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Verzögerungsleitung mit Bandpaßcharakter, insbesondere für Lauffeldröhren,
und Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Lauffeldröhren mit solchen Verzögerungsleitungen
Die Erfindung betrifft eine Verzögerungsleitung mit Bandpaßcharakter, insbesondere
für Lauffeldröhren, die entweder aus einem langgestreckten Hohlleiter besteht, in
dem eine Vielzahl von untereinander gleichen und in gleichen Abständen hintereinanderliegenden,
stab- oder sprossenförmigen Querstegen angeordnet ist, die sich senkrecht zur Hohlleiterlängsachse
erstrecken und zumindest mit ihrem einen Ende galvanisch mit dem Hohlleiter verbunden
sind und bei der die genannten Teile so bemessen und angeordnet sind, daß die Hauptwelle
der Teilwellen einer längs der Verzögerungsleitung- fortschreitenden elektromagnetischen
Welle in bezug auf die Gruppengeschwindigkeit dieser Welle rückwärts laufend ist
oder aus einem langgestreckten metallischen Teil (Halterungsteil) U-förmigen Querschnitts
besteht, in dem eine Vielzahl von untereinander gleichen und in gleichen Abständen
hintereinanderliegenden, stab-oder sprossenförmigen Querstegen angeordnet ist, die
sich senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Halterungsteils zwischen den einander
gegenüberliegenden Wandungsteilen (Schenkeln des Halterungsteiles) erstrecken und
zumindest mit ihrem einen Ende galvanisch mit dem Halterungsteil verbunden sind,
und bei der die genannten Teile so bemessen und angeordnet sind, daß die Hauptwelle
der Teilwellen einer längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen
Welle in bezug auf die Gruppengeschwindigkeit dieser Welle rückwärts laufend ist.
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Es sind bereits Lauffeldröhren bekannt, bei denen Verzögerungsleitungen
verwendet sind, die aus einem Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt und in diesem
angeordneten Querstegen bestehen. Bei einer dieser bekannten Verzögerungsleitungen
(USA.-Patentschrift 2 746 036) sind die Querstege parallel zueinander und
deckungsgleich hintereinander senkrecht zur Hohlleiterlängsachse (Elektronenstrahlrichtung)
angeordnet und mit gegenüberliegenden Wandungsteilen des Hohlleiters galvanisch
verbunden. Bei einer anderen dieser bekannten Verzögerungsleitungen (britische Patentschrift
772 002) ist jeder Quersteg gegenüber dem vorhergehenden Quersteg fortschreitend
um einen bestimmten Winkel versetzt angeordnet. Diese bekannten Verzögerungsleitungen
besitzen ein sehr gutes L/C-Verhältnis, das einen hohen Kopplungswiderstand zur
Folge hat. Jedoch ist die Bandbreite dieser Verzögerungsleitungen klein; sie sind
daher für z. B. breitbandigen Verstärkerbetrieb nicht geeignet.
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Es ist weiterhin eine Verzögerungsleitung der Sprossenbauart bekannt
(deutsche Patentschrift 963 896), bei der die resultierende Kopplung zwischen
den aufeinanderfolgenden Sprossen dadurch erhöht wird, daß die magnetische Kopplung
zwischen diesen Sprossen unterdrückt oder stark verringert wird, indem von den in
zwei Gruppen, geradzahlige und ungeradzahlige, eingeteilten Sprossen mindestens
die Sprossen der einen Gruppe an ihren Enden rechtwinkelig umgebogen und die Sprossenenden
in eine Fläche eingesetzt sind, die von der Fläche verschieden ist, in der die Sprossenenden
der anderen Gruppe eingesetzt sind. Eine solche Verzögerungsleitung ist vorteilhaft
nur für eine Lauffeldröhre mit Bandstrahl, nicht aber für eine Lauffeldröhre mit
einem verdichteten Rundstrahl geeignet.
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Es ist auch bereits eine Verzögerungsleitung nach Art einer Leiterleitung
vorgeschlagen (deutsche Patentschrift 1050 845), welche im wesentlichen aus
einem im Querschnitt U-förmigen Halterungsteil und aus auf den Schenkeln des Halterungsteils
befestigten und parallel zueinander verlaufenden Sprossen besteht, wobei weitere
zusätzliche Teile vorgesehen sind, um die gegenseitige Kopplung der Sprossen entweder
vorwiegend elektrisch oder vorwiegend magnetisch zu gestalten. Diese Leitung ist
aus mehreren Blechschnittarten so aufgebaut, daß jede Blechschnittart einen charakteristischen
Querschnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Verzögerungsleitung darstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verzögerungsleitung
insbesondere für Verstärkerzwecke zu schaffen, die bei einem guten L/C-Verhältnis
über
einen hinreichend großen Frequenzbereich geringe Dispersion aufweist und die für
Lauffeldröhren, die mit einem verdichteten Elektronenstrahl von kreisrundem Querschnitt
betrieben werden, geeignet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei Verzögerungsleitungen der eingangs
genannten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die in Richtung der Hohlleiterlängsachse
bzw. die in LUingserstreckungsrichtung des Halterungsteils (Verzögerungsrichtung)
jeweils deckungsgleich hintereinanderliegenden Querstege gerader Ordnungszahl mit
den in Verzögerungsrichtung ebenfalls jeweils deckungsgleich hintereinanderliegenden
Querstegen ungerader Ordnungszahl einen Winkel x bilden (Versetzungswinkel),
welcher der Bedingung lü' < oc < 90,
genügt. Der HohIleiter kann
rechteckförmigen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt besitzen. Bei allen
diesen Hohlleiterformen kommt es darauf an, daß die Resonanzwellenlänge des Hohlleiters
kleiner ist als die ResonanzwellenrInge der »Stegstrukturen«. Die Stegstrukturen
werden von den Querstegen und der elektrischen Verbindung der Stegenden über die
Hohlleiterwandungen gebildet. Beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung
im Durchlaßbereich wird also der Hohlleiter -unterhalb seiner Resonanzfrequenz und
die Stegstruktur oberhalbilirer Resonanzfrequenz betrieben. Weiterhin kommt es bei
der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung darauf an, daß die gegenseitigen Kopplungen
der Querstege so Bind, daß die Dispersion der Verzögerungsleitung nicht
-zu groß -wird. Der Dispersionsverlauf kann hierbei durch eine geeignete
Wahl des Versetzungswinkels a den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung sollen an Hand von Ausführungsbeispielen
erläutert werden. Die Figuren zeigen in vereinfachter, zum Teil schemafischer Darstellung
Ausführungsbeispiele der Erfindung-In F ig. 1 ist das Ersatzschaltbild für
die Bandpaßcharakter aufweisende erfindungsgemäße Verzbger-Lingsleitung dargestellt.
C, stellt die Längskapazität zwischen den Querstegen dar-, LI bedeutet die Längsinduktivität
von Querstegzu Quersteg. Beide zusammen bilden den Längskreis des Bandpasses. Die
Querinduktivität Lq und die Querkapazität C" bilden dessen Querkreis, der von einem
Steg und dem zugehörigen Teil des Hohlleiters bzw. Halterungsteils gebildet wird.
Wird dieser Bandpaß so betrieben, daß die Frequenz im Durchlaßbereich hinreichend
oberhalb der Resonanzfrequenz des Längskreises und hinreichend unterhalb der Resonanzfrequenz
des Querkreises liegt, so kann der Querkreis allein durch die QuerinduktivitätLq
und der Längskreis allein durch die Längskapazität C, ersetzt werden. In
F ig. 2 ist das Leitungsersatzschaltbild für einen so betriebenen Bandpaß dargestellt.
Der Längskreis stellt also im -Durchlaßbereich eine Kapazität CI, der Querkreis
eine Induktivität Lq dar. Das Ersatzschaltbild der F i g. 2 zeigt das Glied
einer Kondensatorkette mit rückwärts laufender Hauptwelle. Die Dispersionskurve
einer derartigen Verzögerungsleitung ist in F il-. 3 gez6igt. Auf der Abszisse
ist die Wellenränge A. im freien Raum, auf der Ordinate das Verzögerungsmaß
aufgetragen. Uie Gerade ip = n gibt die Grenze an, bei der die Phasendrehung pro
Strukturperiode gerade 1801 ist. Im Durchlaßbereich verläuft die Dispersionskurve
für die Hautwelle zwischen 2, und A.. Es ist ersichtlich, daß -die Hauptwelle in
bezug auf die Gruppengeschwindigkeit rückwärts laufend ist. A, gibt die Resonanzwellenlänge
des Höhlleiters bzw. Halterungsteils und A, die Resonanzwellenlänge der Stegstruktur
an.
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Für die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung sind vorwiegend folgende,
voneinander abhängige Bedingungen zu erfüllen: 1. Die Resonanzwellenlänge
der Stegstruktur muß größer sein als die Resonanzwellenlänge des Hohlleiters bzw.
Halterungsteils, damit die Hauptwelle rückwärts laufend ist.
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1 Die Verzögerungsstruktur soll so bemessen sein, daß die Dispersion
der n = +l-TeÜweUe über .ein breites Frequenzband möglichst gering ist.
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3. Das gute L/C-Verhältnis und damit der hohe Kopplun,gswiderstand
soll dabei nicht herabgesetzt werden.
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4. Dieälektrische Stegkopplungsanteile müssen die magnetischen Stegkopplungsanteile
Überwiegen. .In den F i g. -4 bis 6 sind mehrere, Möglichkeifen zur
Erfüllung der obengenannten Bedingungen dargestellt.
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In F ig.4 sind Blechschnitte 1, 2 und 3 gezeigt, die
die charakteristischen Querschnitte in Ebenen -senkrecht zur Verzögerungsrichtung
der Verzögerungsleitung darstellen. Der Blechschnitt 1 weist ,einen viereckigen
Ring 4 auf, -der den (quadratischen) Querschnitt des Hohlleiters darstellt. Außerdem
enthält der Blechschnitt 1 den Querste- 5 mit der zentralen Öffnungt6
zum Durchschießen -eines Elektronenstrahls tbei Verwendung in Lauffeldrähren). Der
Blechschnitt 2 stellt lediglich den Querschnitt des Hohlleiters dar und wird als
Distanzblech zur Erreichung des zwischen den Stegen 5 gewunschten Abstandes verwendet.
Der Blechschnitt 3 entspricht dem Blechschnitt 1; er ist diesem gegenüber
lediglich um 1801 (um die senkrechte Ouerschnittsachse) gedreht und deshalb
dargestellt, um zu zeigen, wie die Blechschnitte 1, 2 und 3 lagerichtig
hintereinander angeordnet werden müssen. Aus der perspektivischen Ansicht der hintereinander
angeordneten Blechschnitte 1, 2 und 3 istersichtlich, daß dieQuerstegeS
einenerfindungsgemäßen Versetzungswinkel* zueinander haben-In F i g. 5 sindanalog
F i g. 4 die Blechschnitte, für einen Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt
gezeichnet. Die Bezugszeichen l' bis ß' entsprechenden Bezugszeichen
1 bis 6 der F i g. 4.
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Die in F i g. 4 gezeigten Blechschnitte werden ge-mäß
der Reihenfolge 1,2, 3, 2, 1, 2, 3 usw. hintereinander angeordnet
und miteinander zu einem einzigen Teil verfestigt. Diese Reihenfolge ist sinngemäß
auch für die Blechschnitte der F i g. 5 anzuwenden.
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In F i g# .6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gestellt. Am freien
Ende jedes ,nach der Erfindung darg stabförinigen Quersteges 54 befindet sich eine
öffnung55.zum Durchschießen,eines Elektronenstrahls. Ein Quersteg 54 bildet jeweils
mit dem den Querschnitt des Hohlleiters darstellenden Ring 52 den Blechschnitt
50. Der Blechschnitt 51, der den bloßen Hohlleiterquerschnitt darstellt,
dient wiederum als Distanzblech. Die Blechschnitte50 und 51 sind abwechselnd
hintereinander
so angeordnet, daß die Stege 54 einen erfindungsgemäßen Versetzungswinkel a bilden.
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In F i g. 7 ist dargestellt, wie der Dispersionsverlauf einer
erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung von dem Versetzungswinkel a abhängt. Die Abszisse
stellt wieder die Wellenlänge 2" im freien Raum und die Ordinate das Verzögerungsmaß
dar. Die gemessenen Dispersionskurven sind mit a als Parameter dargestellt. Die
miteingezeichnete Kurve a . Oc> verläuft extrem steil. Ein zur Verstärkung
im Bereich der n = + 1-Teilwelle brauchbarer Winkelbereich liegt zwischen
x = 10' und a = 90'. Für die Winkellage a = 50 bis x
= 900 besteht die Gefahr der Anregung der n = - 1-Teilwelle; das bedeutet,
daß bei Verwendung einer solchen Verzögerungsleitung in Lauffeldröhren der Verstärkerbetrieb
durch die n = - 1-Teilwelle gestört werden kann. Die Verzögerungsleitung
hat bei oc = 90' den größten Durchlaßbereich. Ein stabilerVerstärkerbetrieb
ist aber nur zwischen oc = 10' und a = 50' zu erwarten.
Dagegen ist mit a = 90' ein breitbandiger Oszillatorbetrieb möglich.
Insbesondere bei der Verstärkung oder Erzeugung von Millimeterwellen müssen wegen
der hohen Strahlstromdichte die Verzögerungsstrukturen eine große thermische Belastbarkeit
besitzen. Dazu ist in F i g. 8 eine Ausführungsform gezeigt, bei der die
Querstege durch einen Profildraht erzeugt s nn. Die Bleche 60 dienen als
Distanzblech; sie besitzen öff.nungen 65, die zur Halterung der zusammengebauten
Bleche mittels mehrerer Bolzen dienen. Die einen Quersteg aufnehmenden Bleche sind
in zwei Hälften 61 und 62 geteilt; diese besitzen die zur Halterung
dienenden öffnungen 63 und 64. Die öffnungen 63, 64 und
65 sind gemäß dem gewünschten Versetzungswinkel, a angebracht. Die
Distanzbleche 60
und die unteren Blechhälften 62 werden lagerichtig
abwechselnd hintereinander angeordnet, wobei dann die unteren Blechhälften 62 gemäß
der Versetzung der Ouerstege um den Winkel o# gegeneinander verdreht sind. Nach
der Verfestigung der hintereinander angeordneten Bleche 60 und 62 zu einem
einzigen Teil wird ein die Querstege 67 bildender Draht 66
unter Zug
in die aufeinanderfolgenden offenen Schlitze zwischen den Distanzblechen
60 gewickelt. Anschließend werden die oberen Blechhälften 61 in die
offenen Schlitze zwischen den Distanzblechen eingeschoben und am verfestigten Teil
befestigt.
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In F i g. 9 ist eine weitere Möglichkeit angegeben, wie die
Querstege durch Drähte hergestellt werden können. Die Bleche 70 und
71 werden abwechselnd so hintereinander angeordnet, daß die Bleche
71 um den gewünschten Versetzungswinkel o# gegeneinander versetzt sind. Die
Bleche 71 besitzen jeweils zwei radiale Schlitze 72, die nach innen
zu offen sind. Nach der Verfestigung der hintereinander angeordneten Bleche
70 und 71 zu einem einzigen Teil wird der Außendurchmesser dieses
Teils spanabhebend so weit verkleinert, daß (beim Durchmesser dl) die Schlitze
72 auf dessen Außenfläche sichtbar werden. Anschließend wird der die Querstege
bildende Draht (in F! g. 9 nicht gezeichnet) unter Zug aufgewickelt und dabei
folgerichtig durch die Schlitze 72 gefädelt und am verfestigten Teil
70, 71 befestigt.
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Der die Querstege enthaltende Hohlleiter braucht kein geschlossener
Hohlleiter zu sein, wie in F i g. 10
dargestellt ist. Bei dieser Anordnung
ist die Hohlleiterwand, an der keine Querstege befestigt sind, weggelassen. Der
verbliebene »Hohlleiter« 80, hinfort Halterungsteil genannt, weist jetzt
wei Schenkel 81 und 82 auf. Der Schenkel 81 besitzt senkrecht zur
Verzögerungsrichtung liegende Schlitze 84, der Schenkel 82 senkrecht zur
Verzögerungsrichtung liegende Schlitze 83. Die Schlitze 83 in dem
Schenkel 82 sind direkt gegenüber den Schlitzen 84 des Schenkels 81
angeordnet,
so daß bei der Bewicklung des U-förm!-gen Halterungsteils 80 mit einem unter
Zug gehaltenen, die Querstege 86 und 87 bildenden Draht
85
dieser je Windung auf dem freien Ende des einen Schenkels und in
dem gegenüberliegenden Schlitz des anderen Schenkels zu liegen kommt, und zwar wechselweise,
wie aus F i g. 10 ersichtlich. So ist z. B. der Draht 85 zur Bildung
der Querstege 86 jeweils üger das freie Ende des Schenkels 82 und
durch den zugehörigen Schlitz 84 des Schenkels 81 geführt. Zur Bildung der
Querstege 87 liegt der Draht jeweils auf dem freien Ende des Schenkels
81 und im zugehörigen Schlitz 83 des Schenkels 82 auf. Die
so gebildeten Querstege 86 und 87 liegen in Verzögerungsrichtung gekreuzt
hintereinander. Der Abstand von Schlitz 84 zu Schlitz 84 sowie von Schlitz
83 zu Schlitz 83 beträgt jeweils zwei Periodenlängen 2L. Der Abstand
von Quersteg 86 zu Quersteg 87 beträgt eine Periodenlänge L.
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Der in F ig. 10 gezeigte Halterungsteil 80 kann auch
aus Blechschnitten, wie in F i g. 11 dargestellt ist, hergestellt werden.
Dazu müssen die Blechschnitte 90 bis 92 in der Reihenfolge
90, 91, 92, 91, 90, 91,
92 usw. hintereinander angeordnet und
miteinander zu einem einzigen Teil verfestigt werden. Am Ort der stark verkürzten
Schenkel .94 ergeben sich dann die in F i g. 10 gezeigten Schlitze
83 und 84. Die Bewicklung einer aus den Blechschnitten 90 bis
92 zusammengesetzten Anordnung erfolgt, wie in Verbindung mit F i
g. 10 beschrieben wurde.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung besteht unter
anderem darin, daß sie selbst bei kleinsten Wellenlängen noch eine hohe thermische
Belastbarkeit besitzt. Deshalb können auch bei Verwendung einer solchen Verzögerungsleitung
in Lauffeldröhren für Millimeterwellen größere Ausgangsleistungen als bisher erreicht
werden. Lauffeldröhren mit einer erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung eignen sich
zudem sehr vorteilhaft für die Verstärkung von Millimeterwellen, da trotz der Vergrößerung
der Bandbreite der Kopplungswiderstand (und damit der Verstärkungsfaktor) nicht
oder nur unwesentlich herabgesetzt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Anordnungen
beschränkt. So können die Distanzbleche zusätzlich noch Teile zur Abschirmung des
magnetischen Kopplungsfeldes im Bereich der größten magnetischen Stegkopplung besitzen.
Auch können bei Verwendung in Lauffeldröhren Dämpfungsscheiben oder Dämpfungsdrähte
zur Verhinderung von Selbsterregung durch reflektierte Wellen vorgesehen sein.
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Wie bekannt ist, kann zur gebündelten Führung eines Elektronenstrahls
ein in Elektronenstrahlrichtung alternierendes Magnetfeld verwendet werden. Bei
Verwendung der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung in einer Lauffeldröhre und
der Anwendung eines alternierenden Magnetfeldes zur gebündelten Führung des Elektronenstrahls
ist es vorteilhaft, die Querstege aus magnetischen Teilen herzustellen,
die
mit einer elektrisch gut leitenden Schicht versehen sind. Dabei können die Querstege
auch selber Magnete und der Hohlleiter bzw. der Halterungsteil den magnetischen
Schluß darstellen. Es ist auch möglich, beispielsweise den Hohlleiter aus vier Sektoren,
die jeder für sich einen Permanentmagnet darstellen, zusammenzusetzen und für die
Querstege Weicheisen zu verwenden. Bei großem Flußbedarf und kleinen Verzögerungsstrukturen
ist es jedoch besser, den HohReiter aus unmagnetischem Metall und die Querstege
aus Weicheisen herzustellen. Die Permanentmagnete sind dann außerhalb des Hohlleiters
bzw. Halterungsteils angeordnet.