Kurve 46 stellen die Bereiche des Die Koppelvorrichtung 34 ist mit der Signalquelle 36 Elektronenstrahls mit hoher Elektronendichte (d. h. über eine Koaxialleitung oder über eine andere mit Elektronenzusammenhallungen) dar, während die geeignete Hochfrequenzübertragungsleitung verbun- 50 negativen Amplituden der Kurve 46 die Bereiche den. Der Hohlraumresonator 23 hat in gleicher Weise geringer Elektronendichte (d. h. Elektronenverdüneine Auskoppelvorrichtung 37, über die das ver- nungen) darstellen. Man sieht aus Fig. 3, daß dann, stärkte Signal aus dem Hohlraumresonator 23 aus- wenn das Hochfrequenzfeld bzw. die Hochfrequenzgekoppelt und der Last 38 über eine geeignete Über- spannung am Spalt 30 den bei A in Kurve 45 dartragungsleitung zugeführt wird. 55 gestellten Wert hat, diese Spannung mit einem Strahl-Um in der Röhre 11 Signale gemäß den Prinzipien bereich hoher Elektronendichte in Wechselwirkung einer parametrischen Verstärkung zu verstärken, ist steht und diesen entsprechend in der Geschwindigkeit es notwendig, einen der Parameter des Hohlraum- moduliert. Dieser so modulierte Teil des Strahls inresonators 23 derart zu verändern, daß sich eine Ver- duziert nach Durchlaufen des Laufraumzylinders 28 Stärkung ergibt, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 60 einen starken Strom am Spalt 35. Bei geeigneter Wahl erläutert wurde. Zu diesem Zweck wird dem Hohl- der Länge des Laufraumzylinders 28 weist dieser raumresonator 16 über eine Einkoppelvomchtung 39 Strom eine Phasenverschiebung von ungefähr 90° Wellenenergie einer Frequenz von beispielsweise 2/₀ gegen die Hochfrequenzspannung am Spalt 35 auf, von einer Hilfssignalquelle 41 zugeführt, die mit der wobei diese Spannung in einer festen Beziehung zur Einkoppelvomchtung 39 über eine geeignete Über- 65 Phase und Amplitude der Hochfrequenzspannung tragungsleitung verbunden ist. am Spalt 30 steht, wodurch dem Hohlraumresonator Beim Betrieb der Röhre wird der Elektronenstrahl effektiv ein reiner Blindwiderstand parallel geschaltet an dem Spalt 22 des Hohlraumresonators 16 vorbei- wird. — Hat die Hochfrequenzspannung am Spalt 30

den bei B in Kurve 45 angegebenen Wert, dann steht entspricht. Sind die Rauschströme gegenphasig, dann sie in Wechselwirkung mit einem Strahlbereich mit ergibt sich eine im wesentlichen vollständige Beseitikleiner Elektronendichte, so daß sie im Vergleich zu gung des Strahlrauschens der Frequenz /₀ am Ausvorher nur eine geringe Einwirkung auf den Strahl gang des Hohlraumresonators 23, während sich ein ausüben kann. Läuft dieser Teil des Strahles durch 5 großer Rauschanteil am Ausgang des Hohlraumden Spalt 35, so wird nur wenig Strom induziert, und resonators 23 ergibt, wenn die Rauschströme in den der effektiv parallel geschaltete Blindwiderstand ist beiden Spalten in Phase sind. Aus diesem Grund wird wesentlich verringert. — Hat die Hochfrequenz- die Länge des Laufraumzylinders 28 vorzugsweise so spannung an dem Spalt 30 den bei C auf der Kurve 45 gewählt, daß ein reiner induktiver Bündwiderstand dargestellten Wert, dann steht diese Spannung wieder- io dem Hohlraumresonator 23 parallel liegt, d. h., die um in Wechselwirkung mit einem Strahlbereich mit Länge zwischen den Mitten der Spalte 30 und 35 wird hoher Elektronendichte, so daß dieser Strahlteil einen gleich w+Vä Wellenlängen der Frequenz/₀ gewählt, großen Strom am Spalt 35 induziert. Da jedoch die Außer der Beseitigung des Rauschens im Ausgangs-Hochfrequenzspannung im Spalt 30 und der indu- signal werden dann auch die störenden Wirkungen zierte Strom im Spalt 35 zwar gleiche Amplitude, 15 auf Grund der Strahlbelastung der Spalte (d. h. der aber jeweils entgegengesetzte Richtung haben im Ver- Wirkungen, die sich dadurch ergeben, daß der Strahl gleich mit Punkt A, so ergibt sich hierfür wieder ein durch Spalte endlicher Breite läuft) wesentlich vermaximaler reiner Blindwiderstand parallel zum Hohl- ringert, da die Ströme in den beiden Spalten gegenraumresonator 23, wobei sich durch die gleichzeitige phasig sind und sich daher aufzuheben suchen. Umkehr der Polarität von Spannung und Strom keine ao Sowohl hinsichtlich der Beseitigung des Rauschens Änderung im Vorzeichen des Blindwiderstandes er- als auch hinsichtlich der Verringerung des genannten gibt. — Am Punkt D ergibt sich wieder, wie beim Belastungseffektes erreicht man allerdings keine voll-Punkt B, ein kleiner Blindwiderstand und am Punkt E ständige Beseitigung dieser Störungen für andere wie an den Punkten A und C ein großer Blindwiderstand. Frequenzen als /₀. Es ergibt sich jedoch immer noch Man sieht daher, daß dann, wenn die Hochfrequenz- 25 eine wesentlich größere Rauschbefreiung, als man bisher spannung am Spalt 30 eine Frequenz /₀ hat und der bei Röhren mit Geschwindigkeitsmodulation für mögam Spalt 30 ankommende Strahl mit einer Frequenz 2/₀ lieh hielt.

dichtemoduliert ist, dem Hohlraumresonator 23 ein In der Röhre nach Fig. 2 wird der Elektronenstrahl Blindwiderstand parallel liegt, der zwischen einem dadurch vormoduliert, daß er durch einen Hohlraum-Maximum und einem Minimum mit einer Frequenz 30 resonator 16 läuft, in dem Wellenenergie mit einer von 2/0 variiert, was, wie bereits früher erläutert, eine Frequenz vorhanden ist, die vorzugsweise der doppelten Voraussetzung für eine parametrische Verstärkung ist. Frequenz des zu verstärkenden Signals entspricht.

Für eine maximale Verstärkung ist es notwendig, Nach dem Austreten aus dem Hohlraumresonator 16 daß ein Strahlteil mit maximaler Elektronendichte am durchläuft der Strahl den Laufraumzylinder 24 und Spalt 30 zu einem Zeitpunkt ankommt, wenn die 35 wird dadurch dichtemoduliert. Wie bereits oben aus-Hochfrequenzspannung an diesem Spalt ein Maximum geführt wurde, ist die Länge des Laufraumes vorzugsist. Diese optimale Phasenbeziehung ist durch die weise so gewählt, daß der Strahl im wesentlichen voll-Kurve 47 in Fig. 3 dargestellt. Außerdem ist die ständig dichtemoduliert ist, wenn er den Spalt 30 im Phasenbeziehung dargestellt, die die geringste Ver- Hohlraumresonator 23 erreicht. Daher ergibt sich, änderung des dem Hohlraumresonator parallel ge- 40 daß die Länge des Laufraumzylinders 24 ziemlich schalteten Blindwiderstandes ergibt, also auch die kritisch ist. Außerdem sind die Hohlraumresonatoren geringste Verstärkung, und zwar durch die Kurve 48 16 und 23 bei ausgesuchten Frequenzen (2/₀ und /₀) in Fig. 3. Um die optimale Phasenbeziehung zu er- in Resonanz, und beide Resonatoren sind ausgereichen, ist an der Hilfssignalquelle 41 (Fig. 2) ein sprachen schmalbandig, so daß eine sorgfältige AnKnopf 49 dargestellt, mit dem die Phase der dem 45 passung der Hohlraumresonatoren erforderlich ist. Hohlraumresonator 16 zugeführten Hilfssignalspan- In Fig. 4 ist eine zweite bevorzugte Ausführungs-

nung verändert werden kann. Durch Messen des form der Erfindung dargestellt, in der die Notwendig-Ausgangssignals an der Last 38 kann das maximale keit einer genauen Bestimmung der Abmessungen des Ausgangssignal durch Drehen des Knopfes 49 er- Laufraumzylinders 24 der Fig. 2 und der Anpassung reicht werden. Dann herrscht die durch Kurve 47 50 der Hohlraumresonatoren umgangen ist. Der Einfachin Fig. 3 dargestellte optimale Phasenbeziehung vor. heit halber sind die Elemente der Anordnung nach

Aus vorstehendem ergibt sich, daß die Länge des Fig. 4, die die gleichen wie in der Anordnung nach Laufraumzylinders 28 die Art des dem Hohlraum- Fig. 2 sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, resonator 23 parallel geschalteten Bündwiderstandes Die Röhre 51 der Fig. 4 weist wieder einen langbestimmt. Ist der Abstand zwischen den Mitten der 55 gestreckten, luftleergepumpten Kolben 12 mit einem Spalte 30 und 35 so groß gewählt, daß die Laufzeit Hohlraumresonator 23, der einen Teil dieses Kolbens » + V2 Wellenlängen der Frequenz/₀ entspricht, wo- bildet, ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 13 und bei η eine beüebige positive ganze Zahl ist, dann ist eine Auffangelektrode 14 auf. Wie bereits im vorherder parallel geschaltete Blindwiderstand ein reiner gehenden ausgeführt, ist es für eine parametrische positiver (induktiver) Bündwiderstand, während er zu 60 Verstärkung notwendig, den Strahl mit einer Frequenz einem reinen negativen (kapazitiven) Bündwiderstand zu moduÜeren, die größer ist als die zu verstärkende wird, wenn die Laufzeit n+1 Wellenlängen der Fre- Frequenz. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Kolbens quenz /₀ entspricht. Eine Strahlstrommodulation der 12 zwischen dem Elektronenstrahlerzeugungssystem 13 Frequenz /₀ jedoch, wie z. B. das Strahlrauschen bei und dem Hohlraumresonator 23 eine langgestreckte dieser Frequenz, üegt an den beiden Spalten 30 und 35 65 leitende Wendel 52 angeordnet, um eine elektroin Gegenphase, wenn die Laufzeitn+¹I₂ Wellenlängen magnetische Welle fortzuleiten, die mit dem Elektronender Frequenz /₀ entspricht, während sie in Phase üegt, strahl in bekannter Weise nach dem Wanderfeldwenn die Laufzeit n+l Wellenlängen der Frequenz /₀ röhrenprinzip in Wechselwirkung steht. Ein den Strahl

modulierendes Hilfssignal wird der Wendel 52 von einer Hilfssignalquelle 41 über eine geeignete Übertragungsleitung und eine Einkoppelwendel 53 zugeführt. Es ist klar, daß statt der Einkoppelwendel 53 auch andere Einkoppelvorrichtungen bekannter Art verwendet werden können und daß die hier gezeigte Anordnung nur als Ausführungsbeispiel dient Ist die Hilfssignalwelle auf die Wendel 52 eingespeist, so wandert sie längs dieser Wendel und steht in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl, um eine Dichtemodulation des Strahls in üblicher Weise zu erzeugen. Am strahlabwärts gelegenen Ende der Wendel 52 ist die Wendel durch einen geeigneten Wirkwiderstandsabschluß 54 im" wesentlichen reflexionsfrei abgeschlossen. - Ϊ5

In einem Artikel ■ von R. W. Gould in »IRE Transactions on Electron Devices«, Bd. ED-2, Nr. 4, Oktober 1955, S. 37 ff., ist auf S. 40 eine Diskussion des mit Kompfner^-Einsattelung "bezeichneten ZuStandes gegeben, womit der Ärbeitspunkt einer ao Wanderfeldröhre gemeint· ist, bei der sich kein Hochfrequenzausgangssignal·" ergibt; die gesamte Energie liegt dann in Form einer" Strahlmodulation vor. Im Fall der Röhre nach Fig. 4, bei dereine Vorwärtswellenwechselwirkung .verwendet wird, können die Strahlspannüng, dieSfrahlstromstärke und die Länge der Wendel 52 so gewählt werden, daß der. Zustand der Kompfner-Einsattelung.· eintritt, · d. ix., daß. im wesentlichen die gesamte eirigekoppelte Hochfrequenzenergie der Frequenz f₀ in Strahlenergie umgewandelt wird. Diese Art der Strahlmödulation beseitigt bei der Röhre der Fig. 4,. die von Natur aus eine Breitbandröhre ist, die Notwendigkeit,- Resonanzvorrichtungensorgfältig .anzupassen; das einzig kritische Bauelement ist dann, der Hohlraumresonator 23.

Die Röhre nach "Fig. 4 ist günstig für Breitbandbetrieb. Da ein reiner schneller Wellentyp verwendet wird, wie dies in -dem vorgenannten Artikel von GouM auseinandergesetzt ist, zerfallen die Elektronenzusammenballungen "des Strahls nicht mit zunehmendem Abstand von der Einkoppelstelle, so daß hinsichtlich, der Lage: des Hohlraumresonators 23 ein großer Spielraum besteht. Es sind jedoch große Leistungen notwendig, um den Strahl in richtiger Weise zu modulieren. ■ ■.

In Fig. 5 ist eine- Strahlmodulationseinrichtung gezeigt, die nur kleine Leistungen benötigt, wobei die Breitbandeigenschaften der Röhre nach Fig. 4 erhalten bleiben. Der Einfachheit halber ist nur der Modulationsteil-der. Röhre dargestellt, während der übrige Teil der Röhre gleichartig aufgebaut ist und in der gleichen Weise arbeitet wie der entsprechende Teil in den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 4.

In der Röhre nafeh Fig. 5 wird Wellenenergie der Frequenz 2/₀ von- einer Hilfssignalquelle 41 in eine Wendel 62 über ein geeignetes Eingangskoppelelement 63 eingespeist, das·· am strahlabwärtigen Ende der Wendel 62 liegt. Dabei wandert die Wellenenergie entgegen der Richtung des Elektronenstrahls nach dem strahlaufwärts gelegenen Ende der Wendel 62, das durch einen geeigneten Wirkwiderstand 64 im wesentlichen reflexiorisfrei abgeschlossen ist. Eine solche Anordnung ergibt eine Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer rückwärts laufenden Komponente der auf der Wendel 62 fortschreitenden Welle,»- wie dies allgemein bekannt ist. Bei geeigneter Wahl der Länge der Wendel 62 ergibt sich eine Bedingürtg',;4ie derobenerwähnten Kompfnerbedingung äquivalent ist, und es wird ein im wesentlichen reiner, langsamer Wellentyp angeregt. Wird dieser Zustand erreicht, dann wird Energie aus dem Strahl entnommen, um Elektronenzusammenballungen im Strahl zu erzeugen, im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 4, wo Energie dem Strahl zugeführt wird, ■um die Elektronenzusammenballungen zu erzeugen: Daher ergeben hier bereits außerordentlich kleine Beträge voii Hochfrequenzleistung der Frequenz 2/₀, die-dem Eingang der Modulationseinrichtüng zugeführt werden, den gleichen Grad von Strahlmodulation wie die hohen Energiebeträge, die dem Eingang der Modulationseinrichtung der Röhre nach Fig. 4 zugeführt werden.

Claims (10)

"'' " . PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronenstrahlröhre mit Geschwindigkeitsmodulation zur Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem an dem einen und einer Auffangelektrode an dem anderen Röhrenende, bei der

■ das zu verstärkende Signal einem dem Elektronen- - strahl benachbarten Resonanzkreis zugeführt wird, der auf die Frequenz des zu verstärkenden Signals abgestimmt ist und an zwei in Strahlrichtung mit

. Abstand voneinander angeordneten Koppelspalten mit dem Elektronenstrahl in' Wechselwirkung steht, und das verstärkte Signal aus diesem Wechselwirkungskreis entnommen wird, dadurch

■ gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektronen-Strahlerzeugungssystem und dem genannten Wechselwirkungskreis ein weiterer, dem Elektronenstrahl benachbarter und mit ihm in Wechselwirkung stehender Kreis angeordnet ist, dem ein Hilfssignal zugeführt wird, dessen Frequenz größer ist als die Frequenz des zu verstärkenden Signals,

- und der den Elektronenstrahl mit dieser Hilfssignalfrequenz derart moduliert, daß der Elek-

' tronenstrahl beim Durchlaufen des ersten Koppelspaltes des erstgenannten Wechselwirkungskreises eine ausgeprägte Dichtemodulation in der Hilfssignaifrequenz aufweist, und daß der in Strahlrichtung nachfolgende zweite Koppelspalt des erstgenannten Wechselwirkungskreises in einemsolchen Abstand vom genannten ersten Koppelspalt dieses Kreises angeordnet ist, daß — bedingt durch die Wechselwirkung des in der Dichte vormodulierten Elektronenstrahls mit dem in den erstgenannten Wechselwirkungskreis eingekoppel-

■ ten zu verstärkenden Signal — parallel zum erstgenannten Wechselwirkungskreis ein Blindwiderstand zu liegen kommt, dessen Wert sich zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert entsprechend der Hilfssignalfrequenz ändert, und das in den erstgenannten Wechselwirkungskreis eingekoppelte zu verstärkende Signal nach dem parametrischen Prinzip verstärkt wird.

2. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssignalfrequenz gleich der doppelten Frequenz des zu verstärkenden Signals ist und als weiterer Wechselwirkungskreis ein auf die doppelte Frequenz des zu verstärkenden Signals abgestimmter Resonanzkreis dient.

3. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 2, Ok* durch gekennzeichnet, daß zwischen dem erstgenannten Wechselwirkungskreis (Resonanzkreis) ünddem weiteren WechselwirkungskreiS (Resonanz-

kreis) ein langgestreckter hochfrequenzfeldfreier Laufraum liegt.

4. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssignalfrequenz gleich der doppelten Frequenz des zu verstärkenden Signals ist und als weiterer Wechselwirkungskreis ein langgestreckter Wellenübertragungskreis (Verzögerungsleitung) dient, der derart bemessen ist, daß zwischen dem Elektronenstrahl und der auf dem Wellenübertragungskreis fortschreitenden Hilfssignalwelle eine Wechselwirkung nach dem Wanderfeldröhrenprinzip erfolgt, und daß die Mittel zum Einspeisen der Hilfssignalenergie in den Wellenübertragungskreis an dessen einem Ende und ein im wesentlichen reflexionsfreier Abschluß an dessen anderem Ende vorgesehen sind.

5. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssignalenergie am strahlaufwärts gelegenen Ende des Wellen-Übertragungskreises in diesen eingespeist wird und der reflexionsfreie Abschluß sich am strahlabwärts gelegenen Ende des Wellenübertragungskreises befindet (Fig. 4). -

6. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssignalenergie am strahlabwärts gelegenen Ende des Wellenübertragungskreises in diesen eingespeist wird und der reflexionsfreie Abschluß sich am strahlaufwärts gelegenen Ende des Wellenübertragungskreises befindet (Fig. 5).

7. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte Wechselwirkungskreis als ein den Elektronenstrahl koaxial umgebender Hohlraumresonator ausgebildet ist.

8. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Spalt des erstgenannten Wechselwirkungskreises (Hohlraumresonators) durch einen hochfrequenzfeldfreien Laufraum voneinander getrennt sind.

9. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spalt von dem ersten Spalt einen solchen Abstand besitzt, daß im Betrieb die Elektronenlaufzeit zwischen den beiden Spalten η + Va Wellenlängen der Frequenz des zu verstärkenden Signals entspricht, wobei η eine positive ganze Zahl ist.

10. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wechselwirkungskreis ebenfalls als ein den Elektronenstrahl koaxial umgebender Hohlraumresonator ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 S59/432 4.