DE1491521A1 - Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtung - Google Patents

Description

DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT 1491521

8OeOMONCHENaS-MAINZERSTR-S V1 P34 D

Expl.

YARIAH ASSOCIATES
PaIo Alto / California V. St. v. Amerika

Hochfrequenz-Elektron^rientladungaeinrichtung

Priorität: 6. Januar I964 Vereinigte Staaten von Amerika OS-Ser .No. 335 796

Die Errindung betrifft allgemein Hochfrequenz-Elektronenentladungseiiirichtungen und inabesondere Klyatronoazillatorun mit mehreren Kamine rn.

HP-Quellen für solche Anwendungen wie Treiber für Verstärker oder Leistungaoaziliatoren in luftgestützten Doppleraystomen mit ungedämpften Wellen, die im Gigaherzbereich (d.h. X-Band-Bereich) arbeiten, mehr als 50 Watt HP Leistung liefern und Über einen breiten Bereich von beispielsweise 2 i/2 i» durchgeatinnnt warden können, werden,zur Zeit eingehend untersucht und entwickelt. Wenn diese

909810/0595 "² "

BAD ORIGINAL

Konstriiktionsbodingun ;en zusainrien mit weiteren Forderungen auftreten, da33 nämlich die Quelle extrem frequenzstabil, kompakt, robust, leicht abstimmbar, vorzugsweise rait linearer Abstirancharakteriabik, und für längere Zeitspannen mit kleinem Rauachanteil arbaitan kann, dann konnten diese Frrderungen bisher nicht erfüllt werden.

Durch die Erfindung wir! eine Lösung dieser Konstruktionsaufgabe in Form eine3 flüsaigkeitsgekühlten, abj timmbaren Kl/atronoszillators mit zwei Kammern und kleinem Rauschanteil möglich.

TJm einen extrem geringen Pauschanteil zu erhalten, ist es erforderlich, Mikrophonien zu beseitigen, wodurch sofort eine extrem robuste Konstruktion erforderlich wird, d.h. eine kräftige Ausführung jader einzelnen Verbindung, Öffnung oder Koppeleinrichtung der Röhre. Die weitere Forderung, dass die Energiequelle kompakt ist und wenigstens 50 Watt IIF-Loistung liefern kann, macht neue Kühltechnikan erforderlich,die die in einer kompakten Röhre, die in der Nähe des erwähnten Leistungswegea'arboitet, erzeugte Wärme adäquat abführt. In gleicher Weise muss der Abatimmmechaniamua die Konstruktionsanforderungen erfüllen, dass ' nämlich die Abstimmung leicht durchgeführt werden kann und linear über den abstimmbaren Bereich erfolgt, während gleichzeitig· eine konstante Frequenz bei allen Frequenzen dea durchstimmbaren Bandes aufrecht erhalten wird, unabhängig von Vibrationen» denen die Röhre unterworfen sein kann. Zusätzlich soll die Röhre ohne Änderung der Abstimmoharakteristiken eine grosse Lebensdauer haben. Ein zusätzliches, erwünschtes Merkmal von absti'mmbaren Röhren ist eine Skalenaneeige, die in Frequenz-

909810/QS95 _ ,

ORIGINAL

einheiten kalibriert ist und linear mit der Tytner-Verdrehung in Beziehung steht! eine solche Anzeige stellt jedoch bezüglich Mikrophonien ein Problem dar. Weiter ist bei Hoohfrequenz-Elektronenentladungseinrichtungen im allgemoinen eine adäquate Abschirmung der Spannungszuführungen an den Kathodenteil der Einrichtung erforderlich. Bisher war ein adäquater, zuverlässiger Schute bezüglioh der Gefahr eines elektrischen Schlages durch die Hochspannungsleitungen in der Nähe der Kathode in narrenaioherer Welse nicht vorhanden» wie er durch die Erfindung verfügbar gemacht wird.

Durch die Erfindung soll ein verbesserter Klystron-Oszillator verfügbar gemacht werden.

Erfindungssemäss ist ein Zweikammer^Klystronoszillator mit Einrichtun-

gen ausgestattet! mit denen beide Kairoern gleichzeitig abgestimmt werden können, während ihre Kopplung verändert wird.

Durch die Erfindung wird ein abatimmbarer Mehrkananer-Klystronoszillator mit linearer Abstimmcharakteristik verfügbar.

Erfindungsgemäss wird diese lineare Abstimmcharakteristik durch einen Tuner-Mechanismus erreicht, der aus einer einzelnen Membran besteht, die gleichzeitig mehrere Kammern abstimmt, während deren Kopplung einjustiert wird.

Weiter *ird durch die Erfindung ein abstimmbarer Zweikairaner-Klystronoszillator verfügbar gemacht, der innerhalb einos vorgegebunen

Θ09810/0596

.*£<■■■■■..- ■.--..■- ⁴ - ■

BAD OFHGINAL

H91521

Frequenzbandes durchstimmbar ist, und bei dom die beiden Kaminern durch einen Koppel'schlitz überkoppelt sind und Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Kammern gleichzeitig abgestimmt werden, während die Grosse der Kopplung in der Weise verändert wird, dass die Kammern innerhalb des durchstimmbaren Oszillatorbandes überkoppelt bleiben.

Erfindungsgemäos sind diese Einrichtungen so ausgebildet, dass die Resonanzfrequenz den Ki.^palschlitzes sich der Resonanzfrequenz des Betriebsmodus im hochfrequenten Toil des durchntimiabaren Frequenzbandes nähert.

Weiterhin wird erfindungsgemäss eine Elektronenentladungseinrichtung mit einer neuartigen Kühleinrichtung verfügbar gemacht, durch die der Kollektor und der Körper der Röhre, einschliesslich der HF-Ausgangseinrichtungen, mit internen, miteinander verbundenen Kühlkanälen versehen sind, die einen ausreichenden Durchfluss einer Kühlflüssigkeit mit geringer Geschwindigkeit auf turbulenzfreie Weise ermöglicht, und eine adäquate Wärmeabfuhr ohne Einführung unerwünschter Mikrophonien aufgrund von Turbulenzen ermöglicht.

Durch die Erfindung wird -weiterhin ein Tuner-Mechanismus mit Schneckenantrieb verfügbar gemacht, der eine federbelastete Abstimmwellenanordnung mit Tctgangssperre antreibt.

Weiter wird durch die Erfindung eine Hochfrequenz-Elektronenentladungseinrichtung verfügbar gemacht, bei der die Stromzuführungen für Kathoden- und"Strahlstrom 30 angeordnet sind, dass sie mit einer geerdeten

909810/0595

BAD ORIGINAL

metallenen Hülle geschützt sind, die die Leiter umgibt.

Die Erfindung aoll anhand der Zeichnungen näher erläutert virerden; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines neuartigen flüssigkeitsgekühlten, abstimmbaren Zvveikainmer-Klystronoszillator3 mit geringem Rauschanteil nach der Erfindung!

Fig. 2 einen Schnitt länge der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig· 2; Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine lineare Abstimm-Charakfceristik im X-3and über ein durchstiniffibarea Band von 500 MHz mit einer Abstimm-Membran mit den Eigenschaften, die in Fig. 11 veranschaulicht sind, wenn diese in einen Zvireikammer-Oszillator nach Fig. 1 eingebaut ist;'

Fig. 6 einen Schnitt länga der Linie 6-6 in Fig. 1;

!Fig. 7 eine Teilan3icht eines Klystronoszillators nach Fig. 1 mit abgeänderter Kühlanordnung;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie Θ-8 in Fig. 7; Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. ö;

Fig.10 die Frequenzkennlinienabhängigkeit von der Tuner-Bewegung über ein notniales durchatimmbares Band von 250 MHz zum Vergleich der normalen nicht linearen Ab3timmcharakteristik mit getrennten

909810/05W

BAD ORIGINAL

Kammer-Tunern für einen Zweikammer-Jszillator mit der linearen Abstinmicharakteriatik, die mit einer einzelnen Abstimru-Maiubran nach der Erfindung erhalten wird;

Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie 11-11 in Fig. 6 zur Veranschaulichung einer typischen Abstimm-Membran zur Verwenting in einem Zweikammer-Oszillator nach der Erfindung, der im X-Band arbeiten kann; und

Fig. 12 die beiden primären Resonanz-Modi des Klystron-Oszillators nach Fig» 1 und danach im X-Band.

In Fig. 1 ist eine neuartige flüssigkeitsgekühlte, abstimmbare Zvreikammer-Klystron-Oszillatorröhre 11 mit geringem Rauschanteil dargestellt, die Merkmale der Erfindung aufweist. Die Röhre hat einen Kollektorteil 12, einen Haupt- oder Körperteil 13 und ein Elektronenspritzanende I4, sowie ein Tuner-Getriebe 15» das einen frequenzkalibrierten Skalenmechanismus 16 enthält. Ein HF-Ausgangsfenster 17, Einlass- und Auslass-Kühlmittel-Anschlüsse 18 bzw. I9 und eine Schneckenwelle 20 sind in Röhre 11 eingebaut; damit sind die wichtigsten, äusserlich sichtbaren Teile nach Fig. 1 aufgeführt.

In Fig. 2 sind die innere Kühlung und die robuste Konstruktion,, der Röhre näh§r ersichtlich. Der Kollektorteil oder -block 12,, vorzugsweise aus Kupfer, weist eine Anzahl interner Kühlkanäle auf, die, ge- meinsam.mit den itühlkanälen im Körper, ein v/irksames rauschfreies Kühlsystem für die Röhre bilden. Das in Fign. 3 und 4 näher darge-

BAD ORIGINAL

909810/0595

stellte "Kühlsystem besteht aus einem Einlass 1ü, der exzentrisch im Ende des Kollektorblockes 12 angeordnet ist und Kühlmittel in einen längsgerichteten Haupt-Einlasskanal 21 und von dort durch ein Baar winklig divergierender, in Längsrichtung gerichteter Kollektorkühlkanäle 22, 23 leitet, die ihrerseits an die Einlasse von zwei im allgemeinen U-förmigen Kühlkanälen 24 bzw. 25 angeschlossen sind, die auf den beiden Seiten des Röhrenkörpers angeordnet sind und diesen durchqueren. Die Ausgangsenden der U-förmigon Kanäle sind an ein anderes Paar winklig und exzentrisch angeordneter, konvergieren der Kollektor-Kühlkanäle 26 und 27 angeschlossen, die in Längsrichtung des Kollektorblockes gerichtet sind und ihrerseits an ihrem Zusammenfluss an einen Huupt-Auslus-'skanal 28 angeschlossen sind, der seinerseits an einen quergerichtoton FlüssigkQits/.uslass IQ angeschlossen ist.

Die Kühlkanäle sind so aufgebaut, dass innerhalb derselben keine Yorsprünge vorhanden sind. Dieses Konstruktionsmerkmal sorgt dafür, dass die Möglichkeit turbulenten Kühlmittelflusses weitgehend herabgesetzt Yiird. Weiter sind alle Übergangssektionen zwischen den Kollektorkanälen und den Körperkanälen und zwischen den winklig angeordneten und den Hauptkanälen im Kollektor selbst'so ausgelegt^ dass dem Strömungsmittelfluss ein minimaler Yiiderstand geboten wird, wodurch wieder die Möglichkeit einer Turbulenz herabgesetzt wird, die sonst eine Quelle für elektronisches Rauschen sein würde. Die Kühlkanäle im Körper und im Kollektor sind so konstruiert, dass ein möglichst grosser Strömungsmittelfluss ermöglicht 7/ird, ohne das die strukturelle Einheit der Röhre nachteilig beeinflusst wird, so dass sie gegen

90 9 810/0595 -β -

. ' · BAD ORiGiNAL

induzierte Mikrophonien weniger empfindlich ist. Mikrophonien in irgendeiner Elektronenentladungseinrichtung können durch Vibrationen ' der Einrichtung selbst hervorgerufen werden, wenn bei der mechanischen Konstruktion der Röhre nicht darauf geachtet wird. Warm. Flüssigkeitskühlung verwendet wird, kann sich eine v/eitere und mehr subtile Mikrophoniequelle einschleichen, wenn nicht ausreichend hierauf geachtet wird. Beispielsweise kann ein turbulenter Fluss des Kühlmittels in den Kühlkanälen der Röhre zeitabhängige Deformationen der Kammer- Ψ wände hervorrufen, durch die sich eine unerwünschte Modulation im Ausgangssignal ergibt.

Turbulenter Kühlmittelfluss kann auf verschiedene Weise hervorgerufen werden. Bei Röhren, die für Betrieb in luftgestützten Systemen entworfen, sind, sind drei Turbulenzquellen (1 ) Turbulenz im Kühlmittel selbst, wenn es in die Kühlkanäle der Röhre eintritt, die auf ungünstige Konstruktion der äusseren, angeschlossenen Kühlkanäle zurückzuführen ist; (2) selbst hervorgerufene Turbulenz·, die durch Vor-' sprünge oder dergleichen in den Kühlkanälen der Röhre selbst hervorgerufen vird und (3) durch Vibrationen der Röhre selbst während des Betriebes hervorgerufene Turbulenz.

Es wurde festgestellt, dass die erfindungsgemässe Kombination der winklig divergierenden Kollektor-Kühlkanäle nach Fign. 3 und 4 mit den U-förmigen Körperlcühlkanälen in der Lage ist, eine Wassermenge von 6,8 l/min, unter einem Druck von 7»8 kg/cm in einer X-Band-Röhre. mit einem Gevricht von 1,6 kg und einer Gesamtlänge (A¹ - B' Fig. 1) von 23 om zu verarbeiten. Dieses Kühlsystem führte zu einem praktisch

909810/0595

« ORfQfNAL

rausohfroien HF-Ausgang von mehr als 75 Watt ohriu ungünstige Erwähnung der Röhre, während der Ali-Rauschpegel 12 5 dB unter dem Träger boi Frequenzen; 5 ^Hz vom Träger oder der Oszillator-Bobriebsfrequenz entfernt lag. Selbstverständlich wird die Durchfluss-Volumenrate des Kühlmittels abhängig von der abzuführenden Wärmemenge geregelt, 30 dass ein Koohon des Kühlmittels verhindert wird.

Der Röhrenkörper 13 ist vorzugsweise aus wärmetochnischon und elektrischen Gründen ein massiver Kupferkörper. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, sind im Körper 13 zwei Kammern oder Sohlräume 29 und 30 vorgeüehen, die in einer verbreiterten Axialbohrung des Körpers angeordnet Bind. Die Hohlräume 29 und 30 v/erden axial durch kupferne Qxierbinder 31, 32 und-33 begrenzt,, die gitterfreie,, mit den ilindorn aus einem Stück bestehende axial ausgefluchtete und voneinander entfernte Driftrühron 54» 35 und 3& aufweisen» die die Wechselwirlcungs-Spalte 37 und 3ü in den Y/eGhselwirkungs-Kammern 29 tmd JO bilden.·

Eine induktive Koppelblende 39 schliesst ein Ende des mittleren Binders 32 ab und wirkt als zugehörige interne Rückkopplungsachleife zwischen den Hohlräumen 29 und 50» um einen Zweikammer-Oszillatorbetrieb zu ermöglichen. Zweikammer-Klystron-Oszillatörbetrieb mit interner Blendenkopplung ist bekannt, und der Betrieb einer solchen Einrichtung wird deshalb im folgenden nicht näher erläutert.

Das HF-Ausgangsfenster K/ (vergl.Pig. 2) ist an einen Ausgangs-Hohlleiter 121 angeschlossen., der mit eine3? Flanschplatte 122 und einem

089* 10/Bf.5$.$ " ¹⁰ "

AAD ORiGINAL

Fonsterflansch 123 an das eigentliche Fenster 124 innerhalb des Körpers 13 angeschlossen ist. Die Platte 122 bildet zusammen mit oiner Platte 125 die Auasengrenzen fur die U-formigen Kühlkanäle 24 und 25.

Das Elektronenspritzenende I4 der Röhre nach Fig. 2 enthält eine Fokussierelektrode 4O» vorzugsweise aus Monel, die eine übliche Kathodenanordnung (nicht dargestellt) umgibt. Die ganze Kathodenanordnung sitzt innerhalb eines ringförmigen Hochspannungsisolators 59 zur Isolation der Kathode gegen die Anode, vorzugsweise aus Tonerde, die an einer ringförmigen Traghülse 60 befestigt ist, die ihrerseits an den Flanschteil 61 eines Koronaschirmes 62 angelötet oder dergleichen ist, der seinerseits an den Röhrenkörper I3 angelötet oder dergleichen ist. Eine metallene ringförmige Traghülse 54» i-ⁿ der der Leiter 73 Wögt, vervollständigt das Kathodenende des Vakuumgefässes. . .

Gemäss Fig. 2 wird eine neuartige Elektronenspritzen-Erdhülse "JO verwendet, um elektrische Schläge in der Nähe der Kathode zu verhindern. Der Röhrenkörper wird auf Erdpotential betrieben, und die Kathode wird normalerweise auf einer negativen Spannung von einigen Tausend Volt betrieben, um eine geeignete Strahlspannung aufzustellen. Dadurch wird eine sorgfältige Isolierung des Elektrpnenspritzenendes der Röhre erforderlich, um Betriebsunfälle zu verhindern, so dass, die Kathode, effektiv vom Röhrenkörper isoliert ist. Zu diesem Zweck . uragib/j; eine^ getopfte Silikon-Gumroikappe 71 die Kathode und die Heizsparrnungslexter

909810/0695 ^ " ¹¹ '

<■;.-·-.-.;.· * BAD ORIGINAL

72 und 73 mit der zugehörigen Innenhülle 74 aus Silikon, dem ge-^: flochtenen Erdschirm 75 und der externen Silikorihülle "JG. Scheinbar wird hierdurch eine ausreichende Abschirmung gegen Unfälle gewährleistet. Eine solche Iüolieranordnung stellt jedoch immer noch eine potentielle Gefahrenquelle dar, weil tatsächlich keine wirksame Erdverbindung zwischen den Punkten A und B gemäss Fig. 2 vorhanden ist, wenn nur die getopfte Silikonkappe 71 verwendet wird. So kann beispielsweise die Silikonkappe mit einem Stift durchstochen werden, dieser Stift kann an die Leiter 72 oder 73 kommen und einen elektrischen Schlag bewirken. Diese Möglichkeit besteht im Bereich des geflochtenen Erdschirmes 75 nicht, weil ein Stift oder ein anderes durchdringendes Objekt durch das Geflecht geerdet würde. Erfindungsgemäss wird also eine äussere Erdhülse 70 verwendet, vorzugsweise aus Kupfer, die die getopfte Silikongummikappe 71 unigibt und beispielsweise mit einem Ansatz 78 zum geflochtenen Schirm 75 'und mit einem Ansatz 77 am Röhrenkörper geerdet ist. Jedes durchdringende Objekt erdet sich also an der Erdhülse 70 selbst. Um die Erdhülso 70· liegt ein äusserer Silikongummiinantel 71 '·

In Fig. 6 ist der neuartige Abstimm-I.lechanismus im einzelnen dargestellt. Die Hohlräume 29 und 30 werden vorweg mit induktiven Belastungsscheiben 81 und 82 abgestimmt, die anschliessend, d.h. nach der Vorabstimmung, in ihren jeweiligen Öffnungen festgelötet werden. Die Koppelblende 39 dient dazu, die für Oszillatorbetrieb erforderliche Bückkopplung zwischen den Kammern 29 und 30 zu schaffen. Eine ringförmige, gefaltete AbstimmJ-Membran 83 aus Monel mit einem ringförmigen

; 909810/0596 _; - 12 - .

«AD 0RM3INÄI,

I ·+ CJ

verbreitorten Teil oder einer Falte 84» durch die ausreichende Flexibilität erreicht wird, so dajs die ilenbran innerhalb des Durchstimmbandes der Iiohrs bewegt werden kann, erfüllt oine doppelte elektronische Aufgabe. Gleichzeitig wird jede der einzelnen jungem vS) und 30 ab,';estiFIi₁;L, während die. Kopplung zwischen diesen Kammern verändert wird. Durch dieses Abstimn-Konzept wurde eine AnztihJ Vorteile gegenüber den üblichen bekannten Abs timin-Lloehani seen v· ..-r tu ?b;~r gemacht, "v}± denen getrennte Membranen für jede einzelne Kumrier einos Zweikammer-Oazillators erforderlich waren und bei denen die Koppelblende diametral den Tuner-Membranen, gegebenenfalls aber auch auf der gleichen Seite wie die Tunor-Membranen, angeordnet wurde. Übliche Zweikammer-Oszillatoren erforderten also zwei Abstimm-Anordnun^en oder komplizierte Kupplungsmechanismen» wenn eine einzelne Abstimmwelle verwendet wird.

Übliche bekannte Abstimmer für Zweikammer-Oszillatoren ändern nicht gleichzeitig die Kopplung zwischen den Kammern, wenn jede Kacaiicr v.hgestimmt wird. Um über ein bestimmtes Band durchzustimmen, beispielsweise 25O Mz im X-Band mit einer einzelnen Membran nach Fig. 9»durch die gleichzeitig die Kopplung durch die Blende 39 verändert v/ird, ist eine gesamte Tuner-Bewegung von etwa 0,9 mm erforderlich, wie in Fig. 10 in der Kurve C angedeutet ist. Im Gegensatz/ergibt sich aus der Kurve D in Fig. 10, die eine übliche Einzelabstimmung jeder Kammer darstellt, während die Koppelblende den Abstimm-Membranen diametral gegenüberliegt, dass eine um 50 °/o grössere Tuner-Bewegung erforderlich

- 13 -

909810/0595

BAD ORIGINAL

ist, um im X-Band durch ein Band von· 250 MHz durchaustisnuen. Aber es wird nicht nur- die erforderliche Tuner-Bewegung ;p?üsser, bei der bekannten Abstimm-Mögliohkeit wird darüber hinaus noch eine nicht lineare Abstimm-Charakteristik erzeugt, wie aich aus Fig. 10' ergibt. Dadurch wird eine komplizierte Kalibrierung der Abstimm-Skala erforderlich und die bekannte Abstimmung ist deshalb allein aus diesem Grunde ungünstig»

Die induktive Blende 39 wird dadurch gebildet, daos oine freie Rndkante 39' im Binder 32 gebildet wird, wie am besten in Fig. 11 erkennbar ist. Die Breite ¥ der Blende 39 wird gross genug gewählt, um den ringförmigen verbreiterten Teil oder die Falte 64 der Membran 63 aufzunehmen, die in Fig. 11 dargestellt ist, und die Höhe h der Blende 39 wird so gewählt, dass der ringförmige verbreiterte Toil oder die Falte 84 darin aufgenommen werden kann, «renn das hochfrequente Ende des durchstimmbaren Bandes erreicht wird. Die Gesamtgrösse der Blende 39 ist so gewählt, dass die Kammern 29 und 30 i^ffl gesamten durchstimmbaren Band des Oszillators überkoppelt 3ind. Es ist wichtig, dass der verbreiterte Teil ü4 in die Blende 39 eindringt, wenn der Oszillator vom niederfrequenten Ende zum hochfrequenten Ende des durchstimmbaren Bandes durchgestimmt wird, weil bei Annäherung der äussersten Kante der Falte 84 an die Endkante 39' der Blende 39 die Resonanzfrequenz der Blende sich der Betriebsmodus-Resonanzfrequenz nähert. Es ist gerade diese' Kombination der Überkopplung zwischen den Kammern im gesamten durchstimmbaren Oszillatorband und die ungefähre Äquivalenz der Resonanzfrequenz der Blende mit der des Betriebsmodus

909810/0595 -14-

BAD

bei Erreichcjn de^ hochfrequenten Endes des Bandes, durch die sich eine optimale lineare Abstimmungs-Charakteriübik im gesamten durch-3tinanbaren Band ergibt, -/renn aovrohl die Kopplung zwischen den als auch lie Kamiaerresonanzen gleichzeitig geändert werden.

Aus Fig. I2, die -3in:m typischen "weikammer-X-Band-Oszillator nach der iirfinlun·; veranschaulicht, zeigt, duss der gewählte' primäre Arbeits-EeöGnanz-Gohwingungsiiiodus, näm" ich der 1-5/4-Modus, der bei einer Strahlspannung von IO kV erregt wird, im durchstimmbaren Band linear ist, während der andere primäre Eesonanzmodu3 dos Zweikammersysteme, nämlich der 2- l/4-Modus nicht linear ist. Der 2-i/4-Modus wird vorzugsweise mit einer Strahlspannung von 5 kV erregt, um den Betriebswirkungsgrad optimal zu gestalten und eine optimale Abstimm-Linearität zu erzielen, wird das System so konstruiert, dass die beiden primären Resonanz-Modi in der Mittenfrerjuenz des durchstimmbaren Bandes für das hier beschriebene X-Band-System um etwa 1000 MHz voneinander entfernt sind. Der gewählte Primär-Modus des Systems, bei dem gearbeitet v/erden soll, benötigt einen bestimmten relativen Unterschied zwischen den neutralen Resonanzfrequenzen der Kammern. Wenn beispielsweise der 1-3/4-Modus der gewählte Schwingungs,-modus des Systems ist, dann wird die Eingangskammer so aufgebaut, dass ihre neutrale Resonanzfrequenz kleiner ist als die neutrale Resonanzfrequenz des Ausgangshohlraumes. Diese neutralen Frequenzen werden vorzugsweise im Kurzschluss der jeweiligen Kammern bestimmt, wenn sich die Tuner-Membran in ihrer neutralen oder ungespannten Stellung befindet,und die Kammerresonanzen werden durch Verstellung der induktiven

909810/0595 ■ - 15-

BAD ORIGINAL

Belastungsscheiben 81, 82, die der Vorabstimmung dienen, verändert, und diese werden in den.zugehörigen Bohrungen anschliessend vakuumgelötet. Wenn der 2-i/4-Modus als Schwingungsmodus ausgewählt wird, werden die erahnten Neutral-Resonanzen umgekehrt, und die Ausgangslcammer wird vorab auf eine niedrigere Frequenz abgestimmt als die Eingangskammer. Der gewählte Unterschied hängt selbstverständlich vom Wirkungsgrad und der gewünschten Linearität ab. Optimale Linearität der Abstimm-Charakteristik 'im primären Betriebsmodus wird dann dadurch erreicht, dass die induktive Blonde so ausgelegt wird, dass eine Überkopplung zwischen den Hohlräumen im gesamten durchstiinmbaren Band herrscht und man der Resonanzfrequenz des Betriebsmodus am oberen Ende des durchstimmbaren Bandes näher kommt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Einhaltung dieser Bedingungen beschränkt, weil das beschriebene Abstinimkonzept selbst neu ist und in Systemen verwendet werden kann, die bezüglich der Linearität und/oder der Wirkungsweise nicht optimal gestaltet sind.

In Fig. [3 ist die lineare Abstimm-Charakteristik eines Zweikammer-Oszillators, der im X-Band arbeiten kann, wenn die neuartigen Koppeltechniken nach der Erfindung einschliesslich einer Tuner-Membran mit den Abmessungen nach Fig. 11 verwendet wird, dargestellt. Aus Fig. 5 ergibt sich, dass die Kennlinie der Sohwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Tuner-Membran-Bewegung über einen Bereich von etwa 5OO MHz im X-Band linear ist, wenn f irgendeine Bezugsfrequenz'innerhalb des X-Bandes darstellt; die Linie D gibt die spezielle neutrale oder

- 16 -

909810/0595

BAD OWQINAL

ungespannte Lage der in diesem EaIl verwendeten Abstimm-Membran an. Der genaue .Zusammenhang zwischen der Änderung, der Kopplung, die gleichzeitig mit der Abstimmung jedes Hohlraums erfolgt, wodurch sich eine lineare Abstimm-Charakteristik ergibt, wird möglicherweise nicht vollständig theoretisch verstanden; die vorangegangene Erläuterung ergibt jedoch vermutlich eine gute Annäherung an den Arbeitsmechanismus.

Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Verwendung einer einzelnen Membran beider Kammern eines Zweikammer-Oszillators ergibt, besteht in der Verlängerung der Lebensdauer der Tuner-Membran, verglichen mit der Lebensdauer üblicher Tuner* Die grössere Lebensdauer der Tuner-Membran ergibt sich aus der verringerten mechanischen Beanspruchung einer grösseren Membran im Vergleich zu höheren mechanischen Beanspruchungen in kleineren Membranen üblicher Konstruktion zur Abstimmung einzelner Hohlräume bei Änderung der Schwingungsfrequenz» Die Vergrösserung der Lebensdauer ergibt sich auch daraus, dass zur Abstimmung innerhalb eines bestimmten Bandes eine kleinere Tuner-Bewegung erforderlich ist, weil gleichzeitig die Kopplung zwischen den

Kammern bei der Abstimmung verändert wird. Daraus ergibt sich schon, ■ ,

dass die erf indungsgemässe Abstimmtechnik allein" aus diesem Grande günstig ist, unabhängig davon, ob eine tJberkopplung innerhalb des

durchs timmbaren Bandes existiert und unabhängig davon, ob die Blende j

so ausgelegt ist, dass sie etwa gleich der Resonanzfrequenz des Be- ^

triebsmodus am hochfrequenten Ende des durchstimmbarein Oszillatorbandea liegt, um eine optimale linearität zu erzielen.

.1431521

Das Abstiiiiingetriebe 15 enthält eine- Schnackenv/elle 20, die durch Drehung durch geeignete Mittel, beispielsweise einem Schraubenzieher im Schlitz 85» eine Drehung der Abstimmwelle 86 bewirkt, die durch das Zusammenspiel einer Schnecke 88 mit dem Schnecken- ' rad 8? gedreht wird. Ein Koppelstift 89 verbindet das Schneckenrad 87 mit der Abstimmwelle 86. Das vergrösserte Ende der Welle 86 ist mit einer Anzahl, vorzugsweise zwei, Querschlitzen 86* versehen, die gegen eine Seheibe 9O ^aus rostfreiem Stahl gepresst werden, die ihrerseits auf einem Flansch 9I des Getriebegehäuses 92 aufliegt, und die als Totgangssperre wirkt, um eine glatte und gleichmässige Tuner-Bewegung im gesamten durchstimmbaren Bereich zu erzielen. Diese Tcigangssperre ist in der Patentanmeldung V 21 155 vom 10. August I96I der Anmelderin beschrieben. Das Innengewinde der Welle 86 greift in den Abstimmzapfen 93» dessen Kopf an der Membran 8J befestigt ist, und klemmt a.en Zapfen und die Welle sicher aber beweglich zusammen. Um die Abstimmwelle 86 herum und auf das Ende des Schneckenrades 87 aufliegend ist ein Druckring 94 und ein Federteller 95 vorgesehen, der dazu dient, einen konstanten Druck auf der Welle aufrechtzuerhalten, so dass die Schlitze 86» ausreichend komprimiert werden, um den Relativdruck zwischen den Gewindegängen des Zapfens und denen der Abstimmwelle zu regeln. Eine Stütz scheibe $6 in einer entsprechend geformten Aussparung im Gehäusedeckel 97 liegt am Federteller 95 an. und bestimmt den auf die Welle 86 ausgeübten Axialdruck. Eine Anzahl Einstellschrauben, wie 98» vorzugsweise drei, sind in Bohrungen in dem Deckel 97 eingeschraubt und dienen dazu, den Druck in Verbindung mit dem Deckel 97» der Stützscheibe 96 und dem Federteller 95 einzu-

909810/0595

— IO —

stellen, so dass jede gewünschte Friktion zwischen'deirr 'Gewinde^' ^!-^r-'^v' gangen des Zapfens und der Abstinumirelle erreicht werden kann. ^itOX&'^:ryö

Eine direkt ablesbare kalibrierte Skala 16 ist fest am Ends der'"'-Abstimmwelle 86 befestigt, so dass die Oszillatorfrequenz un-' mittelbar abgelesen werden kann. Weil, wie bereits erwähnt, die neuartigen Abstimm-Techniken nach der Erfindung eine lineare Abstimm-Charakteristik ergeben, die durch die in Fig. 10 dargestellte Kurve angedeutet ist, kann die Skala 99 leicht kalibriert werden, um eine unmittelbare Ablesung der Oszillator-Betriebsfrequenz im gesamten durchstimmbaren Band zu" ermöglichen. Um die Skala jedoch' an der richtigen Stelle in Verbindung mit der Abstimmwellenlage während der Einstellungen zur Vorabstimmung einstellen zu können, ist es erforderlich, eine Möglichkeit zu schaffen, den Skalen*-Mechanismu3 gegenüber der Abstimmwelle zu verdrehen. Für diesen Zweck ist eine neuartige, leicht einstellbare Klemm- und Einstelleinrichtung geschaffen worden, die aus einem keilförmigen, ringförmigen, gespaltenen Hülsenteil 10 besteht, einem damit zusammenwirkenden Nabenelement 101 und einem Deckel 102 mit einstellbaren Klemmschrauben IO3,vorzugsweise drei solcher Schrauben. Die keilförmige Hülse 100 weist einen Schlitz 100· auf, der sich in Längsrichtung erstreckt, und damit ermöglicht, dass die Hülse zusammengespresst wird, so dass eine sichere aber leicht lösbare Verbindung des Skalen-Mechanismus 16 und der Abstimmwelle 86 verfügbar gemacht wird. , ,

Im Betrieb ist es ferner erwünscht, einen eingebauten Haltemechanismus

909810/0595 _m i₉ .

- 1₉ - ■· ■■·■■.

vorzusehen, durch.den eine Drehung .«der Abstimmwelle über den Abstiinmbereieh des Oszillators hinaus y^äi^ndsrt wird, um eine Verformung der Tuner-Membran über den vorgesehenen Betriebsbereieh hinaus zu ' verhindern, ,-Weil der kalibrierte Afest j^pskala-Meehanismus eins teilbar ist, kann ein Ansehlagstift IO4 fest an, der Skala an der richtigen Skalenanzeige befestigt werden, und ein entsprechender Indexstift, beispielsweise ein Zapf en, 105, kann fast am Beekel 97 festgelegt -werden, wodurch die Drehung der Welle begrenzt wird. (vergl.. Fig. 1). Die "Ferriegeluiags-T und Einstelleinriehtiiaag arbeitet auf folgende Weise» Die einstellbaren Klemmschrauben IO3 werden genügend gelockert, so dass eine Salativdrehung zwischen der Skala mit der zugehörigen Habe 1Q1, an der die Skala selbst angelötet oder sonstwie fest befestigt ist, und äer Abstiinmwelle 86 ermöglicht wird, Die obere und unsere Srenze der Jteier-Bewegung werden während der Torabstimm-Torgänge festgelegt, und der Anschlagstift 104- der Skala wird so eingestellt, dass er bei Drehung des Skalemneehanisnius 16 am Zapfen IO5 anschlägt, und danach werden die einstellbaren Klemmschrauben IO3 festgezogen} so,dass die gespaltene Eeilliiilse 100 sich im sieh verjitogenden Schulterte.il. 101* der labe 101 verklemmt» so dass wiederum die_v Skala,, i § „mit,,der Abstimmwelle Q€ kraftschlussig verbunden wäarend.eine Losung leicht möglieh .i

st

Selbstverstsaadlioh können der Ansehlagstift 104 und der zugehörige Zapfen I05 weggelassen werden, wenn andere geeignete Bezugszeiohen ""verwendet werten, beispielsweise eime Iiinienmarkieruiig am Deckel 'Qf

für Anzeige der Oezillatorfrequenz» wenn die Drehl)egrenzung für nicht , zwe'skmässig erachtet wird.· . '

In Fign. 7-9 ist eine andere Kollektorkühlung dargestellt, die sich von der Kollektorkühlung nach Fign. 3 und 4 "bezüglich der Kühlwirkung und des Mikrophonie-Pegels unterscheidet. Kurz besteht die Ausführungsform nach Fign» 7-9 aus einem Kollektor 118 mit einer äusseren Kollektor schale 106, die einen inneren Kollektorkern 107 umgibt, der eine Anzahl in Längsrichtung verlaufender Kühlschlitze 108 aufweist, die sich in Längsrichtung der Röhrenachse erstrecken und diese umgeben. Der innere Kollektorkern 107 weist eine Mittelbohrung 109 auf, die sich teilweise hindurch erstreckt. Der Elektronenstrahl trifft auf die Oberfläche der Bohrung 10°, auf, •wodurch sich das umgebende Metall erwärmt.. Diese Erhitzung erreicht extreme Werte, wenn der Leistungspegel erhöht wird, wodurch eine geeignete Kühlung erforderlich wird. In ähnlicher Weise können der Höhrenkörper, insbesondere die Kammern, stark erwärmt werden, wodurch ebenfalls geeignete Kühlungen erforderlich werden. Im Betrieb tritt Kühlmittel in den Hauptkanal 110 ein und wird durch die Kanäle 108 verteilt, auf ein erstes Niveau 111, wo die Flüssigkeit durch ein Paar Π-förmiger Kühlkanäle 113 und 114, ähnlich den Kanälen 24 und nach Pign. 3 "und 4, im Körper zirkuliert und von dort zu einer ringförmigen Höhlkammer 115 ^auf einem höheren Niveau, die den Innenkern 107 umgibt, und strömt schliesslich durch Ausgang 116 hinaus. Die Ausführungsform nach Fign. 7-9 bat einen besseren Kühlwirkungsgrad als die Ausführungsform nach Fign. 3 und 4» weil mehrere lCünlkanäle 108 vorgesehen sind, die den Kern 107 umgeben? Mikrophonien aufgrund.von Wasaerturbulenzen treten jedoch leichter auf als bei der lusführungar-"' f orm. nach Pign. 3 und 4». "feil die Masse des Kollektors verringert ist

909810/0595. ,

und viele dünne Fahnen 119 vorgesehen sind, die die Kanäle 108 ' trennen.

Ein Klystron-Oszillator von etwa 1,6 kg Gewicht und einer Gesamt- ^; länge (A-* - B' in Fig. i) von etwa 23 cm wurde erfindungsgeinäss aufgetaut, wobei der Kollektor nach Fign* 7 — 9 verwendet wurde;' dieser Oszillator konnte im X-Bänd-arbeiten, wobei die Frequenz in einem Band von 250 MHz durchstimmbar war. Eine Wassermenge von 2,5 l/min, unter einem Druck von 7>8 kg/cm genügte, jede unzulässige Erwärmung bei einer abgegebenen HF-Leistung von 75 Watt zu verhindern? der ÄM-Baüschabstand betrug 125 dB unterhalb des Trägers bei Frequenzen 5 ^Hz vom Träger oder der Oszillator-Betriebsfrequenz entfernt. ^! ·

Es ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht auf langlebige gefaltete Tuner-Membranen beschränkt ist, wie in Fign. 6 und 11 dargestellt, weil 'das allgemeine Konzept jiner gleichzeitigen¹ Abstimmung beider Kammern bei -einer Veränderung ihrer Kopplung selbst neu und fortschrittlich ist, Und wenn auch die^: gefaltete" Tuner-Membran gegenüber einer einfachen flachen oder üngefalteten Tuner-Membran vorzuziehen ietj so könnte eine sialöhe doch verwendet werden, wenn die ■Verschlechterung äei* linearität und der Tuner-Lebensdauer in Kauf genommen werden kann* Die Kühlteah^ifk"'nach der Erfindung kann ebenfalls in-anderen Kljrstrona verwendet werden^{1 L}und "braucht nicht auf den neuartigen Zweikammer-Klyatronöszillator nach der Srfindting beachränkt zu sein*' 'Ebenfalls ist die neuartige Ahatiiomtechnik nach der Erfindung

nicht auf das X-Band beschränkt, weil es selbstverständlich im gesamten Mikrowellenbereich verwendet werden kann, ebenso wie bei verschiedenen Ausgangsleistungen, sowohl unterhalb als auch überhalb 50 Watt. Die Abstimmtechnik nach der Erfindung kann auch an anderen Kammeranordnungen oder Hohlraumanordnungen angewandt ,werden, als bei ringförmigen Kammern, wie sie hier dargestellt sind. Die Abstimmung nach der Erfindung kann auch an quadratisch, rechte eckigen usw. geformten Kammern oder Hohlräumen angewandt werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

909810/Q595

Claims (1)

1. PATENTANWALT . 1 A Q 1 R 9

   DIPL.-iNG. H. KLAUS BERNHARDT

   8000MtJNCHENZa-MAINZERSTR-S Vf P34 D

   Pat ent ans ρ r ü c h e

   1. Hochfrequenz-Elektronenentladungseinriehttmg mit wenigstens zwei gekoppelten Kammern, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kammern gleichzeitig abstimmbar sind, während ihre Kopplung geändert wird.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie über ein vorgegebenes Frequenzband durchstimmbar ist,und die Kammern über das ganze Band überkoppelt sind.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern mittels einer Koppelblende gekoppelt sind.

   4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Koppelblende so veränderbar ist, dass sie sich der Resonanzfrequenz des Betriebsmodus der Einrichtung

   ··■

   im hochfrequenten Teil des Frequenzbandes nähert,

   5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern mittels einer einzigen beweglichen abstimmbar sind,

   6. Einrichtung nach Ansprach % dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-mit einer Falte versehen ist. '. ·

   7. Einrichtung nach Änspruoh 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schnecken-Antriebsmechanismus für die Membran vorgesehen ist.

   8. Einrichtung nach Anspruch % 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstimmzapfen fest an der Membran befestigt ist, dass eine federbelastete Abstimmwelle mit dem Abstimmzapfen gekoppelt ist, und dass die Abstimmwelle" mit einer Totgangssperre versehen ist. »

   9« Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmwelle mit einem kalibrierten Skalen-Mechanismus versehen ist, der mit Einrichtungen zur Begrenzung der Abstimmwellendrehung versehen ist, so "dass die Membran nicht über mehr als einen vorgegebenen Bereich gespannt werden kann.

   10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der kalibrierte Skalen-Mechanismus mit einer Nabe mit einer ringförmigen, sich verjüngenden Schulter versehen'ist, die die Abstimmwelle umgibt, und die mit dieser zusammen einen ringförmigen, sich verjüngenden Baum bildet, dass eine keilförmige Hülse auf der Welle und teilweise in dem ringförmigen, sich verjüngenden

   -.'■■■:.-■-. ■ ■ - ^! ■ ■ ■ ■-'■'"'<<! til

   Baum sitzt, und dass einstellbare Terriegelungseinriijhtungen

   "V · ■■■'■■

   '.*■■ 1Ö0981O/0S9S -*3- :i

   i ait denen εϋ@ JkoOiS-jfiiige· Häla© fest ixt den

   IfeuLsEE-ifeGfnsKni sssstst ii&st^ absr !Östaarj» Mt ύ&ε
   Ibstiaaaweil© 2®

   jf iaats €©r Kollektear alt MmIsss- ttaä .feslass-

   feanäien veiiseiieas la*» voa ien^s öin fäar sm einem
   ptcnkt mit diest Stelass-Jfeaspt-^ifelkaMal TrerteadeiE ist «sä
   andere am äem anderen Itorclisetziaiigsptaikt Mt dem Aualass-Haiipt

   12. linrichtctng naGl loisfameh 1i_f äaäm;®k gekmrnzeialmetf dass ύβτ

   eia Mismess geMlist la*»

   eise JtagsaM, ^Mselslitise aufweist ^ ύ±& sielt ia
   K0ll@ktötrISagsa©i:-3e ei^ti^NSikaa, am? Baarptfedsefeap der Bin*

   nett @ia®ae ^a» vos^imsoiäeK¹' eötfsiiMiter· f-fcasmigea?·
   kanal© vexsehmt ist*- die Κικίβκ Msm® Faarös voneirEand
   ferufe&t D^f0j»ig®r BMfeaaiäle ait IbBt Mngpaxm «wisöfeea tee*
   KollsktorscJials ιζκΙ diem loliektörkern ν©3*ΐοΐκϊβΐϊ slnä_t «I tie des asadei*©*!¹ l^afes Vöaeinäiidiöi* ©ßtfesäitter B-fomnigör 1β&1~

   kanälä aiit ig® Kffiiläici-Mi-bz-öii ia> löllaktorksra verteridea aittd.

   BAD OFaGINAL

   -MT-

   IJ. EajEeioirfeaijg Maelt simsm tier·

   göfeennzreiefeiet* dass die zeep Katfeoiie'imd

   flfeencten ieiter ±u eiser¹ IsoGIieEitog wad iimerMlfe eiaey leiteiitiesi Hülse liegest* U!e# dlass· dies® Hülse ntifc lesi Keitpeir der Mn-

   14» MiiriaixttiB^· Bac& iBsparaeii t% (iadtercit gekemEseicteet^ iass «Me aus einsr getopffea ϊ&κρρ© "bestellt» <$ie Hailae diese
   mxi eiss fesserei" isölIer-EiaKtel die Sälse nrfaast.

   909810/0595