-
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungsröhre nach
Art einer Magnetronoszillatorröhre mit einer zentralen Katode und mit einer die
Katode koaxial umgebenden, in sich geschlossenen Anode periodischer Struktur (Anodenverzögerungsleitung),
die mit der Katode einen in sich geschlossenen Wechselwirkungsraum begrenzt und
bei der die Anodenverzögerungsleitung mit einer nahezu längs des gesamten Anodenumfangs
und konzentrisch zur Anodenverzögerungsleitung sich erstreckenden Übertragungsleitung,
an deren einem Ende die erzeugte Hochfrequenzenergie entnommen wird, richtungsgekoppelt
ist und die Kopplung zwischen der Anodenverzögerungsleitung und der Übertragungsleitung
über längs der gesamten Anodenverzögerungsleitung symmetrisch verteilte Kopplungselemente
erfolgt.
-
Derartige elektrische Entladungsröhren sind beispielsweise durch die
USA.-Patentschrift 2 481151
bekannt. Bei dieser bekannten Magnetronoszillatorröhre
soll zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades die Energie vom Wechselwirkungsraum
über die Kopplungselemente mit einer solchen Phasenlage in die Übertragungsleitung
eingekoppelt werden, daß die in der Übertragungsleitung fortschreitende Welle verstärkt
wird. Das bedeutet, daß die über die Kopplungselemente in die Übertragungsleitung
eingekoppelte Energie an den Kopplungsstellen stets in Phase mit der Welle in der
Übertragungsleitung sein muß. Wenn daher beispielsweise die Kopplungselemente in
solchen Anodenresonanzhohlräumen angeordnet sind, die zeitlich miteinander in Phase
bzw. in Gegenphase sind, dann muß der Abstand zwischen benachbarten Kopplungselementen
in der Übertragungsleitung ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge bzw. der
halben Wellenlänge der Schwingung in der Übertragungsleitung sein.
-
Ferner ist nach der USA.-Patentschrift 2 808 538 eine als Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre
betriebene Anordnung bekannt, bei der zur Richtungskopplung Maßnahmen vorgesehen
sind, die eine Wechselwirkung nur zwischen einer in einer vorgegebenen Richtung
fortschreitenden Welle und dem Elektronenfluß zulassen. Im Gegensatz zu der erstgenannten
Anordnung sind dabei die Kopplungselemente nicht symmetrisch längs des Umfangs der
in sich geschlossenen Anode verteilt.
-
Bei den bekannten nach Art einer Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre
betriebenen Anordnungen hat man gefunden, daß bei der Richtungskopplung, und zwar
insbesondere dann, wenn die Richtungskopplung in Verbindung mit einem Anodensystem
von hoher Kreisgüte Q vorgenommen wird, alle Energiereflexionen an dem Anodensystem
sehr kritisch sind, da sie durch die Resonanz erheblich vergrößert werden können.
Durch die Vergrößerung der Reflexionen wird die Richtwirkung des Richtungskopplungssystems
erheblich vermindert oder der Wirkungsgrad des Kopplungssystems in bezug auf eine
einseitig gerichtete Energieübertragung verschlechtert. Ferner rufen die Kopplungselemente
zwischen dem Richtungskoppler und einem System von hoher Kreisgüte Q so starke Reflexionen
hervor, daß eine unbefriedigende Betriebsweise hinsichtlich einer zu niedrigen Richtwirkung
des Richtungskopplers die Folge ist.
-
Bei den bekannten Anordnungen wurden bisher keine Maßnahmen zur Unterdrückung
oder Verringerung der Reflexionen an dem Anodensystem vorgesehen. Auch wurden offenbar
keine Folgerungen aus der Tatsache gezogen, daß Reflexionen, die an den Kopplungselementen
zwischen einem Anodensystem hoher Kreisgüte Q und der Übertragungsleitung eines
Richtungskopplers die Richtwirkung vermindern oder unwirksam machen können.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, die obengenannten Schwierigkeiten
zu beseitigen und die bekannten Anordnungen zu verbessern.
-
Dies wird bei einer elektrischen Entladungsröhre der eingangs beschriebenen
Art nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kopplungselemente über den Anodenumfang
so verteilt und angeordnet sind, daß bei der als Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre
betriebenen Röhre zwischen benachbarten Kopplungselementen die Phasenverschiebung
der längs der Anodenverzögerungsleitung fortschreitenden Wellen von ganzzahligen
Vielfachen von 180° stärker abweicht.
-
Auf diese Weise wird eine Richtungskopplung erzielt, bei der die Energie
mit erhöhter Richtwirkung auf den Energieauslaßdurchgang der Übertragungsleitung
hin ausgekoppelt wird. Die Kopplungselemente zwischen der Übertragungsleitung und
der Anodenverzögerungsleitung bilden dabei einen direkten Bestandteil des Anodensystems
bei Resonanz und sind auf diese Weise im wesentlichen reflexionslose Elemente innerhalb
des Anodensystems. Die nach der Erfindung vorgeschlagene Konstruktion ist daher
insbesondere zur Schaffung einer Richtungskopplung für eine in sich geschlossene
Anode mit einem hohen Q-Wert geeignet.
-
Die beiden Enden der Übertragungsleitung sind vorzugsweise über zwei
separate, räumlich einander benachbarte Energiedurchgänge vakuumdicht nach außen
geführt. Der eine Durchgang dient als Ausgang für die Energie und der andere zur
Einführung von Steuersignalen in die Übertragungsleitung, wodurch die Schwingungsform
der fortschreitenden Welle in der Anodenverzögerungsleitung beeinflußt werden kann.
Diese Anordnung ist daher für phasenkohärent arbeitende Einrichtungen oder für solche
geeignet, die mit Koppelschwingungen arbeiten oder bei denen absichtlich der Schwingungsmodus
sprunghaft geändert werden soll, beispielsweise bei Radaranlagen.
-
Man kann die mit zwei Energiedurchgängen ausgerüstete Röhre auch als
Duplexgerät verwenden. Den einen der beiden benachbarten Energiedurchgänge kann
- man als vorwärts gerichteten oder vorderen Durchgang und den anderen als rückwärts
gerichteten oder hinteren Durchgang bezeichnen. Bei dieser Anwendung ist der vordere
Durchgang mit einer Antenne und der hintere mit einem Empfangsteil gekoppelt. Während
des Oszillatorbetriebsermöglicht die hohe Richtwirkung, daß praktisch die gesamte
erzeugte Energie durch den vorderen Durchgang der Antenne zufließt. Beim passiven
Betrieb der Röhre wird hingegen jedes an einem entdeckten Ziel reflektierte und
von der Antenne empfangene Signal nach rückwärts an den Empfangsteil übertragen,
und zwar über den hinteren Durchgang.
-
Ferner hat sich gezeigt, daß eine nach der Erfindung aufgebaute Magnetronoszillatorröhre
besonders stabil gegenüber einem Ziehen der Frequenz ist und ein unbeabsichtigtes
Umspringen des Schwingungsmodus infolge von Verbraucherschwankungen verhindert.
Außerdem
erweist sich die erhöhte Richtwirkung als günstig für die Übertragung irgendeiner
vom Verbraucher reflektierten Energie, die durch die gesamte Anordnung hindurch
zum hinteren Energiedurchgang übertragen wird. Die nach der Erfindung aufgebaute
Röhre ist daher insbesondere auch für Mikrowellenheizgeräte geeignet, wobei die
reflektierte Energie von Schwankungen des Verbraucherwiderstandes infolge der Größe,
Lage und Temperatur des zu erhitzenden Gegenstandes herrühren kann. Die bei diesen
Anwendungen zum hinteren Durchgang zurückgeleitete Energie kann dort entweder vernichtet
oder durch den hinteren Durchgang abgeführt werden. Infolge der verbesserten Richtwirkung
besteht eine nichtsynchrone Beziehung zwischen der reflektierten Energie und der
nach vorwärts fortschreitenden Welle des Anodensystems. Die nach vorwärts fortschreitende
Welle wird daher nicht nachteilig beeinflußt. Gleichzeitig wird sichergestellt,
daß praktisch die gesamte vom Verbraucher reflektierte Energie in Richtung auf das
hintere Ende der als Ausgangskreis benutzten Übertragungsleitung ausgekoppelt wird.
-
Die Röhre kann auch als fremd erregter Generator betrieben werden,
wobei der vordere Energiedurchgang an einen Verbraucher und der hintere Energiedurchgang
an eine Steuersignalquelle angeschlossen ist. Beim Betrieb als Duplexgerät ist der
vordere Durchgang mit einer Antenne und der hintere Durchgang mit einem Empfangsteil
gekoppelt. Wird die Röhre als Mikrowellenheizgerät verwendet, dann ist der vordere
Durchgang mit einem als Verbraucher dienenden Hohlraumresonator verbunden, während
der hintere Energiedurchgang an einen angepaßten Dämpfungswiderstand angeschlossen
ist. Der zur Vernichtung der Energie benutzte Dämpfungswiderstand kann auch im Inneren
der Übertragungsleitung angebracht sein.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben.
Dabei zeigt F i g. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Magnetronoszillatorröhre
nach der Erfindung, F i g. 2 einen Querschnitt durch die Magnetronoszillatorröhre
nach F i g. 1 längs der Linie 2-2, F i g. 3 einen Teilquerschnitt längs der Linie
3-3 in Fig.2, F i g. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform, F i
g. 5 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform, F i g. 6 einen Querschnitt
durch eine vierte Ausführungsform und F i g. 7 einen Teilquerschnitt durch eine
fünfte Ausführungsform.
-
Zunächst wird auf die F i g. 1 bis 3 Bezug genommen. Diese zeigen
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die als Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre
betriebene Röhre einen Ausgangskreis in Gestalt einer richtungsgekoppelten koaxialen
Übertragungsleitung aufweist. Das Gehäuse 10 der Röhre enthält einen zylindrischen
Wandungstei111, dessen Enden durch metallische Abschlußdeckel12 vakuumdicht verschlossen
sind. Der Wandungsteil 11 besteht vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Material,
z. B. Kupfer, und die Abschlußdeckel sind vorzugsweise aus Stahl hergestellt. Ein
auf der Innenfläche des Wandungsteils 11 angeordneter Teil 13 ist so ausgebildet,
daß er an seiner Außenfläche eine ringförmige Aushöhlung 14 aufweist. Der Teil 13
ist außerdem mit einer Vielzahl von in radialer Richtung sich erstreckenden Flügeln
15 versehen. Die Flügel 15 trennen mehrere nebeneinanderliegende Resonanzhohlräume
16. Außerdem begrenzen die inneren Stirnflächen der Flügel 15 einen koaxialen Raum,
in dem ein Katodensystem 17 zentrisch angeordnet ist. Das Katodensystem 17 besteht
aus einem fadenförmigen Heizelement 18, das vom elektronenemittierenden Katodenzylinder
19 umgeben ist. In dieser Anordnung bildet das Anodensystem mit den Resonanzhohlräumen
16 eine Verzögerungsleitung, die mit der Katode einen in sich geschlossenen
ringförmigen Wechselwirkungsraum begrenzt.
-
Das Röhrengehäuse 10 enthält ferner je einen aus magnetischem Material
bestehenden oberen und unteren Zylinder 20 und 21, deren einander gegenüberliegende
Enden mit den Rändern der entsprechenden Abschlußdecke112 hermetisch abgedichtet
sind. Das äußere Ende des unteren Zylinders 21 ist mit einem Pumpenröhrchen 22 verbunden.
-
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Katodenzylinder
19 an einer Halterung befestigt, deren Teile sich etwas in das Innere der Zylinder
20 und 21 hinein erstrecken und mit Kappen 23 versehen sind. Die elektrischen Verbindungen
zum Heizelement und Katodenzylinder werden mittels einer Kontakteinrichtung 24 hergestellt
(F i g. 1). Die Kontakteinrichtung ist mit dem äußeren Ende des Zylinders 20 vakuumdicht
verschmolzen. Die Kontakteinrichtung 24 weist einen Kontakt 25 für das Heizelement
und einen Katodenkontakt 26 auf, der gleichzeitig als zweiter Heizelementkontakt
dient. über die Zylinder 20 und 21 sind von außen Magnetpolschuhe 27 geschoben,
die ein zu dem elektrischen Gleichfeld zwischen der Anode und Katode senkrecht verlaufendes
Magnetfeld erzeugen. Die Polschuhe 27 können die Pole eines Permanentmagneten oder
Elektromagneten sein.
-
Das magnetische Feld im Wechselwirkungsraum schafft die geeigneten
Verhältnisse zu einem Magnetronbetrieb der Röhre in bekannter Weise. Dies besagt,
daß die Röhre zum Betrieb nach der klassischen Magnetrontheorie geeignet ist, nach
der die Elektronen in Form von speichenartigen Bündeln um die Katode laufen, um
hierdurch die Resonanzhohlräume 16 zu erregen und Hochfrequenzenergie zu erzeugen.
In den meisten Fällen sind die Magnetronröhren so ausgeführt, daß sie nach dem PI-Modus
betrieben und erregt werden können, was besagt, daß die induzierten Spannungen an
benachbarten Flügeln 180° außer Phase sind und sich wie bei einer stehenden Welle
verhalten. Dagegen ist die vorliegende Konstruktion so ausgeführt, daß eine fortschreitende
Welle (Wanderwelle) auftritt. Dies besagt, daß die Röhre so konstruiert ist, daß
der rotierende Strahl eine Wanderwelle in dem Anodensystem statt einer stehenden
Welle (Wellenform ohne bevorzugte Ausbreitungsrichtung) erregt. Die Wanderwelle
wird nur bei einzelnen vorbestimmten Schwingungsfrequenzen aufgebaut, bei denen
die elektrische Länge der Anodenanordnung bzw. das Verzögerungsleitungssystem eine
ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen lang ist. Bei diesen bestimmten Frequenzen pflanzt
sich eine Welle, die in das Anodensystem eingekoppelt wird, längs desselben
fort
und, verstärkt sich bei ihrer Rückkehr zum Anfang selbst. Wenn diese Bedingung besteht,
wird das Anodensystem als in Resonanz befindlich oder als Resonanzschleife bezeichnet.
Eine wichtige Aufgabe der Erfindung besteht darin, sowohl eine maximale Leistung
bei bestimmten Resonanzfrequenzen zu erzielen als auch die Bedingungen für eine
zweckmäßige Richtungskopplung in einem Anodensystem von hoher Kreisgüte Q bei diesen
Frequenzen zu schaffen. Zu diesem Zweck sind verbesserte Energieauskopplungsmittel
entwickelt worden, die nun im einzelnen beschrieben werden.
-
Die verbesserten Auskopplungsmittel umfassen eine Übertragungsleitung
28, die in den F i g. 1 bis 3 gezeigt ist und die die oben beschriebene Anodenkonstruktion
nahezu vollständig umgibt. Die in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Übertragungsleitung
bildet eine Koaxialleitung, deren Außenleiter durch die innere Oberfläche der ringförmigen
Aushöhlung 14 im Anodenteil 13 gebildet wird. An Stelle der gezeigten können
auch andere Formen, bei denen die Übertragungsleitung konzentrisch zum Anodensystem
angeordnet ist, zur Erreichung der erfindungsgemäßen Vorteile geeignet sein. Beispielsweise
ist eine um die Außenseite des Wandungsteils 11 gewickelte Koaxialleitung verwendbar,
vorausgesetzt, daß die obenerwähnte symmetrische Kopplung hierbei durchgeführt werden
kann. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Übertragungsleitung konzentrisch
innerhalb des Röhrengehäuses in einem toten Winkel zwischen dem Anodensystem und
einer Abschlußkappe angebracht werden.
-
Der Innenleiter der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten koaxialen Leitung
besteht aus einem leitenden ringförmigen Teil 29, der periodisch in konzentrischer
Richtung in der Aushöhlung 14 durch eine Mehrzahl von auf dem Umfang angebrachten
ringförmigen Isolatoren 30 unterstützt wird. Die Isolatoren 30 sind mit. Paßsitz
in die Aushöhlung 14 eingefügt und verursachen keine nennenswerte Dämpfung der übertragenen
Hochfrequenzenergie. Die Enden des Mittelleiters 29 erstrecken sich in radialer
Richtung von der Magnetronanordnung weg und verlaufen koaxial in für die Energieübertragung
vorgesehenen Durchlaßkanälen oder Kopplern 31. Jeder KoppIer 31 besteht aus einem
zylindrischen Außenleiter 32, einem durch Verbreiterung aus dem koaxialen Innenleiter
29 hervorgehenden Innenleiter 33 und einem zum hermetischen Abschluß dienenden
Ab-
dichtungsmittel 34, das die Leiter in koaxialer Anordnung hält, ohne die
Hochfrequenzfunktionen der Koppler zu beeinträchtigen. Je nach der Fortpflanzungsrichtung
der Wanderwelle im Anodensystem, was von der Richtung des wirksamen magnetischen
Feldes in der Röhre abhängt, kann der eine Koaxialkoppler 31 für bestimmte Anwendungen
als vorderer Energiedurchgang und der andere als hinterer Durchgang betrachtet werden.
-
Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, sind die Enden der Koaxialleitung
elektrisch durch ein leitendes Element 35 getrennt, das sich in radialer Richtung
nach innen bis zu dem leitenden Wandungsteil erstreckt, das die Übertragungsleitung
von den Resonanzhohlräumen des Anodensystems trennt. Das Element 35 isoliert die
Enden der Übertragungsleitung elektrisch.
-
Der Schlüsselgedanke zur Erzielung einer optimalen Betriebsweise mit
Richtungskopplung besteht darin, eine Anodenkonstruktion und eine damit kombinierte
Ausgangsübertragungsleitung zu schaffen, die besonders wirkungsvoll die Ausbildung
einer Wanderwellenresonanz unterstützt. Eine solche Resonanz kann auf einfache Weise
durch Schaffung einer bestimmten Symmetrie zwischen einer Vielzahl von Kopplungselementen
zwischen der übertragungsleitung und der Anodenverzögerungsleitung erzielt werden,
während ohne eine solche Symmetrie die Erregung einer Wanderwellenresonanz hoher
Kreisgüte praktisch unmöglich ist.
-
Die Übertragungsleitung 28 und das Anodensystem sind elektromagnetisch
in einer symmetrischen oder periodischen Weise gekoppelt, bei der die Kopplungselemente
echte Bestandteile des Anodensystems bei Resonanz sind und praktisch reflexionslose
Elemente des Anodensystems bilden. Aus F i g. 2 ist zu ersehen, daß die Übertragungsleitung
28 und das Anodensystem durch eine Vielzahl von Kopplungsschlitzen 36 miteinander
in Verbindung stehen. Die durch die Schlitze 36 gebildeten Kopplungselemente sind
über den gesamten Anodenumfang so verteilt angeordnet, daß bei der als Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre
betriebenen Röhre zwischen benachbarten Kopplungselementen die Phasenverschiebung
der längs der Anodenverzögerungsleitung fortschreitenden Wellen von ganzzahligen
Vielfachen von 180° stärker abweicht.
-
In der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Konstruktion verbindet
ein Schlitz 36 jeden der Resonanzhohlräume 16 mit der Übertragungsleitung. In dieser
Konstruktion bildet jeder Hohlraum einen periodischen Abschnitt einer Verzögerungsleitung,
und jeder Schlitz 36 wirkt im Sinne einer ungerichteten Kopplung mit der Ausgangsleitung.
Die gewünschte Richtungskopplung wird durch Anpassung der Phasenverschiebung zwischen
den Kopplungsschlitzen auf der Ausgangsleitung zu der Phasenverschiebung des Anodensystems
erzielt. Die Richtkraft ist praktisch vollkommen für schmale, im gleichen Abstand
angebrachte Schlitze, sofern die Anzahl der Schlitze multipliziert mit der Phasenverschiebung
zwischen benachbarten Schlitzen einer ganzen Zahl von Wellenlängen gleich ist und
es möglich ist, eine Richtungskopplung für alle Schwingungsmodi mit Ausnahme des
Pi- und Null-Modus zu erzielen. Auf diese Weise ist die gesamte Anodenverzögerungsleitung
an der Richtungskopplung beteiligt. Die Schlitze erzeugen praktisch keine Reflexionen
im Anodensystem, in dem die Wanderwelle sich fortpflanzt.
-
Um die Vorteile dieser praktisch reflexionslosen Anordnung zu verdeutlichen,
werden die Auswirkungen von Reflexionen an einer Resonanzschleife näher erläutert,
wie sie durch das Anodensystem und die Katode der oben beschriebenen Anordnung gebildet
wird. Eine gleichförmige verlustlose Leitung in der Form einer zurückgeführten Schleife
weist Resonanzen bei Frequenzen auf, bei denen die gesamte elektrische Länge der
Schleife eine ganze Zahl von Wellenlängen beträgt. Sofern der Kreis reflexionslos
ist, besteht eine Entartung, und es existieren zwei Resonanzmodi bei genau der gleichen
Frequenz. Diese werden gewöhnlich Dublettresonanzen genannt und können als zwei
entgegengesetzt gerichtete Wanderwellen oder zwei stehende Wellen mit 90° räumlicher
Phasenabweichung aufgefaßt werden. In der verlustlosen Schleife ohne äußere Kopplung
beseitigt bereits die Anwesenheit
einer unendlich kleinen Reflexion
diese Entartung oder erzeugt eine Aufspaltung der Resonanzfrequenzen der beiden
stehenden Wellen. Ferner sind die Lösungen der Wanderwellengleichung deswegen nicht
beständig, weil die Reflexion die gleiche Wirkung auf eine Wanderwelle haben würde
wie eine unendliche Anzahl von identischen Hindernissen, die voneinander ein ganzzahliges
Vielfaches von Wellenlängen in einer kontinuierlichen Übertragungsleitung entfernt
sind. Wenn die Schleife drei oder mehr identische, in gleichem Abstand voneinander
angebrachte Hindernisse aufweist, so besteht die Entartung wiederum, falls die Hindernisse
einen anderen Abstand als eine ganze Zahl von halben Wellenlängen haben. Diese Eigenschaft
wird dazu ausgenutzt, um die obenerwähnte, praktisch reflexionsfreie Kopplung mit
dem Anodensystem und die daraus resultierenden Vorteile des Betriebsverhaltens zu
erzielen.
-
Die Anodenkonstruktion bildet also eine Resonanzschleife; durch die
besondere Anordnung der Kopplungsschlitze wird eine Konstruktion geschaffen, bei
der die Schleife wenigstens drei identische, in gleichem Abstand voneinander liegende
Hindernisse aufweist. Diese Hindernisse sind nicht durch eine gerade Zahl von Halbwellenlängen
voneinander getrennt, und es tritt daher eine Entartung ein, die eine identische
Kopplung für beide der vorher erwähnten Dublettresonanzen ermöglicht. Hieraus ergibt
sich die hohe Richtwirkung, und zwar selbst dann, wenn die Güte Q des Anwendungssystems
groß ist.
-
Außerdem kann durch eine wirkungsvolle Richtungskopplung in einer
Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre eine Betriebsweise mit irgendeinem beliebigen
Modus, außer dem Pi- und Null-Modus, durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine viel
größere Auswahl unter den Betriebsparametern, z. B. der Anzahl der Flügel oder der
Trennschärfe gegenüber verschiedenen Modi. Daher ist es möglich, bestimmte Elektrodensysteme
zu verwenden, die man bisher allgemein für gewisse Modi des Magnetronbetriebes als
unanwendbar hielt. Beispielsweise ermöglicht die in den F i g. 1 und 2 gezeigte
Anordnung bei einer Betriebsweise im 270°-Modus eine wesentlich bessere Modustrennung
als ein gewöhnliches ungestrapptes Magnetrun von vergleichbarer elektrischer Länge,
das im Pi-Modus betrieben wird. Diese besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung erfordert nur zwei Drittel der Anzahl von Anodensegmenten einer Pi-Modusröhre
der gleichen elektrischen Länge. Dadurch können größere und stabilere Flügel für
eine gegebene Konstruktion verwendet werden. Außerdem kann sich dies für eine Verbilligung
der Herstellung auswirken.
-
Die Vorteile der Erfindung sind auch mit einer geringeren Anzahl von
Kopplungselementen erzielbar, vorausgesetzt, daß die obenerwähnte Beziehung zwischen
der Gestaltung dieser Kopplungselemente und der Phasenverschiebung im Anodenkreis
aufrechterhalten wird. Diese Vorteile sind nämlich zu erreichen, sofern die Kopplungselemente
zwischen dem periodischen Anodenkreis und einer konzentrischen Übertragungsleitung
längs des Anodenumfangs symmetrisch verteilt sind und sofern die räumliche Anordnung
der Kopplungselemente und der periodischen Abschnitte derart ist, daß die Phasenverschiebung
zwischen unmittelbar benachbarten Kopplungselementen eine andere als eine ganze
Zahl von Halbwellenlängen bei den gewünschten Betriebsfrequenzen beträgt.
-
Eine andere Ausführungsform zur Befriedigung dieser Bedingungen wird
in F i g. 4 gezeigt. Die Anordnung nach F i g. 4 kann in jeder Hinsicht als identisch
zu der in den F i g. 1 und 3 gezeigten Anordnung einschließlich der Isolierstützen
(nicht gezeigt) zur konzentrischen Halterung des Innenleiters im Außenleiter der
koaxialen Übertragungsleitung betrachtet werden, außer daß nur drei Kopplungsschlitze
37 vorgesehen sind. Die Schlitze 37 sind symmetrisch längs des Umfangs des Anodensystems
verteilt angeordnet, das aus neun Resonanzhohlräumen 16 besteht. Die Anzahl der
Schlitze 37 ergibt sich durch Teilung der Anzahl der Resonanzhohlräume durch eine
ganze Zahl. Die Lagebeziehung der Schlitze und Hohlräume ist derart, daß bei der
Betriebsresonanz die Phasenverschiebung zwischen benachbarten Schlitzen 37 keine
ganze Zahl von Halbwellenlängen ist.
-
Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß jeder n-te Anodenresonanzhohlraum
oder periodische Anodenabschnitt einen Kopplungsschlitz aufweist, wobei die Anzahl
der Hohlräume ein ganzzahliges Vielfaches von n und die räumliche Beziehung der
Kopplungsschlitze und Hohlräume derart ist, daß bei der Betriebsresonanz die Phasenverschiebung
pro Hohlraum multipliziert mit der Zahl h keine ganze Zahl von Halbwellenlängen
ist.
-
In der Anordnung nach F i g. 4 sind nur diejenigen Hohlräume, in denen
Kopplungselemente vorgesehen sind, unmittelbarer Bestandteil der Richtkoppelverbindung.
Auf Grund der periodischen oder symmetrischen Lage der Kopplungselemente können
jedoch unerwünschte Reflexionen in denjenigen Modi nicht entstehen, für die die
Kopplungsschleifen nicht durch eine ganze Zahl von Halbwellenlängen getrennt sind,
d. h. zum Beispiel für diejenigen Modi, in denen die Phasenverschiebung pro Hohlraum
40°, 80° und 160° und deren räumliche Harmonische beträgt. Anders ausgedrückt heißt
dies, daß der 120°-Modus undurchführbar ist. Die Anordnung nach F i g. 4 ist also
für eine praktische Kopplung hoher Richtwirkung mit einer Resonanzschleife von hoher
Kreisgüte für die erwähnten 40°-, 80°- und 160°-Modi und ihre räumlichen Harmonischen
geeignet.
-
Wie oben dargelegt, sind die Enden der das Anodensystem umgebenden
Übertragungsleitung elektrisch durch ein Sperrelement 35 in der Anordnung nach den
F i g. 1 und 3 getrennt. Ein identisches Element ist in der Anordnung nach F i g.
4 vorgesehen. Das Sperrelement 35 in beiden Anordnungen erstreckt sich radial nach
innen bis zu einem Punkt, der in der Mitte zwischen zwei benachbarten Kopplungsschlitzen
liegt. Diese Anordnung des Sperrelements vermeidet Störungswirkungen auf die oben
erläuterte hohe Richtwirkung des Richtungskoppelsystems.
-
Die Anordnung nach der F i g. 5 unterscheidet sich von derjenigen
nach F i g. 2 praktisch nur dadurch, daß an Stelle der Koaxialleitung ein Hohlleiter
39 mit Kopplungsschlitzen 38 verwendet wird. Der Hohlleiter hat an seinen Enden
je einen Ausgangskuppler 40 mit je einem in radialer Richtung vorspringenden Hohlleiterabschnitt
41, der durch ein vakuumdicht verschmolzenes wellendurchlässiges Fenster 42 verschlossen
ist.
-
Die Anordnung nach F i g. 6 unterscheidet sich
von
derjenigen nach F i g. 5 nur dadurch, daß eine geringere Anzahl von Kopplungsschlitzen
43 zwischen dem Anodensystem und dem Hohlleiter vorgesehen sind.
-
Der Erfindungsgegenstand kann auch mit anderen Ausführungsformen für
das Anodensystem, die übertragungsleitung und die Kopplungselemente verwirklicht
werden. Beispielsweise kann die Anodenkonstruktion eine Interdigitalleitungs- oder
Kammleitungsstruktur aufweisen. Die Kopplungselemente können an Stelle von Schlitzen
durch induktive Schleifen, Sonden und Kopplungsstifte gebildet werden.
-
Eine der möglichen Anwendungen besteht in einer Wanderfeldmagnetronoszillatorröhre
mit Richtungskopplung der oben beschriebenen Art, an deren vorderen Energiedurchgang
ein Verbraucher angeschlossen und an deren hinteren Durchgang eine Signalquelle
angekoppelt ist. Die in F i g. 2 mit A bezeichnete Signalquelle kann irgendein bekanntes,
allgemein zur Verfügung stehendes Gerät für Signale niedrigen Pegels sein, um die
Phase der Schwingung der Röhre zu beeinflussen. So kann man eine in der Technik
als phasenkohärente Betriebsweise bezeichnete Arbeitsweise erzielen, bei der die
Wanderwelle in das Anodensystem eingekoppelt und vom Richtkoppler durch den vorderen
Durchgang zu einem Verbraucher übertragen wird.
-
Die Anordnung kann auch in der sogenannten frequenzkohärenten Betriebsweise
arbeiten. Hierbei ist die Signalquelle so beschaffen, daß über den hinteren Durchgang
ein Signal zur Beeinflussung der Frequenz eingespeist wird, die vom Anodenkreis
erzeugt und in den Verbraucher abgegeben wird. Diese Ausführungsform ist auch zur
Durchführung einer Betriebsweise mit springendem Modus geeignet, bei der eine absichtliche
Änderung der Schwingungsform herbeigeführt wird.
-
Die Anordnung kann auch zum selbsttätigen Duplexbetrieb verwendet
werden. Wie in F i g. 2 gezeigt wird, kann die Röhre über den vorderen Durchgang
an einen Verbraucher, beispielsweise eine Antenne, angeschlossen sein und über den
hinteren Ausgang an einen Empfangsteil B. Der Empfangsteil B
kann zum
Empfang von Radarsignalen dienen. Während der Schwingungserzeugung der Röhre fließt
die erzeugte Energie durch den vorderen Durchgang zum Verbraucher. Dabei fließt
auf rund der hohen Richtwirkung keine nennenswerte Energie durch den hinteren Durchgang.
Wenn die Röhre dagegen passiv bzw. in einem nichtschwingenden Zustand ist, gelangt
jedes reflektierte bzw. vom Verbraucher oder der Antenne zurückkehrende Signal auf
dem Weg durch die Röhre und den hinteren Durchgang zum Empfangsteil. Diese Anordnung
kann entweder die Verwendung eines getrennten Duplexers erübrigen oder wenigstens
die Leistungskapazität eines eventuell verwendeten Duplexers stark herabsetzen.
Zusätzlich kann hierdurch das System vereinfacht und jede Beschränkung hinsichtlich
der Energieabgabe oder der Umschaltzeit beseitigt werden, die sonst die üblichen
Duplexer dem System auferlegen.
-
Wie bereits an Hand von F i g. 2 erläutert wurde, läßt sich mit der
verbesserten Konstruktion ein verbessertes Gerät schaffen, bei dem Reflexionen an
einem Verbraucher ohne ungünstige Beeinflussung der erzeugten und dem Verbraucher
zugeleiteten Energie unschädlich gemacht werden können. Insbesondere kann der vordere
Durchgang an einen Verbraucher, z. B. an einen als Hohlraumresonator wirkenden Mikrowellenofen
zur Erhitzung von Eßwaren oder anderen Gegenständen, angeschlossen werden. In diesem
System ist der hintere Durchgang mit einem angepäßten Dämpfungswiderstand C verbunden.
Die von einer Fehlanpassung in dem Verbraucher herrührende reflektierte Energie
wird durch den vorderen Durchgang in die Röhre zurückgeleitet. In der Röhre ist
die reflektierte Energie in bezug auf die nach vorwärts fortschreitende-Welle nicht
synchron und läuft daher um die Schleife herum, von wo sie ohne Beeinflussung der
Frequenz der Schwingung durch Richtungskopplung zum hinteren Durchgang gelangt.
Vom hinteren Durchgang wird die reflektierte Energie zum Dämpfungswiderstand geleitet,
in dem sie vernichtet wird. Mit dieser Richtungskopp-Jung arbeitet die Röhre wie
ein ideal angepaßter Generator. Die Unempfindlichkeit dieser Arbeitsweise gegenüber
Schwankungen der Verbraucherimpedanz macht außerdem jede Tendenz einer unerwünschten
Katodenrückheizung und damit verbundenen Leistungsschwankung verschwindend gering.
-
Es kann erwünscht sein, den energieverzehrenden Widerstand am hinteren
Durchgang im Innern der Röhre unterzubringen. Ein derartiges Konstruktionsbeispiel
ist in F i g. 7 gezeigt. Die Anordnung nach der F i g. 7 ist praktisch identisch
mit derjenigen nach der F i g. 5 oder 6 mit der Ausnahme, daß kein hinterer Durchgang
vorgesehen ist. Statt dessen sind im Innern der übertragungsleitung Mittel zum Verbrauch
einer zugeführten Leistung etwa in Form einer Schicht 44 aus einem Material von
relativ hohem elektrischem Widerstand vorgesehen. Das Material 44 dient dazu, jede
Energie zu dämpfen, die durch irgendeine Reflexion hierher gelangt ist.
-
Es wurde bereits erwähnt, daß die übertragungsleitung auch eine andere
Form sein kann, beispielsweise eine Koaxialleitung. Ebenso kann der energieverzehrende
Widerstand in Form irgendeiner der zahlreichen bekannten Dämpfungsvorrichtungen
ausgebildet sein.