DE1298198B - Laufzeitroehre zur Verstaerkung hoechstfrequenter Signale, insbesondere fuer hohe Leistungen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Laufzeitröhre zur Verstärkung höchstfrequenter Signale, insbesondere für hohe Leistungen, mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem am einen Röhrenende, einer Verzögerungsleitung, längs der der Elektronenstrahl mit der auf der Verzögerungsleitung fortschreitenden Signalwelle in Wechselwirkung tritt, und einer Auffangelektrode am anderen Röhrenende, bei der der Elektronenstrahl in einem wenigstens angenähert homogenen longitudinalen Magnetfeld verläuft.
• Eine der gebräuchlichen Röhren zur Verstärkung höchstfrequenter Signale ist die. Wanderfeldröhre, Diese ist bekanntlich eine Lauffeldröhre mit Verzögerungsleitung; in der- die ,$lektronengleichgeschwindigkeit nach Größe und -Richtung angenähert der Phasengeschwindigkeit einer -längs der Leitung fortschreitenden Signalwelle ist. Zur Führung des- Elek: tronenstrahls dient dabei im allgemeinen ein longitudinales Magnetfeld. Für den Hochfrequenzmechanismus der Wanderfeldröhren ist dieses Magnetfeld jedoch ohne unmittelbare Bedeutung. Der Vorgang der Verstärkung der Signalwelle beruht dabei auf der Wechselwirkung mit der sogenannten langsamen Raumladungswelle im Elektronenstrahl.
• Der Vorteil der Wanderfeldröhre besteht in ihrer Breitbandigkeit. Der Wirkungsgrad ist jedoch verhältnismäßig gering. Der Grund hierfür ist in der auf Grund der Wechselwirkung zwischen der Signalwelle und der (langsamen) Raumladungswelle erfolgten Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls zu sehen. Diese Geschwindigkeitsmodulation bedingt nämlich, daß einerseits- "die kinetische Energie des Elektronenstrahls nur. zu, einem- geringen Prozentsatz in Hochfreqüdnzenergieumgewandelt .werden kann und daß andererseits die im Strähl-verbleibände-kihe=-tische Energie nicht in vollem Maße zurückgewonnen werden kann. Die Frage des Wirkungsgrades ist aber vor allem für Hochleistungsröhren von besonderer Bedeutung. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Laufzeitröhre zur Verstärkung höchstfrequenter Signale, -insbesondere für hohe Leistungen, zu schaffen-';- der die Wechselwirkung= zwischen der Signalwelle und dem Elektronenstrahl keine Geschwindigkeitsmodulation des Strahls hervorruft. Die Erfindung macht Gebrauch von den bekannten Erkenntnissen der Wellen in einem Elektronenstrahl, der in einem longitudinalen homogenen Magnetfeld durch transverpale elektrische FeldkompoT. nervten einer längs einer Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle beeinflußt wird (vgl. »Journal of Applied Physics«, Januar 196U, S. 17 bis 26).---Im@-Gegensatz zu- den Wanderfeldröhren isst dann das, longitudinale Magnetfeld für die Wechselwirkung ds- Elektronenstrahls mit- der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden Welle von wesentlicher Bedeutung. Auf Grund der ablenkenden Wirkung des elektrischen Transversalfeldes auf den Elektronenstrahl im longitudinalen Magnetfeld bilden sich nämlich die schnelle und die langsame Zyklotronwelle im Elektronenstrahl aus, wobei zur Modulation mit der schnellen Zyklotronwelle dem Elektronenstrahl Energie zugeführt und zur Modulation mit der langsamen Zyklotronwelle dem Elektronenstrahl Energie entzogen wird. Die Zyklotronwelle ist durch eine Rotation und gleichzeitige Translation der Strahlelektronen charakterisiert, so daß sich als Modell für die Zyklotronwelle eine Schraubenlinie ergibt, längs der sich die Elektronen-fortbewegen. Die Phasengeschwindigkeit der Zyklotronwellen ist (je nachdem, ob bei ihrem Zustandekommen dem Elektronenstrahl Energie zugeführt oder entzogen wurde) größer oder kleiner als die Gleichgeschwindigkeit der Elektronen. Neben den beiden Zyklotronwellen bilden sich im Elektronenstrahl zwei Wellen eines weiteren Wellentypus, die sogenannten Synchronwellen, aus. Die Phasengeschwindigkeit der beiden Synchronwellen ist stets gleich der Ele@tronenstrahlgleichgeschwindigkeit, woher. auch die Bezeichnung dieser Wellen rührt. Das Momentanbild stellt ebenfalls wie das Mömentanbild der Zyklotronwelle eine Schraubenlinie dar. Im Gegensatz zu den Zyklotronwellen zeigt-jedoch die Schraubenlinie keine Rotation, sondern nur eine Translation. (Das Modell einer solchen Welle-würde sich z. B. mit dem Wasserstrahl aus einem Gartenschlauch dadurch ergeben, daß der Gartenschlauch in einer Ebene senkrecht zur Achse des Wasserstrahls kreisförmig bewegt wird.) Die beiden Synchronwellen unterscheiden sich nur durch ihren @relati@veh- Eirehsinn um die Strahlachse. Die Synchronwelle mit positiv zirkularer Polarisation (bei Magnetfeldrichtung in Strahlrichtung Drehsinn in Uhrzeigerrichtung) hat .positive Energie, dem Elektronenstrahl erde" äläsö durch die Mödulation Energie zugeführt, die Syrichrönwelle mit negativ zirkularer Polarisation (bei Magnetfeldrichtung in Strahlrichtung Drehsinn entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung) hat negative Energie, d. h., dein Elektronenstrahl- wurde -durch Energie .entzogen. Dabei wird jeweils allen Elektronen ent-`veder die gleiche kihetische@ Energie zugeführt oder =entzogen. Bei der Modulation des Elektronenstrahls allein mit der negativ zirkular polarisierten Synchronwelle wird also der Strahl als Ganzes abgebremst.
• Unter Ausnutzung der- beschriebenen bekannten Erscheinung der Synchronwellen wird zur Lösung der gestellten Aufgabe bei- einer Laufzeitröhre der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vor-`=geschlagen, daß die Verzögerungsleitung vors einer vieradrigen Wendel gebildet ist, die die Signalwelle in Form einer negativ zirkular polarisierten Welle mit transversalen elektrischen Feldkomponenten führt, deren axiale Phasengeschwindigkeit gleich der Elektronenstrahlgleichgeschwindigkeit ist, und daß das zu verstärkende Signal dem einen - von zwei gegenüberliegenden.-Adern gebildeten - Adernpaar der Wendel üiidj-init 'einer Phasendifferenz von n/2 dem anderen - von den zwei anderen gegenüberliegenden Adern gebildeten - Adernpaar der Wendel zugeführt wird: Durch. die Wechselwirkung zwischen einer negativ zirkular polarisierten Welle- auf- der Verzögerungsleitnng.:znit ::der" negatiy: :zirkular polarisierten Synchronwelle des Elektronenstrahls wird der Strahl als Ganzes abgebremst. Mäh kann also, indem man die axiale Phasengeschwindigkeit einer solchen Verzögerungsleitungswelle der Elektronengleichgeschwindigkeit anpaßt, einen hohen elektronischen Wirkungsgrad erzielen. Außerdem kann die im Strahl verbleibende kinetische Energie durch Abbremsung fast vollständig zurückgewonnen werden.
• An Hand der Figuren der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
• Als Verzögerungsleitung, die eine negativ zirkular polarisierte Welle mit transversalen elektrischen Feldkomponenten führt, wird erfindungsgemäß eine vieradrige Wendel verwendet.
• F i g. 1 zeigt einen Abschnitt einer solchen Wendel mit den vier Adern 14,15,16 und 17. Diese Verzögerungsleitung wird durch das zu verstärkende Signal so erregt, daß sich in einer Ebene senkrecht zur Wendellängsachse das hochfrequente elektrische Feld jeweils zwischen den einander gegenüberliegenden Adern 14 und 15 sowie 16 und 17 ausbildet.
• F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Verzögerungsleitung nach F i g. 1. Eine entsprechende Feldverteilung läßt sich erzwingen, wenn man die zu verstärkende Signalwelle dem Adernpaar 14,15 gegenüber dem Adernpaar 16,17 mit einer Phasendifferenz von z/2 zuführt. Dazu ist zweckmäßig die Einkoppelleitung aufgezweigt und die elektrische Länge der beiden Zweige der Einkoppelleitung so bemessen, daß sich die gewünschte Phasendifferenz ergibt.
• F i g. 3 zeigt das Leistungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Laufzeitröhre. Der Pegel 18 stellt die kinetische Strahlleistung vor Eintritt in die Verzögerungsleitung dar. Längs der Verzögerungsleitung wird kinetische Strahlenergie in Höchstfrequenzenergie umgewandelt, so daß die Leistung vom Pegel 18 auf den Pegel 19 abfällt. Zwischen der Verzögerungsleitung und der Auffangelektrode kann die im Strahl entsprechend dem Pegel 19 verbliebene kinetische Energie in bekannter Weise durch Abbremsung des Elektronenstrahls zurückgewonnen werden. Lediglich ein kleiner Teil der Energie entsprechend dem Pegel 20 geht dann als Wärme verloren. Bei einer Wanderfeldröhre könnte die im Strahl verbliebene Energie wegen der Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls nicht in diesem Maße zurückgewonnen werden. Zum Vergleich hierfür dient die F i g. 4, die das Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm eines geschwindigkeitsmodulierten Elektronenstrahls zeigt. Man erkennt daraus, daß dann eine Abbremsung nur auf eine mittlere Geschwindigkeit v. entsprechend der Linie 21 möglich ist. Eine stärkere Abbremsung würde zu einer Reflexion der langsameren Elektronen führen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Laufzeitröhre zur Verstärkung höchstfrequenter Signale, insbesondere für hohe Leistungen, mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem am einen Röhrenende, einer Verzögerungsleitung, längs der der Elektronenstrahl mit der auf der Verzögerungsleitung fortschreitenden Signalwelle in Wechselwirkung tritt, und einer Auffangelektrode am anderen Röhrenende, bei der der Elektronenstrahl in einem wenigstens angenähert homogenen longitudinalen Magnetfeld verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung von einer vieradrigen Wendel gebildet ist, die die Signalwelle in Form einer negativ zirkular polarisierten Welle mit transversalen elektrischen Feldkomponenten führt, deren axiale Phasengeschwindigkeit gleich der Elektronenstrahlgleichgeschwindigkeit ist, und daß das zu verstärkende Signal dem einen -von zwei gegenüberliegenden Adern gebildeten -Adernpaar der Wendel und mit einer Phasendifferenz von a/2 dem anderen - von den zwei anderen gegenüberliegenden Adern gebildeten -Adernpaar der Wendel zugeführt wird.
2. 2. Laufzeitröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einspeisung des zu verstärkenden Signals in die Wendel eine aufgezweigte Einkoppelleitung dient und die Phasendifferenz von z7/2 zwischen den beiden Adernpaaren der Wendel durch entsprechend unterschiedliche Bemessung der elektrischen Länge der beiden Zweige der Einkoppelleitung erzielt ist.
3. 3. Laufzeitröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl zwischen dem Ende der Verzögerungsleitung und der Auffangelektrode eine Abbremsung auf eine Geschwindigkeit von nahezu Null erfährt.