DE19612612A1 - Schutzanodnung für Wanderwellenröhren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Energieversorgungseinrichtungen für den Betrieb von Wanderwellenröhren und insbesondere für solche Röhren, welche in Raumfahrzeugen eingesetzt werden.

Kommunikations- und Rundfunksatelliten und andere Kommu­ nikationseinrichtungen müssen elektromagnetische Strahlung bei relativ hohen Frequenzen in der Größenordnung von 2 bis GHz und bei einer Leistung von bis zu 10 Watt übertragen. Solche Raumfahrzeuge enthalten mehrere Hochfrequenz-(HF)-Lei­ stungsverstärker, welche die für Kommunikationsübertragungen erforderliche Leistung erzeugen. Die Solarpanel, Batterien und Leistungsregler des Raumfahrzeugs stellen die elektrische Leistung für den Betrieb der Verstärker zur Verfügung. Im allgemeinen werden Festkörper-HF-Leistungsbauteile Vakuumröh­ ren für den Einsatz in Raumfahrzeugen wegen ihres leichten Gewichtes, ihrer Robustheit und langen Lebensdauer vorgezo­ gen. Für die Verwendung in Kommunikations-Raumfahrzeugen sind leichtes Gewicht, Zuverlässigkeit und Leistungsum­ wandlungswirkungsgrad (Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Gleichstromleistung in Hochfrequenz- oder HF-Leistung) alles wichtige Gesichtspunkte. Festkörperbauteile erreichen jedoch zum gegenwärtigen Stand der Technik nicht den Umwandlungs­ wirkungsgrad von Wanderwellen-Verstärkerröhren für die HF- Leistungserzeugung. Dieses verleiht der Wanderwellenröhre einen deutlichen Vorteil gegenüber Festkörperbauteilen für ein Raumfahrzeug, in welchem die verfügbare elektrische Lei­ stung begrenzt ist. Außerdem sind Wanderwellenröhren ver­ fügbar, welche ausreichend robust sind, um den Kräften beim Start des Raumfahrzeuges zu widerstehen, und welche eine Le­ bensdauer aufweisen, welche obwohl sie begrenzt ist, länger als die erwartete Lebensdauer eines Raumfahrzeugs ist. Wan­ derwellenröhren haben den Vorteil eines höheren Verstärkungs­ grades als typische Festkörperbauteile und sind relativ breitbandig. Aus diesem Grund dominieren Wanderwellenröhren zur Zeit die HF-Leistungsanwendungen von Kommunikations-Raum­ fahrzeugen. Jede Röhre ist im allgemeinen einem Kommunika­ tionskanal zugeordnet, und das Raumfahrzeug kann bis zu eini­ ge zehn Wanderwellenröhren tragen und dadurch einige zehn Breitbandkanäle bereitstellen.

Wanderwellen-Verstärkerröhren weisen gewisse Nachteile im Vergleich zu Festkörper-Verstärkerbauteilen auf, insbesondere dadurch, daß die Spannungen für die Energieversorgung in dem Bereich von Tausenden von Volt liegen, was zu Spannungsdurch­ schlagsproblemen in den Komponenten der Energieversorgung führt, und auch die Möglichkeit für Koronaentladungen oder eine Stromleckage im Raumvakuum schafft. Die Wanderwellen- Verstärkerröhre enthält eine Verzögerungsleitungsstruktur in der Form eines Wendelleiters (Helix), welcher ein HF-Signal führt. Der Wendelleiter besteht aufgrund von Gesichtspunkten der Eigenimpedanz aus einem dünnem Draht. Ein Spannungsdurch­ bruch in der Wanderwellenröhre kann zu einem Lichtbogen zwi­ schen der Anode oder Kathode und dem Wendelleiterdraht füh­ ren, was einen Gleichstromfluß in dem Wendelleiterdraht be­ wirkt. Der Wendelleiterdraht heizt sich als Reaktion auf den Fluß des Lichtbogenstroms auf, und schmilzt, wenn ein solcher Stromfluß länger andauert, den Wendelleiterdraht, was zu ei­ ner Zerstörung der Röhre führt.

Die Kosten für die Herstellung und den Start eines Kommu­ nikations-Raumfahrzeugs betragen viele zehn Millionen Dollar, und jeder Kommunikationskanal kann eine Mietgebühr in dem Be­ reich von einer Million Dollar pro Monat aufweisen. Es ist sehr wichtig, eine Zerstörung der Wanderwellenröhren in dem Raumfahrzeug zu vermeiden, um den Verlust der zugeordneten Kommunikationskanäle und den daraus folgenden Verlust der Einkünfte zu vermeiden, und um letztlich die Notwendigkeit der Herstellung und des Starts eines Ersatzraumfahrzeuges we­ gen der exzessiven Verringerung der Anzahl der verfügbaren Kanäle zu vermeiden, bevor das Raumfahrzeug mangels Lage­ regelung und Treibstoffs für die Positionsbeibehaltung unbe­ treibbar wird.

Üblicherweise ist jede Wanderwellenröhre in einem Raum­ fahrzeug mit ihrer eigenen elektronischen Energieaufberei­ tungseinheit (EPC) ausgestattet, welche (oft als DC-Span­ nungen bezeichnete) Gleichspannungen für den Betrieb der Röhre erzeugt. Die EPC ist so aufgebaut, daß sie im Falle ei­ nes internen Lichtbogens zu dem Wendelleiter in der Röhre ab­ schaltet oder die Energie entzieht, so daß ein Lichtbogen keinen Stromfluß für eine Dauer bewirken kann, die ausreicht, den Wendelleiterdraht zu schmelzen. Zu diesem Zweck wird der Wendelleiterstrom mittels eines Wendelleiterspannungsreglers in Bezug auf Masse überwacht. Unter üblichen Betriebsbedin­ gungen ist der von der Kathode der Wanderwellenröhre zu den Kollektoren wandernde Elektronenstrahl magnetisch fokussiert, so daß er durch den Mittelpunkt des Wendelleiters wandert, ohne irgendeinen merklichen Strom in dem Wendelleiter zu be­ wirken. Somit ist der Wendelleiterstrom unter normalen Bedin­ gungen nahezu Null, und das Vorliegen eines Lichtbogens kann dadurch festgestellt werden, daß der Wendelleiterstrom über­ wacht und der Abschaltschutz jedesmal freigegeben wird, wenn der Wendelleiterstrom einen vorgegebenen Schwellenwert über­ schreitet. Der Schwellenwert kann so gewählt sein, daß er beispielsweise bei 3 bis 4 Milliampere (mA) liegt.

Wie vorstehend erwähnt, ist der DC/HF-Umwandlungswir­ kungsgrad der Wanderwellenröhre einer ihrer Hauptvorteile ge­ genüber Festkörperbauteilen für den Einsatz in Raumfahr­ zeugen. Die Hersteller von Wanderwellenröhren haben im Ver­ lauf der Zeit neue Röhrentypen hergestellt, davon einige mit einem verbesserten DC/HF-Umwandlungswirkungsgrad.

Man hat herausgefunden, daß zumindest einige der Wander­ wellenröhren mit dem höchsten DC/HF-Umwandlungswirkungsgrad dazu tendieren, ihre Wendelleiter-Überstromschutzeinrichtun­ gen öfter auszulösen als Röhren mit geringerem Wirkungsgrad. In Verbindung mit Kommunikations-Raumfahrzeugen ist dieses sehr unerwünscht, da eine Überstromauslösung zu einem Ab­ schalten der zugeordneten Wanderwellenröhre führt, was wie­ derum zu dem Abschalten des Kommunikationskanals führt, wel­ cher ihr zugeordnet ist. Wenn es möglich wäre, die Wander­ wellenröhre unmittelbar nach dem Abschalten neu zu starten, wäre das häufigere Auftreten des Abschaltens tolerierbar. Es dauert jedoch, sobald eine Wanderwellenröhre abgeschaltet ist, einige Minuten bis die Röhre reaktiviert werden kann. Dieses beruht darauf, daß der Röhrenhersteller eine Aufwärm- Periode spezifiziert, wobei die Aufwärm-Periode ein Hoch­ fahren der Heizspannung von einer Minute gefolgt von einer Verzögerung von vier Minuten vor dem Anlegen der Hochspannun­ gen spezifiziert, um eine übermäßige thermische Beanspruchung zu verhindern. Somit kann die häufigere Auslösung des Wander­ wellenröhren-Energieversorgungsquellenschutzes aufgrund eines Wendelleiterüberstroms zu ausgedehnten Perioden führen, wäh­ rend welcher der Kommunikationskanal außer Dienst ist. Ein solche Situation ist für die Nutzer der Kanäle und die Raum­ fahrzeugbetreiber, welche die Kanäle zur Verfügung stellen, nicht tolerierbar.

Es wurde gefunden, daß in den Wanderwellenröhren mit ho­ hem Umwandlungswirkungsgrad, welche unter häufigen Abschal­ tungen leiden, der normale Arbeitspunkt der Wanderwellen­ röhre, an welchem der Elektronenstrahl fokussiert wird, der Wendelleiterstrom niedrig und die Verstärkung und die Aus­ gangsleistung hoch sind, innerhalb sehr weniger Dezibel (dB) der Röhrensättigung liegt, bei welcher der Elektronenstrahl defokussiert wird, auf den Wendelleiter trifft und einen Wendelleiterstromfluß erzeugt. Beispielsweise hat man bei ei­ nem Röhrentyp einen Übergang von einem Normalbetrieb bei vol­ ler Leistung zu einem Übersteuerungszustand innerhalb von nur zwei dB der HF-Eingangsansteuerung gefunden.

Die Signalpfade von Satellitenkommunikationskanälen wer­ den von ausgeklügelten Systemen, die automatische Ver­ stärkungs- und Signalpegelsteuerungen enthalten, gesteuert, welche die Systembetriebspegel unter einer großen Vielfalt von Bedingungen aufrechtzuerhalten versuchen. Der Kommunika­ tionssignalpfad umfaßt jedoch Aufwärts- und Abwärtsstrecken zwischen der Bodenstation und dem Raumfahrzeug, und beide un­ terliegen Verlustschwankungen im Pfad aufgrund zufälliger Wetterereignisse, welche auch die Signalpolarisation beein­ trächtigen können. Die Kombination der Pfadverlust- und Pola­ risationsschwankungen kann zu relativ plötzlichen Signal­ pegelschwankungen in dem in dem Raumfahrzeug empfangenen Auf­ wärtsstreckensignal führen. Trotz der automatischen Pegel- und weiterer Steuerungen kann die Wanderwellenröhre Signal­ pegeländerungen an ihrem HF-Eingangsanschluß oder -ort erfah­ ren, welche ausreichend groß sind, ihren Arbeitspunkt um ein oder zwei dB in den Übersteuerungsbereich hinein zu verschie­ ben. Dieses kann wiederum zu einem Abschalten des Kanals auf­ grund der Messung eines überhöhten Wendelleiterstroms führen.

In Raumfahrzeug-Kommunikationskanälen ist die Verwendung von DC/HF-Wandlern mit höherem Wirkungsgrad ohne übermäßige Kanalunterbrechungen aufgrund von Abschaltungen der Energie­ versorgungseinrichtungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines aktiven Schutzes des Wandlerbauteils erwünscht.

Eine Energieversorgungsanordnung für eine Wanderwellen­ röhre enthält eine steuerbare von der Kathode gesteuerte Stromschleife oder Spannungsversorgung. Ein Ab­ schaltkomparator vergleicht ein Wendelleiterstromsignal der Röhre mit einem spezifischen Schwellenwert und löst eine Ab­ schaltung der Energieversorgung aus, wenn der Wendelleiter­ strom den spezifischen Grenzwert überschreitet. Ferner ist ein steuerbarer Kathodenstrom-Referenzsignalgenerator bereit­ gestellt. Ein Fehlerverstärker vergleicht den Kathodenstrom mit dem Kathodenstrom-Referenzsignal und erzeugt ein Fehler­ signal, welches in einem Steuereingangsanschluß der Anoden- Betriebsversorgungsquelle eingekoppelt wird, und dabei so ge­ polt ist, daß es eine negative Rückkopplungsschleife schließt, wodurch der Kathodenstrom tendenziell in einem fe­ sten Verhältnis zu dem Kathodenstrom-Referenzsignal gehalten wird. Ein Wendelleiterstrom-Fehlersignalgenerator vergleicht das Wendelleiterstromsignal mit einer Referenz und erzeugt ein Wendelleiterstrom-Fehlersignal, welches an den Steuerein­ gangsanschluß des Kathodenstrom-Referenzsignalgenerators mit einer Polarität angelegt wird, die so gewählt ist, daß eine negative Rückkopplungsschleife geschlossen wird, welche dazu tendiert, den Wendelleiterstrom auf einen konstanten Wert kleiner als der spezifische Wert, an dem die Abschaltung stattfindet, zu begrenzen (oder dort zu halten).

Die Erfin­ dung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1a ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Leistungsab­ schnitte einer Wanderwellenröhre, deren Energiever­ sorgungseinrichtung und Energieversorgungseinrich­ tungs-Steuerungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 1b ist ein vereinfachtes Block­ diagramm eines Teils des Treibers von Fig. 1a und

Fig. 2 ist eine Kurve des Wendelleiterstroms als Funktion der HF-Übersteuerung sowohl mit als auch ohne den Wendel­ leiterstrom-Rückkopplungsbegrenzungsanteil der Er­ findung.

In Fig. 1a enthält eine allgemein mit 10 bezeichnete Wan­ derwellenröhre (TWT) eine Kathode 12, welche Elektronen emit­ tiert, dargestellt als eine gestrichelte Linie 8, welche durch elektrische Felder beschleunigt werden, die sich zwi­ schen der Kathode 12, einer Elektronenstrahl-formenden Anode 14 und mehreren Kollektoren erstrecken, die zusammengefaßt mit 13 bezeichnet sind. Der Elektronenstrahl 8 verläuft unter normalen Bedingungen durch den Mittelpunkt einer Wendellei­ terspule 16 aus einem Draht mit kleinen Durchmesser und wird von (nicht dargestellten) Magneten fokussiert, so daß der fo­ kussierte Strahl 8 nicht auf den Wendelleiter 16 auftrifft und zu keinem merklichen Elektronenstrahlfluß in dem Wendel­ leiter führt. Der Elektronenstrahl wird von den Kollektoren 13 aufgefangen. Bekanntlich können Hochfrequenzsignale (HF- Signale) an einen Eingangsanschluß 18i des Wendelleiters 16 angelegt werden und erscheinen in verstärkter Form an dem Ausgangsanschluß 18o an dem anderen Endes des Wendelleiters 16. Ein typisches Raumfahrzeug kann mehrere zehn solcher Wanderwellenröhren aufweisen, wovon jede einem Breitband- Kommunikationskanal zugeordnet ist.

Herkömmliche Wanderwellenröhren-Verstärker, wie der bei 10 in Fig. 1a, werden individuell von EPC′s oder Energiever­ sorgungseinrichtungen, wie dem als Block 30 dargestellten, mit Energie versorgt. Solche EPC′s können in Verbindung mit Raumfahrzeugen von einer Parallelkombination von Batterien versorgt werden, die von Solarpanels geladen werden. Oft kön­ nen die TWT′s und deren EPC′s die größten Energieverbraucher in dem Raumfahrzeug sein, so daß ein hoher Umwandlungswirkungsgrad von großer Bedeutung ist. Die Energieversorgungseinrichtung 30 von Fig. 1a enthält einen Kathodenspannungs-Ausgangsanschluß 32, einen Anodenspannungs- Ausgangsanschluß 34, mehrere Kollektor-Ausgangsanschlüsse 41 zum Zuführen von Energieversorgungsspannungen an die entspre­ chenden Elemente über die Pfade 32′, 34′ und 41′, und die En­ ergieversorgungseinrichtung 30 kann weitere, nicht darge­ stellte, Ausgänge für die Lieferung von Energie an andere Ab­ schnitte der TWT aufweisen. Die EPC 30 hält die Anode 14 be­ zogen auf die Kathode 12 mehrere tausend Volt positiv. Es ist wünschenswert, den Wendelleiter auf oder nahe an der Masse­ spannung zu halten, um die HF-Kopplung und Messung des Wen­ delleiterstroms zu vereinfachen. Als Folge des Wunsches, den Wendelleiter auf Masse zu halten, wird die Kathode auf einer hohen negativen Spannung und die Anode auf einer niedrigen negativen Spannung gehalten. In einer Ausführungsform der Er­ findung liegt die Kathodenspannung bezogen auf Chassismasse in der Nähe von -4000 Volt, und die Anode liegt bei einer Spannung von -300 300 Volt. Der Bereich der Spannungen an der Anode dient der Steuerung des Kathodenstroms gemäß nach­ stehender Beschreibung.

Die Energieversorgungseinrichtung oder EPC 30 von Fig. 1a enthält einen "Abschalt"-Eingangsanschluß 40. Wenn ein Ab­ schaltsignal in der Form eines negativ verlaufenden Span­ nungsüberganges an den Abschalteingang 40 der Energieversor­ gungseinrichtung 30 angelegt wird, entzieht die Energiever­ sorgungseinrichtung der Wanderwellenröhre 10 Energie, indem sie die Spannungen an deren Kathodenanschluß 32, an den Kol­ lektoren am Anschluß 41 und deren Anodenanschluß 34 auf Null reduziert. Dieses kann beispielsweise durch Abschalten der Energieversorgungseinrichtung 30 erreicht werden.

Die Energieversorgungseinrichtung 30 von Fig. 1a enthält ferner einen Kathodenstrom-(I_k)-Meßanschluß, welcher über einen Kathodenstrom-Meßwiderstand 44 mit Masse verbunden ist. Der am Anschluß 32 erzeugte Kathodenstrom wird als Reaktion auf ein Kathodenstrom-Steuerfehlersignal gesteuert, das an einen Steuereingangsanschluß 42 (CNTL) angelegt wird. Im all­ gemeinen erzeugt die Kathoden-Anoden-Spannungsdifferenz den Kathodenstrom der Wanderwellenröhre 10 mit einer Empfind­ lichkeit, in einer Ausführungsform der Erfindung, von etwa 40 Volt pro Milliampere Kathodenstrom (innerhalb des normalen dynamischen Bereichs der TWT). Eine TWT-Kathodenstrom-Steu­ errückkopplungsschleife wird von einem Kathodenstrom-Fehler­ verstärker 69 gebildet, welcher (a) seinen invertierenden (-) Eingangsanschluß mit dem Kathodenstrom-Meßwiderstand 44 ver­ bunden hat, (b) seinen nicht-invertierenden (+) Eingangs­ anschluß mit einer steuerbaren Kathodenstromreferenz, in der Form einer allgemein mit 62 bezeichneten Spannungsquelle ver­ bunden hat, und (c) seinen Ausgangsanschluß über einen Pfad 42′ mit dem Steuereingangsanschluß der Energieversor­ gungseinrichtung 30 verbunden hat. Die Polarität der Katho­ denstrom-Steuerschleife ist so eingestellt, daß sie einen ne­ gativen Zustand, wie im Fachgebiet bekannt, erzeugt, um die Höhe des Kathodenstroms der TWT analog zu der Spannung steu­ ern, die von der steuerbaren Kathodenstrom-Referenzquelle 62 an den Verstärker 69 angelegt wird.

Wie bei Regelschleifen üblich, nimmt die steuerbare Ka­ thodenstrom-Referenzquelle 62 die Form eines Spannungsteilers mit in Reihe geschalteten Widerständen 63 und 64 an, die über eine Referenzspannungs-Versorgungsquelle 60 geschaltet sind. Die gewünschte Referenzspannung, welche die Kathodenstrom-Re­ gelschleife steuert, wird an einem Abgriff 65 zwischen den Widerständen erzeugt.

Der Wendelleiter 16 der TWT 10 von Fig. 1a hat seine Win­ dungen mit Masse verbunden. Wie nachstehend detaillierter be­ schrieben, fließt der Elektronenstrahlstrom der TWT 10 norma­ lerweise in einer Schleife, welche die Masse nicht mit ein­ schließt. Wenn der Wendelleiter 16 Elektronen aufnimmt, die entweder von einem internen Lichtbogen in der Röhre 10 oder von einer Defokussierung des Elektronenstrahls 8 stammen, fließt ein Elektronenstrom nach Masse und fließt zu der EPC 30 über den Widerstand 20 zurück. Dieser Stromfluß durch den Widerstand 20, welcher nur auftritt, wenn ein Wendelleiter­ strom gezogen wird, bewirkt eine positive Spannung über oder an dem Meßende des Widerstandes und an dem Pfad 24′. Die in dem Signalpfad 24′ erzeugte positive Spannung ist das Wendel­ leiterstrom-Meßsignal. Das Wendelleiterstrom-Meßsignal über dem Widerstand 20 wird in den invertierenden (-) Eingangsan­ schluß eines Wendelleiterstrom-Abschaltkomparators 50 einge­ koppelt. Der nicht-invertierende (+) Eingangsanschluß des Komparators 50 ist mit einer Referenzspannungsquelle verbun­ den, welche aus einer allgemein mit 60 bezeichneten Referenz­ quelle mit positiver Spannung besteht, über welcher ein Span­ nungsteiler 52 mit Widerständen 54 und 56 mit einem Abgriff 58 dazwischen angeschlossen ist, an welchem die Referenzspan­ nung auftritt. Der Ausgangsanschluß des Wendelleiterstrom-Ab­ schaltkomparators 50 ist mit dem Abschalteingangsanschluß 40 der Energieversorgungseinrichtung 30 verbunden. Unter idealen Betriebsbedingungen fließt kein Wendelleiterstrom in dem Wen­ delleiterstrom-Meßwiderstand 20, und die Spannung in dem Si­ gnalpfad 24′ ist Null. Folglich liegt der invertierende Ein­ gang des Komparators 50 auf Null Volt und eine positive Refe­ renzspannung tritt an dem Abgriff 58 auf, mit der Folge, daß das Ausgangssignal des Komparators 50 ein hoher positiver Wert ist, oder eine "logische 1" in einem digitalen System ist. Das Auftreten eines Lichtbogens von der Kathode 12 oder Anode 14 (oder von irgendeiner anderen TWT-Struktur auf nega­ tiver Spannung) zu dem Wendelleiter 16 bewirkt einen Elektro­ nenfluß in dem Widerstand 20, welcher die Spannung in dem Si­ gnalpfad 24′ steil ins Positive treibt. Wenn die positive Wendelleiterstrom-Meßspannung in dem Signalpfad 24′ die posi­ tive Referenzspannung an dem Abgriff 58 überschreitet, kop­ pelt der Komparator 50 einen negativ verlaufenden Übergang in den Abschalteingangsanschluß 40 der EPC 30 ein, um die Ab­ schaltung auszulösen.

Wie vorstehend erwähnt, kann eine Defokussierung des Elektronenstrahls 8 der TWT 10 aufgrund von HF-Signal-Aus­ steuerpegeln leicht über dem Nominalwert einen Stromfluß in dem Wendelleiter 16 bewirken, und bewirkt auch das Auftreten einer positiven Spannung in dem Signalpfad 24′. Diese Span­ nung ist von der aufgrund eines Lichtbogens erzeugten nicht unterscheidbar, und wenn der Wendelleiterstrom aufgrund der Defokussierung ausreichend ansteigt, wird die Abschaltpro­ zedur ausgelöst. Somit können HF-Eingangssignalpegel leicht über dem Nominalwert die Abschaltung der TWT auslösen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung, enthält die Spannungs­ quelle 62, welche die Kathodenstromreferenz für die Kathoden­ strom-Regelschleife von Fig. 1a ist, eine Impedanz 100, die mit einem Abgriff 65 und einem Steuereingangsanschluß 68 der Kathodenstrom-Referenzquelle 62 verbunden ist. Gemäß Darstel­ lung in Fig. 1a besteht die Impedanz aus einem uni­ direktionalen stromleitenden Element in der Form einer Diode 66, die in Reihe mit einem Widerstand 67 geschaltet ist. Die Diode 66 ist so gepolt, daß eine an den Eingangsanschluß 68 angelegte Steuerspannung, welche positiver als die Spannung an dem Abgriff 65 ist, die Diode rückwärts vorspannt und keine Auswirkung auf die an den Verstärker 69 angelegte Ka­ thodenstrom-Steuerreferenzspannung hat, und so daß eine an den Eingangsanschluß 68 angelegte Steuerspannung, welche ne­ gativer als die Spannung an dem Abgriff 65 ist, dazu ten­ diert, die Diode 66 leiten zu lassen und letztlich in der Auswirkung dem Widerstand 64 den Widerstand 67 parallel­ schaltet. Diese Tendenz, dem Widerstand 64 einen weiteren parallel zu schalten, beeinflußt wiederum das Verhältnis des Spannungsteilers der Referenzquelle 62 und verändert den Re­ ferenzwert. Somit hat eine positivere Spannung, die positiver all die Abgriffspannung ist, wenn sie an den Anschluß 68 an­ gelegt ist, keine Auswirkung, während eine negativere Span­ nung dazu tendiert, die Referenzspannung an dem Abgriff 65 zu verringern. Wenn die Referenzspannung an dem Abgriff 65 redu­ ziert ist, tendiert daher die Regel- oder Rückkopplungs­ schleife dazu, den TWT-Kathodenstrom zu reduzieren. Die Off­ setspannung und dynamische Impedanz der Diode 66 werden von der Verstärkung der Rückkopplungsschleife neutralisiert und beeinflussen das Ergebnis nicht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine wei­ tere negative Rückkopplungsschleife von einer allgemein mit 70 bezeichneten Wendelleiterstrom-(I_HLX)-Aussteuerungs­ begrenzungseinrichtung gebildet, welche mit dem Wendelleiter­ strom-Signalpfad 24′ und mit dem Steuereingangsanschluß 68 der steuerbaren Kathodenstrom-Referenzquelle 62 verbunden ist. Die Wendelleiterstrom-Aussteuerungsbegrenzungseinrich­ tung 70 enthält eine weitere allgemein mit 72 bezeichnete Re­ ferenzspannungsquelle, welche Widerstände 74 und 76 enthält, die als ein Spannungsteiler über die Referenzspannungs-Ver­ sorgungsquelle 60 geschaltet sind, wobei die Referenzspannung an dem Abgriff 77 mit dem nicht-invertierenden Eingangs­ anschluß eines Fehlerverstärkers 78 verbunden ist. Der inver­ tierende Eingangsanschluß des Fehlerverstärkers 78 ist mit dem Wendelleiterstrom-Signalpfad 24′ über einen Begrenzungs­ widerstand 79 verbunden. Der Begrenzungswiderstand 79 bewirkt in Verbindung mit einem als einem Kondensator 82 dargestell­ ten Frequenzkompensationsnetzwerk, daß der Fehlerverstärker 78 eine Tiefpaß-Filterfunktion aufweist. Das Kompensations­ netzwerk 82 begrenzt die Frequenzbandbreite der I_HLX-Aussteu­ erungsbegrenzungseinrichtung 70 auf etwa eine Dekade (10 : 1) über der Bandbreite des Kathodenstrom-Steuerverstärkers 69. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Band­ breite der I_HLX-Aussteuerungsbegrenzungseinrichtung 70 etwa 1 kHz. Eine weitere Diode 84 hat ihre Anode mit dem Ausgangs­ anschluß des Fehlerverstärkers 78 und ihre Kathode mit dessen invertierenden Eingangsanschluß verbunden, um den dynamischen Bereich der Begrenzungseinrichtung für ein bestes transientes Ansprechverhalten zu begrenzen.

Somit enthält die Anordnung von Fig. 1a eine erste Regel- oder Rückführungsschleife mit einem Kathodenstrom-Fehlerver­ stärker 69, welcher den TWT-Kathodenstrom auf einem konstan­ ten Wert hält solange kein Wendelleiterstrom gezogen wird.

Wenn ein Übersteuerungszustand auftritt, wird der TWT-Elek­ tronenstrahl tendenziell defokussiert, und es fließt ein ge­ wisser Wendelleiterstom. Fig. 2 stellt eine Kurve 210 des Wendelleiterstroms als eine Funktion der HF-Übersteuerung dar. In Fig. 2 weist die Kurve 210 einen Wert von weniger als einem Milliampere Wendelleiterstrom bei HF-Übersteuerungspe­ geln kleiner als 0 dB auf, aber der Betrag des Wendelleiter­ stroms steigt rasch bei einer Übersteuerung über 0 dB. Bei Abwesenheit einer erfindungsgemäßen Wendelleiterstrom-Begren­ zungsanordnung würde der Wendelleiterstrom 210 den Punkt 212 in der Nähe von 4 mA bei einer Übersteuerung von +4 dB errei­ chen und würde die Wendelleiter-Überstromschutzeinrichtung auslösen. Eine zweite Regel- oder Rückführungsschleife, wel­ che den Verstärker 78, die steuerbare Referenz 62 und den Fehlerverstärker 69 von Fig. 1a enthält, kommt ins Spiel, wenn der Wendelleiterstrom den Punkt 214 erreicht, und ten­ diert dazu, die Kathoden-Anoden-Spanungsdifferenz zu reduzie­ ren, um dadurch den Kathodenstrom als Reaktion auf jede Ten­ denz des Wendelleiterstroms, über den Wert (etwa 3 mA darge­ stellt) bei dem Punkt 214 von Fig. 2 hinaus anzusteigen, zu reduzieren. Die zweite Rückführungsschleife tendiert daher dazu, den ansteigenden Wendelleiterstrom nahe an einem kon­ stanten Wert zu halten, der als Abschnitt 216 von Fig. 2 dar­ gestellt ist, welcher niedriger als der Wendelleiterstrom (Punkt 212) ist, welcher die den Komparator 50 einschließen­ den Wendelleiter-Überstromschutzschaltung zur Auslösung ver­ anlaßt. Somit machen HF-Übersteuerungszustände die Anoden­ spannung negativer, um dadurch den Kathodenstrom zu reduzie­ ren, was wiederum dazu tendiert, den Wendelleiterstrom auf einen Wert unter dem Abschalt-Auslösewert zu begrenzen. Die­ ses verhindert wiederum das Abschalten der TWT aufgrund kurz­ zeitiger HF-Übersteuerungszustände. Die Wendelleiterstrom-Ab­ schaltung löst unmittelbar aus, wie sie es auch bei Abwesen­ heit der Erfindung tun würde, wenn der Wendelleiterstrom über einen vorgegeben Wert ansteigt. Ein Lichtbogen kann die Wen­ delleiter-Strombegrenzungsschleife nicht zur Auslösung brin­ gen, da die Wendelleiter-Strombegrenzungsschleife eine den Auswirkungen des Frequenzkompensationsnetzwerkes 82 zu­ schreibbare Tiefpaßcharakteristik aufweist, und sie nicht merklich auf solch plötzliche Ereignisse wie einen Lichtbogen reagiert und auch deswegen, weil die Wendelleiter-Strombe­ grenzungsschleife einen begrenzten Bereich aufweist.

Fig. 1b ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches ei­ nige Details der EPC 30 von Fig. 1a darstellt. In Fig. 1b wird ein Hauptenergiewandler 110 von einer Ein/Aus-Logik 112 gesteuert, welche wiederum Abschaltsteuersignale von dem An­ schluß 40 erhält. Der Energiewandler 110 ist mit einem als ei­ nem Block 114 dargestellten Stapel von Spannungsverviel­ fachern verbunden, welcher einen Wendelleiterregler-Ausgangs­ anschluß 116 aufweist, und welcher eine hohe negative Span­ nung an einem Anschluß 118 zum Anlegen an die Kathode der TWT 10 über den Pfad 32′ erzeugt, und welcher ebenfalls weniger negative Spannungen an Anschlüssen 120 zum Anlegen über die Pfade 41′ an die Kollektoren der TWT 10 erzeugt. Der Span­ nungsvervielfacher 114 erzeugt auch etwa -600 Volt an einem Anschluß 122 zum Anlegen als Quellenspannung an einen Anoden­ spannungsregler.

Der Wendelleiterregler-Ausgangsanschluß 116 des Span­ nungsvervielfachers 114 von Fig. 1b ist über den Wendel­ leiterregler-Treiber 130 mit Masse verbunden, welcher mit dem Kathodenspannungsanschluß 118 verbunden ist, um die Kathoden­ spannung zu messen und um die Spannung an dem Wendelleiter­ regler-Ausgangsanschluß 116 ausreichend anzupassen, um die Kathodenspannung an dem Ausgang 118 konstant zu halten. Zu diesem Zweck wird eine Gleichspannungsversorgung 132, welche beispielsweise einen Wert von 200 Volt aufweisen kann, über Vorwiderstände 134 und 136 den Hauptstrom leitenden (Kol­ lektor Emitter)-Pfaden eines Paares komplementärer NPN-PNP- Bipolartransistoren 138, 140 parallel geschaltet. Die Emitter der Transistoren 138, 140 sind miteinander und mit Masse über einen Wendelleiterstrom-Meßwiderstand 20 verbunden. Somit liegen die Emitter der Transistoren 138 und 140 auf oder nahe an Masse. Die Basen der Transistoren 138 und 140 werden von einem als 142 dargestellten Fehler-Verstärker/Treiber ange­ steuert, um eine negative Rückführungsschleife zu schließen, welche die Wendelleiterregler-Ausgangsgröße an dem Anschluß 116 steuert, um ein konstante Spannung an dem Anschluß 118 und an der Kathode der TWT aufrechtzuerhalten. Der Transi­ storschutz und die Bereichsbegrenzung werden von einer weite­ ren Zenerdiode 146 und von Dioden 148 und 150 bereitgestellt. Bei einer Ansteuerung durch den Fehler-Verstärker/Treiber 142 weist einer der Transistoren 138, 140 eine höhere Leitfähig­ keit als der andere auf, was zu einem "Gegentakt"-Spannungs­ vervielfacher-Wendelleiterregler-Ausgangsanschluß 116 führt. Wenn beispielsweise der Transistor 138 nicht-leitend und der Transistor 140 leitend ist, wird der negative Anschluß der Versorgung 132 gegen das Massepotential gezogen, mit dem Er­ gebnis, daß der Kollektor des nicht-leitenden Transistors 138 positiver gezogen wird. In ähnlicher Weise wird dann, wenn der Transistor 138 mehr leitet als der Transistor 140, der Wendelleiterregler-Ausgang bei 116 näher an das Massepoten­ tial gezogen und macht die Spannung an dem Katho­ denspannungsanschluß 8 negativer.

Der Kathodenstrom wird von einem Sensor überwacht, der eine als eine Wicklung 160 dargestellten Transformator ent­ hält, welcher mit einem Zerhacker und Detektor 162 zusammen­ arbeitet, um das gewünschte Strommeßsignal an dem Ausgangs­ anschluß 136 zu erzeugen.

Ein Anodenspannungsregler 124 erzeugt eine Anodenspannung am Anschluß 34 zum Anlegen an die Anode der TWT über den Pfad 34′, gesteuert von einem an den Block 124 über den Signalpfad 42′ und den Anschluß 42 angelegten Kathodenstrom-Steuersig­ nal. Der Anodenspannungsregler 124 kann ein beliebiger her­ kömmlicher Reglertyp sein, welcher die Anodenspannung wie vorstehend beschrieben anpaßt, um den gewünschten Kathoden­ strom aufrechtzuerhalten.

Der Fachmann wird erkennen, daß der Stromfluß aus dem An­ schluß 118 des Spannungsvervielfachers 114 von Fig. 1b durch die Kathode 12 der TWT 10, zu der Anode 14 oder den Kollekto­ ren 13, und zurück zu dem Spannungsvervielfacher nicht den Pfad über Masse mit einschließt. Demzufolge fließt während des Normalbetriebs der TWT kein merklicher Strom durch den Widerstand 20 der Fig. 1a und 1b. Wenn ein Wendelleiterstrom fließt, muß der Wendelleiterstrom nach Masse fließen und fließt zu dem Spannungsvervielfacher über den Widerstand 20 und durch den Kathodenspannungsregler 130 zurück. Dieses wie­ derum erzeugt die gewünschte Anzeige des Wendelleiterstroms über dem Widerstand 20.

Es sei angemerkt, daß das Merkmal eines automatischen Schnell-Neustarts in Verbindung mit dieser Erfindung einge­ setzt werden kann. Der automatische Schnell-Neustart legt die volle Spannung innerhalb 200 ms oder weniger nach einer Ab­ schaltung an. Dieses erlaubt einen schnellen Neustart nach einem einzelnen Lichtbogen, wobei aber der schnelle Neustart nicht wiederholt wird; ein darauffolgende Abschaltung be­ wirkt die Auslösung der vollständigen Neustartsequenz, um eine Beschädigung aufgrund wiederholter Schnell-Neustarts bei Vorliegen eines Fehlers zu verhindern.

Es sind noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich. Beispielsweise kann, obwohl eine analoge Schutz­ schaltung beschrieben und dargestellt wurde, ein digital ge­ steuertes Äquivalent ebenfalls eingesetzt werden. Die HF-Ein­ kopplung in den Wendelleiter kann über Koaxial-, Wellenlei­ ter, oder andere Arten von Übertragungsleitungen erfolgen.

Obwohl die Begriffe "Komparator" und "Verstärker" zum Zwecke der Verdeutlichung verwendet wurden, unterscheiden diese sich in der Praxis nicht sehr.

Claims (6)

1. Energieversorgungs- und Schutzanordnung für eine Wander­ wellenröhre mit einer Kathode, Anode und einem Wendel­ leiter, gekennzeichnet durch:
eine mit der Kathode gekoppelte Kathodenstrom-Meßein­ richtung zum Erzeugen eines den Kathodenstrom der Wander­ wellenröhre darstellenden Kathodenstromsignals;
eine mit dem Wendelleiter verbundene Wendelleiter­ strom-Meßeinrichtung zum Erzeugen eines den Wendelleiter­ strom der Wanderwellenröhre darstellenden Wendelleiter­ stromsignals;
eine steuerbare Spannungserzeugungseinrichtung mit einem Kathodenstrom-Steuereingangsanschluß und einem Ab­ schalteingangsanschluß, und auch mit mit der Kathode und der Anode der Wanderwellenröhre verbundenen Ausgangs­ anschlüssen zum Anschließen einer Betriebsspannung zwi­ schen der Kathode und der Anode der Wanderwellenröhre, welche als Reaktion auf ein an Kathodenstrom-Steuerein­ gangsanschluß angelegtes Kathodenstrom-Steuersignal steu­ erbar ist, und welche auch als Reaktion auf ein an den Abschalteingangsanschluß angelegtes Abschaltsignal auf Null reduziert wird;
eine mit der Wendelleiterstrom-Meßeinrichtung und dem Abschaltsignal-Eingangsanschluß der steuerbaren Kathoden­ strom-Erzeugungseinrichtung verbundene Abschaltsignal-Er­ zeugungseinrichtung zum Vergleichen des Wendelleiter­ stromsignals mit einem Referenzsignal und zum Erzeugen des Abschaltsignals, wenn das Wendelleiterstromsignal einen spezifischen Wert überschreitet;
eine Kathodenstrom-Referenzsignal-Erzeugungseinrich­ tung mit einem Steuereingangsanschluß zum Erzeugen eines Kathodenstrom-Referenzsignals;
eine mit dem Kathodenspannung-Steuereingangsanschluß der steuerbaren Spannungserzeugungseinrichtung, der Ka­ thodenstrom-Meßeinrichtung und der Kathodenstrom-Refe­ renzsignal-Erzeugungseinrichtung verbundene Kathoden­ strom-Steuereinrichtung zum Vergleichen des Kathoden­ stromsignals mit dem Kathodenstrom-Referenzsignal und zum Erzeugen eines die Differenz zwischen dem Kathodenstrom­ signal und dem Kathodenstrom-Referenzsignal darstellenden Kathodenstrom-Steuerfehlersignals, und zum Anlegen des Kathodenstrom-Steuerfehlersignals an den Kathodenstrom­ steuereingangsanschluß der steuerbaren Kathodenspannung- Erzeugungseinrichtung mit einer Polarität, die so gewählt ist, daß eine negative Rückführungsschleife gebildet wird, welche dazu tendiert, ein konstantes Verhältnis zwischen dem Kathodenstromsignal und dem Kathodenstrom- Referenzsignal aufrechtzuerhalten; und
eine mit der Wendelleiterstrom-Meßeinrichtung und dem Steuereingangsanschluß der Kathodenstrom-Referenzsignal- Erzeugungseinrichtung verbundene Wendelleiterstrom-Aus­ steuerungsbegrenzungseinrichtung zum Vergleichen des Wen­ delleiterstromsignals mit einem Referenzwert, zum Erzeu­ gen eines Kathodenstrom-Referenzpegel-Anpassungssignals und zum Verbinden des Kathodenstrom-Referenzpegel-Anpas­ sungssignals mit dem Steuereingangsanschluß der Kathoden­ strom-Referenzsignal-Erzeugungseinrichtung mit einer Po­ larität, die so gewählt ist, daß eine negative Rückfüh­ rungsschleife gebildet wird, welche dazu tendiert, den Kathodenstrom zu reduzieren, wenn der Wendelleiterstrom ansteigt, wodurch bei Abwesenheit eines Lichtbogens der Wendelleiterstrom dazu tendiert, auf einen Wert begrenzt zu sein, der niedriger als der spezifische Wert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Kathodenstrom-Referenzsignal-Erzeugungsschaltung einen Spannungsteiler mit einem ersten und zweiten Wider­ stand enthält, die in Reihe über einer Referenzspannungs­ quelle angeschlossen sind und einen Abgriff aufweisen, an welchem das Kathodenstrom-Referenzsignal erzeugt wird, wobei die Kathodenstrom-Referenzsignal-Erzeugungseinrich­ tung ferner eine zwischen dem Abgriff und dem Steuerein­ gangsanschluß der Kathodenstrom-Referenzsignal-Erzeugungs­ einrichtung angeschlossene Impedanz aufweist; und
die Wendelleiterstrom-Aussteuerungsbegrenzungsein­ richtung eine Verstärkungseinrichtung mit einem ersten Eingangsanschluß (-), der mit der Wendelleiterstrom-Meß­ einrichtung verbunden ist, einem zweiten Eingangsanschluß (+), der mit einer zweiten Referenzsignal-Erzeugungsein­ richtung verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß auf­ weist, der mit dem Steuereingangsanschluß der Kathoden­ strom-Referenzsignal-Erzeugungseinrichtung verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz eine unidirektionale Stromleitungseinrich­ tung aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine zwischen dem ersten (-) Eingang und dem Aus­ gangsanschluß der Verstärkungseinrichtung angeschlossene Frequenzkompensationseinrichtung vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem ersten (-) Eingang und dem Ausgangsanschluß der Verstärkungseinrichtung angeschlossene unidirektionale Stromleitungseinrichtung zum Begrenzen des dynamischen Bereichs der Verstärkungseinrichtung vorgesehen ist.

6. Verfahren zum Betreiben einer Wanderwellenröhre mit ei­ ner Kathode, Anode und einem Wendelleiter welcher auf Masse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist:
Anlegen einer festen negativen Spannung an die Ka­ thode;
Anlegen einer steuerbaren negativen Spannung an die Anode, wobei die steuerbare negative Spannung positiver als die festen negative Spannung ist;
Messen des Kathodenstroms, welcher sich aus der fe­ sten Kathoden- und der steuerbaren Anodenspannung ergibt, um ein Kathodenstrom-Meßsignal zu erzeugen;
Erzeugen eines steuerbaren Kathodenstrom-Referenz­ signals;
Vergleichen des Kathodenstrom-Meßsignals mit dem steuerbaren Kathodenstrom-Referenzsignal, um ein Katho­ denstrom-Fehlersignal zu erzeugen;
Steuern der Anodenspannung als Antwort auf das Katho­ denstrom-Fehlersignal in einer negativen Rückführungsart, um dadurch einen konstanten Kathodenstrom in der Wander­ wellenröhre aufrechtzuerhalten;
Messen der Anwesenheit eines Elektronenstroms in dem Wendelleiter zum Erzeugen eines Wendelleiterstromsignals;
Vergleichen des Wendelleiterstromsignals mit einem einen spezifischen Wert des Wendelleiterstroms darstel­ lenden Referenzsignal, um ein Abschaltsignal zu erzeugen;
Setzen der Kathoden- und Anodenspannung auf Null als Antwort auf das Abschaltsignal;
Anlegen eines HF-Signals an den Wendelleiter, welches etwas in der Amplitude variieren kann, worauf der Ar­ beitspunkt der Wanderwellenröhre in einen Sättigungs­ bereich eintreten und ein Wendelleiterstrom gezogen, und dann, wenn der Wendelleiterstrom den spezifischen Betrag erreicht, unerwünscht die Abschaltung erzeugt werden kann;
Vergleichen des Wendelleiterstromsignals mit einem festen Wert, der einen Wendelleiterstrom niedriger als der spezifische Wert darstellt, um dadurch ein Wendel­ leiterstrom-Fehlersignal zu erzeugen; und
Steuern des steuerbaren Kathodenstrom-Referenzsignals als Antwort auf das Wendelleiterstrom-Fehlersignal, um dadurch das Kathodenstrom-Referenzsignal in einer nega­ tiven Rückführungsart zu steuern, um die Anodenspannung in einer solchen Art zu steuern, daß sie den Kathoden­ strom auf einem Wert hält, welcher dazu führt, daß Wendelleiterstrom unter dem spezifischen Wert bleibt.