DE1491332C - Spannungsabstimmbare Magnetron Os zillatorrohre - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird gemttß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schlitzanode von einem innenseitig s offenen etwa ringförmigen Hohlraumresonator konzentrisch umgeben ist, dessen einander gegenüberliegende Innenseiten rundum mit den üußeren Anschlußringen galvanisch verbunden sind, und daß mindestens ein elektrisch gut leitendes Verbindungsl d ittl Ahlußring mit der peri

shußringe) angeordneten Anschlußring (mittlerer Anschlußring) und die geradzahligen Segmente endseitig an den äußeren Anschlußringen befestigt sind, und bei der die erzeugte Hochfrequenzenergie über eine Ausgangsleitung entnehmbar ist.

Eine Magnetronröhre dieses Typs ist durch die USA.-Patentschrift 3 084 280 bekanntgeworden.

Eine spannungsabstimmbare Magnetron-Oszillatorröhre ist eine Mikrowellen-Oszillatorröhre, deren ib ilf i

Die Erfindung bezieht sich auf eine epannungs-. abstimmbare krelszylindrisohe Magnetron-Oszillatorrühre mit einer aus einer geraden Anzahl von Sogmenten bestehenden Schlitzanode vom Interdigitaltyp, bei der die Segmente an drei quer zur Röhrenachse sich erstreckenden metallischen Ringen befestigt sind (Anschlußringe), wobei die ungeradznhligen Segmente wenigstens angenähert mittig an

dem wenigstens angenähert in der Mitte zwischen mindestens ein elekt g g

den beiden anderen Anschlußringen (äußere An- io element den mittleren Anschlußring mit der perischlußringe) angeordneten Anschlußring (mittlerer pheren Hohlraumresonatorwand galvanisch ver-Ahlßi) d di dhli S d bindet.

Vorzugsweise sind mehrere stabförmige Verbindungselemente vorgesehen. Bei einer Ausbildung der 15 Röhre, bei der die Auskopplung über ein Koaxialkabel erfolgen soll, kann die Anordnung so geschaffen sein, daß die Koaxialleitung die periphere Hohlraumresonatorwand in Höhe des mittleren Anschluß, ringes radial durchsetzt und der geradlinig weiter-

Betriebsfrequenz mit Hilfe einer Steuerspannung ao geführte Innenleiter der Koaxialleitung mit dem über weite Bereiche veränderbar ist. Diese Oszilla- mittleren Anschlußring galvanisch verbunden ist, toren verwenden eine periodische Breitbandschal- während der Außenleiter der Koaxialleitung in die tung, die in unmittelbarer Nähe eines Elektronen- periphere Hohlraumresonatorwand übergeht.
Strahlstroms angeordnet ist und als radiale Über- Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung

tragungsleitungen aufgefaßt werden kann. Die Röhre 35 mit der Zeichnung erläutert; es zeigt
weist im allgemeinen äußere HF- oder Mikrowellen- Fig. 1 im Querschnitt eine spannungsabstimm-

schaltungen auf. Die Leistung eines spannungs- bare Magnetronröhre mit einer HF-Schaltung als ein abstimmbaren Magnetron steht im engen Zusammen- Ausführungsbeispiel der Erfindung,
hang mit den charakteristischen Eigenschaften des Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Interäußeren HF-Kreises; es werden beispielsweise der 30 digital-Anode, die für das Magnetron nach Fig. 1 Frequenzbereich, die abgegebene Leistung, die Verwendung findet,

Schwingstabilität, Streuauskopplungen u. dgl. einer Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch

spannungsabstimmbaren Magnetron-Oszillatorröhre einen Hohlraum-Resonator und drei Ausgangsweitgehend durch die äußere HF-Schaltung be- anschlüsse eines Magnetrons gemäß der Erfindung stimmt. 35 und

Bisher wurden Hohlleiter-Abstimmvorrichtungen Fig. 4 einen Teilquerschnitt einer gegenüber

und abgestufte Wellenleiter als äußere HF-Schaltun- F i g. 1 abgeänderten Ausführungsform,
gen für spannungsabstimmbare Magnetron-Oszilla- In Fig. 1 der Zeichnung ist eine spannungsab-

toren verwendet. Solche Vorrichtungen ermöglichen stimmbare Magnetron-Oszillatorröhre 11 mit drei jedoch keinen Betrieb des Magnetrons bei niedrigen 40 Anschlüssen dargestellt, die mit einem Hohlraum-Frequenzen, weil sie bei solchen Frequenzen große resonator 12 zu einer Einheit kombiniert ist, der das Abmessungen erhalten müssen. Es sind Versuche Magnetron umgibt. Das Magnetron enthält eine Kagemacht worden, dem spannungsabstimmbaren Ma- thodenstützwand 13 an einem Ende, eine kalte, nicht gnetron bei derartigen Vorrichtungen eine gleich- emittierende Kathode oder Elektrodenstützwand 14 förmige Umfangsimpedanz zuzuordnen, indem eine 45 am anderen Ende und zwischen beiden einen zylindri-Vielzahl von radial versetzten Koaxialleitungen mit sehen Wechselwirkungsraum 15, der durch eine Interder Röhre verbunden und dann außerhalb der HF- digitalanode begrenzt wird. Die Interdigitalanode wird Schaltung über einen Impedanzwandler miteinander durch eine Vielzahl von dünnen, länglichen Segmenan eine einzelne koaxiale Ausgangsleitung ange- ten 16 gebildet, die in Kreisform angeordnet sind, schlossen wurden. Die Ergebnisse waren hierbei 50 Eine heiße Kathode 18 emittiert Elektroden in den nicht befriedigend, und es haben sich große Schwie- Wechselwirkungsraum 15 unter Steuerung durch eine rigkeiten ergeben, wenn die Energie in jeder der Steuerelektrode 19. Ein nicht dargestelltes Magnetgetrennten Leitungen in einer einzelnen koaxialen feld ist in axialer Richtung nach dem Wechselwir-Ausgangsleitung kombiniert werden soll. Derartige kungsrauml5 ausgerichtet und bewirkt, daß die bekannte Anordnungen ermöglichen auch keinen ein- 55 Elektronen sich um eine kalte, nicht emittierende fachen und leichten Anschluß einer Koaxialleitung Kathode oder Elektrode 17 drehen, die auf dem an den Ausgang der Magnetronröhre. gleichen Potential liegt wie die heiße Kathode 18.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine spannungs- Die Elektronen wandern somit in einem spiralförmiabstimmbare Magnetron-Oszillatorröhre des eingangs gen Verlauf in axialer Richtung durch die Röhre, genannten Typs mit einer verbesserten HF-Schaltung 60 bis sie von den Segmenten 16 der Interdigitalanode zu schaffen, derart, daß die Röhrenanordnung auch eingefangen werden. Die Elektronen folgen der spibei niedrigen Frequenzen zufriedenstellend arbeitet. ralförmigen Bahn, weil die Steuerelektrode 19 auf Durch vorteilhafte Weiterbildungen des Gegen- positivem Potential gegenüber der heißen Kathode Standes der Erfindung soll auch noch eine gleich- liegt, so daß die Elektronen in radialer Richtung förmige Umfangsimpedanz für die Magnetronröhre 65 nach außen von einer Kraft beschleunigt werden, die erreicht werden, zur Auskopplung der Leitung soll senkrecht zu dem axial ausgerichteten Magnetfeld ein einfacher Koaxialanschluß vorgesehen sein und gerichtet ist, und weil sie in den Wechselwirkungses soll schließlich möglich sein, die Magnetron- raum 15 auf Grund eines positiven Potentials an den

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Segmenten X6 gezogen werden, das positiver 1st als das Potential der Steuerelektrode 19,

Die vorzugsweise als Vorratskathode ausgebildete Kathode 18 ist auf einer rohrförmigen Hülse 20 befestigt, Zwischen der Kathode W und der rohrfürmigen HUlse 20 ist ein Heizfaden 21 angeordnet. Der Heizfaden ist vorzugsweise bifllar gewickelt, und seine Leitungen sind mit einem Anschlußring 22 und einer Stütz- oder Metallvakuumwand 13 verbunden, die vontinander durch einen keramischen Isolatorring 24 isoliert sind. Ein keramischer Tragring 25 nimmt die metallkeramische Dichtung am Anschlußring 22 auf und ein keramischer Tragring 26 die metallkeramische Dichtung an der Endwandung 13. Der Anschlußring 22 ist ebenfalls ein Abdichtring, der einen Flanschteil 27 aufweist, welcher parallel zur Achse der Röhre gebogen ist. Die axiale Hülse 20, auf der die Kathode 18 befestigt ist, ist vorzugsweise eine dünnwandige Konstruktion und wirkt als Wärmedamm auf einer Seite der Kathode, indem die Wärme des Heizfadens im Bereich der Kathode 18 gehalten wird. Die dünnwandige axiale Hülse 20 ist an einem Ende an einer dünnwandigen konischen Halterung 28 befestigt, die als Wärmedamm auf der anderen Seite der Kathode wirkt. Eine öffnung 29 ist zur Evakuierung in der Halterung 28 vorgesehen. Die konische Halterung 28 ihrerseits ist auf der metallischen Endwandung 13 befestigt. Das andere Ende der axialen Hülse 20 wird von der hol.len, kalten, nicht emittierenden Kathode 17 aufgenommen.

Die Steuerelektrode 19 kann zylindrisch mit einem inneren Durchmesser ausgeführt sein, der gleich dem Außendurchmesser des Zwischenwirkungsraumes ist, der von den Segmenten 16 ausgebildet wird. Die Steuerelektrode 19 besitzt einen Anschlußring 30 mit einem keramischen Isolator 31, der den Ring von einem Metallabdichtring 32 trennt. Ein keramisches Tragbauteil 33 ist auf der entgegengesetzten Seite des Abdichtringes 32 angeordnet. Die Segmente 16 sind so angebracht, daß sie eine Interdigitalanode bilden, die drei Anschlußringe 34,35 und 36 aufweist. Der Anschlußring 30 und die Anschlußringe 34,35 und 36 sind durch keramische Isolatoren 37,38 und 39 getrennt; ein Isonerbauteil 14 trägt die nicht emittierende Kalhode 17.

Eine nicht dargestellte Pumpstutzenanordnung ist in dem Kathodenhalterungsbereich vorgesehen.

Die Segmente 16 der Interdigitalanode sind mit den drei Ringanschlüssen 34, 35, 36 verbunden. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Segmente und Ringanschlüsse und läßt erkennen, daß die Interdigitalleitung acht Segmente 1,2,3,4,5,6,7 und 8 enthält, es können jedoch auch mehr oder weniger als acht Segmente eine Interdigitalanode bilden. Jedes zweite Segment, z. B. Segmente 1,3,5 und 7, ist an einem Punkt zwischen den Enden mit dem Ring 34 verbunden, der zwischen Ringen 35 und 36 angeordnet ist. Die übrigen Segmente, nämlich die Segmente 2,4,6 und 8 sind mit beiden Enden an Ringe 35 und 36 angeschlossen. Die Ringe 35 und 36 liegen auf HF-Erdpotential und wirken als Erdungsflächen oder Abschirmungen zur elektrischen Isolierung des mittleren Ringes 34, der gegen die geerdeten Ringe 35 und 36 HF-isoliert ist.

Die Magnetronröhre 11 wird von einem ringförmig ausgebildeten Hohlraum-Resonator 12 umgeben, der einen offenen, inneren Umfang besitzt, der zwei Flächen 40 und 41 mit innerem Durchmesser ausbildet, deren jode elektrisch mit den einander gegenüberliegenden geerdeten Anschluöringen 35 und 36 verbunden ist. Der Hohlraumresonator kann aus beliebigem Metall, z.B. aus sauerstoiTfreiem, hochleltfUhigem Kupfer, hergestellt sein. Aus Gründen der Darstellung ist in Fig. 1 ein beidseitig nach innen einspringender Hohlraumresonator dargestellt. Wie weiter unten jedoch weiter ausgeführt wird, ist die Erfindung nicht auf einen solchen beschränkt.

ίο Wenigstens ein elektrisch leitender Stab 42 ist mn einem Ende galvanisch mit dem Mittelanschlußring 34 verbunden, das entgegengesetzte Ende ist an einem Teil des Hohlraum-Resonators 12 im Abstand von den Anschlußringen 34, 35 und 36 angebracht.

is Der Stab 42 kann aus beliebigem Metall, z. B. sauerstofffreiem, gut leitendem Kupfer, bestehen; er kann aber auch aus nichtleitendem Material mit einem äußeren Überzug aus leitendem Material hergestellt sein. Ferner kann der Stab 42 jede gewünschte geo-

ao metrische Gestalt annehmen, obgleich im Fall vorliegender Erfindung ein massiver zylindrischer Stab (Fig. 1) verwendet wurde. Wie weiter unten noch weiter ausgeführt wird, kann eine Vielzahl von radial versetzten Stäben verwendet werden. Der leitende

as Stab 42 ergibt eine Gleichstromverbindung von dem Ring 34 zu den anderen Ringen 35 und 36. Wegen der hohen Impedanz des Stabes 42 für hohe Frequenzen bleibt der Ring 34 gegen die Ringe 35 und 36 HF-isoliert.

Die HF-Auskoppelvorrichtung ist mit dem Hohlraumresonator verbunden und enthält einen inneren Leiter 43, der dem Stab 42 ähnlich ist, und der an seinem einen Ende galvanisch mit dem Mittelanschlußring 34 verbunden ist; das andere Ende des

Leiters 43 erstreckt sich durch einen Teil des Hohlraums 12, der von den Anschlußringen 34,35 und 36 abgelegen und gegen diese isoliert ist. Ein äußerer Leiter 44 ist mit dem Außenteil des Resonanzhohlraums verbunden und umgibt den inneren Leiter 43.

Eine Isolierhaltenuife 45 trennt den inneren Leiter 43 und den äußeren Leiter 44, so daß ein einfacher Auskoppel-Koaxialanschluß für HF-Ener«ie ausgebildet wird. Falls erwünscht, kann der koaxiale Auskoppelanschluß einen vakuumdichten Abschluß mit dem Hohlraum bilden.

Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung arbeitet in folgender Weise: Ein äußerer Magnetkreis (nicht dargestellt) bildet ein gleichförmiges magnetisches Feld innerhalb des Wechselwirkungsraums 15 aus, das parallel zur Röhrenachse orientiert ist. Die heiße Kathode 18 emittiert Elektronen, die von der Steuerelektrode 19 angezogen werden. Die Elektronen, die damit einer radial nach außen und senkrecht zu dem Magnetfeld gerichteten Kraft ausgesetzt sind,

drehen sich um die Achse des Magnetrons. Die Segmente 16 um den Wechselwirkungsabschnitt 15, die positiver sind als die Steuerelektrode, ziehen die umlaufenden Elektronen innerhalb des Wechselwirkungsraumes 15 an. Wenn die Elektronen im Raum

15 umlaufen, werden elektromagnetische HF-Schwingungen in den Segmenten 16 gemäß bekannten Theorien ausgebildet. Die Elektronen durchlaufen eine etwa spiralförmige Bahn längs der Achse, bis sie durch die Segmente 16 der Interdigitalanode eingefangen werden.

Die HF-Schwingungen in den Segmenten ergeben einen HF-Potentialunterschied zwischen dem mittleren AnscMußring 34 und den anderen Anschluß-

ringen 35 und 36, die auf HF-Erdpotential liegen. Dieser Potentialunterschied bewirkt einen Stromfluß in den Hohlraumresonatorwandungen und in dem Stab 42, wie er in F i g. 3 dargestellt ist; diese Figur zeigt den Stromfluß in einem bestimmten Zeitpunkt. In Fig. 3 ist ein Strompfad dargestellt, der an den beiden äußeren Anschlußringen 35 und 36 beginnt, nach außen längs der Wandungen des Hohlraumresonators 12, durch die Stäbe 42' und 42", die ähnlich dem Stab 42 nach F i g. 1 sind, und zu dem Anschlußring 34 verläuft. Dieser Strom bewirkt Resonanzschwingungen in dem Hohlraumresonator 12. Die HF-Energie wird über den Koaxial-Auskoppelanschluß nach F i g. 1 abgenommen.

In F i g. 1 ist nur ein Stab 42 dargestellt. Es versteht sich, daß eine Vielzahl von solchen Stäben in radialer Richtung im Hohlraumresonator 12 versetzt angeordnet sein können und daß sie jede gewünschte geometrische Form annehmen können. Bei der praklisehcn Durchführung der Erfindung werden drei bis sechs solcher Stäbe verwendet. Durch Änderung der Größe (Querschnittsfläche) und Zahl der Stäbe 42 kann der Hohlraumresonator 12 so weit abgestimmt werden, wie die Zahl und Größe der Stäbe 42 den Gütefaktor Q und die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 12 bestimmen. Beispielsweise werden durch Erhöhung der Größe und/oder der Anzahl der verwendeten Stäbe42 die Induktivität des Hohlraumresonator 12 verkleinert und der Gütefaktor Q sowie die Resonanzfrequenz erhöht. Entsprechend kann die Einrichtung nach Fig. 1 bei geringen Frequenzen arbeiten, ohne daß der Resonanzhohlraum groß und sperrig sein müßte, weil der Hohlraum durch mehrere Stäbe 42 abgestimmt werden kann. Falls erwünscht, kann nur ein einziger Stab 42 verwendet werden. In diesem Fall kann die HF-Energie aus dem Hohlraumresonator durch eine HF-Kopplungsschleife (nicht dargestellt) ausgekoppelt werden. Die Verwendung mehrerer Stäbe 42 bewirkt, daß der Hohlraumresonator eine gleichförmige Umfangsimpedanz für das Magnetron 11 darstellt. Auch kann der innere Stromleiter 43 der Auskoppelvorrichtung konisch oder in anderer Weise geformt sein, damit eine Impedanzanpassung zwischen einer Ausgangskoaxialleitung und dem Hohlraumresonator erzielt wird.

In Fig. 1 ist zwar ein beidseitig nach innen einspringender Hohlraumresonator dargestellt, es kann jedoch jede andere bekannte Art für die Erfindung verwendet werden. Eine beidseitig nach innen einspringende Form ist deshalb dargestellt, weil sich hier eine geringere Kapazität auf Grund des verhältnismäßig breiten Abstandes zwischen den Teilen 46 und 47 des Hohlraumresonators ergibt. Wegen der Stäbe 42 wird die Querschnittsfläche des Hohlraumresonators nur teilweise durch den erforderlichen Betriebsfrequenzbereich bestimmt.

Wenn eine geringe Frequenzbandbreite erwünscht ist, kann ein Hohlraumresonator hoher Güte Q verwendet werden. Wenn jedoch eine große Bandbreite erwünscht ist, wird ein Hohlraumresonator geringer Güte Q vorgesehen. Die Einrichtung nach Fig. 1 hat den Vorteil, daß ein einfacher Koaxialanschluß zum Auskoppeln der HF-Energie aus der Magnetron-Oszillatorröhre möglich ist.

Der große Oberflachenbereich des Hohlraumrchonators 12, der mit den Anschlußringen 34,35 und 36 verbunden ist, kann thermisch mit einem Magneten (nicht dargestellt) verbunden sein, der ein axiales Magnetfeld erzeugt, damit der Hohlraumresonator und die Interdigitalanode des Magnetrons wirksam gekühlt werden. Weil der Hohlraumresonator einen vollständigen Strompfad darstellt, wird die HF-Streuung verringert, da die HF-Energie vollständig innerhalb des Hohlraumresonators 12 bleibt.

Die isolierenden Ringe 38 und 39, die dielektrische Verluste bewirken und die Kapazität der Anordnung über die nutzbare HF-Leistung nach Erde geschuntet wird, vergrößern, können auch weggelassen werden, wie die F i g. 4 zeigt. In dieser F i g. 4 ist ein Magnetron 11 in Verbindung mit einem Hohlraumresonator 12 ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt. In der Vorrichtung nach F i g. 4 sind die Isolierringe 38 und 39 der Fig. 1 weggelassen, damit die dielektrischen Verluste vermindert werden und damit die Kapazität der Einrichtung kleiner wird. Dieser Aufbau macht es erforderlich, daß der Hohlraumresonator 12 ein Bestandteil des evakuierten Teils des Magnetrons 11 wird. Entsprechend kann der Hohlraumresonator 12 ein Bestandteil der Ringe 35 und 36 sein, oder aber der Hohlraumresonator kann mit den Anschlußringen 35 und 36 verlötet bzw. verschweißt sein. damit ein vakuumdichter Abschluß erhalten wird. Auch der innere Leiter 43 kann ein Bestandteil des Ringes 34 sein oder aber lediglich mit ihm verbunden sein. Der Hohlraumresonator 12 wird dann gleichzeitig mit dem Magnetron 11 evakuiert, und zwar in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Pumpstutzens.

Wirkungsgrade bis zu 70 °/o sind mit dem Erfindungsgegenstand erzielt worden, und solche bis 85 ⁰O lassen sich durchaus erwarten.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Spannungsabstimmbare kreiszylindrische Magnetron-Oszillatorröhre mit einer aus einer geraden Anzahl von Segmenten bestehenden Schlitzanode vom Interdigitaltyp, bei der die Segmente an drei quer zur Röhrenachsc sich erstreckenden metallischen' Ringen befestigt sind (Anschlußringe, wobei die ungeradzahligen Segmente wenigstens angenähert mittig an dem wenigstens angenähert in der Mitte zwischen den beiden anderen

■ Anschlußringen (äußere Anschlußringe) angeordneten Anschlußring (mittlerer Anschlußring) und die geradzahligen Segmente endscitig an den äußeren Anschlußringen befestigt sind, und bei der die erzeugte Hochfrequenzenergie über eine Ausgangsleitung entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzanode (16) von einem innenseitig offenen etwa ringförmigen Hohlraumresonator (12) konzentrisch umgehen ist, dessen einander gegenüberliegende Innenseik-n rundum mit den äußeren Anschlußringen (35,36) galvanisch verbunden sind (bei 40 und 41), und daß mindestens ein elektrisch gut leitendes Verbindungselement (42) den mittleren Anschlußring (34) mit der peripheren Hohlraumresonatorwand (48) galvanisch verbindet.

2. Magnetron-Oszillatorröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß cine Vielzahl von in radialer Richtung sich erstreckenden und über den Umfang des mittleren Anschlußringes (34) verteilten stabförmlgcn Verbindungselemente!! (42) vorgesehen ist.

3. Magnetron-Osziliatorröhre nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erzeugte Hochfrequenzenergie über eine Koaxialleitung entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialleitung (43, 44) die periphere Hohlraumresonatorwand (48) in S Höhe des mittleren Anschlußringes (34) radial durchsetzt und der geradlinig weitergeführte Innenleiter (43) der Koaxialleitung (43, 44) mit dem mittleren Anschlußring (34) galvanisch verbunden ist, während der Außenleiter (44) der Koaxialleitung (43, 44) in die periphere Hohlraumresonatorwand (48) übergeht.

4. Magnctron-Osziüatorröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (12) einen Teil der Vakuumhülle der Röhre bildet.

5. Magnetron-Oszillatorröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (12) einen hohen Gütefaktor besitzt.

6. Magnetron-Oszillatorröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (12) einen niedrigen Gütefaktor besitzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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