DE1950199C3 - Mehrkammer-Klystron - Google Patents

Description

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Es ist ein Mehrkammer-Klystron mit wenigstens einem im wesentlichen auf eine Oberwelle einer Frequenz im Durchlaßband der Röhre abgestimmten w frei schwingenden Resonator, der zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangs-Resonator angeordnet ist bekannt (US-PS 25 79 480). Der auf eine Oberwelle abgestimmte Resonator der bekannten Röhre sollte eine sägezahnartige Modulation der Elektronen herbeiführen, um möglichst »dichte« Elektronenbündel zu erzeugen, wenn der Strahl durch den Ausgangsresonator hindurchtritt.

Bei dieser bekannten Röhre wurde nur eine rein ballistische Elektronen-Theorie zugrunde gelegt Raum- ho ladungskräfte wurden nicht berücksichtigt die in einem dicht gebündelten Strahl hoher Perveanz auftreten. Ferner wurde festgestellt, daß eine Geschwindigkeitsspreizung der Elektronen beim Durchtritt durch den Ausgangsresonator auftritt, die unerwünscht ist. μ

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die bekannte Röhre in der Weise zu verbessern, daß eine bessere Bündelung auch bei hohen Raumladungskräften und eine gleichförmigere Geschwindigkeit der Elektronen im Ausgangsresonator erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I aufgeführten Merkmale gelöst

Spezielle Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 schematisch ein bekanntes Mehrkammer-Klystron,

Fig. IA die normierte Elektronengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit bei der bekannten Röhre nach Fig. I₁

Fig.2 schematisch ein Mehrkammer-Klystron mit Merkmalen der Erfindung,

F i g. 3 schematisch eine andere Ausführungsform der ersten Bündelungsstufe,

Fig.4 die Abhängigkeit des Elektronenphasenwinkels von der normierten Distanz längs des Strahlweges und

F i g. 5 die Abhängigkeit des normierten hochfrequenten Strahlstroms von der normierten Distanz Sängs des Strahlweges.

In F i g. 1 ist ein bekanntes Mehrkammer-Klystron 1 dargestellt Kurz gesagt die Röhre 1 weist ein System 2 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 3 auf, der einem Strahlkollektor 4 am Abschlußende des Strahls zugeführt wird. Die Strahlspannung wird von einer Spannungsquelle 5 geliefert Ein Eingangs-Hohlraumresonator 6 ist am strahlaufwärtigen Ende des Strahls 3 angeordnet um den Strahl mit hochfrequenter Energie geschwindigkeitszumodulieren, die über eine Eingangskoaxialleitung 7 dem Hohlraum 6 zugeführt wird. Die dem Strahl 3 vom Eingangshohlraum 6 aufgedrückte Geschwindigkeitsmodulation wird in einem geeigneten feldfreien Triftraum in eine Stromdichtemodulation des Strahls umgewandelt Ein Ausgangsresonator 8 ist am strahlabwärtigen Ende des Strahls angeordnet Die hochfrequente Energie wird vom Ausgangsresonator 8 mit einer Ausgangskopplungsschkife und Koaxialleitung 9 ausgekoppelt und einem geeigneten Verbraucher zugeführt Der Eingangsresonator 6 und der Ausgangsresonator 8 sind beide auf einen Grund-Resonanzmodus in der Mitte des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt

Ein Oberwellen-Resonator 11 ist längs des Strahlweges zwischen dem Eingangshohlraum 6 und dem Ausgangshohlraum 8 angeordnet Der Oberwellen-Resonator 11 ist auf einen Resonanzmodus abgestimmt der praktisch das Doppelte der Betriebsfrequenz der Röhre beträgt Der Oberwellen-Resonator 11 ist ein frei schwingender Resonator, mit anderen Worten, ein Resonator, für den außerhalb des Klystrons keine Energiequelle vorgesehen ist und der nicht mit einer Last gekoppelt ist die die Ausgangsspannung des Resonators verwertet; es kann jedoch ein Schaltelement mit dem Resonator gekoppelt sein, mit dem nur einige elektrische Eigenschaften des Resonators beeinflußt werden, beispielsweise sein Gütefaktor Q oder seine Frequenz.

Die Aufgabe des Oberwellen-Resonators 11 besteht darin, eine Bündelungsspannung zu erzeugen, die eine periodische Sägezahnschwingung-Form in der in Fig. IA dargestellten Weise hat. Genauer gesagt der Eingangshohlraum 6 liefert eine sinusförmige Grundbündelung-Hochfrequenzspannung V|. Wenn eine Oberwellen-Spannung V₂ der Spannung Vi überlagert wird, hat die gesamte Bündelungsspannung V₆ eine periodische Sägezahnschwingungsform. Wenn eine rein

ballistische Elektronen-Theorie verwendet wird, und Raumladungskräfte vernachlässigt werden, werden durch eine solche Bündelungsschwingung dichte Bündel im Ausgangsresonator 8 erzeugt Eine solche Bündelung erzeugt jedoch eine unerwünschte Geschwindigkeits- j spreizung der Elektronen, wenn diese durch den Spalt zum Ausgangsresonator 8 wandern. Darüber hinaus können bei Röhren mit Strahlen hoher Perveanz, d. h. Perveanz > 10-⁶, Raumladungskräfte nicht vernachlässigt werden, und deshalb kann die gewünschte dichte iu Bündelung in der Praxis u. U. nicht erreicht werden.

In Fig.2 ist ein Mehrkammer-KJystron 1' mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Die Röhre Γ nach der Erfindung ist ähnlich der nach F i g. 1 aufgebaut, nur daß eine zweite Bündelungsstufe 13 strahlabwärts vom Oberwellen-Resonator 11 zwischen diesem und dem Ausgangsresonator 8 vorgesehen ist Der Oberwellen-Resonator 11 zusammen mit dem Eingangsresonator 6 bildet eine erste Bündelungsstufe 16. Die zweite Bündelungsstufe 13 weist einen oder mehrere frei 2« schwingende Resonatoren auf, die auf einen Reson.anzmodus bei einer Frequenz nahe oder vorzugsweise etwas oberhalb der Mitte des Durchlaßbmdes der Röhre Γ abgestimmt ist bzw. sind. Die zweite Bündelungsstufe weist also immer wenigstens einen frei schwingenden Resonator 14 auf, der auf einen Resonanzmodus in der Nähe des Durchlaßbandes der Röhre 1' abgestimmt ist Ein oder mehrere zusätzliche Grundfrequenzresonatoren 15 können strahlaufwärts vom Resonator 14 in der zweiten Bündelungsstufe 13 vorgesehen werden, um den Wirkungsgrad der Röhre zu erhöhen.

Wenn die zweite Bündelungsstufe 13 strahlabwärts von der ersten Bündelungsstufe 16 vorgesehen wird, werden die Elektronen in der ersten Stufe 16 so gruppiert, daß sie in den Grundfrequenz-Hohlräumen 14 und 15 der zweiten Bündelungsstufe 13 wirksamer moduliert werden können. Mit anderen Worten, der Oberwellen-Hohlraum 11 sorgt für eine günstigere Phasengruppierung der Elektronen am Eingang der zweiten Bürdelungsstufe 13. Die Grundkomponente der hochfrequenten Strommodulation des Strahls /1 ist höher als beim Stand der Technik. Der Wirkungsgradfaktor:

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der Bündelungsanordnung nach F i g. 2 beträgt üblicherweise 0,9, verglichen mit 0,76 bei dem Klystron nach F i g. 1, wobei /₀ der Strah^leichstrom ist.

In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung liargestellt, bei der zwei Oberwellenresonatoren U und 11' für die erste Oberwelle längs des Strahlweges 3 zwischen dem Eingangshohlraum 6 und dem Eingang zur zweiten Bündelungsstufe 13 vorgesehen sind. Bei der ersten Bündelungsstufe 16' nach F i g. 3 ist eine größere relative Verstimmung der Oberwellen-Hohlräume 11 und 11' gegen die erste Oberwelle der Mittenfrequenz der Röhre zulässig. Diese Konstruktion _b0 ist also an Röhren Γ mit größeren Bandbreiten anpaßbar als Röhren der Konstruktion nach F ι g. 2.

Die Aufgabe der ersten Bündelungsstufen 16 und 16' nach Fig.2 und 3 besteht darin, die Elektronen aus Phasenintervallen zwischen den Hauptbündeln zu <,·-, versetzen und Elektronenbündel zu schaffen, die sich typischerweise über ein Phasenintervall 0,75 einer Hochfrequenzperiode cc trecken, [dealerweise soll die Elektronendichte innerhalb der Bündel einigermaßen gleichförmig sein, und die Geschwindigkeitsspreizung innerhalb der Elektronen soll am Ausgang der ersten Bündelungsstufe 16 vernachlässigbar sein. Bei richtiger Auswahl der Stahltrifträume und der Hochfrequenztreibpegel verteilen die ersten Bündelungsstufen 16 und 16' nach Fig.2 und 3 etwa 95% der Elektronen in ein Phasenintervall=0,75 der Grundfrequenzperiode. Die Elektronenverteilung innerhalb des Bündels kann ausreichend gleichförmig gemacht werden und die Geschwindigkeitsspreizung ist vernachlässigbar, Die Hohlräume 14 und 15 sind etwas höher abgestimmt als die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes der Betriebsfrequenzen der Röhre, um eine fast reine Blindimpedanz für den Strahl zu erhalten, während der Oberwellenresonator 11 vorzugsweise etwas niederfrequenter abgestimmt ist als die präzise Oberwelle der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre.

Der Elektronenphasenwinkel in Abhängigkeit von der normierten Distanz längs des Strahlweges für eine Röhre der in Fig.2 dargestellter Art ist in Fig.4 gezeigt Die Darstellung gilt für einen Strahl mit einer Perveanz von 1 · 10"⁶ und veranschaulicht die Elektronenphasenwinkel (es werden 32 Bezugselektronen verwendet, von denen 16 in der Zeichnung verfolgt werden), die anfänglich gleichförmig über einen Zyklus 17 der Hochfrequenzgrundfrequenz verteilt sind, wie auf der Ordinate dargestellt Die Lage und die Spannungen der Wechselwirkungsspalte sind längs der Abszisse angedeutet Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß, wenn die Elektronenbündel den Grundfrequenz-Ausgangsresonator-Spalt erreichen, etwa 90% der Elektronen innerhalb eines Hochfrequenzphasenwinkels von etwa 1 '/2 rad (85 Grad) verteilt sind Durch die Neigung der Elektronenphasenkurve gegenüber der Distanz ist darüber hinaus ersichtlich, daß die Geschwindigkeitsspreizung der Elektronen am Ort des Ausgangsresonator-Spaltes klein ist Der vorhergesagte Hochfrequenz-Umwandlungswirkungsgrad mit einem Ausgangsresonator 8 mit einem einzigen Spalt beträgt 80%. In der Praxis sind etwa 70% verwirklicht worden.

Jt Fig.5 ist der normierte Hochfrequenzstrahlstrom in Abhängigkeit von der normierten Distanz längs der Strahlachse dargestellt Die maximale normierte Grundkomponente /1 des hochfrequenten Strahlstroms, die durch die zweite Bündelungsstufe 13 hervorgerufen wird, ist:

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Der entsprechende Wert für bekannte, übliche Bündelungsstufen beträgt:

'0

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Wenn auch die in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung nur mit einem einzigen Eingangr resonator arbeiten, so ist das doch nicht erforderlich. Zusätzliche Eingangsresonatoren können zwischen dem Eingangsresonator 6 und dem Oberwellen-Hohlraum 11 oder 11' vorgesehen werden, um eine höhere Verstärkung der Röhre zu erhalten. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, daß die Oberwellen-Resona.isren ti und W auf die erste Oberwelle der Mitte des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt sind. Die Oberwellen-Resonatoren können

auf höhere Oberwellen abgestimmt sein, beispielsweise die zweite, dritte, usw. Es wird jedoch klar bevorzugt, daß die Oberwellen-Hohlräume auf die niedrigste Oberwelle abgestimmt werden, weil bei höheren als der ersten Oberwelle und insbesondere bei Frequenzen oberhalb des S-Bandes und bei höheren Leistungspegeln ein übermäßig hoher Anteil des Hohlraumvolumens vom Strahl eingenommen wird. Weiter ist es nicht erforderlich, daß die in der Röhre verwendeten Resonatorkreise einspringende Hohlraumresonatoren sind. Es wird in Betracht gezogen, daß a Resonanzkreise verwendet werden, beispieh Wendelresonatoren mit verteiltem Feld (es k sowohl eine Einfachwendel als auch über
gewickelte Wendeln verwendet werden). Di hinaus kann der Ausgangsresonator 8 beispielswei einer Verzögerungsleitung oder einer verläni Wechselwirkungsleitung bestehen, die aus einer / gekoppelter Hohlraumresonatoren gebildet wird.

lliL'izti 3 Blatt Zciclinuimcn

Claims (8)

Patentansprüche;

1. Mehrkammer-Klystron mit wenigstens einem im wesentlichen auf eine Oberwelle einer Frequenz im Durchlaßband der Röhre abgestimmten frei schwingenden Resonator, der zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangs-Resonator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangs-Resonator und dem auf eine Oberwelle abgestimmten Resonator wenigstens ein zusätzlicher, auf eine Frequenz im Durchlaßband der Röhre abgestimmter, frei schwingender Resonator angeordnet ist

2. Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei auf eine Frequenz im Durchlaßband der Röhre abgestimmte, frei schwingende zusätzliche Resonatoren vorgesehen sind.

3. Klystron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zusätzliche Resonator auf eine Frequenz abgestimmt ist, die über der Mittenfrequenz des DurchiaBbancies der Röhre liegt

4. Klystron nach Anspruch I₁ 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren einspringende Hohlraumresonatoren sind.

5. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder auf eine Oberwelle abgestimmte Resonator auf die erste Oberwelle abgestimmt ist

6. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß jeder auf eine Oberwelle abges f'nimte Resonator auf eine unter der Frequenz einer Oberwelle der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes liegende Frequenz abgestimmt ist

7. Klystron nach einerr. der Ansprüche 1 bis 6, J5 dadurch gekennzeichnet daß zwei auf eine Oberwelle abgestimmte Resonatoren zwischen dem Eingangsresonator und dem zusätzlichen Resonator angeordnet sind.

8. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß der Elektronenstrahl eine Perveanz größer als 0,1 · 10-⁶hat