DE1541930A1

DE1541930A1 - Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlroehre

Info

Publication number: DE1541930A1
Application number: DE19671541930
Authority: DE
Inventors: Wilbur Donald Aldrich
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-09-29
Filing date: 1967-09-23
Publication date: 1969-08-28
Also published as: DE1541930B2; GB1198482A; US3571651A

Description

ipUnfl. Loft* Michaelis Dr. Erhart Ziegler ^Dr·

Patentanwalt Patentanwalt

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Posflach 3011 Postfach 301J _Λ _

725-36-62D-7SO

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA

Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre

Die Erfindung bezieht sich auf eine logarithmisch-periodische Elektronenstrahlrohe und im besonderen auf eine Elektronenstrahl· röhre mit einer Wechselwirkungsstrecke, deren Wechselwirkungseigenschaften sich fortschreitend logarithmisch-periodisch ändern, und mit einem Elektronenstrahl, der die Wechselwirkungsstrecke durchsetzt, so daß eine Wechselwirkung stattfinden kann. Eine solche Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl!findet jedoch nur in ganz bestimmten Gebieten der Wechselwirkungsstrecke statt. Wo diese Gebiete liegen, hängt von den Frequenzen des Eingangssignales ab. Aufgrund dieser Wechselwirkung kann man beispielsweise über ein sehr breites Frequenzband sehr hohe Hf-Ausgangsleistungen erzielen.

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Es sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden, die Bandbreite von Mikrowellenröhren zu erhöhen. Mikrowellenleistungsröhren, wie beispielsweise Elektronenstrahlröhren, die mit Geschwindigkeits- und/oder Strahlstromdichtemodulation arbeiten und zu denen auch Klystrons und Wanderfeldröhren gehören, stellen üblicherweise einen Kompromiß zwischen Ausgangsleistung und Bandbreite dar. Man kann beispielsweise mit einem geschwindigkeitsmodulierten Mehrkammerklystron Ausgangsleistungen bis hinauf zu mehreren Megawatt erzielen, jedoch beträgt dabei die relative Bandbreite nur etwa 10 %. Die Ausgangsleistung üblicher Wanderfeldröhren ist dagegen niedriger, jedoch ist ihre Bandbreite größer. Man kann auch Klystrons und Wanderfeldröhren miteinander kombinieren, um die Bandbreiten zu erhöhen. Dann muß man aber Einbußen an anderen wichtigen Kenngrößen wie Ausgangsleistung, Frequenzunabhängigkeit der Ausgangsleistung, Verstärkung usw. in Kauf nehmen. Durch die Entwicklung immer komplizierterer elektronischer Apparaturen und Anlagen wächst daher laufend der Bedarf nach einer eil ζ igen Röhre die ein breites Frequenzband besitzt und innerhalb dieses Frequenzbandes eine gleichmäßig hohe Ausgangsleistung abgibt.

Nun wurde entdeckt,daß man insbesondere dann das logarithmischperiodische Prinzip auf Wechselwirkungsstrecken anwenden kann, wenn diese Wechselwirkungsstrecken zur Breitband-Hochfrequenzverstärkung herangezogen werden sollen. In dieser Erfindung sollen die Ausdrücke "logarithmisch-periodisch" oder "auf logarithmischperiodische Weise¹¹ auf eine Reihe oder Folge von Wechselwirkungs-

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kreisen, Elementen oder Gebieten angewendet werden, die so dimensioniert und angeordnet sind, daß sich ihre elektrischen Eigenschaften _t wie beispielsweise ihre Impedanzen an jedem Element oder Gebiet mit dem Logarithmus der Betriebsfrequenz periodisch wiederhol en ,also beispielsweise mit dem Logarithmus der Eingangsfrequenz.

Hs irfindung beinhaltet eine Wechselwirkungsstrecke wie beispids-

ise einen Wellenleiter oder eine Verzögerungsleitung mit Wechselwirkungseigenschaften, die sich die Wechselwirkungsstrecke entlang fortschreitend logarithmisch-periodisch ändern. Diese Wechselwirkungsstrecke wird von einem Elektronenstrahl durchsetzt, der mit einem oder mehreren Gebieten der Wechselwirkungsstrecke in Wechselwirkung tritt. Wo diese Gebiete innerhalb der Wechselwirkungsstrecke liegen, hängt von der Frequenz des Eingangssignales ab. Eine bevorzugte Ausftihrungsform der Erfindung weist eine Anzahl von Hohlraumresonatoren mit Wechselwirkungsspalten auf, wie sie von Klystrons her bekannt sind, so daß diese Hohlraumresonatoren mit einem Elektronenstrahl in Wechselwirkung treten können, der die Hohlraumresonatoren durchsetzt. Die Klystronresonatoren in der Wechselwirkungsstrecke unterscheiden sich durch ihre effektive Größe und durch ihre Resonanzfrequenz voneinander, und zwar derart, daß die Klystronresonatoren nach einer geometrischen Progression von einem Ende der Wechselwirkungsstrecke zum anderen Ende hin immer kleiner werden.

Der Ausdruck "auf logarithmisch-periodische Weise" wird demzufolge auf eine Wechselwirkungsstrecke angewendet, deren definierte

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Wechselwirkungseigenschaften sich die Wechselwirkungsstrecke entlang nach einer geometrischen Progression periodisch ändern. Die Änderungen der Wechselwirkungseigenschaften hängen zu einem großen Teil von den Abmessungen der Wechselwirkungsstrecke ab. Bei einer Wechselwirkungsstrecke aus Hohlraumresonatoren wird jeder Hohlraumresonator vorzugsweise dem vor ihm angeordneten Hohlraumresonatr ähnlich gemacht, jedoch so, daß die wesentlichen Abmessungen größer oder kleiner gewählt werden. Das Ergebnis hiervon ist, daß die einzelnen Hohlraumresonatoren der Wechselwirkungsstrecke unterschiedliche Resonanzfrequenzen besitzen, derart, daß die Differenzen ihrer Resonanzfrequenzen eine Serienprogression bilden. Bei einer als Wendelleitung ausgebildeten Verzögerungsleitung werden beispielsweise die Durchmesser der aufeinanderfolgenden Windungen immer kleiner gemacht, während die Windungsdichte laufend anwächst. Das logarithmisch-periodische Prinzip ist bereits auf Antennen angewendet werden. Hierzu sei auf den Aufsatz "Broadband Backward Wave Antennae" von Mayes verwiesen, der in der Zeitschrift "The Microwave Journal" Januar 1963, Band VI, No. 1 erschienen ist. Dort sind auch weitere Literaturstellen angegeben worden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die als logarithmisch-periodischer Klystronverstärker ausgebildet ist*

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Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine andere, ebenfalls sehr günstige Ausführungsform der Erfindung, bei der das logarithmischperiodische Prinzip auf eine Wanderfeldröhre angewendet worden ist,

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine bikonische Ausführungsform der Erfindung.

In der Fig. 1 ist dargestellt, wie das logarithmisch-periodische Prinzip auf einen Klystronverstärker 10 angewendet worden ist. Der Klystronverstärker 10 weist eine Wechselwirkungsstrecke auf, die aus einer Anzahl zylindrischer, koaxial angeordneter Klystronhohlraumresonatoren aufgebaut ist, die mit 11 bis 21 bezeichnet sind. Diese Hohlraumresonatoren 11 bis 21 sind in Fig. 1 innerhalb eines sich konisch verjüngenden Gebietes 22 angeordnet. Die Wechselwirkungsstrecke aus gekoppelten Hohlraumresonatoren innerhalb des Gebietes 22 beruht auf einer logarithmischen Progression , nach der sich die Betriebseigenschaften der aufeinanderfolgenden Hohlraumresonatoren bezüglich ihrer Resonanzfrequenzen geometrisch progressiv ändern. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die logarithmische Periodizität und die geometrische Progression in e iner Richtung angewendet, derart, daß zwei aufeinanderfolgende Hohlraumresonatoren Ebenbilder voneinander sind, nur daß wesentliche Dimensionen des nachfolgenden Hohlraumresonators gegenüber den entsprechenden Dimensionen des vorstehenden Hohlraumresonators um einen konstanten Faktor verkleinert worden sind, der mit "f" bezeichnet xierden kann. Es ist günstig, wenn man diese logarithmische Periodizität mit geometrischer Progression in dem KIy-

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stronverstärker über eine größere Anzahl aufeinanderfolgender Hohlraumresonatoren fortsetzt, und zwar vorzugsweise über mehr als drei Hohlraumresonatoren. Wenn man beispielsweise den logarithmischen Faktor ^uf" auf die Durchmesser der Hohlraumresonatoren anwendet, führt dieses zuerst auf einen Hohlraumresonator mit dem relativen Durchmesser von 1, auf den ein Hohlraumresonator mit dem relativen Durchmesser von 0,9 folgt. Der nächstfolgende Hohlraumresonator weist dnnn einen relativen Durchmesser von 0,81 auf. Man kann bei diesem Beispiel die geometrische Progression oder den logarithmischen Faktor " | " als 0,9 definieren. Man kann aber auch sagen, daß längs der Wechselwirkungsstrecke eine kontinuierliche 10 %-ige Abnahme erfolgt. Der gleiche Faktor wird auf alle wesentlichen Dimensionen der Hohlraumresonatoren in der geometrischen Progression angewendet.

Bei einer Ausführungsform einer Wechselwirkungsstrecke, auf die das logarithmisch-periodische Prinzip angewendet worden ist, weisen die Hohlraumresonatoren 11 bis 21 jeweils paarweise gemeinsame Stirnwände 23 bis 32 auf, deren Durchmesser im Hinblick auf die Seitenwandung 33 laufend abnehmen. Da nun die Durchmesser der Stirnwände und auch die Abstände zwischen ihnen laufend abnehmen, nimmt die Seitenwand 33 als Rotationsfläche eine konische oder eine kegelstumpfförmige Gestalt an. Diese konische Gestalt, die in der Fig. 1 der Klarheit wegen übertrieben stark dargestellt ist, kommt dadurch zustande, daß der Durchmesser des Klystronverstärkers am Eingangsende 34 groß ist und auf das Ausgangsende 35 des Klystronverstärkers 10 hin immer weiter abnimmt. Jeder Hohlraumresonator kann schrittweise kleiner als der vorhergehende Hohlraumresonator

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gemacht werden, so daß die gesamte Außenwand durch eine Anzahl kurzer zylindrischer Seitenwände 33 gebildet wird. Diese schrittweise Verkleinerung stellt dann eine geometrische Progression und keine Näherung mehr dar.

Diese geometrische Progression führt auf Hohlraumresonatoren, deren Dichte bzw. deren Anzahl pro Einheitslänge der Wechselwirkungsstrecki: vom Eingangsende 34 zum Ausgangsende 35 hin laufend zunimmt. So ist beispielsweise der Abstand zwischen den Stirnwänden 24 und 25 kleiner als der entsprechende Abstand zwischen den Stirnwänden 23 und 24.

Die Hohlraumresonatoren 11 bis 21 weisen noch als integralen Resonatorbestandteil kurze querverlaufende Zylinderstücke 36 bis 46 auf, die als Driftröhren wirken, wie sie von Klystrons her bekannt sind. Jedes dieser Zylinderstücke weist von den daneben angeordneten Zylinderstücken einen gewissen Abstand auf, so daß zwei sich gegenüberstehende Zylinderstücke Wechselwirkungsspalte 47 bis 57 bilden, die bei Klystrons üblich sind. Die kurzen ZyIinderstücke 36 bis 46 begrenzen zusammen einen längsverlaufenden Elektronenstrahlkanal 58. Die Länge der kurzen Zylinderstücke 36 bis 46 nimmt nach e iner geometrischen Progression ab, so daß auf die Breite der Wechselwirkungsspalte 47 bis 57 zwischen zwei sich gegenüberstehenden kurzen Zylinderstücken ebenfalls eine geometrische Progression angewendet ist, als ihre Breite vom Eingangsende 34 zum Ausgangsende 35 der Röhre 10 hin ebenfalls kleiner wird. Die Breite der Wechselwirkungsspalte nimmt logarithmisch ab und wird in der gleichen Weise wie die Hohlraumresonatoren nach einer geometrischen Progression

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Wenn man auf die Hohlraumresonatoren einer Wechselwirkungsstrecke db geometrische Progression anwendet, wie es gerade beschrieben wurde, stößt man sehr bald auf eine sehr große Anzahl von Hohlraumresonatoren sehr kleiner Abmessungen. Theoretisch geht die Anzahl der Hohlraumresonatoren in der Spitze eines Kegels gegen unendlich, während die Abmessungen dieser Hohlraumresonatoren gegen Null gehen. Wenn die Anzahl der Hohlraumresonatoren unverhältnismäßig groß wird, während die Abmessungen der Hohlraumresonatoren unverhältnismäßig klein werden, wird der Wirkungsgrad der einzelnen Hohlraumresonatoren stark herabgesetzt. Es wird daher bald ein Punkt erreicht, an dem die Röhre 10 bzw. die aus den Hohlraumresonatoren aufgebaut Wechselwirkungsstrecke aus Kompromißgründen noch erheblich vor der theoretischen Kegelspitze beendet bzw. abgebrochen werden muß. Hieraus ergibt sich, daß ein solcher Abschluß erforderlich ist, der Endverluste und andere störende Einflüsse herabsetzt, die von der grossen Anzahl unverhältnismäßig kleiner Hohlraumresonatoren herrühren. Demzufolge kann das Gebiet 22 der Röhre 10, das als ein konisch zusammenlaufendes Gebiet dargestellt ist, dort als Kegelstumpf auslaufen, wo die Wechselwirkungsstrecke aus Hohlraumresonatoren eine bestimmte Strecke vor·der theoretischen Kegelspitze endet. Eine andere sehr günstige Möglichkeit zum Abschluß der Röhre 10 bzw. der Wechselwirkungsstrecke besteht darin, einen kurzen, zylindrischen Wechselwirkungsabschnitt zu verwenden, in dem eine Anzahl von Hohlraumresonatoren hintereinander angeordnet sind, die alle gleich sind, auf die also keine geometrische Progression angewendet worden ist. Ein solcher zylindrischer Wechselwirkungsabschnitt kann beispielsweise eine Anzahl von Hohlraumresonatoren aufweisen, die sich in

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allem gleichen, bei denen also die Stirnwände, die Driftröhren, die Wechselwirkungsspalte usw. alle einander gleich sind. Ein Klystronverstärker, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, sollte beispielsweise mindestens drei HOhlraumresonatoren im Gebiet 22 aufweisen.

Um durch den Elektronenstrahlkanal 58 einen Elektronenstrahl hindurchführen zu können, sind am Eingangsende 34 des KlystronVerstärkers 10 eine Elektronenstrahlkanone 59 und am Ausgangsende 35 ein Elektronenkollektor 60 vorgesehen, wie es bekannt ist. Die Elektronen· Strahlkanone 59 ist nur ein Beispiel für eine Anzahl von Elektronenstrahlerzeugern, die für solche Zwecke in Frage kommen künnen. Beispielsweise kann man auch den Elektronenstrahlerzeuger verwenden, der in der US-Patentschrift 3 046 442 beschrieben wurde. In diesem Zusammenhang sei auch auf das Buch von J.R. Pierce verwiesen, das unter dem Titel "Theory anJ. Design of Electron Beams" 1949 im Verlag Nostrand Co. Inc., Netv York, erschienen ist. In der Fig. 1 weist die Elektronenkanone einen Isolierzylinder 61 auf, der konzentrisch an der Stirnwand 62 des Hohlraumresonators 11 montiert ist. Der Isolierzylinder 61 ist somit auch konzentrisch zum Elektronenstrahlkanal 58 angeordnet. Der Isolierzylinder 61 ist durch eine Querwand

63 verschlossen, die den Emitter 64 der Elektronenkanone trägt. Der Emitter 64 ist auf bekannte WEise ausgebildet. Bei dem Emitter

64 werden die Elektronen von der Oberfläche einer Metallfritte emittiert, die mit einer Bariumverbindung getränkt ist. Diese Oberfläche, die in der Fig. 1 mit 65 bezieichnet ist, die konkav ausgebildet ist, weist einen Durchmesser auf, der gleich oder größer als der Durchmesser des Elektronenstrahlkanals 58 ist. Der Emitter 64 wird über einen Zylinderstutzen 66 an der Querwand 63 gehaltert.

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Dicht an der emittierenden Oberfläche 65 ist ein Heizelement 67 angeordnet, das als Glühfaden ausgebildet ist. Mit diesem Heizelement kann die Oberfläche 65 auf Emissionstemperatur gebracht werden. Das Heizelement 67 ist mit Anschlüssen 68 versehen, die isoliert durch die Querwand 63 hindurchgeführt worden sind. Diese beiden Ans chlüsse können mit einer Stromquelle wie beispielsweise mit einer Batterie 69 verbunden werden.

Konzentrisch um die emittierende Oberfläche 65 herum ist ein Fokussierungszylinder 70 angeorndet, der sich bei 71 erweitert und elektrisch mit der Querwand 63 verbunden ist. Mit "72" ist ein weiterer Fokussierungsblock bezeichnet, der den Eingang zum Elektronenstrahlkanal 58 darstellt. Der Fokussierungsblock 72 ist konzentrisch zum Elektronenstrahlkanal 58 und konzentrisch zum Emitter 64 angeordnet. Die beiden Fokussierungsbauteile 70 und 71 nebst ihren beiden sich gegenüberstehenden Flächen 72 und 73 sind so ausgebildet, daß das elektrische Feld zwischen ihnen eine solche Kraft auf die emittierten Elektronen ausübt, daß die Elektronen als Strahl in den Kanal 58 eintreten. >

Der Kollektor 60 sowie die restlichen Teile des Klystronverstärkers 10 sind elektrisch leitend ausgebildet. Man kann daher die Querwand 63 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle , wie beispielsweise einer Batterie 74 verbinden, während der Kollektor 60 und alle Hohlraumresonatoren mit dem positiven Pol der Batterie 74 in Verbindung stehen. Elektronen, die vom Emitter 64 abgegeben werden, werden daher

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durch die beiden Fokussierungsteile 71 und 72 und durch das elektrichesFeld zwishen diesen beiden Teilen geformt, treten als Elektronenstrahl 75 in den Elektron-nstrahllraiial 58 ;ii:, rmd laufen durch ihn hindurch, bis sie im Kollektor 60 aufgefangen werden. Der Kollektor 60 kann als hohler Block asgebildet sein, der eine Vertiefung 76 aufweist, in der die Elektronen aufgefangen werden. Weiterhin kann man den Kollektor 60 auf bekannte Weise mit Kühlvorrichtungen versehen.

Wie man den Strahl über seine gesamte Länge führen und fokussieren kann, ist bekannt. Hierzu kann man magneto- oder elektrostatische elektromagnetische oder auch andere elektrische Fokussierungsvor- . ricltungen verwenden, die dem Elektronenstrahl die richtige Gestalt geben. Bei einer Ausfühxungsform der Erfindung wird hierzu eine Magnetspule 77 verwendet, Jie den STrahl auf seiner ganzen Länge umfaßt. Die Anzahl der Windungen oder die V/indungsdichte der Spule 77 ist so gewählt, daß sich der gewünschte Strahl durchmesser einstellt. Die Spule 77 kann auch konisch zusammenlaufend ausgebildet werden, so daß sie sich an die Seitenwandung 33 anschmiegen kann.

Man kann auf die erfindungsgemäßen Elektronenstrahlröhren aber auch permanentmagnetische Fokussierungen anwenden. Hierzu kann man einen oder mehrere Permanentmagnete das Klystron entlang anordnen, um das erforderliche Magnetfeld hervorzurufen. Man kann aber auch eine Anzahl von Permanentmagneten, Elektromagneten oder auch eine Anzahl von elektrostatischen Fokussierungslinsen verwenden, um einen Elektronenstrahl hervorzurufen und zu führen, dessen Durchmesser auf die gewünschte Wechselwirkung abgestimmt ist.

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Zum Ein- und Auskoppeln von Hf-Leistung in den Klystronverstärker 10 hinein oder aus ihm heraus wird eine Übertragungsleitung 78 verwendet. Diese Übertragungsleitung weist beispielsweise in der Fig. 1 einen elektrisch leitenden Stab 79 auf, der durch die Stirnwände der hintereinander angeordneten Hohlraumresonatoren des Klystronverstärkers 10 hindurchgeht. Am Eingansende 34 des Klystronverstärkers 10 ist ein Rohrstutzen 80 vorgesehen, durch den der Stab 79 hindurchgeht. Der Stab 79 ist von dem Rohrstutzen 80 durch ein keramisches Fenster 81 elektrisch isoliert, das auch gleichzeitig den Klystronverstärker vakuumdicht verschließt. Auch am Ausgangsende 35 sind ein Rohrstutzen 80' und ein keramisches Fenster 81' vorgesehen. Es ist zweckmäßig, daß der Stab 79 von allen Querwänden der Hohlraumresonatoren elektrischjisoliert ist, durch die er hindurchgeht, so daß der Stab 79 von dem gesamten Klystronverstärker elektrisch isoliert ist. Anstelle der Übertragungsleitung, die gerade beschrieben wurde, kann man auch eine Anzahl von Koppelschleifen verwenden.

Nimmt man die erfindungsgefiße Röhre in Betrieb, so wird zuerst die Elektronenkanone 59 erregt, die daraufhin einen Elektronenstrahl 75 abgibt, der durch die hintereinander angeordneten Hohlraumresondoren und Wechselwirkungsspalte hindurchgeht und im Kollektor 60 aufgefangen wird. Am Eingangs- oder Kathodenende 34 der Röhre 10 wird nun über den Stab 79 ein Eingangssignal vorgegebener Frequenz eingekoppelt. Dieses Signal läuft nun über den Stab 79 in cfen konisch ausgebildeten Wechselwirkungsabschnitt 22 hinein und erregt ein bestimmtes Gebiet aus einem oder mehreren Hohlraum-

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resonatoren, deren Resonanzfrequenzen dicht neben der Frequenz des Eingangssignales liegen. In den Wechselwirkungsspalten dieser erregten Hohlraumresonatoren findet nun nach Klystronart eine starke Wechselwirkung statt, so daß Energie auf den Elektronenstrahl übertragen wird. In einem nachfolgenden Gebiet der Wechselwirkungsstrecke nehmen ein oder mehrere Hohlraumresonatoren die Leistung aus dem Elektronenstrahl wieder auf und koppeln sie wieder an die Übertragungsleitung zurück. Der Ausdruck "Gebiet" wird dazu verwendet, einen Teil oder einen Abschnitt einer axial verlaufenden Wechselwirkungsstrecks zn bezeichnen, der aus einem oder mehreren Hohlraumresonatoren besteht, die auf ein Eingangssignal ansprechen.

Als weiteres Beispiel sei angenommen, daß ein Eingangssignal mit höherer Frequenz den Stab 79 entlang läuft. Dieses Signal läuft dann durch einen oder durch mehrere der größeren Hohlraumresonatoren hindurch, die bei der Frequenz des Eingangssignales keine Resonanzstelle besitzen, bis das Eingangssignal ein Gebiet in der konisch ausgebildeten Wecheeliiirkungsstrecke 22 der Röhre 10 erreicht, in dem die Resonanzfrequenzen der Hohlraumresonatoren in der Nähe der Frequenz des Eingangssignals liegen. Diese Hohlraumresonatoren sprechen nun selektiv auf die Frequenz des Eingangssignales an und itfirken auf bekannte Weise, so daß in den Wechselwirkungsspalten dieser Hohlraumresonatoren eine starke Wechselwirkung eintritt. Wenn das Eingangssignal den STab 79 weiterläuft, gelangt es in Hohlraumresonatoren, die zu klein sind und daher ebenfalls nicht erregt werden können. Die Wechselwirkung nimmt in diesen Hohlraumresonatoren immer weiter ab und kann vernachlässijbar klein werden. Das verstärkte Signal wird dann am Ausgangsende der Röhre IO über den Stab 79. ausgekoppelt. 9 0 9 8 3 5/0804 BAD OHiGiNAL

Man kann die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlröhren auch folgendermaßen beschreiben: Wenn sich eine bestimmte Energiemenge vorgegebener Frequenz eine Wechselwirkungsstrecke entlang ausbreitet, die sich unendlich lang ausdehnt oder nach einer endlichen Strecke richtig abgeschlossen ist, stellt sich an jedem Wechselwirkungsspalt eine bestimmte Spannungsverteilung ein. Wenn nun die angelegte Frequenz durch den logarithmischen Faktor " f " geteilt wird, verschiebt sich die gesamte Spannungsverteilung um einen Abschnitt nach rechts auf das kleinere Ende der Röhre zu. Wenn man nun annimmt, daß der Elektronenstrahldurchmesser bei jedem Abschnitt ebenfalls durch den Faktor ⁿ\ ^u dividiert wird, während die Spannungen und die Ströme konstant bleiben, ändert sich das Elektronenstrahlverhalten auf die gleiche Weise wie das Verhalten der Wechselwirkungsstrecke. Bei einer Wechselwirkungsstrecke, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, findet eine Wechselwirkung zwischen der Welle in der WEchselwirkungsstrecke und dem'Elektronenstrahl hauptsächlich in denjenigen Gebieten statt, in denen die Resonanzfrequenzen der Ilohlraumresonatoren dicht neben der Frequenz des angelegten Signales liegen. In diesen Gebieten leitet die Wechselwirkungsstrecke das angelegte Signal nicht mehr weiter, so daß das Signal nun wie bei einem Klystron vom Elektronenstrahl von Hohlraumresonator zu Hohlraumresonator weitergekoppdt wird. Wenn die Frequenz höher wird, verschiebt sich das Gebiet, in dem eine Wechselwirkung

Röhie stattfindet, auf das kleinere Ende der nm, wo der Elektronenstrahl ein verstärktes Signal an die Wechselwirkungsstrecke zurückkoppelt. Wenn die Röhre genügend lang ist, liegen die Eingangsr und die Ausgangsverbindungen in Gebieten, in denen die Viechs el wirkung für alle

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Frequenzen des in Frage kommenden Frequenzbandes nur schwach ist. Dann spielen Endeffekte aber keine wesentliche Rolle mehr, und das Verstärkungsverhalten in Abhängigkeit von der Frequenz wiederholt sich jedesmal, wenn die Frequenz durch den Faktor ^uf " dividiert wird.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine Wanderfeldröhre 82, auf die das logarithmisch-periodische Prinzip der Erfindung angewendet ist. Wie bereits in Verbindung mit der Fig. 1 beschrieben wurde, gibt eine Elektronenkanone 59 einen Elektronenstrahl ab, der eine Wendelleitung 83 durchsetzt und von einem Kollektor 60 aufgefangen wird. Auf die Wendelleitung der Wanderfeldröhre ist das logarithmisch-periodische Prinzip in dem Sinne angewendet worden, daß die Durchmesser der einzelnen Windungen (fer Wendel auf das eine Ende der Röhre hin, geometrisch progressiv abnehmen, während auf der anderen Seite die Dichte der Windungen oder die Anzahl der Windungen pro Einheitslänge auf das gleiche Ende der Röhre hinjgeometrisch progressiv zunehmen. Man kann auch die Dicke und die Breite des Drahtes variieren. Das logarithmisch-periodische Prinzip kann man auch durch eine Anzahl abnehmender geradeliniger Abschnitte oder anderer Elemente annähern, die eine logarithmisch-periodische Wechselwirkung hervorrufen. Da die Fortsetzung des logarithmisch-periodischen Prinzips theoretisch auf eine kegelförmig auslaufende Wendel führt, kann die Wanderfeldröhre auf ähnliche Weise abgeschlossen oder beendet werden, wie es in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde.

Die Wanderfeldröhre nach Fig. 2 arbeitet genauso wie eine gewöhnliche Wanderfeldröhre. Durch die Anwendung des logarithmsisch-periodischen Prinzips auf die Wendelleitung oder die Verzögerungsleitung wird jedoch die Wirkungsweise der Wanderfeldröhre auf ähnliche Weise beeinflußt, wie es bereits anhand des logarithmisch-periodischen Klystronverstärkers 10 aus Fig. 1 beschrieben wurde. So wird beispielsweise über die Verbindungsstelle 84 ein Eingangssignal einer vorgegebenen Frequenz auf die Verzögerungsleitung 83 gegeben, und dieses Eingangssignal erregt ein bestimmtes Gebiet der Verzögerungsleitung 83, das auf die Frequenz des Eingangssignales ansprechen kann. In diesem Gebiet findet eine starke Wechselwirkung statt, so daß Hochfrequenzenergie zur Verstärkung in den Elektronenstrahl eingekoppelt wird. Verstärkte Hochfrequenzenergie wird dann in einem Gebiet der Wendel aus dem Strahl ausgekoppelt, das hinter dem Einkoppelgebiet der WEndel liegt, und zwar dort, wo die Hochfrequenzenergie wieder auf die Wendel übergehen kann. Die Ausgangsleistung wird am Ausgangsende 35 der Wanderfeldröhre vom Ende 85 der Wendel 83 abgenommen. Die WEndelleitung, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist nur ein Beispiel einer Anzahl ähnlicher und äquivalenter Verzögerungs leitungen, die nach dem Stand der Technik in Wanderfeldröhren verwendet werden können. In diesem Zusammenhang sei auf die US-Patentschriften 2 843 797 und 2 860 280 verwiesen.

Bei den bisher beschriebenen Anwendungen des logarithmisch-periodischen Prinzips wird der Elektronenstrahl einer gewissen Modulation unterworfen. Dieses kann eine Geschwindigkeitsmodulation, eine Stromdichtemodulation oder eine Kombination aus diesen beiden Modu-

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iationsarten sein. Die BfrlMiHiii ist ifc. weite:. Sinnt auf Elektronenstrahlröhren anwendbar j Iv, deiiüi. ο in Elektronen-tr«lil 'larch -.-ins Wechselwirkungsstrecke hindurchgeht una ein Eingangssignal versrärL se daß -atts- verstärkte Ausgangsleistung bei einer vorgegebenen Frequenz'abgenommen verden kann. Eine We-chselwirkungsstrecke, auf dia das logarithmisch-periodische Prinzip angewendet ist, kann s.Oivoiil für Vorwärtswellenbetriel· nl.~ üueh für Rückwärtswellenbetrieb angepaßt werden.

Bei einer RückwärtswelleiirÖnre werder- ce ν Hingang und der Ausgang vertauscht, so daß das Eingangssxgnai nun über den Anschluß SO³ eing ekoppelt wird, während die Ausgangsleistung am Ausgang 80 abgenommen wird. So ist es beispielsweise bei der Ausführungsform nach Fig. 2 günstiger, die Wendelleitung im Rückwärtswellenbetrieb zu betreiben. Bei einem umgekehrten Aufbau, bei dem die Kathode am kleineren Ende der Wechselwirkungsstrecke und der Kollektor am größeren Ende der tfechselwirkungsstrecke angeordnet ist, wird der logarithmische Faktor von der Kathode zum Kollektor hin größer als 1.

In der Fig. 3 ist eine xveitere Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt, die als bikonische Elektronenstrahlröhre 86 ausgebildet ist. Die bikonische Elektronenstrahlröhre 86 weist zwei logarithmisch-periodische Wechselwirkungsstrecken 87 und 88 auf, die sich gegenüberstehend angeordnet sind. Die Enden mit den kleineren Durchruessern der beiden Wechselwirkungs strecken sind über ein Zwischenstück 89 miteinander verbunden, in dem Wechselwirkungselemente vorhanden sein können, jedoch nicht vorhanden zu sein brauchen. Jede der beiden Wechselwirkungsabschnitte 87 und 88 können verschieden

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ausgebildet sein« Si« können beispielsweise aus einer Verzögerungsleitung bestehen,, irie sie in Verbindung mit dem Klystronverstärker nach Fig. 1 dargestellt worden sind. Es können aber auch Wendellei tunken verwendet werden, v;ie 23 \.n Fig, 2 der Fall ist. Man kann aber aucn verschieden aiqgebiiuete weeiiselwirkungsstrecken miteinander kombinieren« Die Wechselwirkungsstrecken nach Fig. 3 sind als DoppelkammleitunjeE ausgebildet. Man kann sie jedoch auch aus Ringen und Stegen zusammensetzen. Man kann beispielsweise in die IVechselwirkungsstrecke SV die abwechselnden Ringeleinente 89,90, 91 und 92 nit der übertragungsleitung 93 verbinden., währdnd die dazwischen angeordneten Ringelenente ^z. 95, 96 und 97 mit der Übertragungsleitung 9ü verbunden sind. Beide Obertragungsleitungen 93 und 93 enden in einem einzigen Ans clilußs tuck 99* Die beiden Wechselwirkungsstrecken sind bei diesem Ausführungsbeispiel gleichartig aufgebaut, so daß die Beschreibung der Wechselwirkungsstrecke 87 auch für die Wechselxiirkungs strecke SS glt. Die beiden Wechselwirkungsstrecken können jedoch auch unterschiedlich aufgebaut sein, und außerden können auf die beiden V.echselwirkungss trecken unterschiedliche logarithmisch Faktoren angewendet werden.

Bei der Mikrov/ellenröhre nach Fig. 3 wird die Wechselwirkungsstrecke 87 als Eingangsstrecke und die Wechselwirkungsstrecke 88 als Ausgangsstrecke verwendet. Zum Einkoppeln dient der Anschluß 99, zum Auskoppeln dient der Anschluß 99*. Wenn man die Mikrowellenröhre nach Fig. 3 als HOchfreqüenzweilenverstärker betreibt» ist seine Wirkungsweise ähnlich wie die bekannter Rückwärtswellenverstärker.

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So wird beispielsweise die Kathode 64 mit Strom versorgt, so daß sie einen Elektronenstrahl 100 abgibt, der durcii die Wechselwirkungsstrecken 87 und 88 hindurchgeht. Hierbei wird der Elektronenstrahl von der Magnetspule 101 fokussiert bzw. geführt. Als Eingangssignal wird eine elektromagnetische Welle bei dem Eingangsanschiuß 99 in die Obertragungsleitungen 93 und 98 eingekoppelt.

Das Eingangssignal breitet sich nun nach rückwärts auf die Kathode 64 hin aus, bis es ein Gebiet der Wechselwirkungsstrecke 87 erreicht, in dem es synchron mit dem Elektronenstrahl 100 ist. In diesem Gebiet tritt eine Rtickwärtswellenwechselwirkung auf, die auf eine Bündelung des Elektronenstrahls führt. Das Eingangssignal läuft solange weiter, bis es das Gebiet erreicht, an dem es abgeschnitten wird. An diesem Punkt kann das Eingangssignal reflektiert oder selektiv absorbiert werden. Der Abstand zwischen der Mittelebene der Röhre nach Fig. 3 und dem Punkt, an dem die Wechselwirkung stattfindet, ist der angelegten Wellenlänge direkt proportional. Die Wechselwirkung bei größeren Wellenlängen erstreckt sich über größere räumliche Entfernungen als die Wechselwirkung bei kürzeren Wellenlängen,jedoch über die gleiche elektrische Entfernung, und die Strom- und Spannungsmodulation des Elektronenstrahls sollte, wenn er durch die Mittelebne der Röhre hindurchgeht, praktisch unabhängig von der Frequenz des Eingangssignales sein. Die Ausgangsstrecke 88 arbeitet sehr ähnlich wie die Eingangsstrecke 87. Die Wechselwirkung in der Eingangsstrecke koppelt Leistung in den Elektronenstrahl hinein, der dann in die Ausgangsstrecke 88 gelangt. In einem bestimmten Gebiet in der Ausgangs-

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strecke 88 findet wieder eine Wechselwirkung zwischen dem Strahl an der Wechselwirkungsstrecke statt, so daß Leistung durch die Übertragungsleitung 93' und 98' zum Ausgangsverbindungsstück 99^f gekoppelt wird. Wo dieses Wechselwirkungsgebiet liegt, hängt wiederum von der Frequenz des Eingangssignales ab. Die stärkste Wechselwirkung findet wieder in einer Entfernung von der Mittelebene der Röhre statt, die der Wellenlänge der Betriebsfrequenz direkt proportional ist. Bei den niedrigsten Frequenzen, dehnen sich die Gebiete, in denen in der bikonischen Elektronenstrahlröhre Wechselwirkungen auftreten, praktisch über die gesamte Länge der Röhre aus. Wenn die Frequenz größer wird, verschieben sich die Gebiete, in denen Wechselw-irkungen stattfinden, von den beiden Enden der Röhre aus auf die Mitte der Rühre hin.

Die bikonische Eleketronenstrahlröhre kann mit Wechselwirkungsstrecken betrieben werden, die aus gekoppelten Hohlraumresonatoren aufgebat sind. Es können aber auch andere Verzögerungsleitungen verwendet werden. Man kann die Wechselwirkungsstrecken aber auch aus unterschiedlichen Verzögerungsleitungen aufbauen, oder auch unterschiedliche Verzögerungsleitungen zu einer Wechselwirkungsstrecke kombinieren.

Bei den erfindungsgemäßen Elektronenstrahlröhren erhält man die besten Ergebnisse, wenn man durchweg den gleichen logarithmischperiodischen Faktor anwendet. Der logarithmisch-periodische Faktor der auf die verschiedenen Bauteile angewendet wird, braucht jedoch nicht immer der gleiche zu sein. So können beispielsweise auf ver-

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schiedene axiale Abschnitte der WEchselwirkungsstrecken verschiedene logarithmisch-periodische Faktoren angewendet werden, die auch alternieren können. Ein bestimmter logarithmisch-periodischer Faktor sollte jedoch jeweils immer über mehrere Hohlraumresonatoren angewendet werden, und zwar zumindest auf 3 Hohlraumresonatoren, oder auch über eine Strecke einer Verzögerungsleitung, die drei Hohl· raumresenatoren äquivalent ist.

Die Erfindung beinhaltet also die Kombination einer logarithiriBchperiodischen Wechselwirkungsstrecke mit einem Elektronenstrahl, der die Wechselwirkungsstrecke durchsetzt und selektiv mit der Wechselwirkungsstrecke in Wechselwirkung tritt. Die logarithmisch-periodischen Wechselwirkungsstrecken können dabei aus Hohlraumresonatoren aufgebaut sein, sie können jedoch auch als Stegleitungen, als Kammleitungen oder auf andere bekannte Weise ausgebildet sein. Beim Betrieb einer solchen erfindungsgemäßen Elektronenstrahlröhre bestimmt das Eingangssignal aufgrund seiner Frequenz selber den oder die Hohlräume oder das beschränkte Gebiet einer Wendel oder einer anderen Wechselwirkungsstrecke, in dem die Wechselwirkung stattfindet. Der Ort oder das Gebiet des tatsächlichen Hohlraums einer Wechselwirkungsstrecke, das selektiv erregt wird, kann sich in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals ändern oder sich reversibel in der Wechselwirkungsstrecke hin- und herverschieben. Dieses kann als Fließen des Gebietes auf der Wechselwirkungsstrecke beschrieben werden, wobei der Ort, an dem die Wechselwirkung gerade stattfindet, durch die gerade anliegende Frequenz des Eingangssignales bestimmt wird.

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Dieses fließende Gebiet, in dem die Wechselwirkung stattfindet, kann eine oder mehrere aufeinanderfolgende Hohlraumresonatoren nach Fig. 1 umfassen, einen Teil der Wendel nach Fig. 2 oder auch mehrere nacheinanderfolgende Ringe nach Fig. 3. Bei einer aus Hohlraumresonatoren aufgebauten Wechselwirkungsstrecke kann ein Signal mit vorgegebener Frequenz einen oder mehrere Hohlraumresonatoren erregen und dadurch an diesen Hohlraumresonatoren durch die Wechselwirkung einen Energieaustausch hervorrufen, während andere Hohlraumresonatoren, die neben diesem Gebiet liegen, nur wenig oder gar nicht erregt werden. Dort, wo der Elektronenstrahl Leistung an die Wechselwirkungsstrecke zurückkoppelt, kann ein ähnliches Gebiet aus Hohlraumresonatoren definiert werden. Diese beiden Gebiete künnen unmittelbar aufeinanderfolgen, oder aber aucn^Hohlraumresonatoren voneinander getrennt sein, die nur wenig oder gar nicht erregt werden. Die Stellen, in denen in den beiden Gebieten die maximale Wechselwirkung auftritt, haben einen bestimmten Abstand voneinander, und dieser Abstand hängt eng von der Frequenz des Eingangssignales ab, und beide Gebiete verschieben sich in Abhängigkeit von der Eingangs frequenz hin- und, her, wie es oben bereits beschrieben wurde. Die beiden Gebiete liegen in dem Sinne nebeneinander, als zwischen diesen beiden Gebieten keine merkliche WechseSWirkung auftritt. Die Wirkungsweise von V.echselwirkungss trecken für Wanderfeldröhren, wie beispielsweise von Wendelleitungen und Doppelkammleitungen ist sehr ähnlich. Solche Wechselwirkungsstrecken können als Leitungen aufgefaßt werden, die periodisch mit einem Elektronenstrahl in Wechselwirkung treten, wobei jede Windung einer Wendelleitung oder jeder Ring einer Doppelkammleitung als eine Periode definiert werden kann.

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Das logarithmisch-periodische Prinzip ist auch auf eine logarithmisch-periodische Anordnung solcher Elektronenstrahlröhren anwendbar, also beispielsweise auf Dioden, Tetroden, Elektronenröhren mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern usw. Man kann beispielsweise eine Anzahl von Raumladungsröhren, die als Tetroden ausgebildet sein können, an eine Eingangsverzögerungsleitung ankoppeln, die für jede Tetrode einen logarithmisch-periodischen Resonanzkreis aufweist. Die Ausgangsleistung wird dann über eine ähnliche Verzögerungsleitung abgenommen, die ebenfalls für jede Tetrode mit einem logarithmisch-periodischen Resonanzkreis versehen ist.

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Claims

Ansprüche

1. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre, gekennzeichnet durch eine Wechselwirkungsstrecke, in deren aufeinanderfolgenden Gebieten eine logarithmisch-periodische Ii öchs el wirkung mit einem Elektronenstrahl hervorrufbar ist, weiterhin mit einem Elektronenstrahl, der die Wechselwirkungsstrecke durchsetzt, schließlich mit einer Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln eines Eingangs signal es in die V.echselwirkungss trecke, so daß in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals eines der aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsgebiete erregbar ist und somit dort eine Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl auftritt, woraufhin der Elektronenstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals an ein anderes Gebiet der Wechselwirkungsstrecke verstärkte Leistung abgibt, und gekennzeichnet durch eine Auskoppel-Vorrichtung zur Abnahme der verstärkten Hochfrequenzleistung von der Wechselwirkungsstrecke.

2. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke eine Verzögerungsleitung ist.

3. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke aus einer Anzahl hintereinander angeordneter Hohlraumresonatoren aufgebaut ist.

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4. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke aus verschiedenen Elementen aufgebaut ist, von denen eines ein Hohlraumresonator ist.

5. Logarithmisch-periodi:;che Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet-., daß die Wechselwirkun:jsstrecke aus hintereinander angeordneten Ilohlraumresonatoren aufgebaut ist, deren wesentliche Abmessungen jev;eils kleiner als die entsprechenden Dimensionen des vorstehend angeordneten ..Hohlraumresonators sind_; so daß die Ilohlraumresonatoren die iiechselwirkungs.¹,trecke entlang jeweils logarithmisch-periodisch geändert sind.

6. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß eine Vorrichtung zum Einkoppeln eines Eingangssignals in die Uechselwirlcungs-· strecke vorgesehen ist, so daß in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals ein bestimmter Hohlraumresonator erregbar ist, wodurch der Elektronenstrahl an dieser Stelle geschwindigkeitsmoduliert wird und daß der modulierte Elektronenstrahl an einen oder mehiEre andere Hohlraumresonatoren der Wechselwirkungsstrecke Energie zurückkoppelt, deren Lage ebenfalls von der Frequenz des Eingangssignals abhängig ist.

7. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke aus einer Anzahl hintereinander angeordneter Hohlraumresonatoren mit Wechselwirkungsspalten gebildet ist, bei denen

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die IVechselwirkungseigenschaften der Spalte von Spalt zu Spalt logarithmisch-periodisch verändert sind.

8. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Ein- und Auskoppeln aus dem Stab einer Obertragunsleitung besteht, der mit den HOhlraumresonatoren gekoppelt ist.

9. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen eines jeden Hohlraumresonators nach einer logarithmischperiodischen Progression kleiner als die entsprechenden Abmessungen des vorstehend angeordneten Hohlraumresonators sind, derart, daß auch die Breiten der Spalte von Spalt zu Spalt logarithmisch progressiv abnehmen, so daß die Wechselwirkungsstrecke sich verjüngend ausgebildet ist.

10. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke über einen großen Teil ihrer Länge kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

11. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke eine Verzögerungsleitung aufweist.

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12. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke eine Wendelleitung aufweist.

13. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Wendelleitung vom Eingangsende zum Ausgan.^sende hinfabnimmt.

14. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η ζ 3 i c h η e t. daß die Wendelleitung kegelstumpfförmig ausgebildet ist,

15. Logarithmisch-periodische Klektronouätr^L· irünre= .t-acli Ansprucü 12, dadurch g e k e η η ζ s ί c h u α τ _: -I^ die V.'indungsdichte der WendelleitunfT zum Hncie mit -J₁-Ti -kleine/&ϊ:· .'iTchiuuoS^j. hin zunimmt.

16. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsstrecke zumindest zum Teil eine Anzahl von Hohlraumresonatoren mit Wechselwirkungsspalten aufweist.

17. Logarithmisch-periodische Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die WEchselwirkungsstreck? zumindest drei Hohlraumresonatoren mit liechselwirkungsspalten aufweist.

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