DE1541976A1 - Lauffeldroehre mit gekreuzten Feldern und wiedereintretendem Elektronenstrom - Google Patents

Description

PATENTANWALT

Patentanwalt DIPL-ING. H. KLAUS BERN H ARDT 1541976

Dr. CLAUS REINLANDER T W-T ι v» / ν

8000 MÖNCHEN 23 . MAINZERSTR.5 S2 P12 D

S-P-D LABORATORIES INC. Union, New Jersey
V. St. v. Amerika

Lauffeldröhre mit gekreuzten Feldern und wiedereintretendem Elektronenstrom

Priorität» 1J. Juni 1966 - Vereinigte Staaten von Amerika Serial No. 557 I65

Die Erfindung betrifft allgemein Lauffeldröhren mit gekreuzten Feldern, und insbesondere eine solche Röhre mit wiedereintretendem Elektronenetrom, in der eine im Tandem getrennte Rückwärtswellen-Verzögerungsleitung verwendet wird, wobei eine erste Verzögerungsleitung dazu dient, den Elektronenstrom mit Signalenergie zu ballen, der geballte Strom läuft dann in eine zweite Verzögerungsleitung, um diese zu erregen und in kumulative elektronische Wechselwirkung damit zu treten, um ein verstärktes Ausgangs-Mikrowellen-Signal zu erhalten. Eine solche Röhre kann als Verstärker oder Oszillator verwendet werden und ist dadurch gekennzeichnet, dass er selbstisolierend ist, d.h., dass seine Aus-

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gangsspannung relativ unempfindlich gegen Reflektieren von Schwingungeenergie von der Ausgangslast ist, und dass diese reflektierte Schwingungsenergie nicht durch die Röhre zur Treiberröhre hindurchläuft. Wenn die Röhre als elektronisch durchstimmbar Röhre verwendet wird, bietet sie den zusätzlichen Vorteil, dass ein höheres Produkt Verstärkung χ Bandbreite bei relativ hohen Wirkungsgraden erhalten wird, und wenn die Röhre als fest abgestimmtes Gerät verwendet wird, ergeben sich hohe Verstärkung und hoher Wirkungsgrad· Die durchstimmbaren Röhren sind besonders als gepulste Mikrowellen-Verstärker brauchbar, weil sie eine durchstimmbar Bandbreite von 15 - 20 # bei einer Verstärkung von 20 dB und einen Wirkungsgrad von 65 /6 bieten. Die fest abgestimmten Röhren sind besonders brauchbar als Quellen für gepulste Mikrowellen-Energie zum Treiben von Linearbeschleunigern. Bei solchen Anwendungsfällen liefern die Röhren Megawatt-Mikrowellen-Energie mit einem Wirkungsgrad von 80 #, während gleichzeitig die Phasenstabilität in die reflektierende Last der in Resonanz befindlichen Sektionen des Linearbeschleunigers beibehalten wird.

Rückwärtswellen-Lauffeldröhren mit gekreuzten Feldern und wiedereintretendem Strom sind bereite als Mikrowellen-Verstärker verwendet worden. Bei diesen bekannten Röhren waren jedoch Hochleistungs-Isolatoren erforderlich, um die von der Last reflektierte Energie zu absorbieren. Diese reflektierte Energie würde sonst durch die Röhre zum Treiber laufen, wodurch sich Phaseninstabilitäten der Ausgangsspannungen und ■' Beschädigungen der Treiberröhre ergeben könnten. Gewisse dieser bekann- ' ten Röhren, bei denen elektronische Rückkopplung verwendet wurde, haben höh· Wirkungsgrade von beispielsweise 80 ^L erreicht, ihre Verstärkung

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war jedoch auf etwa 10 dB beschränkt, und sie waren nur über Bänder von weniger als 10 "fo durchstimmbar. Bei anderen Röhren wurde eine Verstärkung von etwa 20 dB mit durchstimmbaren Bändern von 15 - 20 $ erreicht, indem die elektronische Rückkopplung eliminiert wurde, diese waren aber auf Wirkungsgrade unter 60 $ beschränkt.

Erfindungsgemäss ballt eine erste Rückwärtswellen-Verzögerungsleitung den Elektronenstrom vor seinem Eintritt in eine zweite Rückwärtswellen-Verzögerungsleitung. Das Niedrigleistungsende der zweiten Verzögerungsleitung ist mit einer Energie absorbierenden Last abgeschlossen, so dass von der an das Hochleistungsende des Ausgangskreises angeschlossenen Last reflektierte Energie absorbiert wird, ohne zur Treiberröhre durchzulaufen. Die erfindungsgemäsae Röhre ist also selbstisolierend, und Hochleistungsisolatoren sind nicht erforderlich. Bei fest abgestimmten erfindungsgemässen Röhren wird eine hohe Phasenstabilität bei hohen Wirkungsgraden, beispielsweise 80 $, erreicht.

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Lauffeldröhre mit gekreuzten Feldern verfügbar gemacht werden.

Erfindungsgemäss wird eine selbstisolierende Lauffeldröhre mit gekreuzten Feldern verfügbar gemacht, die mit einem wiedereintretenden Elektronenstrom arbeitet, der elektronisch mit tandemartig angeordneten RÜckwärtewellen-Verzögerungsleitungen in Wechselwirkung tritt. Eine der Leitungen dient dazu, den Elektronenstrom mit Signalenergie su ballen, und die andere Leitung wird mit de« geballten Strom erregt, um die

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AusgangBspannung zu erzeugen, so dass die Ausgangsleitung der Röhre gegen die Eingangsleitung der Röhre isoliert ist.

Gemäes einer Weiterbildung der Erfindung ist der Elektronentrifträum zwischen den stromabwärtigen Ende der Ausgangsleitung und dem stromauf wärtigen Ende der Ballungsleitung ausreichend lang, um eine merkliche Entballung des Elektronenstrome zu erlauben, so dass die elektronische Rückkopplung von der Ausgangsleitung zur Ballungsleitung verhindert wird, so dass die Röhre elektronisch über ein relativ breites Frequenzband durchgestimmt werden kann*

Gemäse einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der elektronische Driftraum zwischen dem stromabwärtigen Ende der Ausgangeleitung und dem stromaufwärtigen Ende der Ballungsleitung ausreichend kurz, so dass der geballte Strom in die Ballungssektion der Röhre eintreten kann, wodurch eine erhebliche elektronische Rückkopplung geschaffen wird, üb den Wirkungsgrad der Röhre zu verbessern.

Gemäss noch einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die Kathode der Röhre unterteilt, um einen Regelelektrodenteil xu bilden, der gegen den Rest der Kathode isoliert ist, und die Kathoden-Anoden-Spannung wird von einer festen Gleichstromversorgung geliefert, während die Röhre dadurch abgeschaltet wird, dass eine Regelspannung an die Regelelektrode gelegt wird, die positiv ist gegenüber de» Potential &■ anderen Segment der Kathode.

Geaass noch einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Kathode sewei Segmente auf, die voneinander isoliert, sind und von denen eines

sich gemeinsam mit der Ballungsleitung erstreckt und das andere mit der Ausgangsleitung. Wenn bei dieser Anordnung die Röhre ein Eingangssignal verstärkt, ist das Anoden-Kathoden-Potential in der Ausgangs-Sektion grosser als in der Ballungssektion der Röhre, so dass der Betriebswirkungsgrad der Röhre verbessert wird.

Gemäss einer anderen Ausbildung der Erfindung wird ein Teil der Schwingungeenergie mit richtiger Phase vom stromaufwartigen Ende der Ausgangsleitung zum stromabwärtigen Eingangsende der Ballungsleitung zurückgekoppelt, um eine Oszillatorröhre zu erhalten, die gegen Reflektionen von Schwingungsenergien an der Ausgangslast relativ unempfindlich ist.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere erfindungsgemässe Röhren mit ihren Ballungsleitungen in Reihe oder parallel geschaltet und von einer gemeinsamen Signal-Schwingungsenergie-Quelle angetrieben, so dass die Ausgangsspannungen aller Röhren eine vorgegeben· Phasenbeziehung haben·

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung ait der Zeichnung} es zeigen: Fig. 1 aohaaatiach, teilweise in Fora eines Blockschaltbildes, eine

Lauffeldröhre sit gekreuzten Feldern bekannter Art} Fig. 2 die Abhängigkeit der Ausgangsleistung P von der Frequenz CJ bekannter Röhren}

Fig. 3 di· Abhängigkeit dar Frequenz to von dar Phasenverschiebung pro Parioda β zur Darstellung dar Dispersionaoharaktarietik ainar Rückwärtawallen-Verzögerungeleitung, wia aia in bekannten Röhren gaaaaa Fig. 1 verwendet wurda} ^

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Fig. 4 die Abhängigkeit der Spannung V vom Strom I für eine konstante Eingangeleistung, wie sie in die Röhre nach Fig. 1 mit einem

7erzögerungsleitungs-Impulegeber eingespeist werden kann; Fig. 5 die Abhängigkeit der Spannung V Ton der Zeit bei einem Mikrowellen-Eingangssignal, die Anoden-Kathoden-Spannung und das Mikrowellen-Ausgangssignal bei Impulsbetrieb einer Röhre naoh

Fig. 1;
Fig. 6 schematisch, teilweise in Form eines Blockschaltbildes, eine

erfindungegemässe Röhre mit zugehöriger Schaltung; Fig. 7 die Abhängigkeit der Ausgangsleistung P ron der Frequenz cj

für eine Röhre nach Fig· 6;
Fig. 8 schematisch eine Schealbandröhre mit zugehöriger Schaltung

gemäss einer anderen Ausbildung der Erfindung; Fig. 9 sohematisch eine Alternativforn der Röhre, mit zugehöriger

Schaltung;
Fig. 10 die Abhängigkeit der Anoden-Kathoden-Spannung 7 tob Anoden-Kathoden-Stro« I für ein typisches Magnetron, das Ton einer

GleichetroMTersorgung gespeist wird; Fig. 11 die Abhängigkeit der Frequenz L-J τοη der PhasenTerschiebung^ in Radians pro Periode einer Rückwärtewellen-Verzögerungeleitung und die Synchronepannung 7. und die Betriebespannung

7 zur 7eretärkung;
Fig. 12 echematisoh einen Magneron-Oezillator «it zugehöriger Sokal-

tung gea&ee einer weiteren Aneführungefon der Irfinduag; Fig. 13 aoheaatisoh einen KettenTeretärker sit Merkmalen der Erfindung)

und ■ ■ ■----·'. ■··■
Fig. 14 echeeatiech eine andere Aueführumgeform der Schaltung naeh Fig. 13·

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In Pig. 1 ist eine bekannte gepulste Kreuzfeld-Verstärkerröhre 1 dargestellt. Die Röhre 1 besteht aus einer zylindrischen Kathode 2, um die koaxial eine Anoden-Verzögerungsleitung 3 angeordnet ist, so dass ein ringförmiger Wechselwirkungsraua zwischen beidendefiniert wird, der von einem axial gerichteten Magnetfeld B durchdrungen wird. Die Anodenleitung 3 und die Kathode 2 sind in einem nicht dargestellten, evakuierten Gefäss untergebracht.

Die Anodenleitung 3 ist eine Rückwärtswellenleitung, die vorzugsweise im Grundmodus arbeitet und eine Dispersionscharakteristik gemäss Fig. 3 hat. Eine typische Rückwärtswellenleitung mit diesen Kriterien ist eine Stangenbügelleitung mit einer Reihe axial gerichteter Stangen 4> die um die Kathode 2 herum angeordnet sind, mit zwei in Umfangsrichtung gerichteten, in axialer Richtung voneinander entfernten Bügel 5 und 6, die auf ihrer axialen Länge an jed· zweite Stange angeschlossen sind· Die Anodenleitung 3 ist mit einem Kreistrennerteil 7 versehen, der das Mikrowellen-Eingangsende θ der Leitung 3 rom Ausgangsend· 9 trennt.

Mikrowellen-Signalenergie, die in der Röhr· 1 verstärkt werden soll, wird aus einer Quelle für Mikrowellenenergie, beispielsweise einer Treiberröhr· 11, an die Eingangsklemm· 8 gegeben. Ein Isolator 12 ist zwischen dem Treiber 11 und die Röhre 1 geschaltet, um reflektierte Schwinguggaenergie zu absorbieren, die von einer Last 13 reflektiert wird, welche an das Ausgangeende 9 der Röhre 1 angeschlossen ist. Der Isolator 12 ist so ausgelegt, dass er grosse Beträge reflektierte Snergie absorbiert} er kann stattdessen auch zwischen die Last 13 und die Ausgangsklemme 9 der Röhr· 1 gelegt werden.

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Ik Betrieb wird ein Mikrowellen-HF-Snergie-Iapuls geaäss Fig· 5» der tob den Treiber 11 geliefert wird, an die Bohre 1 über Isolator 12 und Eingangskleuae θ geliefert· Sie angelegte Signalspannung erregt die VersSgerungsleitung 3 «it HF-Energie. Ein Strahlspannungsimpuls, der ron einer Quelle 14 »it einer gepulsten Verzögerungsleitung geliefert wird, wird «wischen die Kathode 2 und die Anode 3 gelegt) die Cathode kann ein Sekundäremissionstyp sein« Wenn die angelegte Anoden-Kathodon-Spanaung auf einen Vert oberhalb der Synohrenspanmmg T₁ steigt, findet eine 7erStärkung der Signalfrequeni-Bückwärtswelle ia WeohselWirkungsbereich 1$ swisehen der Anode 3 und der Kathode 2 statt« Rüokwärtsvellen-Weohselwirkung bedeutet, dass die HF-Sohwingung gegen die Eiehtung läuft, in der die Elektronen ua die Kathode S «irkulieren· Duron die Buokwärtsvellen-Veohselvirkung wichst der Anoden-Kathoden· Stro« I, wodurch die τοη de« Tereögerungsleitungs-lBpulsgeber I4 an die lehre gelegte Spannung begrenzt wird« Die an die Röhre 1 gelegte Spannung ist selbststabilisiorend» sie fällt bei waehseaae« 8trom, um οίκο konstante Mikrowellen^Ausfangsleistung während des k»r«en Intervall* tu liefern, in der der Anoden-Kathoden-Iepuls angelegt ist· Bio JtBkr« Wi)Pd dedurek abgeschaltet, dass der Iüpuls der angelegten Anoden» Katheden^Spaimuwg aufhört«

Wem» 4er Leitttagstrenner 7 »i·»» ί» Uefangeriohtung gleUhlaufent exit

kürten Sektion der Kathode »rstreekt, d.h. der llektronen-

ist, können 41· llektro»«a-Zusa»eenball»»gen oder Speiofce* a» ÜngaagsenAe 8, d*h. a* stroiuibwärtigen InAe der Anotenleitmag, in de« stromaufwärtige Bnde 4er Attodenleitung »irkulieren. Der Elektronenstro» wird dadurch mit der Signalfrequens rorgebündelt, u» eine

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elektronisch· Rückkopplung su liefern, die den Wirkungsgrad der Röhre bei gewissen Frequenzen, aber schmalen Bändern der Röhre bei hoher Verstärkung verbessert. Sin typisches Ausgangsleistungs-Spektrum für eine Röhre bekannter Art ist in Fig. 2 dargestellt. Die durchgesogene Linie entspricht einer erheblichen elektronischen Rückkopplung, wie sie »it einem kurzen Triftraum erhalten wird. Bei einer typischen Röhre sind 10 dB Verstärkung bei 80 # Wirkungsgrad bei einer elektronisch durchstimmbar en Bandbreite von 7 °fa erreichbar.

Die Verstärkung der Röhre 1 bekannter Art ist bereits auf 20 dB erhöht worden, indem eine längere Weohselwirkungaleitung 5 Torgesehen wurde, die Bandbreite wird dadurch jedoch erheblich herabgesetzt, grössenordnungsmässig auf 1 bis 2 %. Bei solchen Röhren mit höherer Verstärkung wird die Bandbreite dadurch wiederhergestellt, dass die Länge des Triftraumes erhöht wird, indem die Länge des Leitungstrenners 7 Tergrössert wird, die durch die unterbrochene Linie in Fig. 1 angedeutet ist. Bei einer solchen Röhre ist der Triftraum um einen ausreichenden Betrag rergrössert worden, um den wiedereintretenden Elektronenstrom im wesentlichen zu entballen. Für diesen Fall nimmt das Ausgangsspektrum die in Fig. 2 durch eine unterbrochene Linie dargestellte Form an, wobei sich eine Verstärkung von 20 dB, eine elektronisch durchstimmbare Bandbreite von 15 %, jedoch nur ein Wirkungsgrad von 50 $> ergibt. Ein Problem, das bei allen diesen bekannten Röhren 1 angetroffen wird, betraf die Notwendigkeit eines Hoohleistungsisolators 12, weil ohne diesen von der Last reflektierte Sohwingungsenergie duroh die Anoden« leitung 5 der Röhre 1 sum Treiber 11 zurüoklaufen könnte. Wenn die Röhre bei hohen Leistungspegeln verwendet wird, ist diese reflektierte Leistung

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sehr hooh und kann ·1η·η katastrophal«a Ausfall der Treiberröhr· 11 bewirken.

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemässe Kreusfeld-Mikrovellen-Verstärkerröhre 17 dargestellt. Sie Röhre 17 i*t grundsätzlich genauso aufgebaut wie die bekannte Röhre 1 naoh Fig. 1, nur dass die Anodenleitung 3 in swei Leitungen 16 und 19 aufgetrennt worden ist, die in Tandem ■it de· Elektronenstrom in dem Weohselwirkungsrausi 15 angeordnet sind.

Die erste Rüokwärtswellen-Yersögerungsleitung 18 bildet eine Ballungsoder Vorbündelungsleitung sur Wechselwirkung mit dem Elektronenetrom, us eine Vorbündelungssektion der Röhre 17 su erhalten, in der der Blektronenstrom «it Signalenergie geballt wird. Bin kurser Leitungs«· trenner 21 ist in der Anodenleitung swisohen dem etromabwärtigen Ende β 4er Vorbündelungsleitung 18 und de« stromauf wärtigen Ende 9 der •weiten Verzögerungsleitung 19 vorgesehen, die die Ausgangeleitung bildet· Der Leitungstrenner 21 wird sweckmässigerweise dadmroh gebildet, dass die Stangen 4 und Bügel 5 und 6 an beiden Enden des getrennten Leitungstellers 21 kursgesohlossen werden· Der Leitungstrenner 21 dient das«, den Übergang von Schwingungsenergie längs der Anodenleitung swisehen den Kienen 8 und 9 >u verhindern und definiert einen elektronischen Triftberoioh 22 für diesen Teil des Wechselvirkungsraumes 15» der sieh in Umfangsriohtung ebenso wie der Leitungstrenner 21 er« streokt. In der Röhre naoh Fig· 6 ist die UBfangsausdehnung des Triftbereiches 22 so kurs wie möglich gemaoht worden und liegt rorsugeveiee Ib der Grösseaordnung einer RaualaduBgswelleBlänge oder kleiner, uad ist immer kleiaer als drei Raumladuagswellenlaagen, wobei eiae Bau»-

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ledungewellenlaage gleioh iat daa Abetand ia Uafangariohtung ia Weoheelwirkuagaraua 15, der eiaer FhaaenTeraohiebung tob J60^o ia dar Sohwingungeenergie antaprioat,*die lange dar Verzögerungsleitung läuft.

Der geballte Elektroaeaatroa, dar den Vorbündelungateil Terläeet, läuft ia dia luagangaleitungeeektion 1$. Sie apaiohenartigen Ballungen oder Bündel erregen dia Auagaageleitung, ua eiae rüokwartelaufende Welle ait dar liagaagaaigaalfraqaeas ia der Auagangaleitung 19 au induaierea. Dieae indusierte Sohviagung wirkt auf dea Torbündeluagaraua surüok, ua eiaa sieh aafaeaeade Kttokwartawellen-Weohaelwirkung über die gaaaa Länge der Aaagaagaleituag 19 herrorsurufen. Sie Aaagaaga-Sohwingungaenergie wird Toa der Auagaagaleitung 19 bei Kleaae 9 abgenoaaen und aiaar geeifaetea Laat 1) «ugefuhrt.

Daa atroaabwtrtige lade 25 dar Aaagangaleitung 19 wird ait einer nioht reflektierend**» laergie abaoraieranden Laat 24 abgeaohloeaen. Sin «weiter Leitungatraaner 25 iat ia dar Aaodenleitung 3 awiaohen dea etroaabwartigea lad· 2) der Auagaagalaitaag 19 «ad aiaaa atroaaufwärtigen Bade 2( dar TarMadaluagalaitaag 16 vergeaehea. Der »weite Trenner 25 definiert eiaea aweltea llaktramea-Triftbereioh 27, deaaaa Uafangeenadehauag bei eiaer brait%aadifaa tBare Torsugewelae auereiohend lang

iat» ua dea wiedereiatretaadaa Haktroaeaatroa la weeentliohen aa ent· ballaa «dar aatatadala· BU|t triftliafa tob etwa $ taualadungawelienläagea iat «bliokerweiae aaarajaaand, ua die Ilektronenbüadelung auf einen sulAaaigea Hart herabauaatsaa, »oll Jedooh greaser eein ala drei RauBladaagawellanliaffea, «la aia ofcea definiert aiad. Dia Intbündelung braucht nioht Tolletandig au aaia» weil daa Eiaganga-Mikrowellenaignal, daa aa die Bündelungaleitung 16 der Kleaae β gegeben wird, eine rüok-

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wärtslaufende Welle erzeugt, die die Elektronenbündel oder Speiohen refolcuseiert, um Speichen oder Bündel in richtiger Phasenlage zu schaffen, die in die Ausgangssektion laufen. Eine Energie absorbierende Last 28 ist an das stromaufwärtige Ende 26 der Bündelungsleitung 18 angeschlossen, um die Ausgangssignalenergie auf der Bündelungeleitung 16 zu absorbieren.

Es sind verschiedene Vorteile mit der Röhre 17 nach Fig. 6 verbunden. Einer der Vorteile liegt darin, dass die Röhre bezüglich von der Last 13 reflektierter Schwingungsenergie eelbstisolierend ist. Diese reflektierte Schwingungsenergie wird in der Last 24 absorbiert, so dass ein getrennter Hochleistungeisolator 12 nicht mehr erforderlich ist. Zusätzlich, wie sich aus Fig. 7 ergibt, liefert die Röhre eine erhebliche Verstärkung von beispielsweise 20 dB oder mehr über eine erhebliche elektronisch durchstimmbare Bandbreite von beispielsweise 15 bis 20 % mit einem Wirkungsgrad von etwa 65 "/<>. Darüber hinaus ist die Phasenstabilität der Ausgangsspannung erheblich verbessert gegenüber bekannten Röhren, weil die Eingangsklemme θ innerhalb einer Raumladungswellenlänge von der Ausgangsklemme 9 entfernt liegt, und die in der Bündelungssektion 1Θ erzeugten Elektronenspeichen die Phase der Ausgangespannung verraeten.

Zur leichteren Erläuterung ist die Röhre in Fig. 6 mit einer Stangenbügel leitung als Hochleistunge-Fundamental-Rückwärtswellenleitung dargestellt und auch so beschrieben worden) es können jedoch auoh andere Rückwärtswellenleitungen verwendet werden, beispielsweise eine drosselgeetützte Interdigitalleitung,wie sie in der älteren Anmeldung S 95 IX d/21g der Anmelderin beschrieben ist. *~ ^

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Die Röhre 17 nach Fig. 6 hat eine kalte Sekundäremissions-Kathode 2, deren Emission durch angelegte HF- und Gleich-Spannungen eingeleitet wird. Die Röhre 17 soll jedoch nicht auf eine solche Kaltkathode begrenzt sein, es können ebenfalls Glühkathodenemitter oder injizierte Strahlen verwendet werden.

In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform einer Röhre 3¹ für Schmalbandbetrieb und eine Schaltung nach der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungeform ist im wesentlichen identisch der nach Fig. 6, nur dass die Umfangsausdehnung des zweiten Leitungstrenners 25 herabgesetzt worden ist, so dass Raumleitungsspeichen vom stromabwärtigen Ende der Ausgangsleitung 19 durch zum stromaufwartigen Ende der Bündelungsleitung 18 passieren. Der Triftraum 27 ist in diesem Falle kleiner als drei Raumladungswellenlängen in Umfangsrichtung, und vorzugweise kleiner als eine Raumladungswellenlänge. Dadurch wird eine erhebliche elektronische Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang erzielt, und der Umwandlungswirkungsgrad wird auf die Grössenordnung von 80 ^ verbessert, mit einer entsprechenden Verringerung der elektronisch durchstimmbaren Bandbreite auf die Gröesenordnung von 1 bis 2 $, während weiterhin 20 dB Verstärkung geliefert werden. Da die Röhre 31 schmalbandig ist, ist es zweckmäseig, eine feste Anoden-Kathoden-Spannung zu liefern, die von einer quelle 32 geliefert wird, und den Betrieb der Röhre 32 mit einer Regel- oder Kontrollelektrode 33 zu regeln. Die Kontrollelektrode 33 ist gegen die Kathode 2 isoliert und wird mit einer positiven Spannung gegenüber dem Rest der Kathode 2 gepulst, um die Röhre 32 abzuschalten, indem die zirkulierenden Elektronenraumladungen bei Beendigung des Eingangs-Mikrowellen-HF-Signals aufgesammelt werden.

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Vom Ausgang des Treibers 11 wird bei Beendigung des Treiberausgangsimpulses ein Signal abgeleitet, das einer Kontrollspannungs-Impulsquelle 30 zugeführt wird, die die Kontrollelektrode 33 positiv gegen den Rest der Kathode 2 pulst. Bei Beendigung des Kontrollelektrodenimpulses kehrt die Kontrollelektrode auf Kathodenpotential zurück. Wenn eine feste Anoden-Kathoden-Spannungsquelle 32 verwendet wird, werden die Kosten für den Impulsgeber herabgesetzt, weil nicht mehr die ganze Anoden-Kathoden-LeiBtungs-Quelle gepulst werden muss. Nur die Kontrollelektrode 33 braucht gepulst zu werden, wozu keine merk» liohen Leistungen gepulst werden müssen. Das Vakuumgefäßs für die Röhre 31 ist bei 34 angedeutet.

In Fig. 9 ist eine andere Ausführungsform der Röhre und Schaltung nach der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Röhre 35 i* wesentlichen identisch zu der nach Fig. 8 aufgebaut, nur dass die Kathode 2 in zwei isolierte Segmente aufgeteilt ist, von denen eines sich in Uiifangsrichtung gleichlaufend mit der Ausgangsleitung 19 und das andere, 36, in Umfangsrichtung gleichlaufend mit der Bündelungsleitung 18 erstreckt. Eine erste feste Gleichspannungs-Quelle 32 der in Verbindung mit Fig. 8 beschriebenen Art liegt zwischen der Ausgange-Anodenleitung 19 und dem benachbarten Kithodensegment 2. Eine zweite feste Spannungsquelle 37 liegt zwischen dem Kathodensegment 36 und der Bündelungs-Anodenleitung 18. Ein Impulsmodulator 38 ist mit der zweiten Energiequelle 37 und dem zweiten Kathodensegment 36 zusammengeschaltet, um das zweite Segment positiv gegenüber den Rest der Kathode 2 zu pulsen» Auf diese Weise sammelt das gepulste Kathodensegment 36 den zirkulierenden Elektronenstrom bei Beendigung

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des Treiberiapulses der zu verstärkenden Signalenergie, so dass di· Röhre 35 abgeschaltet wird. Bei Verwendung von zwei Stromversorgungen 32 und 37 mit fester Spannung i'st es möglich, die Bündelungssektion der Röhre 35 auf einen niedrigeren Leietungspegel zu betreiben als die Ausgangssektion, indem an die Bündelungssektion eine niedrigere Anoden-Kathoden-Betriebsspannung gelegt wird. Dae ist durch Bezugszeichen θ in Figa.10 und 11 dargestellt, wo in Fig. 10 ereichtlich ist, dass der Anoden-Kathoden-Strom I steigt, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung V über den Wert der Spannung steigt, die synchrone Elektronengeschwindigkeit im Wechselwirkungsbereich herstellt, diese Spannung ist die Hartree-Spannung V , die durch den Schnitt der unterbrochenen Linie mit der Ordinate angedeutet ist. Fig. 11 zeigt auch eine Quantität Δ V, die Grosse der angelegten Spannung über die Synchronspannung hinaus und es zeigt sich, dass die Ausgangsleistung proportional dieser Differentialspannung &V ist. Für Hochleistungsbetrieb mit gutem Wirkungsgrad ist es deshalb erwünscht, die Ausgangssektion der Röhre 35 auf einem Potential zu betreiben, das grosser ist als das, das der Bündelungssektion zugeführt wird.

In Fig. 12 ist eine,weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, eine gepulste, elektronisch durchstimmbare Oszillatorröhre. Bei dieser

Ausführungsform ist die Röhre 17 im wesentlichen identisch mit der in Verbindung nt Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, nur dass die Kathode 2 vorzugsweise ein Glühemitter ist und das Mikrowellen-HF-Eingangssignal der Röhre vom Ausgang der Röhre 17 über einen Richtungs-Leistungsepalter 4I zugeführt wird. Der Leistungsspalter 41 spaltet einen kleinen Bruchteil der Ausgangsspannung ab und liefert diesen zur Ein-

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gangsöffnung β der Bündelungsleitung 18· Ein elektrisch variabler Phasenschieber 42, beispielsweise ein Ferritphasenschieber, verschiebt die Phase der Ausgangsspannung entsprechend einem Eingangs-Phasenverschiebungssignal, um eine sich anfachende HF-Rückkopplung zur Bündelungssektion zu schaffen, die ihrerseits die Phasenlage der Ausgangespannung durch Kontrolle der Phasenlage der Raumladungsspeichen regelt, die in die Ausgangssektion eintreten. Sie relativ kurze HF-Weglänge von Ausgang 9 «um Eingang θ ermöglicht es, dass der Oszillator nach Fig. 12 elektronisch über das Eingangssignal zum Phasenschieber 42 über ein breites Frequenzband durchgestimmt vird, indem die Phasenverschiebung der Schwingungsenergie verändert wird, die durch den Phasenschieber 42 läuft.

In Fig. 15 ist eine Kettenverstärkerschaltung mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsfora sind eine Reihe Verstärkerröhren 17, wie sie in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben sind, an einen nicht dargestellten Eingangstreiber 11 angeschlossen, wobei die Bündelungsleitungen aller Röhren 17 in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise wird die HF-Ausgangsspannung der ersten Bündelungsleitung dem Eingang der nächsten Röhre zugeführt und ao fort. Die jeweiligen Ausgangsspannungen der verschiedenen, so zusamaengeschalteten Röhren haben dann eine vorgegebene und kontrollierte Phasenbesiehung relativ zu der des Treibersignalee» Stattdessen kann die Kette aus Röhren 17 so geschaltet werden, dass die aufeinanderfolgenden Bündelungeleitungen parallel an den Ausgang de· Treiber* 11 geschaltet sind, wie in Fig. 14 dargestellt ist, um die kontrollierte Ausgangs-Phasenlage hervorzurufen.

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Bei einem typischen Beispiel einer Rühre 17 nach der Erfindung, die bei 9 SHz arbeitet, enthielt die Vorbündelungsleitung 18 15 periodische Elemente, die Ausgangsleitung enthielt 50 bis 40 periodische Elemente, die Anoden-Kathoden-Spannung betrug 40 kV, der erste Triftraum 22 hatte eine Umfangsausdehnung von 2 Perioden der Verzögerungsleitung, und der »weite Triftraum 27 entsprach 10 Perioden der Verzögerungsleitung. Eine solche Röhre zeigt eine Verstärkung von 20 dB mit einer Spitzen-Ausgangsleistung von 1HW.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   * Lauffeldröhre mit gekreuzten Feldern und wiedereintretenden Strom, bestehend aus einer Kathode, einer koaxial und im Abstand von dieser angeordneten Anode, die zusammen einen in den Raum zwischen ihnen wiedereintretenden Elektronenstrom bilden, und Verzögerungeleitungen in diesem Baum zur elektronischen Wechselwirkung mit dem Elektronenstrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsleitung aus zwei Hüokwärtswellen-Verzögerungsleitungen besteht, τοη denen eine dazu dient, den Elektronenstrom mit Signalenergie zusammenzuballen, die in der anderen Rückwärtswellen*leitung verstärkt werden soll, die ihrerseits eine Ausgangsleitung bildet, und dass das stromabwärtige Ende der Zusammenballeitung in genügend kleinem Abstand vom stromaufwärtigen Ende der Ausgangsleitung angeordnet ist, um zu erreichen, dass der die Vorbündelungsleitung verlassende geballte Elektronenstrom die Elektronen bündelt in Wechselwirkung mit der Ausgangeleitung trägt, um das Ausgangesignal auf der Auegangsleitung zu erregen, so dass die Vorbündelungsleitung von der Ausgangeleitung für Sohwingungsenergie isoliert ist, die von einer Last reflektiert wird, die an das stromaufwärtige Ende der Ausgangsleitung angeschlossen ist.

   2* Röhre nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwisohem dem

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   stromabwärtigen End· der Auegangeleitung und dem stromaufwartigen Ende der VorbündelungBleitung ein ausreichend langer elektronischer Triftraum vorgesehen ist, um den Elektronenstrom in diesen Bereich ' im wesentlichen xu entballen, so dass die elektronisch durchstimmbare Bandbreite der Röhre erheblich vergrössert wird·

   3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausreichend kurzer elektronischer Triftraum zwischen dem stromabwärtigen Ende der Ausgangsleitung und dem stromaufwartigen Ende der Bündelungsleitung vorgesehen ist, um zu ermöglichen, dass der geballte Elektronenstrom, der die Auegangsleitung verlässt, in Wechselwirkung mit Sohwingungsenergie auf dir Yorbündelungsleitung läuft, "° dass eine elektronische Rückkopplung von der Ausgangsleitung zur Eingangsleitung geschaffen wird, um den Wirkungsgrad der Röhre zu verbessern.

   4. Röhre nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus wenigstens zwei isolierten Segmenten besteht, die jedes getrennte Umfangsbereiohe der Kathode einnehmen, wobei eines der Kathodensegmente als Kontrollelektrode zur Regelung der Ausgangsspannung der Röhre dient.

   5. Röhre nach Anspruoh 4» daduroh gekennzeichnet, dass eines der Kathodensegmente sieh in Umfangerichtung gleichlaufend mit der Ausgangeleitung erstreckt und das andere Kathodensegment sieh in Umfangsriohtung gleichlaufend mit der Vorbündelungsleitung erstreckt, so dass im Betrieb das an die Vorbündelungssektion angelegte Anoden-Kathoden-Potential der Bohre kleiner sein kann als das Anoden-Kathoden-Potential, das an die Ausgangssektion der Röhre angelegt ist,

   0098U/0719

   PAD OH¹G

   um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.

   6. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplung vorgesehen ist, um einen Teil der Ausgangs-Sohwingungsenergie vom Auegangsende der Ausgangsleitung zum Eingangsende der Vorbündelungsleitung mit richtiger Phasenlage zurückzukoppeln, um eine Oszillatorröhre zu schaffen, die elektronisch über eine erhebliohe Bandbreite durch Änderung der Phasenlage der rückgekoppelten Schwingungsenergie durchstimmbar ist.

   7· Röhre nach einem dez. Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsenergie absorbierende Last an das stromabwärtige Ende der Auegangsleitung angeschlossen ist, um von der Ausgangsbelastung der Röhre auf die Leitung reflektierte Energie zu vernichten.

   8. Röhre nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsenergie absorbierende Last an das stromaufwartige Ende der Vorbündelungeleitung angeschlossen ist, um Schwingungsenergie auf der Leitung zu absorbieren, die die Energie übersteigt, die zur Bündelung oder Ballung des Elektronenstrome erforderlich ist.

   9· Röhre nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem stromabwärtigen Ende der Torbündelungsleitung und dem stromaufwartigen Ende der Auegangsleitung kleiner ist als drei Raualaaungswellenlängen.

   10. Röhre nach einem der Aneprüohe 2 oder 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangeabstand zwisohen dem stromabwärtigen Ende der Ausgangs·

   0 0 9 8 U / 0 7 1 9 _ßAD

   leitung und dem stromaufwärtigen End· der Vorbündelungsleitung grosser ist al« drei Raumladungewellenlängen.

   11. Bohre naoh Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine feste ßleiohspannung zwischen die Anode und.Kathode gelegt ist und eine Kontrollelektrode in der Nähe des Elektronenstroms angeordnet ist» um den Betrieb der Röhre dadurch zu regeln, dass ein Betriebs-.potential angelegt wird, dass sich von der festen Anoden-Kathoden-Spannung unterscheidet·

   12· Röhre naoh Anspruch 3, 4, 5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsa&stand »wischen dem stromabwärtigen Ende der Ausgangsleitung und dem stromaufvirtigen Snde der Vorbündelungsleitung kleiner ist als drei Raumladungewellenlängen, und dass der Umfangsabstand «wischen dem stromabwärtigen Ende der Vorbündelungsleitung und dem stromaufwartigen Ende der Ausgangsleitung kleiner ist als drei Raumladungswellenlängen.

   13· Schaltungsanordnung mit mehreren Röhren nach einem der Ansprüche 1,3 his 5i 11 oder 12 und einer gemeinsamen Quelle für zu verstärkende Signal-Schwingungeenergie, dadurch gekennzeichnet, dass die einseinen Yorbündelungsleitungen aller Röhren an die gemeinsame Quelle angeschlossen und mit von dieser kommender Schwingungeenergie getrieben werden, so dass die Ausgangssignale τοη den verschiedenen Röhren alle eine vorgegebene Fhasenbeziehung relativ zueinander haben·

   14* Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen getrennten Yorbündelungsleitungen alle in Reihe

   009814/0719 ^ --.

   BAD ORIGINAL ...Λ5

   j*

   an di· gemeinsame Signal-Sohvingungeenergie-Quelle angeschlossen ■ind.

   15. Schaltungsanordnung nach Anspruch I3, dadurch gekennsβlehnet, dass di· T6rschied*n«n getrennten Torbündelungeleitungen alle parallel an die gexeineaae Signal-Sohwingungienergle-Quelle angeschloasen •ind·

   ^8AD OO98H/0719

   L e e r s e i t e