DE1127497B - Elektronenstrahlroehre mit Geschwindigkeitsmodulation zur Verstaerkung sehr kurzer elektrischer Wellen - Google Patents
Elektronenstrahlroehre mit Geschwindigkeitsmodulation zur Verstaerkung sehr kurzer elektrischer WellenInfo
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- DE1127497B DE1127497B DEW23406A DEW0023406A DE1127497B DE 1127497 B DE1127497 B DE 1127497B DE W23406 A DEW23406 A DE W23406A DE W0023406 A DEW0023406 A DE W0023406A DE 1127497 B DE1127497 B DE 1127497B
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
kl. 21g 13/17
HOIj; H03f
W 23406 IXd/21g
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 12. A P R I L 1962
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)
■
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 2C0xCOS^ . (8) i i J
30 JvL jRc 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 Rp verbraucht wird, der 35 J 1 L(iμ L
(negativen) Wirkwiderstand Rp 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.
wird.
Beim Berechnen der Verstärkung Vg 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)
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.
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