DE1964721A1

DE1964721A1 - Traveling field pipes with higher efficiency

Info

Publication number: DE1964721A1
Application number: DE19691964721
Authority: DE
Inventors: Hinrich Dr Heynisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-12-23
Filing date: 1969-12-23
Publication date: 1971-07-01
Also published as: DE1964721B2; GB1315869A; US3678326A; FR2074151A5; JPS5119955B1

Description

Wanderf eidröhre_ rait__ höherem_ WirkungsgradWanderf eidröhre_ rait__ higher_ efficiency

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wanderfeldröhre mit einer zwisehen einem Elektronenstrahlerzeugungssystem und einem Elektronenstrahlauffänger untergebrachten Verzögerungsleitung, die Abschnitte mit unterschiedlichem Verzögerungsmaß enthält.The present invention relates to a traveling wave tube with a second electron gun and a delay line housed in an electron beam collector, the portions having different Includes delay measure.

Der Verzögerungsmechanismus bei Wanderfeldröhren erfordert eine bestimmte Relation zwischen der Geschwindigkeit des Elektronenstrahls und der auf der leitung transportierten zu verstärkenden elektromagnetischen Welle, wobei die Elektronenstrahlgeschv/indigkeit etwas größer sein muß als die axiale Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle, Bei einer Leitung mit konstanten Parametern kann demzufolge lediglich ein geringer Teil der Energie des Elektronenstrahls zur Verstärkung der elektromagnetischen Welle herangezogen werden, da 'die bei der Verstärkung der Welle auftretende Geschwindigkeitsabnahme des Elektronenstrahls den Wanderfeldverstärkungsmechanismus unterbricht.The delay mechanism in traveling wave tubes requires a certain relationship between the speed of the Electron beam and the electromagnetic wave to be amplified transported on the line, the The electron beam velocity must be somewhat greater than the axial propagation velocity of the wave, In the case of a line with constant parameters, only a small part of the energy of the electron beam can therefore be used can be used to amplify the electromagnetic wave, since 'that which occurs during the amplification of the wave Decrease in the speed of the electron beam causes the traveling field amplification mechanism interrupts.

Es ist bekannt, daß der Konversions-Wirkungsgrad bei Wanderfeldröhren durch Anpassung der Wellengeschwindigkeit an die Elektronengeschwindigkeit am ausgangsseitigen Teil der Verzögerungsleitung verbessert v/erden kann« Die "Gesehwindigkeitstaperung" kann dabei durch eine Änderung der Leitungsparameter, insbesondere durch Verkleinerung ihrer Poriode, in Stufen oder nach einer kontinuierlichen Funktion, vorgenommen v/erden.It is known that the conversion efficiency in traveling wave tubes by adapting the wave speed to the electron speed on the output side the delay line can be improved "Gesehenzestaperung" can be changed by making a change the line parameters, especially by downsizing their poriod, in stages or according to a continuous function.

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Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung des !Conversions-Wirkungsgrades infolge einer Naehkorrektur des Verhältnisses der Axii}lgesehwindigkeit der elektromagnetischen Welle zur Geschwindigkeit des Elektronenstrahls "besteht darin, daß die Elektronengeschwindigkeit durch ein- oder mehrstufige Nachbeschleunigung an die unveränderte Wellengeschwindigkeit angepaßt wird. Dabei muß jedoch die Verzögerungsleitung zum Zwecke der Nachbeschleunigung des Strahles galvanisch aufgetrennt werden, was bei der stoßfreien Fortleitung der Welle zu erheblichen Schwierigkeiten führt.Another way to improve! Conversion efficiency as a result of a sewing correction of the ratio the axial speed of the electromagnetic wave to the speed of the electron beam "consists in the fact that the electron speed by one or more stages Post-acceleration is adapted to the unchanged wave speed. However, the delay line must be galvanically separated for the purpose of post-acceleration of the beam, which is the case with the bumpless Propagation of the wave leads to considerable difficulties.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die durch eine Taperung der Wellengeschwindigkeit, d.h. durch eine Änderung der Parameter der Verzögerungsleitung am ausgangsseitigen Ende der Bohre erzielbare Erhöhung des Konversions-Wirkungsgrades noch weiter zu verbessern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Wanderfeldröhre der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß am auffängerseitigen Ende der Verzögerungsleitung ein Abschnitt (fiesonanzabschnitt) mit gegenüber dem normalen Verzögerungsmaß der Verzögerungsleitung verkleinertem Verzögerungsmaß derart eingeschaltet ist, daß an seinen Begrenzungen reflexionsbehaftete Stoßstellen vorhanden sind und daß bei einer mittleren Betriebsfrequenz,' ₀ die länge des Resonanzabschnittes 1 = η'-·?>' beträgt (^ τ = Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz/ auf der Leitung.The present invention has set itself the task of further improving the increase in conversion efficiency that can be achieved by tapping the wave speed, ie by changing the parameters of the delay line at the output end of the drill. To solve this problem, it is proposed according to the invention in a traveling wave tube of the type mentioned at the beginning that a section (fiesonanzabschnitt) with a delay amount that is reduced compared to the normal delay amount of the delay line is switched on at the end of the delay line on the receiver side in such a way that there are reflective joints at its boundaries and that at an average operating frequency, ' ₀ the length of the resonance section 1 = η'- ·?>' (^ τ = wavelength of the average operating frequency / on the line.

Das Verzögerungsmaß im Resonanzabsehnitt kann dabei mehrfach abgestuft und/oder kontinuieirLich nach irgendeiner bestimmten vorgegebenen Funktion verlaufen, doch \«.r& man das Veraögerungsmaß im Resonanzabschnitt im allgemeinen konstant halten, um den Aufbau der Leibung nicht unnötig zu komplizieren»The amount of delay in the resonance section can be multiple graded and / or continuous according to any particular one given function, but \ «. r & man the degree of delay generally keep constant in the resonance section not to complicate the construction of the reveal unnecessarily »

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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß es für die meisten Anwendungszwecke von Wanderfeldröhren - auch bei Berücksichtigung der Tatsache, daß einer ihrer Hauptvorteile in ihrer Breitbandigkeit liegt - ausreicht, wenn die Übertragungsbandbreite etwa 10 bis 20 fo beträgt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Wanderfeldröhre kann der über diese ÜbertragungsA)anubreite-hinausgehende Teil der Bandbreite über einen Resonanzüberhöhungseffekt zur Erhöhung der Konversions-Wirkungsgrades herangezogen v/erden«. Die notwendigerweise mit der Resonanzüberhöhung verbundene Verminderung der Bandbreite bedeutet somit nach dem oben Ausgeführten in den allermeisten Fällen keine Beeinträchtigung der Übertragungsverhältnisse, da die I mögliche Bandbreite in praktisch sehr vielen Fällen nie ausgenutzt wird.The invention is based on the knowledge that it is sufficient for most applications of traveling wave tubes - also taking into account the fact that one of their main advantages is their broadband - if the transmission bandwidth is about 10 to 20 fo . The design of a traveling wave tube according to the invention means that the part of the bandwidth exceeding this transmission width can be used to increase the conversion efficiency via a resonance enhancement effect. The reduction of the bandwidth, which is necessarily associated with the increase in resonance, therefore means, according to the above, in the vast majority of cases no impairment of the transmission conditions, since the I possible bandwidth is never used in practically very many cases.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der auf den Resonanzabschnitten folgende Endabschnitt der Verzögerungsleitung als ein- oder mehrstufiger/, /4 Transformator derart ausgebildet ist, daß längs ihm praktisch keine Wechselwirkung mehr mit dem Elektronenstrahl stattfindet. In a further development of the invention it is provided that the end section following the resonance sections of the Delay line is designed as a single or multi-stage /, / 4 transformer in such a way that it is practical along it there is no longer any interaction with the electron beam.

Die Verzögerungsleitung soll so bemessen sein, daß die Kleinsignalverstärkung im Abschnitt zwisehen dem am strahlerzeugerseitigen Eingang der Verzögerungsleitung angeordnete Dämpfungsabschnitt und dem Resonanzabschnitt größer ali£ 25 dB ist.The delay line should be dimensioned so that the small signal gain in the section between the am Jet generator side input of the delay line arranged damping section and the resonance section is greater than £ 25 dB.

Anhand einer Wanderfeldröhre mit einer Wendelleitung soll die Erfindung - die allgemein auf alle Arten von Verzögerungsleitungen anwendbar ist - im folgenden an einer schematischen Figur mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung unwesentliche !Teile, wie z.B. die Vakuumhülle der Röhre und das Magnetsystem zur gebündelten Führung des Elektronenstrahle, sind dabei in der Figur weggelassen worden.On the basis of a traveling wave tube with a helical cable the invention - which is generally applicable to all types of delay lines - in the following on a schematic Figure will be explained in more detail with further features. For an understanding of the present invention, they are immaterial ! Parts such as the vacuum envelope of the tube and the magnet system for the bundled guidance of the electron beam are has been omitted in the figure.

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Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau der Wanderfeldröhre mit einer Wendel als Veriaögerungsleitung. Mit der Elektronenkanone 1 wird in üblicher Weise der Elektronenstrahl erzeugt und mit Hilfe eines homogenen Magnetfeldes (Permanentfeld; Spulenfeld) oder eines periodischen Permanentmagnetfeldes durch den Wendelraum bis zumvVpllektor 4 geführt. Das zu verstärkende HF-Signal wird über die Eingangsleitung in den eingangsseitigen Teil der Wendelleitung 6 eingekoppelt und dort in der üblichen Weise verstärkt. Der (ίβΛ-αηη muß in diesem Teil größer als die sogenannte Aufteilungsdämpfung sein, damit der Elektronenstrahl seine vollständige Modulation erhält und mit dieser den ausgangsseitigen Wendelteil 7 anregen kann. Beide Wendelteile sind in üblicher Weise durch eine praktisch reflexionsfreie Dämpfungszone 5 entkoppelt. Die ausgangsseitige Wendel 7, 8 und 9 ist nun in ganz bestimmter Weise zur Erzielung eines besonders großen Wirkungsgrades ausgebildet. Von der Dämpfung 5, die möglichst nahe am Eingang 2 der Wendel angeordnet sein muß (für großen V und kleine Phasenverzerrung) ausgehend, ist zunächst ein Wendelabschnitt 7 mit gleichmäßiger Verzögerung angeordnet« Pur diesen Abschnitt gilt die Bedingung, daß die Kleinsignalverstärkung mindestens 25 dB betragen muß, um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen. Hieran schließt sich ein Wendelabschnitt 8 an, der von zwei Reflexionsstellen abgeschlossen ist. Der Reflexionsfaktor r., bzw. r₂ kann beliebige Werte haben, (vorwiegend wird jedoch r., = r₂ sein). Hierdurch wird erreicht, daß der Wendelabschnitt 8 wie ein Leitungsresonator wirkt. Seine Länge muß daher auf die gewünschte Betriebsfrequenz abgestimmt sein ( 1 = η 4f ) „ Mit der Größe der Reflexionsfaktoren r^, r₂ wird die Resonanzüberhöhung d.h. die Kreisgüte Q bestimmt. Daraus resultiert dann die wix^ksame Bandbreite. An den Wendelabschnitt 8 schließt sich nunmehr ein Abschnitt 9 an, der als ein- oder mehrstufiger 1/4-Transformator - derart ausgebildet ist, daß er praktisch keine Wechselwirkung mehr mit dem Elektronenstrahl ermöglicht. Schließlich wirdFigure 1 shows schematically the structure of the traveling wave tube with a helix as a delay line. The electron beam is generated in the usual way with the electron gun 1 and is guided through the filament space to the deflector 4 with the aid of a homogeneous magnetic field (permanent field; coil field) or a periodic permanent magnetic field. The RF signal to be amplified is coupled into the input-side part of the helical cable 6 via the input line and is amplified there in the usual manner. The (ίβΛ-αηη in this part must be greater than the so-called split damping so that the electron beam receives its full modulation and can use this to excite the output-side helical part 7. Both helical parts are decoupled in the usual way by a practically reflection-free damping zone 5. The output-side helix 7, 8 and 9 is now designed in a very specific way to achieve a particularly high degree of efficiency. Starting from the damping 5, which must be arranged as close as possible to the input 2 of the helix (for large V and small phase distortion), a helix section 7 is first of all arranged with an even delay. For this section, the condition applies that the small-signal amplification must be at least 25 dB in order to achieve maximum efficiency. r ₂ can have any values (however, r., = be r ₂ ). This ensures that the helical section 8 acts like a line resonator. Its length must therefore be matched to the desired operating frequency (1 = η 4f ). With the size of the reflection factors r ^, r ₂ , the resonance increase, ie the circular quality Q, is determined. The wix ^ ksame bandwidth then results from this. The coil section 8 is now followed by a section 9 which is designed as a single-stage or multi-stage 1/4 transformer - in such a way that it practically no longer allows any interaction with the electron beam. Finally will

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die verstärkte Welle über die Auskoppelleitung 3, in der noch ein Zirkulator 10 angeordnet ist, dem Verbraucher zugeführt.the amplified wave via the decoupling line 3, in which a circulator 10 is also arranged, to the consumer fed.

Durch die Resonanzüberhöhung im Wendelabschnitt 8 wird erreicht, daß die E_z-Felder für die Wechselwirkung mit dem Strahl so groß v/erden, daß der Wirkungsgrad durch die extreme Abbremsung der Elektronen wesentlich erhöht wird* Um diesen Effekt noch zu optimieren, ist es notwendig, die Verzögerung des Wendelabschnittes 8 der eingestellten Kreisgüte Q so anzupassen, daß die maximale Abbremsung * The increase in resonance in the coil section 8 ensures that the E _z fields for the interaction with the beam are so large that the efficiency is significantly increased due to the extreme deceleration of the electrons. It is necessary to optimize this effect to adapt the deceleration of the helical section 8 to the set circular quality Q so that the maximum deceleration *

der Elektronen möglich ist. Dazu wird die Verzögerung im Wendelabschnitt 8 folgendermaßen bemessen:of electrons is possible. For this purpose, the delay in the spiral section 8 is measured as follows:

a) Größeres c/v als im Wendelabschnitt 7 und gleichmäßig über die länge des Abschnitts 8.a) Larger c / v than in the spiral section 7 and evenly over the length of the section 8.

b) Größere c/v-Werte als im Abschnitt 7, jedoch mehrfach abgestuft.b) Larger c / v values than in section 7, but graded several times.

c) Größere C/v-Werte als im Abschnitt 7, jedoch kontinuierlich verlaufend nach irgendeiner bestimmten vorgegegebenen Funktion.c) Larger C / v values than in section 7, but progressing continuously according to any particular predetermined one Function.

d) Abwechselnd größere und kleiner c/v-Werte, abgestuft oder kontinuierlich.d) Alternating larger and smaller c / v values, graduated or continuous.

Diese Änderungen der c/v-V/er te lassen sich erreichen über Durchmesaeränderungen der Wendel, Stoigungsänderung der Wendel oder durch Annäherung metallischer oder dielektrischer Umhüllungen dec Wendel nach vorher bestimmten Funktionen.These changes in the c / v values can be achieved via Changes in the diameter of the helix, change in the discontinuity of the Helix or by bringing together metallic or dielectric sheaths dec helix according to predetermined functions.

Auch kann eine Änderung do?>^; "a-Worbeo herangezogen werden.Also can a change do?>^;"a-Worbeo can be used.

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Hiermit läßt sich dann auch ein vorgegebener Verlauf der Verstärkungskurve (abhängig von öler Frequenz) realisieren, wenn die 7a-Werte der Wendel^Löchnitteö, 7 und 8 unterschiedlich gewählt werder«With this, a given course of the amplification curve (depending on the oil frequency) can be realized, if the 7a values of the helix ^ hole cuts ^, 7 and 8 are different be elected "

Eine v/eitere Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist eine Erhöhung des magnetischen Führungsfeldes für den Elektronenstrahl im Wendelabschnitt 8. Hier muß das Magnetfeld dem Grad der starken Wechselwirkung, d.h. der Strahlabbremsung angepaßt v/erden. Dazu ist eine Magnetfeld.orliyhung nach vorgegebener Funktion erforderlich, die von der Resonanz-Überhöhung im Wendelabschnitt 8 abhängt.Another measure to improve the efficiency is to increase the magnetic guide field for the Electron beam in the filament section 8. The magnetic field must be here The degree of strong interaction, i.e. the beam deceleration, must be adjusted. There is also a magnetic field alignment required according to a predetermined function, which depends on the resonance increase in the coil section 8.

Zuletzt sei darauf hingewiesen, daß der gesamte Betriebswirkungsgrad auch bei dieser Anordnung durch einen Abbremskollektor in bekannter Weise noch weiter zu verbessern ist.Finally, it should be pointed out that the entire operating efficiency is also achieved with this arrangement by a braking collector can be further improved in a known manner.

6 Patentansprüche
1 Figur6 claims
1 figure

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- 7 -109027/1307- 7 -109027/1307

3AD O- 3AD O-

Claims

- 7 claims

Traveling wave tube with a delay line accommodated between an electron beam diffraction system and an electron beam collector, which contains sections with different delay measures, characterized in that at the catcher term end of the delay line a section (itesonangi * - * section) with compared to "the normal delay measure of the delay line reduced Delay measure is switched on in such a way that at its limits, the like

reflective joints are present and that at an average operating frequency ^ _Q the length of the resonance section is 1 - n '- = · .

2. Traveling wave tube according to claim 1, characterized in that that the amount of delay in the resonance section is constant.

3. Traveling wave tube according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection factors at the beginning and at the end of the resonance section are the same size.

4. Traveling wave tube according to one of claims 1 to 3 » characterized in that the end section following the resonance sections of the Delay line is designed as a single or multi-stage Λ / 4 transformer such that along it there is practically no interaction with the electron beam.

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Traveling wave tube according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the dimensioning the delay line is chosen so that the small signal amplification in the section zv / isehen on the beam generator side Input of the delay line arranged attenuation and the resonance section is greater than about 25 dB.

Traveling wave tube according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the magnetic field serving for the bundled guidance of the electron beam in the region of the resonance section corresponds to the strong alternating effect. ie the jet deceleration is increased compared to the normal fourth.

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