-
Lauffeldröhre für sehr kurze Wellen, insbesondere Millimeterwellen
Die Erfindung betrifft eine Lauffeldröhre für sehr kurze Wellen, insbesondere Millimeterwellen,
mit dem Elektronenstrahlerzeugungssystem am einen und dem Auffangelektrodensystem
am anderen Röhrenende und mit mehreren, untereinander gleichen, parallel zur und
symmetrisch um die Röhrenachse angeordneten Verzögerungsleitungen periodischer Struktur,
die dadurch gebildet sind, daß in der Mantelfläche eines kreisrunden metallischen
Zylinders eine der Zahl der Verzögerungsleitungen entsprechende Anzahl von parallel
zur Zylinderachse verlaufenden, symmetrisch über den Zylinderumfang verteilten Längsnuten
vorgesehen ist, deren Querschnittsform dem lichten Querschnitt eines einseitig mit
einem Längssteg kapazitiv belasteten Rechteckhohlleiters entspricht, und der so
genutete metallische Zylinder derart mit Draht umwickelt ist, daß die einzelnen
Drahtwindungen wenigstens annähernd den gleichen Abstand voneinander haben und der
Draht zu den Längsnuten jeweils nahezu senkrecht verläuft (Längssteghohlleiter mit
Karp-Struktur), und bei der längs der Verzögerungsleitungen entweder ein den Zylinder
mit den Verzögerungsleitungen koaxial umschließender Elektronenhohlstrahl oder eine
der Zahl der Verzögerungsleitungen entsprechende Anzahl von Einzelelektronenstrahlen
gebündelt geführt ist.
-
Bei Lauffeldröhren wird die Sättigungsleistung durch die Kleinheit
des effektiven Wechselwirkungsraumes beschränkt. Bei sehr kleinen Wellenlängen,
wie z. B. bei Millimeterwellen, »klebt« die verzögerte Welle an der Leitung, wobei
eine Wechselwirkung nur in unmittelbarer Nähe der Leitung möglich ist. Der theoretisch
erreichbare VerstärkungsparameterC wird durch folgende Gleichung bestimmt:
Bei konstanter Gruppengeschwindigkeit vg muß für konstantes C die Strahlstromdichte
1o mit abnehmender Betriebswellenlänge Ao umgekehrt proportional zu 2.o2 ansteigen.
Da bei sehr kurzen Wellen der Wechselwirkungsraum sehr klein ist, müssen sehr hohe
Strahlstromdichten erreicht werden. Eine hohe Strahlstromdichte ist z. B. durch
erhöhte Kathodenbelastung oder durch Verdichten des Strahlstromes erreichbar. Diese
bekannten Maßnahmen reichen aber zur Erhöhung der Sättigungsleistung bei Millimeterwellenverstärkung
bzw. -erzeugung nicht aus, um eine für die industrielle Technik genügend große Ausgangsleistung
zu erreichen. Um die Sättigungsleistung bei Lauffeldröhren für sehr kurze Wellen
zu erhöhen, ist es auch bereits bekannt, mehrere voneinander unabhängige Verzögerungsleitungen
parallel zu betreiben und sie parallel zur und symmetrisch um die Achse des Entladungssystems
(Röhrenachse) anzuordnen.
-
Außerdem sind schon sogenannte »Karp-Leitungen« bekannt, die im wesentlichen
einseitig mit einem Längssteg kapazitiv belastete Rechteckhohlleiter darstellen,
deren dem Längssteg gegenüberliegende Hohlleiterwand mit Querschlitzen versehen
ist. Die Querschlitze besitzen gleiche Schlitzbreite und gleiche Abstände voneinander
und verlaufen wenigstens annähernd senkrecht zum Längssteg. Die Karp-Leitung kann
für Vorwärts- oder Rückwärtswellenverstärkung verwendet werden. Eine bekannte Maßnahme,
Karp-Leitungen herzustellen, besteht darin, in der Mantelfläche eines kreisrunden
metallischen Zylinders eine parallel zur Zylinderachse verlaufende Längsnut vorzusehen,
deren Querschnittsform dem lichten Querschnitt eines einseitig mit einem Längssteg
kapazitiv belasteten Rechteckhohlleiters entspricht, und den so genuteten metallischen
Zylinder mit Draht zu bewickeln. Die Bewicklung wird dabei so vorgenommen, daß die
einzelnen Drahtwindungen wenigstens annähernd den gleichen Abstand voneinander haben
und der Draht zu der Längsnut jeweils nahezu senkrecht verläuft.
-
Bei einer Lauffeldröhre der eingangs beschriebenen Art, bei der die
Sättigungsleistung durch die Parallelschaltung der Verzögerungsleitungen mit Karp-Struktur
wesentlich erhöht ist, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß im Innern des
drahtumwickelten Zylinders längs und koaxial zur Zylinderachse eine weitere Verzögerungsleitung
vorgesehen ist (zentrale Verzögerungsleitung), die mit einem längs derselben gebündelt
geführten Elektronenstrahl
in Wechselwirkung steht (zentraler Elektronenstrahl),
und daß die Längssteghohlleiter mit Karp-Struktur am einen Ende des drahtumwickelten
Zylinders symmetrisch an die zentrale Verzögerungsleitung angekoppelt sind und am
anderen Ende des drahtumwickelten Zylinders mittels .eines Symmetriersterns symmetrisch
an einen zur Röhrenachse koaxialen Ausgangshohlleiter kreisförmigen Querschnitts.
-
Die erfindungsgemäße Lauffeldröhre kann Vorteilhaft als kombinierte
Rückwärtswellenoszillator-Vorwärtswellenverstärkerröhre ausgebildet sein. Zu diesem
Zweck ist das zentrale Entladungssystem als Rückwärtswellenoszillatorsystem ausgebildet,
insbesondere unter Verwendung einer Verzögerungsleitung, deren periodische Struktur
aus gekreuzten Stäben besteht, die mit einer zentralen Elektronendurchtrittsöffnung
versehen sind. Die symmetrische Ankopplung der Längssteghohlleiter mit Karp-Struktur
an den Ausgangshohlleiter erfolgt vorteilhaft mittels eines kegelförmigen, an der
auffängerseitigen Stirnseite des drahtumwickelten Zylinders angeordneten Symmetriersterns,
der mit seiner Spitze in einen noch zum Vakuumraum gehörigen Teil des Ausgangshohlleiters
hineinragt und mit längs der Kegelmantellinien verlaufenden Nuten versehen ist,
deren Tiefe zur Kegelspitze hin abnimmt und die die Verlängerung der- die Längssteghohlleiter
bildenden Längsnuten darstellen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung sollen an Hand der Figuren erläutert
werden.
-
F i g. 1 und 2 geben den Erfindungsgedanken in vereinfachter, zum
Teil schematischer Darstellung wieder. Alle Teile, die nicht unbedingt zur Erläuterung
der Erfindung beitragen, wie z. B. die Anordnung zur Erzeugung des die gebündelte
Strahlführung bewirkenden Magnetfeldes, sind weggelassen worden.
-
In den F i g. 1 und 2, von denen die F i g. 2 den Querschnitt längs
der Schnittebene II-II der F i g. 1 darstellt, ist eine erfindungsgemäße Lauffeldröhre
gezeigt, die als kombinierte Rückwärtswellenoszillator-Vorwärtswellenverstärkerröhre
ausgebildet ist. Das Entladungsgefäß besteht im wesentlichen aus dem Keramikrohr
16, dem Elektronenauffang- und Auskoppelteil 23 und dem Röhrensockel 24, der mit
dem Keramikrohr 16 über einen Lötring 25 verbunden ist. Der Ausgangshohlleiter 11
besitzt kreisförmigen Querschnitt und ist durch das Keramikfenster 12 vakuumdicht
verschlossen. Die Bewegungsrichtung der Hochfrequenzenergie ist durch die mit
HF
bezeichneten Pfeile angedeutet.
-
Der Verstärkerteil der Röhre besteht aus der ringförmigen Elektronenkanone
1, die in Verbindung mit elektrostatischen und magnetischen Feldern den Hohlstrahl
13 erzeugt, aus der in dem Elektronenauffang- und Auskoppelteil 23 untergebrachten
Auffangelektrode 3 und aus dem die Längssteghohlleiter mit Karp-Struktur enthaltenden
rohrförmigen Zylinder 5, der zwischen der Elektronenkanone 1 und der Auffangelektrode
3 angeordnet ist. Die im Zylinder 5 vorgesehenen Längsnuten 6 haben eine Querschnittsform,
die dem lichten Querschnitt eines einseitig mit einem Längssteg kapazitiv belasteten
Reehteckhohlleiters entspricht (vgl. F i g, 2). Die Längsstege sind in der Fi.g.
2 mit 15 bezeichnet. Der den Stegen 15 jeweils gegenüberliegende Wandungsteil wird
von Stücken 7 des Drahtes gebildet, mit dem der Zylinder 5 umwickelt ist. Dieser
.Draht ist fortlaufend unter Zug auf den rohrförmigen Zylinder 5 so aufgewickelt,
däß die einzelnen Windungen die gleiche geringe Steigung besitzen. Auf der Ausgangsseite
ist der Symmetrierstern 8 vorgesehen, der im wesentlichen .kegelförmig ausgebildet
ist und an der auffängerseitigen Stirnseite des rohrförmigen Zylinders 5 angeordnet
ist. Der Symmetrierstern 8 reicht mit seiner Spitze in den noch zum Vakuumraum gehörenden
Teil des Ausgangshohlleiters 11.
Der Mantel des den Symmetrierstern 8 bildenden
Kegels ist mit mehreren längs der Kegelmantellinien verlaufenden, die Verlängerung
der Längsnuten6 des Zylinders 5 bildenden Nuten 26 versehen, deren Tiefe zur Kegelspitze
hin abnimmt.
-
Die Verzögerungsleitung des Oszillatorteils ist innerhalb des rohrförmigen
Zylinders 5 untergebracht. In dem den Symmetrierstern 8 bildenden. Teil ist die
Auffangelektrode 19 für, den zentralen Elektronenstrahl 20 angeordnet. Außerdem
befindet sich am linken Röhrenende eine den Elektronenstrahl 20 erzeugende zentrale
Elektronenkanone 17. Weiterhin ist eine Umlenkvorrichtung 18 für die ankommenden,
im zentralen Entladungssystem erzeugten elektromagnetischen. Wellen vorgesehen,
die im wesentlichen als eine kathodenseitig kurzgeschlossene, kurze Koaxialleitung
ausgebildet ist. Die Umlenkvorrichtung 18 wird gleichzeitig als Zugelektrode verwendet.
Der von der Elektronenkanone 17 erzeugte Elektronenstrahl 20 ermöglicht in Verbindung
mit der rückwärtslaufenden Grundwelle, die sich auf der aus gekreuzten Stäben 21
und 22 gebildeten Verzögerungsleitung ausbildet, einen kräftigen Rückwärtswellenoszillatorbetrieb.
In den Querstegen 21 und 22 sind zentrale Öffnungen vorgesehen, durch die die Elektronen
des Elektronenstrahls 20 hindurchfliegen.
-
Wie durch die Pfeile HF angedeutet, werden die im Oszillatorteil
erzeugten elektromagnetischen Wellen durch die Elektrode 18 umgelenkt und treten
dann in die außenliegenden Verzögerungsleitungen (Längssteghohlleiter mit Karp-Struktur)
des Verstärkersystems ein. Die elektromagnetischen Wellen werden dann längs dieser
Verzögerungsleitungen, die untereinander gleichen Aufbau und gleiche Struktur besitzen,
gleichmäßig verstärkt, wobei durch den Parallelbetrieb der Verzögerungsleitungen
die Sättigungsleistung entsprechend der Anzahl der parallel betriebenen Verzögerungsleitungen
erhöht ist.
-
Bei einer Lauffeldröhre nach den Fig.1 und 2 kann zur Erzeugung der
elektromagnetischen Wellen, insbesondere zur Erzeugung von Millimeterwellen, auch
eine andere zentrale Verzögerungsleitung als diejenige mit gekreuzten Stäben 21
und 22 verwendet werden. Es ist insbesondere auch möglich, hierfür Interdigitalleitungen
oder die sogenannten »Millman-Strukturenc< oder auch durch Scheiben belastete
Hohlleiter zu verwenden.