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Anordnung zur mechanischen Frequenznachstimmung eines Reflexklystrons
Bei den heute gebräuchlichen, mechanisch abstimmbaren Reflexklystronen ist vielfach
an den inneren, den Wechselwirkungsspalt enthaltenden, nicht abstimmbaren Hohlraum
ein abstimmbarer Hohlraumresonator von meist rechteckiger Gestalt so eng angekoppelt,
daß er für die Betriebsfrequenz des Klystrons praktisch allein maßgebend ist. Dieser
äußere Hohlraumresonator bildet mit der Relexklystronröhre eine Baueinheit; seine
Resonanzfrequenz wird in der Regel durch eine in ihn parallel zur Richtung des hochfrequenten
elektrischen Feldes eintauchende metallische Abstimmscliraube verändert. Der damit
möglichen Erzielung eines relativ Großen Variationsbereiches steht jedoch der Nachteil
einer geringen Einstellgenauigkeit gegenüber, so daß solche Abstimmschrauben für
einen Feinabgleich der Betriebsfrequenz des Reflexklystrons - wie er unter anderem
zur automatischen Nachstininiung des Klystrons auf eine Bezugsfrequenz zum Ausgleich
von beispielsweise durch Temperaturschwankungen bedingten Frequenzänderungen benötigt
wird - nicht geeignet sind. Dies gilt um so mehr, als die besagten Abstimmschrauben
galvanisch jeweils direkt mit dein Hohlraumresonator verbunden sind und dadurch
bei ihrer Bewegung der unkontrollierbare Kontaktdruck zwischen Schraube und Hohlraumresonator
mitunter Frequenzsprünge verursacht; auch wird ein relativ großer Kraftaufwand benötigt,
um dieses kontaktierende Abstinimittel zu bewegen.
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Ätan verwendet daher meist eine elektronische Naclistinnntnig, indem
man die Reflektorspannung des Klystrons verändert. Bei direkt modulierten Reflexklystrons
(deren Reflektorspannung im Takte der Modulation verändert wird) kann man jedoch
von der elektronischen Nachstimmung keinen Gebrauch machen, da eine Änderung der
Reflektorspannung die Linearität der Modulationskennlinie des Klystrons bceintr.iclitigt.
Bei direkt modulierten Reflexklystronen muß man daher zum Zwecke einer Frequenznachstininiung
auf eine mechanische Abstimmung des 1-iohlrauniresonators zurücl,:greifen, wobei
allerdings die Möglichkeit, diese mit der bereits erwähnten Abstimnischraube zu
realisieren, aus den obengenannten Grinden ausscheidet.
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Dtii-cli die deutsche Auslegeschrift B 31701 VIIda/ I a4 ist es bereits
bekannt, bei einem Reflexklystron die Frequenz eines den Elektronenstrahl koaxial
umschließenden 1.-Johlraumresonators durch einen Kerainikstab zu verändern, der
in dem Hohlraumresonator senkrecht zu dein dort herrschenden hochfrequenten elektrischen
Feld eintaucht. Zur Vergrößerung des Abstinnnbereiches ist dabei die Oberfläche
des Keraniikstabeszum Teil metallisiert, beispielsweise versilbert. Diese Art der
direkten Abstimmung ermöglicht aber auch nur eine grobe Frequenzabstimmung und eignet
sich ebensowenig für eine Frequenzabstimmung wie die obenerwähnte Abstimmschraube
beider indirekten Abstimmung durch einen äußeren Hohlraumresonator.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine mechanische Frequenznachstimmung
für insbesondere direkt modulierte Reflexklystrone mit einem inneren Hohlraumresonator
und einem an diesen angebauten und mit ihm eng gekoppelten äußeren Hohlraumresonator
rechteckiger Gestalt zu schaffen. Bei der Lösung dieser Aufgabe muß die Forderung
beachtet werden, daß möglichst keine konstruktiven Änderungen an der Röhre selbst
und dem äußeren Hohlraumresonator notwendig sind, um ein leichtes Auswechseln der
Baueinheit zu ermöglichen. Dies wird bei einer Anordnung zur mechanischen. Frequenznachstimmung
eines Reflexklystrons der vorenannten Art, aus dessen äußerem Hohlraumresonator
die Hochfrequenzenergie über eine Blende ausgekoppelt wird (Auskoppelblende) und
bei dem die Resonanzfrequenz des äußeren Hohlraumresonators -und damit die Betriebsfrequenz
des Reflexklystrons - durch einen in ihn eintauchenden dielektrischen Stab veränderbar
ist, der aus einem Material hoher Dielektrizitätskonstante besteht, erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß der in einer Ebene quer zur Röhrenachse sich erstreckende
dielektrische Stab durch die Auskoppelblende hindurch in den äußeren Hohlraumresonator
eintaucht und in seiner axialen Richtung verschiebbar in der Wandung eines auf die
Auskoppelblende folgenden Hohlleiteranschlußstückes isoliert gelagert ist.
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In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der dielektrische Stab
mit seinem vom äußeren Hohlraumresonator abliegenden Endteil im Flansch eines am
äußeren Hohlraumresonator versetzt angeflanschten,
geraden oder
abgewinkelten Hohlleiterstückes in einer Isolierbuchse gelagert.
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Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden.
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In F i g. 1 und 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung teilweise
im Schnitt dargestellt, während in F i g. 2 und 4 an Hand von Diagrammen die mit
der Erfindung erzielbaren Ergebnisse veranschaulicht werden.
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Gemäß der F i g. 1 ist die Reflexklystronröhre 1
(außer mit
dem in F i g. 1 nicht sichtbaren inneren Hohlraumresonator) mit einem äußeren Hohlraumresonator
2 versehen und bildet mit diesem und seinem Anschlußflansch 3 eine geschlossene,
auswechselbare Baueinheit. Der Flansch 9 dient lediglich zur Aufnahme eines Kühlkörpers,
um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Da die Wirkung von in einen Hohlraumresonator
eingebrachten Abstimmitteln auf dessen Resonanzfrequenz bekanntlich dort am stärksten
ist, wo die dadurch beeinflußte hochfrequente Feldkomponente ihren größten Wert
hat, ist zur Abstimmung des Hohlraumresonators 2, und damit auch zur Abstimmung
der Betriebsfrequenz des Reflexklystrons, eine parallel zur Richtung des hochfrequenten
elektrischen Feldes in ihrer Lage veränderliche metallische Abstimmschraube 4 vorgesehen.
An den Hohlraumresonator 2 ist ein Hohlleiterwinkelstück 5 angeflanscht, über das
die über die Auskoppelblende 6 ausgekoppelte Hochfrequenzenergie weitergeleitet
wird. Zur Nachstimmung bzw. für den Feinabgleich der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators
2 (wie er insbesondere für eine automatische mechanische Frequenznachstimmung des
Reflexklystrons benötigt wird) ist, ohne daß an der Reflexklystronröhre 1 und dem
äußeren Hohlraumresonator 2 irgendwelche Veränderungen oder Ergänzungen vorgenommen
zu werden brauchen, erfindungsgemäß ein Stab 7 aus dielektrischem Material hoher
Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise ein Keramikstab, vorgesehen, der, in seiner
axialen Richtung verschiebbar, durch die Auskoppelblende 6 hindurch in den Hohlraumresonator
2 mehr oder weniger tief eintaucht und die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators
2 in Abhängigkeit von der Verschiebung nur geringfügig zu ändern gestattet. Dieser
Stab ist in einer Isolierbuchse 8, die in der äußeren Wandung des Hohlleiterwinkelstückes
angebracht ist, gelagert. Dabei ist die Stärke 1 der Hohlleiterwandung so bemessen,
daß für nach außen dringende Wellen eine genügend große Dämpfung besteht und somit
der Außenraum praktisch feldfrei ist. Die Isolierbuchse 8 sorgt dafür, daß kein
metallischer Abrieb entstehen kann, der als Staub auf dem dielektrischen Stab 7
diesen mit der ihn umgebenden Hohlleiterwand als Koaxialleitung wirken lassen würde
und zu erheblichen Fehlern Anlaß geben könnte. Die mit dieser Anordnung erzielbaren
Frequenzänderungen d f sind in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe x des Stabes
7 in den Hohlraumresonator 2 in der F i g. 2 dargestellt. Ein Vergleich mit den
durch die Abstimmschraube 4 hervorgerufenen Frequenzänderungen im gleichen Frequenzbereich,
bei der eine Änderung der Eintauchtiefe von nur 1 mm bereits eine Frequenzänderung
von 100 MHz zur Folge hat, läßt die gute Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Abstimmanordnung
für eine automatische mechanische Frequenznachstimmung besonders deutlich werden,
da man mit ihr eine Nachstimmgenauigkeit der Betriebsfrequenz von :L1 MHz erzielen
kann, wenn man eine (leicht realisierbare) Toleranz der mechanischen Einstellgenauigkeit
des dielektrischen Stabes von ±0,5 mm zuläßt.
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Die in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 gezeigte' Ausführungsform
hat noch den Nachteil, daß der dielektrische Stab 7 relativ lang gemacht werden
muß. Wenn die Führung des Stabes nicht ganz exakt ist, kann dadurch bei Erschütterungen
eine Störmodulation auftreten. Die einwandfreie Führung des verhältnismäßig langen,
etwa nur 2 mm dicken dielektrischen Stabes bereitet aber nicht unerhebliche Schwierigkeiten,
da diese Führung auch noch temperaturunabhängig sein muß.
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Ferner besteht bekanntlich bei der Ankopplung eines Verbrauchers an
einen Klystronoszillator ganz allgemein die Schwierigkeit, daß der Anpassungszustand
»optimale Leistung«, bei dem dem Klystron die optimale Leistung entnommen wird,
nicht mit dem Anpassungszustand »Reflexionsfreiheit« zusammenfällt, bei dem das
Klystron reflexionsfrei abgeschlossen ist, d. h. mit dem Wellenwiderstand des die
Hochfrequenzenergie wegführenden Hohlleiters (5 in F i g.1, 15 in F i g. 3). Nur
für eine ganz bestimmte Abweichung des Klystronabschlußwiderstandes von dem Hohlleiterwellenwiderstand
erhält man eine maximale Ausgangsleistung des Klystronoszillators.
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Beide Schwierigkeiten sind in Weiterbildung der Erfindung bei dem
in der F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beseitigt. Dort ist der Hohlleiter
15, der in diesem Fall nicht als Winkelstück ausgebildet ist, jedoch auch ein Winkelstück
sein könnte, versetzt an den äußeren Hohlraumresonator 12 des Reflexklystrons angeflanscht.
Der Flansch des Hohlleiteranschlußstückes 15 ist mit einer Isolierbuchse 18 versehen,
in welcher der Keramikstab 17, der durch die Auskoppelblende 16 hindurch in den
Hohlraumresonator 12 eintaucht, verschiebbar gelagert ist. Die Wandstärke des Flansches
am Ort der Isolierbuchse 18 ist entsprechend der beim Ausführungsbeispiel nach F
i g. 1 angestellten Dämpfungsbetrachtung dimensioniert. Mit 13 und 14 sind die den
Teilen 3 und 4 der F i g. 1 entsprechenden Teile bezeichnet.
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Bei dieser Anordnung kann 1. der Keramikstab wesentlich kürzer ausgebildet
werden und 2. durch eine entsprechende Wahl der Versatzlänge y erreicht werden,
daß die Impedanz am Eingang der Auskopplungsanordnung infolge der Wirkung der Auskoppelblende
16 dem Fall »optimale Leistung« gleichkommt, die Impedanz am Eingang des versetzten
Hohlleiterstückes (also ohne Berücksichtigung der Wirkung der Auskoppelblende 16)
aber dem Fall »Reflexionsfreiheit« entspricht.
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Wie Untersuchungen mit einem Reflexklystron vom Typ VA 222 im 7-GHz-Bereich
zeigten, kann sich dabei zur Erzielung maximaler Leistungsabgabe eine geringere
Versatzlänge y ergeben, als sie aus mechanischen Gründen für die Durchführung des
Keramikstabes durch den Flansch des Anschlußstückes 15 mindestens erforderlich wäre.
Durch die Hinzufügung. einer Serieninduktivität in Form einer Flanschausfräsung
19 gelingt es aber, auch mit einer größeren Versatzlänge von etwa y = 7 mm den Unterschied
in der Leistungsabgabe zwischen den beiden Fällen »optimale Leistung« und »Reflexionsfreiheit«
zu verringern. An Hand des Diagramms gemäß der F i g. 4
sind die
bei diesem Ausführungsbeispiel vorliegenden Verhältnisse dargestellt. Dabei gilt
die gestrichelte, mit b bezeichnete Kurve für die Anordnung mit versetztem Hohlleiterstück
gemäß F i g. 3, die ausgezogene, mit a bezeichnete Kurve für den Fall »optimale
Leistung« und die strichpunktierte, mit c bezeichnete Kurve für den Fall »Reflexionsfreiheit«.