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Laufzeitröhre mit Geschwindigkeitsmodulation, insbesondere Lauffeldröhre,
zur Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, insbesondere Millimeterwellen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Laufzeitröhre mit Geschwindigkeitsmodulation, insbesondere
Lauffeldröhre, zur Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, insbesondere Millimeterwellen,
mit einem Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung eines Elektronenhohlstrahls an dem
einen und einer Auffangelektrode an dem anderen Röhrenende, bei der der Elektronenstrahl
nacheinander einen der Geschwindigkeitsmodulation der Strahlelektronen mit den zu
verstärkenden Wellen dienenden Einkoppelteil, einen der Verstärkung dieser Wellen
dienenden Verstärkerteil und einen der Abnahme der verstärkten Wellen dienenden
Auskoppelteil durchläuft.
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Als Verstärkerröhre für Frequenzen oberhalb von 5000 MHz kommt erfahrungsgemäß
wohl ausschließlich die Lauffeldröhre in Frage: In mancher Hinsicht hat sich als
beste Konstruktion für das Gebiet um 5000 MHz dieLauffeldwendelröhre ergeben mit
einer solchen Wendelsteigung, daß die erforderliche Elektronengeschwindigkeit etwa
ein Zehntel bis ein Zwanzigstel der Lichtgeschwindigkeit beträgt.
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Es. sind Lauffeldwendelröhren mit lehrverschiedenartigen Wendelformen
bekanntgeworden. So ist unter anderem auch eine Lauffeldröhre mit einer Doppelwendel
zur Erhöhung des Kopplungsfaktors vorgeschlagen worden, die aus zwei untereinander
gleichen Wendeln besteht, die als wendelförmig aufgewickelte Paralleldraht-Doppelleitung
(Lecherleitung) aufzufassen sind; und deren Wendelwindungen mit derart unterschiedlichem
Abstand zueinander angeordnet sind, daß die zwischen den Wendelwindungen bestehenden
hochfrequenten elektrischen Wellenfelder sich sehr unterschiedlich ausbilden (deutsche
Patentschrift 1075 225). Eine solche Anordnung hat besondere Bedeutung für Elektronenröhren,
bei denen die Elektronenströmung und der Hochfrequenzenergiefluß in zueinander entgegengesetzter
Richtung verlaufen (Rückwärtswellenbetrieb).
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Wollte man nun durch Extrapolation allgemein die Konstruktion einer
für 5000 MHz ausgelegten Lauffeldwendelröhre für das Gebiet um 50 000 MHz verwenden,
so würde man sowohl für die Wendel als auch für den Elektronenstrahldurchmesser
derart kleine Abmessungen erhalten, daß die technische Herstellung solcher Röhren
mehr oder weniger in Frage gestellt wäre. Aber auch bei anderen Verzögerungsleitungen
für dieses Frequenzgebiet werden die Dimensionen .ebenfalls sehr klein bzw. die
Kopplung sehr schmalbandig, wenn man Verzögerungsleitungen mit ausgeprägten räumlich
Harmonischen (Hartree-Harmonischen) vorsieht.
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Eine Möglichkeit, Verzögerungsleitungen solch kleiner Dimensionen
zu vermeiden und gleichzeitig die schwierige Frage der Dämpfung einer solchen Leitung
zu umgehen, besteht in der Verwendung eines zweiten Elektronenstrahls an Stelle
der Verzögerungsleitung. Solche Zwei- oder Mehrstrahlröhren, sogenannte »Elektronenwellenröhren«,
sind bereits in verschiedenen Ausführungen bekanntgeworden. Auch ist bekannt, wie
man den Nachteil des erhöhten Strahlrauschens einer solchen Röhre durch räumliche
Trennung der einzelnen Elektronenstrahlen von der Hochfrequenzeinkoppelstelle beseitigen
kann.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist es nun, einen Kopplungsmechanismus
für die Kopplung einer elektromagnetischen Welle mit einem Elektronenstrahl zu finden,
der ausreichend breitbandig ist und der für die Herstellung der Systemteile keine
Schwierigkeiten hinsichtlich der Abmessungen bietet.
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Bei einer Laufzeitröhre mit Geschwindigkeitsmodulation, insbesondere
Lauffeldröhre, zur Verstärkung sehr kurzer elektrischer Wellen, insbeson, dcre Millimeterwellen,
mit einem Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung eines Elektronenhohlstrahls an dem
einen und einer Auffangelektrode an dem anderen
Röhrenende, bei
der der Elektronenstrahl nacheinander einen der Geschwindigkeitsmodulation der Strahlelektronen
mit den zu verstärkenden Wellen dienenden Einkoppelteil, einen der Verstärkung dieser
Wellen dienenden Verstärkerteil und einen der Abnahme der verstärkten Wellen dienenden
Auskoppelteil durchläuft, der Einkoppelteil aus einer koaxial zum Elektronenstrahl
angeordneten, wendelförmig aufgewickelten Päralleldrahtdöppelleitung (Lecherleitung)
besteht, deren- zwei Leiter in der gleichen Zylindermantelfläche liegen, und die
Gleichgeschwindigkeit der Strahlelektronen im Bereich des Einkoppelteils so gewählt
ist; daß sie gleich ist der in Richtung des Elektronenstrahls liegenden Komponente
der Phasengeschwindigkeit der längs dieser Lecherleitung fortschreitenden Wellen,
geschieht dies nach der Erfindung in der Weise, daß die den Einkoppelteil bildende
Lecherleitung aus nur einer Windung einer wendelförmig aufgewickelten Paralleldrahtdoppelleitung
besteht -und der Umfang dieser Windung in der Größenordnung von mindestens einer
Wellenlänge der zu verstärkenden Wellen liegt, daß des weiteren der auf diese Weise
geschwindigkeitsmodulierte Elektronenhohlstrahl vor dem Eintritt in den Verstärkerteil
zu einem dünnen Axialstrahl so konvergierend gebündelt wird, daß, vom Querschnitt
des am Einkoppelteil ankommenden Elektronenhohlstrahls ab gerechnet, die Weglängen
der einzelnen Elektronenbahnen unabhängig vom jeweiligen Modulationsort zumindest
im wesentlichen gleich sind, und daß schließlich dieser Axialstrahl nach dem Durchlaufen
des. Verstärkerteils zu einem beim Durchlaufen des Auskoppelteils wiederum großflächigen
Elektronenstrahl entbündelt wird.
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Das benutzte Kopplungsprinzip wird am einfachsten durch Betrachtung
der in Fig.1 wiedergegebenen schematischen Darstellung verstanden. Es handelt sich
dabei um eine Einkopplung nach Art eines Klystrons, mit dem Unterschied, daß die
ankommenden Elektronen 3 eines Strahlquerschnitts nicht gleichzeitig, sondern nacheinander
mit dem hochfrequenten elektrischen Feld in Wechselwirkung treten und so geschwindigkeitsmoduliert
werden. Im Gegensatz zum Klystron, bei dem infolge des Vorhandenseins eines Resonators
zwar sehr hohe elektrische Feldstärken im Koppelspalt erreicht werden, die Verstärkung
aber nur eine sehr geringe Bandbreite besitzt, wird beim Erfindungsgegenstand das
den Elektronenstrahl geschwindigkeitsmodulierende Hochfrequenzfeld durch eine längs
einer Lecherleitung laufende Welle erzeugt, wobei die- Lecherleitung aus nur einer
Windung einer wendelförmig. aufgewickelten Paralleldrahtdoppelleitu,ng besteht.
In der erwähnten Fig. 1 ist die Lecherleitung abgewickelt in Form von zwei Drähten
1 und 2 dargestellt, längs denen sich von links eintretend das Hochfrequenzfeld
in Form einer elektromagnetischen Welle mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Die
Lecherleitung ist in der Zeichenebene unter einem solchen Winkel gegen die Flugrichtung
der Elektronen 3 geneigt angebracht, daß die in Flugrichtung der Elektronen 3 liegende
Komponente der Phasengeschwindigkeit der längs der Lecherleitung fortschreitenden
Welle gleich ist der Gleichgeschwindigkeit der ankommenden Strahlelektronen 3: Die
Elektronen werden dann durch das elektrische Hochfrequenzfeld an entsprechende Stellen
derart beschleunigt oder verzögert, daß sich senkrecht zur Richtung des Elektronenflusses
Wellenfronten 4 ausbilden, längs denen gleiche Phasenverhältnisse herrschen. Die
Lecherleitung, die nur wegen des leichteren Verständnisses in Fig. 1 geradlinig
dargestellt ist, ist erfindungsgemäß zu einer einzigen Windung wendelförmig aufgewickelt,
und der Elektronenstrahl ist in Farm eines Hohlstrahls ganz dicht an dieser Lecherleitungswindung,
z. B. innerhalb derselben, vorbeigeführt (vgl. Fig. 2). Durch das wendelförmige
Aufwickeln wird eine relativ große Weglänge für die längs der Lecherleitung fortschreitenden
Hochfrequenzwellen und damit ein großer Wechselwirkungsbereich erzielt. Bei nicht
zu kleinem Wellenwiderstand der Lecherleitung (etwa 100 Ohm) können so mehrere Perioden
der fortschreitenden Hochfrequenzwelle nacheinander phasenrichtig geschwindigkeütsmodulierend
wirken. Im weiteren Verlauf des Hohlstrahls 5 sind elektronenoptische Mittel vorgesehen,
die den Hohlstrahl s zu einem dünnen Axialstrahl 6 konvergierend bündeln. Das Zusammenführen
und gleichzeitige Verdichten des Elektronenhohlstrahls 5 geschieht zweckmäßigerweise
an einer Stelle, wo die Geschwindigkeitsnmodulation sich erstmalig vollständig in
eine Dichtemodulation umgesetzt hat, d. h. also nach etwa einem Viertel der Plasmawellenlänge
ip, gerechnet von dem dem Hohlstrahle.rzeugungssystem nächstliegenden Modulationsort
der LecheAeitung 7.
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Zur Auskopplung läßt man den Elektronenstrahl, der sich (im Falle
einer Elektronenwellenröhre) noch mit einem weiteren Elektronenstrahl abweichender
Gleichgeschwindigkeit vereinigt haben kann, sich wieder erweitern (s. Fig. 3) und
z. B. durch eine Lecherleitung 9, die in Form eines Mäanders gebogen ist, hi;ndurchtreten.
Die über diese Leitung 9 ausgekoppelten verstärkten Wellen können dann mit Hilfe
eines Hohlleiters in bekannter Weise abgeführt werden.
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Eine erfindungsgemäße Laufzeitröhre in Form einer Elektronenwellenröhre
ist mit den wesentlichen Bestandteilen in Fig.4 rein schematisch dargestellt. Die
Elektronenkanone 11 erzeugt einen dünnen Hohlstrahl 5, der sehr dicht an der als
Einkoppelteil dienenden Lecherleitungswindung 12 vorbeigeführt wird. Nach einem
Weg von einem Viertel Plasmawellenlänge (vgl. Fig. 2) werden die Elektronen, in
der Hauptsache mit Hilfe des Streufeldes der Magnetspule 13, zu einem dünnen Axialstrahl
konvergierend gebündelt. Damit diese Bündelung in der gewünschten Weise erfolgt,
können weitere Elektroden 15 vorgesehen und auf entsprechende Gleichpotentiale gelegt
sein. Durch die gemeinsam wirkenden elektronenoptischen Mittel soll erreicht werden,
daß die Weglängen sämtlicher Elektronenbahnen des Elektronenhohlstrahls 5 (zumindest
im wesentlichen) exakt gleich sind. Zur Erreichung dieses Zieles kann -wie an sich
bekannt - zusätzlich noch eine (nicht dargestellte) quer zur Strohlachse angeordnete
und in radialer Richtung bewegliche Lochscheibe aus Weicheisen vorgesehen werden,
um gegebenenfalls den Verlauf des Magnetfeldes beeinflussen zu können. Der zu einem
Axialstrahl gebündelte Elektronenhohlstrahl 5 tritt dann mit einem von der Kathode
16 emittierten axialen Elektronenstrahl 17 in Wechselwirkung. Der Elektronenstrahl
17 verläuft anfangs innerhalb einerAbschirmung 18, so daß er vollständig
unbeeinflußt in den Wechselwirkungsabschnitt eintreten kann. Innerhalb des Wechselwirkungsabschnitts,
dem Verstärkerteil, erfolgt die Strahlführung durch
das von der
Magnetspule 13 gelieferte homogene Magnetfeld. Der den Wechselwirkungsabschnitt
verlassende Elektronenstrahl S wird dann infolge des Streufeldes der Magnetspule
13 derart erweitert, daß die dien Auskoppelteil bildende mäanderförmige Lecherleitung
9 (vgl. Fig. 3) von dem erweiterten Elektronenstrahl gut überstrichen werden kann.
An Stelle der mäanderförmig gebogenen Lecherleitung 9 kann auch der Auskoppelteil
aus einer Vielzahl von untereinander gleichen kurzen Wendelstücken bestehen, die
parallel geschaltet und ähnlich denBorsten einer Bürste so angeordnet sind, daß
sie von dem (den) großflächig entbündelten Elektronenstrahl(en) in axialer Richtung
durchsetzt werden.
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Die Elektronenstrahlen 5 und 17 werden von getrennten Elektronenkanonen
erzeugt, so daß Maßnahmen vorgesehen werden können, die geeignet sind, das Strahlrauschen
am Ort der Modulation bzw. der Vereinigung beider Strahlen klein zu halten.
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Der relativ große Querschnitt des Hohlstrahls 5 ermöglicht bei vorgegebener
Strahlstromstärke eine verhältnismäßig geringe Stromdichte; was sich für die Phasenfokussierung
sehr günstig auswirkt. Dadurch, daß der Hohlstrahl (nachdem die Phasenfokussierung
nach einem Viertel der Plasmawellenlänge ihren Maximalwert erreicht hat) auf einen
sehr kleinen Querschnitt zusammengedrängt wird, können auf kleinstem Raum sehr große
Hochfrequenzfelder erzeugt werden. Da kein frequenzbestimmendes Element verwendet
wird, ergibt sich eine breitbandige Ein- und Auskopplung.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Maßnahmen sind in ihrer Anwendung
keinesfalls auf das geschilderte Ausführungsbeispiel in Form einer Elektronenwellenröhre
beschränkt. Diese Maßnahmen können vielmehr bei Laufzeitröhren mit Geschwindigkeitsmodulation
überall dort eine vorteilhafte Anwendung finden, wo ganz allgemein das Problem vorliegt,
eine elektromagnetische Welle sehr hoher Frequenz mit einem Elektronenstrahl derart
zu koppeln, daß ein Energieaustausch (Wechselwirkung) erfolgt. Die erfindungsgemäßen
Maßnahmen können deshalb sowohl bei Laufzeitröhren nach Art eines Klystrons als
auch bei Laufzeitröhren nach Art einer Lauffeldröhre, insbesondere Wanderfeldröhre,
um einige Beispiele zu nennen, Anwendung finden.