DE1284475B

DE1284475B - Vorrichtung zum Erzeugen einer hoeheren Harmonischen einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung mit einer Geschwindigkeitsmodulationsroehre

Info

Publication number: DE1284475B
Application number: DEN24529A
Authority: DE
Inventors: Iperen Bernardus Bastiaan Van
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-03-05
Filing date: 1964-02-29
Publication date: 1968-12-05
Also published as: NL289816A; CH429956A; GB1013956A; AT246783B; US3354348A; BE644797A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung man schließen, daß es, im Gegensatz zum. oben-für die Erzeugung einer höheren Harmonischen genannten Wert von wenigstens 10 000 V, günstig einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwin- wäre, einen möglichst niedrigen Wert für die Gleichgung mittels einer Geschwindigkeitsmodulations- spannung des Elektronenstrahles zu wählen. Beröhre, die Mittel für die Erzeugung eines Elektronen- 5 kannte Vorrichtungen arbeiten dann auch mit einer Strahles enthält, der durch ein Magnetfeld fokussiert wesentlich niedrigeren Gleichspannung. Wenn jedoch wird und von einer Kathode aus nacheinander das Ausgangssystem mit in die Betrachtungen einwenigstens ein Modulationssystem, einen Triftraum bezogen wird und dieses System einen Hohlraum- - und ein Ausgangssystem durchläuft, wobei die resonator mit im wesentlichen ebenen Wänden, Hochfrequenzschwingung dem Modulationssystefn 10 d. h. ohne eine kapazitive Belastung an der Stelle zugeführt und die höhere-· Harmonische dem Aus- des Strahldurchtritts, aufweist, so zeigt sich, daß gangssystem entnommen wird. Weiter bezieht die man eine größere Ausgangsleistung erhält, wenn Erfindung sich auf eine Röhre für eine solche Vor- man eine höhere Gleichspannung wählt. Eine hohe richtung. Gleichspannung hat weiter den Vorteil, daß bei

Es sind bereits Vorrichtungen und Röhren der i₅ einer gegebenen Stärke des fokussierenden Magnetobigen Art bekannt, denen Dezimeter- oder Zenti- feldes eine kleinere Dichte des Kathodenstromes als meterwellen zugeführt werden, die mit mehr oder bei einer kleinen Gleichspannung erförderlich ist, weniger üblichen Mitteln erzeugt werden, und mit um dieselbe Bündelstromstärke zu bekommen. Bei denen es möglich ist, Harmonische mit einer Wellen- einer höheren Gleichspannung können außerdem länge von nur einigen Zentimetern zu erzeugen. 20 die Abmessungen der Systeme in der Röhre größer Auch ist es gelungen, ausgehend von einer Schwin- gewählt werden, und zwar etwa proportional zur gung mit einer Wellenlänge von 8 mm, durch Fre- Wurzel aus der Gleichspannung. Dadurch wird quenzverdopplung in den 4-MiHimeter-Bereich ein- nicht nur die Herstellung der Röhre einfacher, sonzudringen. dem es werden auch die Abstände zwischen den

Solche Vorrichtungen sind z. B. in den USA.- 25 Elektroden des Strahlsystems größer, so daß trotz Patentschriften 2 424 959 und 2 747 129 beschrieben. der höheren Gleichspannung eine geringere Gefahr In diesen Vorrichtungen haben die Ausgängssyste„nie, von Überschlägen besteht.

wie allgemein bei Geschwindigkeitsmodulations-" Die Erfindung wird an Hand einer Anzahl von röhren üblich, die Form eines an den Stellen des Ausführungsbeispielen der Vorrichtung gemäß der Strahldurchtrittes kapazitiv durch vorspringende 30 Erfindung und der dabei zu verwendenden Röhren Teile belasteten Hohlraumresonators. Einen solchen näher erläutert.

kapazitiv belasteten Hohlraumresonator hat eben- Fig. 1 zeigt in ausführlicher Darstellung eine

falls eine Vorrichtung dieser Art, die in den »IRE Ausführungsform einer Vorrichtung, die nicht als Transactions on Electron Devices ED 6«, April Oszillator verwendet wird.

1959, S. 236 bis 241, beschrieben ist. Diese Vor- 35 In den folgenden Figuren sind die Vorrichtungen richtung wurde mit einer Anodenspannung von schematisch dargestellt und eine große Anzahl an rund 3000 V betrieben, wobei verhältnismäßig kleine sich bekannter Einzelteile weggelassen. Dabei zeigt Änderungen der Anodenspannung bereits große F i g. 2 eine als Oszillator ausgebildete VorÄnderungen der Ausgangsleistung bewirkten. richtung,

Durch entsprechende Verkleinerung der bekannten 40 F i g. 3 eine andere Ausführiingsform einer nicht Vorrichtungen und Röhren ist jedoch praktisch als Oszillator wirkenden Vorrichtung, nicht die Erzeugung noch kürzerer Wellen im Milli- F i g. 4 eine nicht als Oszillator wirkende Vormeteroder Submillimeterbereich möglich. Eine richtung mit Verstärkung des Eingangssignals, solche Verkleinerung würde zu derart großen Katho- F i g. 5 eine Vorrichtung, in der das Eingangs-

denbetastungen, derart starken Magnetfeldern und 45 system aus zwei gekoppelten Hohlraumresonatoren derart hohen Verlustleistungen führen, daß eine besteht und

Verwirklichung sehr in Frage gestellt ist. Außerdem F i g. 6 eine Vorrichtung, in der das Ausgangswerden die in der Röhre zu verwendenden Bauteile system aus einer Anzahl gekoppelter Hohlraumzu kleine Abmessungen bekommen, um noch ohne resonatoren besteht.

zu große Schwierigkeiten herstellbar zu sein. 50 Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 enthält eine

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung Geschwindigkeitsmodulationsröhre I, die im wesent- und eine zugehörige Röhre zu schaffen, mit denen liehen aus einem Strahlerzeugungssystem 2, einem Wellen im Millimeter- und Submillimeterbereich auf Modulationssystem 3, einem Triftraum 4, einem verhältnismäßig einfache Weise erzeugt werden kön- Ausgangssystem 5, von dem ein Teil ausführlicher nen und die verhältnismäßig einfach, vor allem mit 55 in F i g. 1 a mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt . größeren Abmessungen, herstellbar sind, als sie bei ist, und einem Koilektorteil 7 zusammengesetzt ist. einer der gewünschten Wellenlänge entsprechenden Das Strahlerzeugungssystem, das eine bekannte

Verkleinerung der bekannten Vorrichtungen zu Konstruktion haben kann, enthält unter anderem erreichen wären. eine Kathode 8, die vorzugsweise als Vorratskathode

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch 60 ausgebildet ist, und eine Fokussierelektrode 9. Die gekennzeichnet, daß das Ausgangssys^em einen Zuführungsdrähte Tür die Fokussierelektrode, die Hohlraumresonator aufweist, dessen Seitenwände Kathode und den Heizer der Kathode sind auf durchgehend im wesentlichen eben sind und sich bekannte Weise über einen Röhrenfuß 10 vakuumsenkrecht zur Richtung des Elektronenstrahlcs er- dicht durch einen Glas- oder Keramikteil II der strecken, und daß die Gleichspannung des Elektro- 65 Röhrenwand nach außen gerührt, wo sie mit Konnenstrahles wenigstens 10 000 V beträgt. taktstiften versehen sind. Der mit der Kathode 8 ,

Aus allgemeinen Betrachtungen über in der CIc- verbundene Kontaktstift 12 ist an den negativen schwindigkeit modulierte Elektronensirahlen würde Pol einer Gleichspannungsquelle 13 angeschlossen.

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Die Speisung der Kathode und die S'pannungszu- Weise Wellenleiter für die Weiterleitung der erzeug-

fuhrung an die Fokussierelektrode können auf be- ten harmonischen Schwingung bzw. für Anpassungs-

kannte, hier nicht dargestellte Weise durchgeführt zwecke angeschlossen werden,

werden. Nach dem Durchlaufen des Ausgangssystems

Der Teil der Röhrenwand, der den vorderen Teil 5 wird der Elektronenstrahl durch den Kollektor?

des Strahlerzeugungssystems, das . Modulationssy- aufgefangen.

stern, den Triftraum und das Ausgangssystefn ent- Bei einer Vorrichtung des beschriebenen Typs hält, ist aus Metall hergestellt und ist mit dem posi- wurde über die Öffnung 22 eine Schwingung mit liven Pol der Gleichspannungsquelle 13 verbunden. einer Wellenlänge von 30 mm dem Hohlraumreso-Der ebenfalls aus Metall hergestellte Kollektorteil 7, io nator 3 zugeführt und über einen der Wellenleiter 28 der vakuumdicht durch einen Glas- oder Keramik- und 29 eine Schwingung mit einer Wellenlänge von ring 14 mit dem weiteren Metallgehäuse verbunden 2,5 mm dem Hohlraumresonator 23 des Ausgangsist, ist auch an den positiven Pol der Spannungs- systems 5 entnommen. Die Spannung der Gleichquelle 13 angeschlossen. Dies ist nicht unbedingt Spannungsquelle 13 war dabei 25 000 V. Der Gleicherforderlich, das Potential des Kollektors kann auch 15 strom in der Röhre war 20 mA und die Stromdichte zwischen dem der Kathode und des übrigen Teiles an der Kathode bei einem Kathodendurchmesser des Gehäuses gewählt werden. In diesem Fail muß von 1,5 mm 1,1 A/cm². Der Durchmesser der Bohman im allgemeinen der Isolierung des Kollektor- rung 32 im Hohlraumresonator 23 war 0,5 mm und teiles? mehr Aufmerksamkeit als bei der Röhre der Durchmesser des Elektronenstrahles etwa 0,5 mm. nach Fig. ! widmen. 20 Die Stärke des Magnetfeldes war etwa 1500Gauß.

Der in der Röhre erzeugte Elektronenstrahl wird Die zugeführte Leistung war etwa 12,5 W und die

mittels eines axialen rotationssymmetrischen Magnet- Ausgangsleistung etwa 30 mW.

feldes fokussiert, das mit einem außerhalb der Röhre Wenn man zum Erzeugen einer Schwingung von

angeordneten Magnetsystem erzeugt wird. 2,5 mm Wellenlänge die bekannten Reflexklystrons

Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 besteht dieses 25 verwenden würde, würde dabei die Stromdichte an

System aus zwei Spulen 15 und 16, einem Joch 17 der Kathode etwa 7 A/cm² statt 1,1 A/cm"² bei der

und zwei Polschuhen 18 und 18 a. Es können jedoch Röhre nach der Erfindung betragen. Der kleinste im

auch andere bekannte Magnetsysteme für diesen Reflexklystron auftretende Durchmesser, nämlich

Zweck verwendet werden, die auch ganz oder teil- der Durchmesser der Bohrung im Hohlraumreso-

weise innerhalb der Röhre angeordnet sein können 30 nator, wäre dann 0,15 mm gegen 0,5 mm bei der

Die aus der Kathode 8 austretenden Elektronen Röhre nach der Erfindung. Die Verlustleistung bei

werden infolge der am Metallgehäuse der Röhre einem solchen Reflexklystron wäre etwa 45 Watt;

liegenden Gleichspannung beschleunigt und durch diese Leistung wird auch in der Umgebung des Hohl-

das Magnetfeld fokussiert. Der Elektronenstrahl raumresonators 23 bei der Röhre nach der Erfindung

durchläuft dabei zuerst axial das als toroidaler Hohl- 35 abgegeben, aber dort ist die Oberfläche viel größer-

raumresonator ausgebildete Modulationssystem 3. Auch wegen der Verlustleistung ist es von großer

Dieser Hohlraumresonator ist durch eine Kapazität Bedeutung, daß beim Hohlraumresonator 23 keine

zwischen den Teilen 19 und 20 in der Mitte belastet. kapazitiv vorstehenden Teile vorhanden sind, da

Eine Wechselspannung, die über dem zwischen den diese sehr kleine Abmessungen haben müßten und

beiden zylindrischen Teilen 19 und 20 gebildeten 40 demzufolge bald zu warm werden würden.

Spalt auftritt, bewirkt eine Geschwindigkeitsmodu- Eine der ebenen Seitenwände, und zwar 25, und lation des Elektronenstrahles. Die Teile 19 und 20 die zylindrische Wand werden vorzugsweise durch

haben keine Gitter. einen ringförmigen Metallkörper gebildet, der mit

Eine Hochfrequenzschwingung wird auf bekannte einem dünnen membranartigen Teil 34 versehen ist,

Weise über einen nicht dargestellten Wellenleiter, 45 der ziemlich leicht deformiert werden kann. Auf

der an eine Aussparung 21 in der Röhrenwand ange- diese Weise ist es möglich, die gewünschte Reso-

schlossen wird und durch eine Öffnung 22 mit dem nanzfrequenz des Hohlraumresonators 23 durch

Hohlraumresonator 3 verbunden ist, dem Hohl- axiale Verschiebung des Körpers 33 einzustellen,

raumresonator zugeführt. Der vakuumdichte Ab- Im Hinblick auf die maximale Modulationstiefe,

schluß der Röhrenwand kann auf an sich bekannte 50 die im Modulator der beschriebenen Vorrichtung in

Weise mittels eines Fensters aus geeignetem Ma- Abhängigkeit von der Größe der zugeführten Lei-

terial bewirkt werden. stung erhalten werden kann," ist es erwünscht, daß

Nachdem der Elektronenstrahl im Spalt des Hohl- der Scheinleitwert des Elektronenstrahles, d. h. der raumresonators 3 in der Geschwindigkeit moduliert Quotient aus der Stromstärke in Ampere und der ist, durchläuft er den Triftraum 4 und erreicht darauf 55 Gleichspannung in Volt, kleiner als 5 · 10 ⁶ A/V ist. das Ausgangssystem 5, das teilweise unter 6 in ver- Es hat sich weiter gezeigt, daß es fur einen optigrößertem Maßstab dargestellt ist. Dieses Aus- malen Wirkungsgrad erforderlich ist, daß der gangssystem ist als zylindrische Buchse 23 ausge- Durchmesser des Elektronenstrahles gleich 0,5- bis bildet, die axial vom Elektronenstrahl durchlaufen !mal der elektronischen Wellenlänge des Ausgangswird. Die Seitenwände 24 und 25 stehen im wesent- &» signals ist. Unter der elektronischen Wellenlänge des liehen senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahles Ausgangssignals versteht man den Abstand zwischen und sind im wesentlichen eben. Der Hohlraumreso- den Elektronenverdichtungen im Elektronenstrahl, nator 23 ist durch den ringförmigen Spalt 26, der die der Frequenz des Ausgangssignals entsprechen, sich radial über etwa eine Viertel wellenlänge er- Die elektronische Wellenlänge Λ· hängt im nichtstreckt, mit dem ringförmigen Raum 27 verbunden. 65 relativistischen Bereich mit der Wellenlänge fa in Dieser ringförmige Raum 27 ist mit zwei Wellen- Luft nach der Formel _|/2
leitern 28 und 29 verbunden. Auf der Außenseite X=X ^" '
der Röhrenwand können bei 30 und 31 auf bekannte '' " 500

zusammen, wobei V₀ die Gleichspannung des Elektronenstrahles in Volt ist. Im vorliegenden Fall beträgt I₀ 2,5 mm und V₀ = 25 000 Volt, so daß ' /.«. = 0,8 min ist. Der Durchmesser des Elektronen-Strahles ist etwa 0,50 mm, was innerhalb den oben angegebenen Grenzen liegt.

Wie bereits erwähnt, erzeugt die oben beschriebene Vorrichtung die zwölfte Harmonische der zugefiihrten Schwingung, wobei in diesem Fall, ausgehend von einer Schwingung mit einer Wellenlänge von 30 mm, eine Ausgangsschwingung mit einer Wellenlänge von 2,5 mm entsteht. Dabei ist die kleinste Abmessung, die in der Röhre verwirklicht werden muß — der Durchmesser der Bohrung 32 im Ausgangshohlraumresonator — noch 0,5 mm groß. Diese verhältnismäßig große Abmessung, die geringe Stromdichte an der Kathode und die verhältnismäßig niedrige magnetische Feldstärke lassen eine Verkleinerung zu, wie sie für die Erzeugung von Schwingungen kürzerer Wellenlänge erforder-Hch ist.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird eine Hochfrequenzschwingung von außen zugeführt. Es ist jedoch auch möglich, die Vorrichtung als Oszillator auszubilden, wie an Hand der schematischen F i g. 2 und 3 erläutert wird. In diesen Figuren, wie auch in den F i g. 4. 5 und 6, sind das magnetische Fokussiersystem. die Spannungszuführung und eine Anzahl weiterer Bauteile, die für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, fortgelassen. Gleiche Teile in diesen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die Vorrichtung nach F i g. 2 enthält eine Röhre mit einer Kathode 35. einer Fokussierelektrode 36 und einem Kollektor 37.

Das System für die Erzeugung der Qrundschwingung enthält zwei kapazitiv belastete Hohlraumresonatoren 38 und 39. die über eine koaxiale Leitung^, deren Innenleiter 41 mit einer Koppelschleife 42 im Hohlraumresonator 38 und einer Koppelschleife 43 im Hohlraumresonator 39 versehen ist. regenerativ miteinander gekoppelt sind. Bei höheren Frequenzen wird man vorzugsweise einen Wellenleiter zum Koppein der beiden Hohlraumresonatoren verwenden, was auf bekannte Weise erfolgen kann. Zwischen den beiden Hohlraumresonatoren befindet sich ein Triflraum 50. Bei richtiger Kopplung wird durch dieses System, eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung erzeugt, deren Frequenz im wesentlichen durch die Eigenfrequenzen der Hohlraumresonatoren 38 und 39 bestimmt wird. Der Elektronenstrahl wird unter Einfluß dieser Schwingung in der Geschwindigkeit und dann in der Dichte moduliert und passiert darauf den Hohlraumresonator 44. dem die höhere harmonische Schwingung entnommen wird.

Bei der Verwendung nach Fig3 findet die Geschwindigkeitsmodulation mittels des Hohlraumresonator 45 statt, der durch die koaxiale Leitung-47. auf analoge Weise wie in Fig. 2. regenerativ mit einem zweiten Hohlraumresonator 46 gekoppelt ist. der in diesem Fall hinter dem Ausgangshohlraumresonator 44 liegt.

Die Vorrichtung nach F i g. 4 arbeitet nicht' als Oszillator, sondern mit Verstärkung eines zugefuhrten Signals. Die Eingangsschwingung wird über die Koppelschleife 48 einen ersten Hohlraumresonator 49 zugeführt. In einem Abstand von diesem in Richtung des Elektronenstrahls ist hinter dem Triftraum 52 ein zweiter Hohlraumresonator 51, der auf die Frequenz des Eingangssignals abgestimmt ist, derart angeordnet, daß dort das zugeführte Signal verstärkt ist.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 5 wird die Hochfrequenzschwingung über die Koppelschleife dem Hohlraumresonator 54 zugeführt, der durch eine öffnung und eine Koppelschleife auf bekannte Weise mit einem Hohlraumresonator 55 gekoppelt ist; beide Resonatoren bilden eine Baueinheit.

Schließlich ist in F i g. 6 eine Vorrichtung dargestellt, bei der das Ausgangssystem 56 aus einer Anzahl miteinander gekoppelter Hohlraumresonatoren besteht. Das Eingangssignal wird über die Koppelschleife 57 dem Hohlraumresonator 58· zugeführt.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die Erzeugung einer höheren Harmonischen aus einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung mittels einer Geschwindigkeitsmodulaüonsröhre. die Mittel für die Erzeugung eines Elektronenstrahls enthält, der durch ein Magnetfeld fokussiert wird und von einer Kathode aus nacheinander wenigstens ein Modulationssystem. einen Triftraum und ein Ausgangssystem durchläuft, wobei die Hochfrequenzschwingung dem Modulaüonssystem zugeführt wird und die höhere Harmonische dem Ausgangssystem entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssystem einen Hohlraumresonator aufweist, dessen Seitenwände durchgehend im wesentlichen eben sind und sich senkrecht zur Richtung des Elektronenslrahles erstrecken, und daß die Gleichspannung des Eleklronenstrahlcs wenigstens 10 000 V beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Scheinleitwerl des Elektronenstrahls kleiner als 5 10"AV ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Elektronenstrahles gleich 0.5- bis Imal der elektronischen Wellenlänge des Ausgangssignals ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssystem durch einen von zwei regenerativ gekoppelten Hohlraumresonatoren gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssystem zwischen zwei regenerativ gekoppelten Hohlraumresonatoren liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden regenerativ gekoppelten Hohlraumresonatoren vor dem Ausgangshohlraumresonator liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen