DE1491517A1 - Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtung - Google Patents

Description

PiPL-INO. H. KLAUS BERNHARDT

8000 MÖNCHEN 23 · MAJNZERSTR.5 Vt P26 D

U91517

ASSOCIATES
Palo -Alt ο / California
Y. St. v. Amerika

Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtung

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika vom 20. September Serial Ho. 310,382

Die Erfindung betrifft Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtungen und insbesondere verbesserte Verzögerungsleitungen, die in Hochleistungs-Mikrowellen-Strahlröhren verwendet werden..

In Mikrowellen-Strahlröhren, beispielsweise Wanderfeldröhren, wird ein Elektronenstrahl durch eine Verzögerungsleitung gerichtet, die als Wechselwirkungskreis dient. Auf der Verzögerungsleitung wandert ein hochfrequentes elektrisches Feld, das mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt, um seine Geschwindigkeit zu verringern, so dass eine Bündelung mit entsprechender Verstärkung eines informationshaltigen hochfrequenten Eingangssignales eintritt. Eine bekannte Form einer

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Verzögerungsleitung in Hochleistungs-Mikrowellen-Strahlröhren besteht aus einer kleeblattförmigen Anordnung, bei der eine negative gegenseitige induktive Kopplung hervorgerufen wird, so dass der XJrundmodus eine Vorwärtswelle mit hoher Wechselwirkungs- . impedanz ist, so dass sie für Wanderfeldröhrenbetrieb geeignet ist. Eine solche Kleeblattanordnung ist in. Proceedings of the IHE, August 19571 Seiten 1112-1118, in IRE Transactions on Military Electronics, April I96I, Seiten 39-45 sowie in anderen Veröffentlichungen beschrieben. Eine ins einzelne gehende Beschreibung des Aufbaues und Betriebes einer Elektronenentladungseinrichtung mit einer Kleeblattanordnung ist auch in der älteren Anmeldung V 21 303 enthalten.

Bei der Konstruktion einer Wanderfeldröhre ist es erforderlich, den Wechselwirkungskreis an ein Wellenführersystem (Hohlleiter, Lecherleitung) anzupassen, um den Kreis am Eingang zu erregen und am Ausgang Energie abzuziehen. Darüberhinaus ist es für eine hochverstärkende Wanderfeidröhre im allgemeinen erforderlich, den Kreis entweder einmal oder mehrfach zu unterteilen, um zu erreichen, dass die Verstärkung in einer Kreissektion zwischen zwei Trennstücken oder zwischen einem Trennstück'und einem Übergang vom Kreis zum Wellenführer genügend klein ist, um Rückkopplungsschwingungen zu vermeiden. Es ist jedoch bekannt, dass jeder'Hikrowellenkreis gewöhnlich eine grosse Anzahl von wandernden Modi mit verschiedenen · Pqldformen führt. In diesem,Falle ist es im allgemeinen nicht ratsam, das Wellenführersystem an alle Modi des Wechselwirkungskreises anzupassen. Aus Gründen des Wirkungsgrades ist es ferner in

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einer praktischen Wanderfeldröhre nicht immer möglich* die Yerstärkung jeder Ereissektion zu begrenzen, um die Möglichkeit von Schwingungen für alle Modi zu vermeiden, die mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung treten, ohne dass einige zusätzliche Stabilisierungshilfen hinzugefügt werden.

Schwingungen treten in Mikrowellen-Strahleinrichtungen auf, wenn die Wechselwirkungsimpedanz, die Kreisfehlanpassung, und der Strahlscheinleitwert in Kombination genügend hoch sind. Wenn die Strahlleistung in einer Mikrowellen-Strahleinrichtung erhöht wird, wird . Λ der Strahl-Scheinleitwert gewöhnlich sehr stark vergrössert, so dass ein zu !Instabilitäten führender Faktor vergrössert wird« Auch eine Erhöhung der Hochfrequenzleistung bringt eine Erhöhung der Strahlleistung mit sich. Schwingungsneigung besteht also am stärksten in Einrichtungen, die mit hoher Hochfrequenzleistung arbeiten.

Tatsächlich können !Instabilitäten durch die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer schlecht abgeschlossenen Kreiswelle entstehen. Schwingungen auf Frequenzen, die dem allgemeinen interessierenden Frequenzband fern liegen, können Störungen bei anderen Hochfrequenzgeräten hervorrufen, können zu einer Defokussierung des Elektronenstrahls führen und zu einer Verzerrung des informationshaltigen Signals, das gerade verarbeitet wird, sowie zu geringem Wirkungsgrad und anderen nachteiligen Wirkungen. Wenn es auch möglich sein kann, jeden einzelnen Modus abzuschliessen oder zu stören, um die auftretende Wechselwirkung zu ändern, ist es im allgemeinen nicht möglich, alle verschiedenen Modi in der gleichen Weise zu be-

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einflussen, und deshalb sind zusätzliche Stabilisierungshilfen erforderlich.

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Terzögerungsleitung für eine Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtung verfügbar gemacht werden«

Ferner soll durch die Erfindung eine neuartige und einfache Möglichkeit verfügbar gemacht werden, wilde Schwingungen in einem Verzögerungskreis einer Mikrowellenröhre herabzusetzen.

Erfindungsgemäss besteht die Verzögerungsleitung einer Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtung aus einer Anordnung von hintereinander liegenden Kleeblattsektionen, wobei jede Sektion eine TJmfangswand mit wenigstens einer Energiekopplungseinrichtung aufweist,. An flie Energiekopplungseinrichtungen sind Energie-Abfuhreinrichtungen angekoppelt, mit denen ein Teil der elektromagnetischen Energie in der Kleeblattsektion abgezogen und ausgebreitet wird. Die Energieköpplungseinrichtungen können in Resonanz befindliche oder nicht in Resonanz befindliche Öffnungen, Schleifen oder Sonden oder Kombinationen davon sein. Die Energie-Abfuhreinrichtungen können ein abgeschlossener Hohlleiter oder eine Koaxialleitung sein, die mit der Energiekopplungseinrichtung an den Wechselirirkungskreis angekoppelt sind« Die Energie-Abfuhreinrichtung kann auch ein gedämpfter Hohlleiter oder eine Koaxialleitung sein, die resonanzfähig ist, um eine Kopplung bei bestimmten Frequenzen zu ergeben. Die abgeschlossenen-, in Resonanz befindlichen Koppeleinrichtungen, können frequenzselektiv sein,· indem die Hohlleiterbreite entsprechend eingestellt wird, oder

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durch andere bekannte Filtertechniken, mit denen ein Hoch- oder ein Bandpass oder ein Bandsperrfilter aufgebaut wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein Band oder einen Bereich von Frequenzen auszuwählen, über dem die Stabilität verbessert werden kann, ohne dass die Arbeitsweise in einem anderen Band oder anderen Frequenzbändern beeinflusst wird. _N

Die Erfindung Soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden; es zeigens

Fig. 1 eine teilweise geschnittene und teilweise gebrochene Seiten- mk ansicht einer Mikrowellen-Strahlröhre mit einem Yerzögerungs-

kreis;
Fig. 2 einen vergrösserten Teilschnitt des mit Linie 2-2 in Fig. 1

umgrenzten Teilsj ·

Fig. 3 einen Querschnitt einer Kleeblattsektion nach der Erfindung

längs Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Teil der Kleeblattsektion längs ,.. -

Linie 4-4 in Fig. 3» ¹^cL
Fig. 5 eine Teilansicht eines Teiles einer anderen Ausführungsform

einer erfindungsgemässen Kleeblattsektion. '

Gemäss Fig. 1 besteht eine Wanderfeldröhre 10 aus einer Kathode 12, aus der ein Elektronenstrahl 14 auf eine Anoäe 16 zu gerichtet ist, die gegenüber Kathode 12 positiv ist. Die Elektronen des Strahls durchqueren die Anode 16 und einen WeehselWirkungskreis oder Verzögerungsleitung 18, die eine Vielzahl von gekoppelten Hohlraumkreisen in Form von Kleeblattsektionen 20 enthält, wie sie in Fign. 2 und 3 dargestellt sind. Der Elektronenstrahl 14 wird mit einem Magnetfeld

fokussiert, das im Bereich des Wechselwirkungskreises 18 gleichförmig ist und in axialer Richtung durch die mittig angeordneten Öffnungen 22 in den Kleeblattsektionen 20 verläuft.

Ein Eingangswandler oder Hohlleiter 24 liefert ein informationshaltiges Eingangssignal an den Eingangskreis 18a der Verzögerungsleitung 18, das mit dem Elektronenstrahl 14 in. Wechselwirkung tritt, während ein Ausgangssignal von einem Ausgangshohlleiter 26 abgeleitet wird, der an den Ausgangskreis 18b der Verzögerungsleitung angekop·· pelt ist. Die Wanderfeldröhre 10 umfasst auch einen Kollektor 28, der gegen das Magnetfeld abgeschirmt ist, so dass der Strahl vor dem Auffangen in radialer Richtung ausgebreitet wird. Im Betrieb wird das Eingangssignal durch einen Eingangshohlleiter an den Eingangs-Wechselwirkungskreis 18a gebracht und wird von Hohlraum 20 zu Hohlraum 20 gekoppelt, so dass das Signal längs des Kreises wandert. Die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl 14 und den Kreisfeldern bewirkt, dass die HF-Energie exponentiell mit der Distanz längs des Wechselwirkungskreises anwächst.

Die Verzögerungsleitung 18 besteht aus einer Anzahl Sektionen 20 von Kleeblattform, von denen eine in Einzelheiten in Fign. 2 und 3 dargestellt ist. Die Kleeblattsektion 20 enthält zwei metallische Endwände 32 und 34, wobei jede Wand eine kreisförmige Strahloffnung 22 aufweist, die. axial darin liegt und auch als kapazitive Kopplung zwischen-'Sektionen 20 dient. Eine geschwungene metallische Seitenwand 56.» beispielsweise in Form eines vierblättrigen Kleeblattes,ist zwischen die beiden Endwände 32 und 34 jeder Sektion 20 gelötet. Die Wände 32 und 34» die die Hohlraumsektionen 20 trennen, sind mit einer Anzahl radial angeordneter induktiver Koppelsohlitze 38 versehen, die gegen-· einander um jeweils 45° versetzt sind, so dass sie in jeder zweiten '

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Sektion gleiche. Lage haben. Eine ähnliche Art einer Verzögerungsleitungs-Sektion in einer Wanderfeldverstärkerröhre ist"in der deutschen Patentschrift 1 116 755 beschrieben. Die in Kaskade liegenden, miteinander gekoppelten Kleeblatt-Hohlräume bilden eine periodische Belastung des Wellenführers, um die Wellengeschwindigkeit herabzusetzen.

Die Verzögerungsleitung 18 ist etwa in der Mitte der Röhre 10 mit einem Trennstück 56 aufgeteilt, das eine Weiterleitung von HF-Energie durch die Verzögerungsleitung 10 verhindert. TJm starke M Reflektionen der HF-Energie vom Trennstück 56 zu verhindern, wird ein Übergangsstück 58 verwendet, um die HF-Energie durch den Hohlleiter 40 einem äusseren, nicht dargestellten Abschluss zuzuführen. Eine identische Übergangs- und Hohlleitersektion wird gegenüber dem TrennstÜQk_55 verwendet, um die HF-Energie von der Eingangs-Verzögerungsleitung 18a abzuschließen» Das Signal wird über den Trennraum mit dem Elektronenstrahl I4 befördert und in den Ausgangs-Wechselwirkungskreis 18b eingeführt.

Die Kleeblatt-Hohlräume 20 sind mit Kanälen 46 versehen, durch die Kühlmittel geleitet werden können, um den Mittelteil der Röhre 10 zu kühlen. Zusätzliche Kühlleitungen und -kanale 48 können in der Verzögerungsleitung. 18 vorgesehen werden, um die ErwÄrntungseffekte herabzusetzen, die auftreten, wenn HochfrequenzrÖhren mit hoher Leistung betrieben werden· ■

Erfindungsgemäss sind in den TJmfangswänden 36 jeder der Kleeblattsektionen 20 Öffnungen oder Schlitze 50 (vergl. Fig. 4) vorgesehen,

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und ein Hohlleiter 52 mit geringen Verlusten ist so angeordnet, dass er mit einem Schlitz 50 und damit mit einer Kleeblattsektion 20 gekoppelt ist. Auf diese Weise wird elektromagnetische Energie aus den Kleeblättern 20 abgezogen und im Hohlleiter 52 ausgebreitet, der als Aussparung im Anschluss an das Kleeblatt ausgebildet ist· Der Hohlleiterteil wirkt als Hochpassfilter, der Energie oberhalb der Hohlleiterfrequenz durchlässt* Der Hohlleiterteil- 52 enthält einen verlustbehafteten keramischen Abschluss 54» der dazu dient, die auftreffende HF-^nergie zu vernichten. Die Breite des Hohlleiterteils wird normalerweise so eingestellt, dass ein frequenz-. selektiver Verlust .bei Frequenzen auftritt, die hoher als die zu verstärkenden sind. Frequenzen unterhalb der Hohlleiter-Grenzfrequenz werden reflektiert und deshalb im Hohlleiterabschluss nicht vernichtet. Wenn es erwünscht ist, eine Kopplung nur über einem schmalen Frequenzbereich zu haben, kann, ein sehr enger Resonanzschlitz oder eine enge Resonanzöffnung mit vorgegebenen Abmessungen in der TJmfangswand $6 des Kleeblattes 20 hergestellt werden.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die aus einer Sonde oder Schleife 60 besteht, die durch die Öffnung oder den Schlitz 50 in der Umfangswand 36 der Kleeblattsektion 20 gebildet ist und die mit einem Bandsperrfilter 62 gekoppelt ist, das zur Unterscheidung von dem gewünschten, zu verstärkenden Signal dient und HF-Energie anderer unerwünschter Modi durchlässt, so dass diese in einem verlustbehafteten keramischen Abschluss 64 vernichtet werden, der an das Filter 62 angeschlossen ist. Bei dieser Kombina«- tion ist es nicht erforderlioh, einen relativ langen, ausgesparten Hohlleiter im Bereich jedes Kleeblatt-Hohlraums 20 anzuordnen,

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wie in Pig. 3 dargestellt.

Es wurde eine neuartige Ausbildung einer Kleeblatt-Anordnung einer Verzögerungsleitung von Hochleistungs-Mikrowellen-Strahlröhren beschrieben. In der Umfangswand des Kleeblattes sind mit Nuten oder Schlitzen vorgegebener Grosse versehene Teile vorgesehen» und ein verlustbehafteter Abschluss ist an den Kleetflatthohlraum durch die Schlitze angekoppelt, um elektromagnetische Energie abzuziehen und zu verteilen, so dass unerwünschte Modi im wesentlichen vermieden werden.

Die\ Erfindung ist nicht nowendigerweise auf Wanderfeldröhren beschränkt, sondern ia:fc..,gjich auf Klystrons oder andere Hochleistungs-Mikrowellen-Strahlröhren und Linearbeschleuniger anwendbar. Die Erfindung ist auch nicht auf Kleeblattanordnungen und Kleeblattformen beschränkt, diese sind nur als ein Ausführüngsbeispiel dargestellt.

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Claims (1)

1. PATENTANWALT .
   DiPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT " 1491517

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   Patentansprüche

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   /M •/Elektronenentladungseinrichtung mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines längs einer bestimmten Achse gerichteten Elektronenstrahls und einer Anzahl miteinander gekoppelter Hohlräume längs dieser Achse, von denen jeder durch eine Umfangswand begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraumwänden Schlitze bildende Öffnungen vorgesehen sind, mit denen abgeschlossene Wellenführer an die Hohlräume gekoppelt sind.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschlossenen Wellenführer verlustbehaftete keramische Körper enthalten.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschlossenen Wellenführer aus einer Sonde bestehen.

   Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschlossenen Wellenführer aus einer Koppelschleife bestehen«

   5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein. Bandsperrfilter an die abgeschlossenen Wellenführer gekoppelt ist und dass ein verlustbehaftetes Material an das Tilter angekoppelt ist.

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   6. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume Kleeblattform haben.

   7· Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Hohlräumen Kühlkanäle angebracht sind«

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