DE2117924B2 - Mehrkammer-klystron - Google Patents

Description

Es sind Mehrkammer-Klystrons mit einem Eingangsresonator, einem Ausgangsresonator und wenigstens einem zwischen diesen angeordneten frei schwingenden ■">(> Resonator bekannt (US-PS 31 95 007).

Bei diesen bekannten Klystrons läßt die Bündelung der Elektronen am frei schwingenden Resonator zu wünschen übrig, und es ist deshalb bereits bekannt geworden, im Anschluß an den Eingangsresonator einen '■>'> frei schwingenden Resonator anzuordnen, der auf die erste Oberwelle einer Frequenz innerhalb des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt ist (US-PS 25 79 480). Der Nachteil eines solchen, auf die erste Oberwelle abgestimmten Resonators besteht darin, daß die w Bandbreite der Röhre stark eingeschränkt wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Klystron derart abzuwandeln, daß die Bündelung verbessert wird, eine Einschränkung der Bandbreite jedoch vermieden wird. ο

Eriindungsgemäß wird diese Aulgabe durch die im Anspruch I aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Bei den bisher bekannten Khsirons wurde die Länge des benannten Laufraums zu etwa 90^u des reduzierten Plasmawinkels gewählt, da die Amplitude der Grund-Raumladungswelle eine maximale Dichte im Abstand von ΊΆ Wellenlänge von dem Punkt aus erreicht, an dem ". die Geschwindigkeitsmodulation aufgedrückt wird. Bei einer Verlängerung des Laufraums ergibt sich eine geringere Verstärkung. Erfindungsgemäß wurde jedoch festgestellt, daß der Rückgang der Verstärkung durch die Verbesserung der Bündelung mehr als überkompeno siert wird, wenn der Laufraum erheblich langer gemacht wird als 90° des reduzierten Plasmawinkels. Vorzugsweise ist der genannte Laufraum jedoch kürzer als 150 des reduzierten Plasmawinkels, das Optimum der Länge liest bei annähernd 120° des reduzierten Plasmawinkels. Spezielle Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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

F ie. 1 schematisch ein Mehrkammer-Klystron mil >o Merkmalen der Erfindung,

F is. 2 ein F.lektronenbündcl in Form einer graphischen* Darstellung des gebündelten Strahlstromes als Funktion des Abstandes.

Fig. 3 graphisch die Grundraumladungswelle und τ. deren erste Oberwelle, die die Stromdichtemodulation des Strahles nach F i g. 2 hervorrufen,

F i τ. 4 den Elektronenphasenwinkel in rad gegen dun normterten Abstand in rad entlang dem Strahlenweg in dem Bereich zwischen dem Eingangsresonator und dem in Ausgangsspalt der Röhre nach Fig. I,

Fig. 5 den normierten Hochfrequenzstrahlstrom für

die Grundkomponente und die erste Oberwelle des

Strahlstroms als Funktion des normierten Abstandes in

rad entlang der Strahlachse für den modulierten Sfahl

π nach Fig. 4,

Fi g. 6 den Hochfrequenzumwandlungsv. irkungsgrad gegen den normierten Lastleitwert für den Ausgangskreis der Röhre nach F i g. 1,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines Klystrons -in mit Merkmalen der Erfindung,

Fig. 8 den Verstärkungsgrad in dB gegen die Frequenz der Röhre nach F i g. 7 mit Angabe der Abstimmung und der Q-Werte der Hohlraum.·, und

F i g. 9 schematisch eine weitere Ausführungsform r. eines Klystrons nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Klystronverstärkerröhre 1 dargestellt, die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Röhre t enthält ein System 2, das einen Elektronenstrahl 3 erzeugt, der zu einem Auffänger A geleitet wird, der an dem Ende des Strahls 3 angeordnet ist. Ein einspringender Eingangshohlraum 5 ist an den; strahlaufwärtigen Ende des Strahls 3 angeordnet um wird über eine Eingangskopplungsschleife 6 durch zi verstärkende Hochfrequenzenergie angeregt. Det Hohlraum 5 enthält einen Wechselwirkungsspalt 7. dei zwischen den freien Enden der einspringenden Triftröh ren gebildet wird, so daß die elektrischen !-elder dc angeregten Hohlraums mit dem Elektronenstrahl ϊ η Wechselwirkung kommen, um den Strahl geschwindig keitszumodulieren.

Eine leitende Triftröhre 8 umgibt den Elektronen strahl 3 in dem Bereich, der strahlabwärts von

.. .-1.-Ui- = i:^~t ...v. olnoi-i Ιι,-..-ΙιΓη»ηιιι>η/ΙΊ>ΙιΙ

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freien Raum zu bilden, in dem die Elektronen mi Geschwindigkeiten laufen können, die den Elektrone durch die Geschwindigkeitsmodulation im Eingang¹· hohlraum 5 erteilt werden. Zusätzlich beeinflusse Raimladungskräfte. die in dem gebündelten Stral

vorhanden sind, weiterhin die Bündelung der Elektronen, während diese durch die Triftröhre 8 zu einem folgenden, stromabwärts angeordneten Hohlraum 9 laufen.

Der Hohlraum 9 ist ein frei schwingender Resonator, worunter ein Resonator verstanden wird, 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 frei schwingenden Resonator gekoppelt sein, mit dem nur einige elektrische Eigenschaften des frei schwingenden Resonators beeinflußt werden, beispielsweise sein Gütefaktor Q oder seine Frequenz. Der Hohlraum 9 besteht aus einem einspringenden Hohlraum, der einen Wechselwirkungsspalt Ii aufweist, der zwischen den freien Endteilen der einspringenden Triftröhren gebildet wird, um die elektrischen Felder des Resonators 9 mit dem durchlaufenden Elektronenstrahl in Wechselwirkung zu bringen. Der Hohlraum 9 soll durch den in der Stromdichte modulierten (gebündelten) Elektronenstrahl 3 in Resonanz angeregt werden, wobei durch diese Anregung des Hohlraumes ein elektrisches Feld in dem Wechselwirkungsspalt H erzeugt wird, das auf die Elektronen zurückwirkt, um diese geschwindigkeitszumodulieren, wodurch die Bündelung des Elektronenstrahls strahlabwärts vom Hohlraum 9 weiter verbessert wird.

Ein zweiter Hohlraum 12. der im wesentlichen gleich dem ersten Hohlraum 9 ausgebildet ist, ist zur Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl strahlabwärts von dem ersten Hohlraum 9 angeordnet, um die Bündelung des Strahls weiter zu verbessern. Ein strahlabwärts vom Hohlraum 12 angeordneter Ausgangshohlraum 13 besteht aus einem einspringenden Hohlraum, der einen Wechselwirkungsspalt 14 aufweist, der zwischen den freien Enden der einspringenden Triftröhren zur Wechselwirkung mit dem Elektronens'rahl gebildet ist. Im einzelnen regt der in der Stromdichte modulierte Elektronenstrahl den Ausgangsresonator 13 in Resonanz an und dem Ausgangsresonator 13 wird über eine Ausgangskopplungseinrichtung 15, wie etwa eine Kopplungsschleife, Ausgangsenergie entnommen. Die dem Ausgangsresonator 13 entzogene Energie wird sodann einem Verbraucher, beispielsweise einer Antenne, zugeführt. Zwischen den Hohlräumen 9 und 12 sowie 12 und 13 sind Triftröhren 16 bzw. 17 vorgesehen, um zwischen diesen Hohlräu men feldfreie Triftbereiche zu bilden.

Eine Verbesserung der Bündelung wird in der in F i g. 1 gezeigten Röhre dadurch erhalten, daß die Länge der Triftröhre 8 so bemessen wird, daß der Laufwinkel zwischen der Mitte des Wechselwirkungsspaltes 7 und der Mitte des nächstfolgenden Wechselwirkungsspaltes 11 des Hohlraums 9 größer als ein Viertel einer reduzierten Plasmawellenlänge ist. Der l.aufwinkel ist definiert als:

V '

worin Mg die reduzierte Plasmafrequenz in rad pro Sekunde, v_a die Gieichsiromsirah'gcschvvindigkeii und / die physikalische Länge des Triftraumes zwischen den Wechselwirkungsspalten 7 und 11 ist, und eine reduzierte Plasmawellenlänge wird definiert als:

11

; = ι-, -¹L.

Die Verbesserung der Bündelung entlang der abnorm langen Triftröhre 8 wird durch das Oberwellen-Raumladungsfeld erzeugt, das in, dem modulierten Strahl vorhanden ist. Diese erste Oberwelle des Raumladungsleides wird verwandt, um die Bündelung des Strahls zu verbessern.

Anhand der Fig. 2, 3 und 4 sollen nunmehr die Oberwellen-Raumladungsbündelungskräfte im einzelnen näher beschrieben werden. Im einzelnen werden durch die Geschwindigkeitsmodulation, die auf den Elektronenstrahl 3 im Eingangshohlraum 5 ausgeübt wird, die Elektronen auf einer verhältnismäßig kurzen Länge des nachfolgenden Laufraumes gebündelt, wie in Fig. 2 dargestellt. Dieses Raumladungsbündel kann so angesehen werden, als sei es aus einem Anteil einer Grundraumladungswelle, wie sie durch die Kurve 18 dargestellt wird, und einem Anteil einer ersten Oberwellen Raumladungswelle zusammengesetzt, wie sie durch die Kurve 19 dargestellt ist. Die Grund- und Oberwellen-Raumladungskräfte, die durch eine solche Grundwelle 18 bzw. Oberwelle 19 erzeugt werden, und wie sie durch die Pfeile dargestellt sind, wirken in der Nähe der Mitte des Elektronenbündels in derselben Richtung, jedoch sind sie in dem Zwischenbündelbereich zueinander entgegengesetzt gerichtet.

Die Elektronen in dem Zwischenbündelbereich laufen deshalb weiter gegen das Bündel hin, selbst wenn der Mittelteil des Bündels sich bereits aufgrund der Raumladungskräfte auszubreiten beginnt. Somit werden die Elektronen in dem Zwischenbündelbereich dadurch, daß man die Elektronenbündel über eine abnorm lange Laufstrecke laufen läßt, z. B. eine Laufstrecke größer als 90° und kleiner als 150° und vorzugsweise von 120' des reduzierten Plasmawinkels, in die Bündel hineinbewegi. ohne daß eine zu starke Abnahme der Bündelung in den Elektronenbündeln auftritt. Der strahlabwärts angeordnete Hohlraum 9 dient dazu, die Elektronenbündel wieder zu bündeln, bevor der gebündelte Strahl durch den zweiten Hohlraum 12 und sodann durch den Wechselwirkungsspalt 14 des Ausgangsresonators 13 läuft.

F i g. 1 zeigt eine typische Anordnung der Hohlräume 5 — 13 für den Großsignalteil des Hochfrequenzkreises eines Klystron· Verstärkers mit hohem Wirkungsgrad. Im einzelnen würden normalerweise zusätzliche Grundmodus-Hohlräume ähnlich dem Hohlraum 9 strahlaufwärts vom Hohlraum 12 vorgesehen werden, um eine zusätzliche Verstärkung zu erreichen. Solche zusätzlichen Hohlräume wurden auf verschiedene Frequenzen in dem Durchlaßband der Röhre abgestimmt, und sie würden gleichfalls den Frequenzbereich verbessern, d. h., sie würden das Durchlaßband der Röhre verbreitern, was noch ausführlicher weiter unten anhand der F i g. 7 und 8 beschrieben werden soll. Bei einem typischen Beispiel beträgt der Laufwinkel zwischen der Mitte des Spaltes des Hohlraumes 5 und dem Hohlraum 9 120° des reduzierten Plasmawinkels, während die entsprechenden Laufwinkel zwischen der Mitte der Wechselwirkungsspalte 11 und 11' sowie 11' und 14 der Hohlräume 60° bzw. 25° eines reduzierten Plasmawinkels betragen.

In Fig.4 ist der Elektronenankunftsphasenwinkel in rad von 32 Bezugselektronen, die in einer Hoclui equenzperiode verwandt werden, gegen den normierten Abstand in rad entlang dem Strahl durch die verschiedenen Wechselwirkungsspalte für die Röhre nach F i g. 1 dargestellt. Der Elektronenphasenwinkel ist in bezug gesetzt zu einem Bezugselektron, das sich mit

der ('ileiehspannungsgeschwindigkeü des Strahls bewegt, und es ist ersichtlich, daß eine äußerst günstige Bündelung des Elektronenstrahls am Ausgangsspalt erhalten wird.

In I'ig. 5 sind die normierten Amplituden der (iiundkomponente des Hoehfreqiienzstrahlstromes (/,//„) und der ersten Oberwelle des Hochfrequenzstrahlstromes (IJ I^ als Funktion des normierten Abstandes entlang dem Strahlweg dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die normierte Grundkomponente des Sirahlstromcs ein Maximum von annähernd 1,8 an dem Ausgangsspalt erreicht, und dies führt zu einem verhältnismäßig hohen berechneten Umwandlungswirkungsgrad, wie es durch die Kurve 20 in F i g. 6 dargestellt ist. Aus F ig. 6 ist zu ersehen, daß sich der berechnete Umwandliingswirkungsgrad 80% bei einem normierten Lastleitwert für den Ausgangsresonator 13 von 1.0 annähert. Der Lastleilwert des Ausgangsresonators Gi ist bezogen aiii den Gleichstromstrahlleitwert Gv. Dieser Umwandlungswirkungsgrad. wie er in F i g. 6 graphisch aufgezeichnet ist, gilt für einen Strahl, der eine Mikropcrveanz von 1 besitzt, und der entsprechende Umwandlungswirkungsgrad für einen Strahl mit einer Mikroperveanz von 0.5 liegt um annähernd 5% höher, nämlich bei 85%.

Im folgenden soll Bezug auf die F i g. 7 und 8 genommen werden. In Fig. 7 ist die Anordnung von Resonatoren für einen Breitbandklystronverstärker dargestellt, der den Großsignal-Teil des in Fig. 1 gezeigten Hochfrequenzkreises enthält. Bei der Ausführungsform der in F i g. 7 dargestellten Röhre sind zwei zusätzliche frei schwingende Hohlräume, nämlich 21 und 22. vorgesehen. Die Hohlräume, die entsprechend ihrer Reihenfolge von dem strahlaufwärtigen Ende zu dem strahlabwärtigen Ende mit den Zahlen 1 —6 bezeichnet sind, sind auf Frequenzen abgestimmt, die durch die entsprechenden Pfeile mit den Zahlen 1 —6 in der graphischen Darstellung in F i g. 8 bezeichnet sind, so daß die Röhre bei einer Mittelfrequenz von annähernd 12,200MHz arbeitet. Die Laufwinkel zwischen den Mittelpunkten der Wechselwirkungsspalte aufeinanderfolgender Resonatoren sind in Fig. 7 mit 60^c. 60°. 120 . 90° bzw. 30^J dargestellt, wie es aus der Darstellung der F i g. 7 zu ersehen ist. Die Q-Werte für die jeweiligen Hohlräume sind in der graphischen Darstellung der Fig. 8 angegeben, und aus dieser Darstellung ist zu ersehen, daß die beiden Hohlräume 9 und 12. die dem vierten und fünften Resonator entsprechen, ein verhältnismäßig hohes belastetes Q von 850 aufweisen, und daß sie auf Frequenzen abgestimmt sind, die wesentlich höher als die obere Bandkantenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre sind, w obei die Bandkantenfrequenzen durch die Punkte auf der Verstärkungskurve 31 bestimmt werden, in denen die Verstärkung um 3 dB gegenüber der maximalen Verstärkung in der Mitte des Durchlaßbandes der Röhre abgefallen ist. Aus dieser Darstellung ist gleichfalls zu ersehen, daß der strahlabwärtig angeordnete Hohlraum 22, der der dritte Hohlraum in der Reihenfolge ist, auf eine Frequenz abgestimmt ist, die etwas unter der unteren Frequenzbandkantenfrequenz und beträchtlich unter der Mittelfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre liegt. Der Eingangs- und der •\usgangsresonator, der mit 1 bzw. 6 bezeichnet ist, sind auf Frequenzen innerhalb des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt. Eine Liste für die typischen Bemessungsparameter einer Röhre der in F i g. 7 i'e/eiizten An ist unten in Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Zusammenstellung von Bemessungsparametern

ι»

Frequenz	12.2 GH/
Bandbreite (-3 dB Minimum)	40MHz
Strahlspannung	12.1 kV
Strahlstrom	0.66 A
Strahlperveanz	0,5 · 10 "A,
Strahlquerschnittskonvergenz	100:1
Kathodenbelastung (Maximum)	2 Λ/cm-
Kathodendurchmesser	0.787 cm
Zahl der Hohlräume	b
(R^iJQ)der frei schwingenden
Hohlräume (geschätzt)	110 Ohm
(RkIi/Q) des Ausgangshohlraumes
(geschätzt)	100 Ohm
Laufwinkel der Wechselwirkungs
spalte:
frei schwingende Hohlräume	1.0 rad
Ausgangshohlraum	0.7 rad
Länge der Wechselwirkungsspalte:
frei schwingende Hohlräume	0.083 cm
Ausgangshohlraum	0.058 cm
Normierter Tunnelradius γ.,	0.7 rad
Tunneldurchmesser 2a	0,119 cm
Strahlfüllungsfaktor, b/a	0.66
Laufwinkel, $,/
/Vu	60"
	60'
ßj»	120 *
/V-.,-	90°
ßilkb	30°
Triftwege:
	1.290 cm
hs	1,290 cm
	2.578 cm
A/,	1,932 cm
k»	0,645 cm
Gesamt-Q-Faktor der Hohlräume:
Q-Eingang	200
Q:	200
Qi	300
Qt	850
Q	850
	180
Hohlraumabstimmung:
fs	12.181 MHz
Λ	12.222MHz
Λ	12.171 MHz
Λ	12,266MHz
Λ	12,283MHz
r*	12,200 MHz

Magnetisches Fokussierungsfeld (2,5 · Brillouin Feld) 4000 Gauss.

In Fig.9 ist eine andere Klystron-Ausführung nach der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen dieselbe wie die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform mit der Ausnahme, daß lediglich ein einziger frei schwingender Hohlraum 9 zwischen dem Eingangshohlraum 5 und dem Ausgangshohlraum 13 verwandt wird. Der Laufraum zwischen der Mitte da Wcchselwirkungsspaltes 7 des Eingangsresonators 5 und dem Wechselwirkungspalt des Hohlraumes 9 isi größer als 90° des reduzierten Plasmawinkels, und du Lauflänge zwischen dem Wcchselwirkungsspalt Il ir dem Hohlraum 9 und dem Wechselwirkungsspalt 14 ir

dem Ausgangsresonator 13 betragt 35 des reduzierten Plasmawinkels.

Bei allen Ausführungsfornien der Fig. 1, 7 und 9 sind die Resonatoren alle auf einen Grundresonanzmodus in der Nahe des Durehlaßbandes der Röhre abgestimmt. Hm Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dall eine Oberwcllenbündclung mit Hohlräumen erreicht werden kann, die auf eine Grundresonanz in der Nähe des DurehlalJbandes der Röhre abgestimmt sind im Gegensatz zu der bekannten Röhre, bei der ein Oberwellen-Resonator verwandt wurde, der auf einen Grundresonanzmodus bei der ersten Oberwelle des Durehlaßbandes abgestimmt werden mußte. Bei Frequenzen über dem 5-Band wird e^;n übermäßiger Teil des Volumens eines Oberwellen-Hohlraumes durch den Strahl eingenommen.

Es ist nicht erforderlich, daß die Resonatoren, die bei den erfindungsgemäßen Röhren verwandt werden, ι einspringende Hohlraumresonatoren sind. Fs können auch andere Arten von Resonatoren verwandt werden wie etwa wendeiförmige Resonatoren mit verteiltem Feld (wobei entweder Resonatoren mit einer einzigen Wendel oder Resonatoren mit einer über K.reu/ ίο gewickelten Wendel verwandt werden können). Weiter hin kann der Ausgangsresonator 13 z. B. eine Verzöge rungsleitung oder einen verlängerten Wechselwir kungskreis enthalten, der durch mehrere miteinandei gekoppelte Hohlraumresonatoren gebildet wird.

Hierzu 2 Blatt /eichnuntien

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   !. Mehrkammer-Klystron mit einem ^angsresonator, einem Ausgangsresonator und wenigstens einem zwischen diesen angeordneten frei schwingenden Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laufraum zwischen dem Eingangsresonator und einem darauffolgenden frei schwingenden Resonator erheblich langer ist als 90" des ' reduzierten Plasmawinkels.
2. 2. Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Laufraum kurzer ist als 1 50° des reduzierten Plasmawinkels.
3. J. Klystron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Laufraum annähernd 120⁼ des reduzierten Plasmawinkels lang ist.
4. 4. Klystron nach Anspruch 1, 2 oder ?, dadurch gekennzeichnet, daß zwei frei schwingerde Resonatoren strahlabwärts von dem genannten Laufraum vorgesehen sind.
5. 5. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß jeder frei schwingende Resonator strahlabwärts von dem genannten Laulraum auf eine Frequenz höher als die obere Bandkamenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt ist.
6. 6. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingangsresonator und dem genannten Laufraum wenigstens ein zusätzlicher frei schwingender Resonator angeordnet ist.
7. 7. Klystron nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem genannten Laufraum unmittelbar vorangehende frei schwingende Resonator auf eine Frequenz unter der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt ist.
8. 8. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Laufräume kurzer als 90^c des reduzierten Plasmawinkels sind.
9. 9. Klystron nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren einspringende Hohlraumresonatoren sind.