DE2117924C3 - 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 Bandbreite der Röhre stark eingeschränkt wird.

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

rrfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch I aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Hei den bisher bckannlen Klystrons wurde die Lunge iles genannten Lmifriiums zu eiwn 40 des redu/urten Plasnuiwinkels gewählt, da die Amplitude der Grund-Raumladungswelle eine maximale Dichte im Abstand von Ά Wellenlänge von dem Punkt aus erreicht, an dem die Geschwindigkeitsmodulation aufgedrückt wird. Hei 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 überkompensiert wird, wenn der Laufraum erheblich langer gemacht wird als 90° des reduzierten Plasmawinkels. Vorzugsweise ist der genannte Laufraum jedoch kürzer als 150" des reduzierten Plasmawinkcls, das Optimum der Länge liegt bei annähernd 120° des reduzierten Plasma winkeis.

Spezielle Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich a:?s den Unteransprüchen.

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

Fig. I schemalisch ein Mehrkammer-Klystron mit Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 ein Elektronenbündcl in Form einer graphischen Darstellung des gebündelten Strahlstromes als Funktion des Abstandes,

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

F i g. 4 den Elektronenphasenwinkel in rad gegen den normierten Abstand in rat: entlang dem Strahluiweg in dem Bereich zwischen dem Eingangsresonator und dem Ausgangsspalt der Röhre nach Fig. I,

F i g. 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 Strahl nach Fig.4,

F i g. 6 den Hochfrequenzumwandlungswirkungsgrad gegen den normierten Lastleitwert für den Ausgangskreis der Röhre nach Fig. I.

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

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

Fig. 9 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Klystrons nach der Erfindung.

In Fig. I ist eine Klystronverstärkerröhre I dargestellt, die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Röhre I enthält ein System 2, das einen Elektronenstrahl 3 erzeugt, der zu einem Auffänger 4 geleitet wird, der an dem Ende des Strahls 3 angeordnet ist. Ein einspringender Eingangshohlraum 5 ist an dem slrahlaufwärtigen Ende des Strahls 3 angeordnet und wird über eine Eingangskopplungsschleife 6 durch zu verstärkende Hochfrequenzenergie angeregt. Der Hohlraum 5 enthält einen Wechselwirkungsspalt 7, der zwischen den freien Enden der einspringenden Triftröhren gebildet wird, so daß die elektrischen Felder des angeregten Hohlraums mit dem Elektronenstrahl 3 in Wechselwirkung kommen, um den Strahl gcschwindigkeitszumodulieren.

Eine leitende Triftröhre 8 umgibt den Elektronenstrahl 3 in dem Bereich, der strahlabwärts vom Eingangshohlraum 5 liegt, um einen hochfrcqucnzfcldfrcien Raum zu bilden, in dem die Elektronen mit Geschwindigkeiten hinten können, die den Elektronen durch die Geschwindigkeitsmodulation im Eingangshohlrauin 5 erteilt werden. Zusätzlich beeinflussen Raumladungskräfie. < ic in dem gebündelten Stnihl

vorhanden sind, weiterhin «-lic Hiindelung der ll
nen, während diese durch die Triftröhre 8 /ti einein folgenden, sirmiiubwiirts ungeordneten 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 11 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 11 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 M aufweist, der zwischen den freien Enden der einspringenden Triftröhren zur Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl gebildet ist. Im einzelnen regt der in der Stromdichte modulierte Elektronenstrahl den Ausgangsresonator '.3 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 and 12 sowie 12 und 13 sind Triftröhren 16 bzw. 17 vorgesehen, um zwischen diesen Hohlräumen feldfreie Triftbereiche zu bilden.

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

worin o)g die reduzierte Plasmafrequenz in rad pro Sekunde, v» die Gleichstromstrahlgeschwindigkeit und / die physikalische Länge des Triftraumes zwischen den Wechselwirkungsspaltcn 7 und 11 ist. und eine reduzierte Plasmawcllenlänge wird definiert als:

Die Verbesserung der Hiindelung entlang der abnorm langen Triftröhre 8 wird durch das Oberwellen-Raumladungsfeld erzeugt, das in dem modulierten Strahl vorhanden i«. Diese erste Oberwelle des Raumladungs-Ί leides wird verwandt, um die Hiindelung des Strahls /ti verbessern.

Anhand der Fig,2, 3 und 4 sollen nunmehr die Oberwellen-Raumladungsbündelungskräfte im ein/einen näher beschrieben werden. Im einzelnen werden

ι» durch die Geschwindigkeitsmodulation, die auf den Elektronenstrahl 3 im Eingangshohlraum 5 ausgeüb« wird, die Elektronen auf einer verhältnismäßig kurzen Länge des nachfolgenden Laufraumes gebündelt, wie in Fig. 2 dargestellt. Dieses Raumladungsbündel kann so

π 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

-'ι Oberwellen-Ranmladungskräfte, die durch eine solche Grundwelle 18 bzw. Oberwelle 19 erzeu·. werden, und wie sie durch die Pfeile dargestellt sind, wir!.en in der Nähe der Mitte des Elektronenbündels in derselben Richtung, jedoch sind sie in dem Zwischenbündelbereich

r> 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

in die Elektronen in dem Zwischenbündelbereieh 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 hineinbeweg!,

Γ) 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

4M Wechselwirkungsspalt 14 des Ausgangsresonators 13 läuft.

Fig. zeigt eine typische Anordnung der Hohlräume 5—13 für den Großsignalteil des Hochfrequenzkreises eines Klystron-Verstärkers mit hohem Wirkungsgrad.

■Γ) Im einzelnen würden normalerweise zusätzliche Grundmodus-Hohlräume ähnlich dem Hohlraum 9 strahlaul· wärts vom Hohlraum 12 vorgesehen werden, um eine zusätzliche Verstärkung zu erreichen. Solche zusätzlichen Hohlräume wurden auf verschiedene Frequenzen

ίο 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 d»*: Fig. 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 Plasiriawinkels, während die entsprechenden Laufwinkel zwischen der Mitte der Wechselwirkungsspalte 11 und W sowie W

wi und 14 der Hohlräume 60° bzw. 25^J eines reduzierten Plasmawinkels betragen.

In Fig.4 ist der Elektronenankunftsphasenwinke! in rad von 32 Bezugselektronen, die in einer ilochfrequen/periode verwandt werden, gegen den normierten Abstand in rad entlang dem Strahl durch die verschiedenen Wcchsclwirkungsspalte für die Röhre ntich F i g. I dargestellt. Der F.lektronenphasenwinkel ist in bc/iig gesetzt zu einem Bezugscleklron. das sich mi;

der (ileichspannungsgeschwindigkeit des Strahls be wcgl. und es ist ersichtlich, tinίΐ cine äußerst jjiinstιμι_- Dündclung des r.lcktnmcnstnilils um Aiisgangsspjh erliiillen wird.

In Γ i jr. ö sind die iinrmiei ten Amplituden der (irnndkomponcnte des I lochfrcquenzstiahlstromcs (Ii/L) und der ersten Oberwelle des I loelilreciiien/ stnihlstromes (I.·/L) als I iinktion des normierten Abslandes entlang dem Strahlweg dargestellt. Is lsi ersfchtlich. daß die normierlc (irnndkoniponente des Ntrahlslnimcs ein Maximum von annähernd 1.8 an dem Ausgangsspall erreicht, und dies führt zu einem verhältnismäßig hohen berechneten I Jmwandlungsvv ir kungsgrail. wie es durch die Kurve 20 in I ι g. h dargestellt ist. Aus l'ijr. b ist /ii ersehen, dal! sich der berechnete I Imwandlungsvvirkungsgrad 80% bei einem normierten l.asilciiwcri für den Ausgangsiesonaloi 15 von 1.0 annähert. Der l.asllcitwert des Ausgangsresona tors (Ίι ist be/ogen auf den (ileichstromstrahllcilvvci t (/,,. Dieser llmwandlungswirkiingsgrad. wie er in Ii g. h graphisch aufgezeichnet ist. gilt für einen Strahl, der eine Mikropervcanz von I besit/l. und der entsprechende I Imwandlungswirkiingsgrad für einen Strahl mit einer Mikropervean/ von 0.5 liegt um annähernd ¹Wn hoher, nämlich bei 85%.

Im folgenden soll Bezug auf die I i g. 7 und K genommen werden. In Γ ig. 7 ist die Anordnung von Resonatoren ftir einen Breitbandklystronverstärkci dargestellt, der den (irol.lsignal-Teil des in I i g. I gezeigten I loehfrequenzkreiscs enthält. Hei der Ausfüh ningsforni der in I·' i g. 7 dargestellten Röhre siml zwei zusätzliche frei schwingende Hohlräume, nämlich 21 und 22. vorgesehen. Die Hohlräume, die entsprechend ihrer Reihenfolge von dem strahlaufwärtigen Fnde zu dem strahlabwärtigcn Fnde mit den Zahlen 1—b bezeichnet sind, sind auf Frequenzen abgestimmt, die durch die entsprechenden Pfeile mit den Zahlen 1 — h in der graphischen Darstellung in Γ i g. 8 bezeichnet sind, so daß die Röhre bei einer Mittelfrequenz von annähernd 12.20OMIIz arbeitet. Die l.aufwinkcl zwischen den Mittelpunkten der Wcehselwirkungsspalte aufeinanderfolgender Resonatoren sind in Fig. 7 mit 60.60.120.90 bzw. 30 dargestellt, wie es aus der Darstellung der F i g. 7 zu ersehen ist. Die ζζ-Wcrte für die jeweiligen Hohlräume sind in der graphischen Darstellung der Γ i g. 8 angegeben, und aus dieser Darstellung ist zu ersehen, daß die beiden Hohlräume 9 [ind 12. die dem vierten und fünften Resonator entsprechen, ein verhältnismäßig hohes belastetes C* von 850 aufweisen, und daß sie auf Frequenzen abgestimmt sind, die wesentlich höher als die obere Bandkanlcnfrequcnz des [3urchlaßbandes der Röhre sind, wobei die Bandkanlcnfrequcnzen 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 l'requen/bandkantcnfrcquenz und beträchtlich unter der Mittclfrcqucnz des Durchlaßbartdesf der Röhre liegt. Der Hingangs- und der At/gangsrcsonator. der mit 1 bzw. 6 bezeichnet ist. sind auf ! requenzen innerhalb des Durchlaübandes der Röhre abgestimmt. Mine Liste für die typischen Ikrmessiingsparameter einer Röhre der in I i g. 7 L'czei'jlcn Art ist unten in Tabelle I /usamnienjrcslclh.

labellc I

Zusammenstellung von De messungspar an«-lern

I requenz	Iz ?( .11/
Handbreite ( idli Minimum)	40 MII/
Sirahlspanniing	12.1 kV
Strahlsirom	0.66 A
Stiahlperveanz	0.3 10 ' Λ
Strahlqucrschnitlskoiivergenz	100 : I
Kiilhodenbelasiung (Maximum)	2 A/cm
kathodcndu abmesse ι	0.787 cm
Zahl der I lohlräiime	h
(H,tJQ)dcr frei schwingenden
I lohlräume (geschätzt)	I lOOhm
(K.iJ Q)UCS Ausgangshohl rau ines
(geschätzt)	100 Ohm
l.aufwinkel der Wechselw irkiings
spalte:
frei schwingende Hohlräume	1.0 rad
Ausgangshohl raum	0.7 rad
I .auge der Wechselw irkungsspalte:
frei schwingende Hohlräume	0.0Hi Uli
Ausgangshohlraum	().()")« cm
Normierter Tunnelradtiis ;·.	0.7 rail
i iinneldurehmesser 2,/	0.1 It cm
Strahlfüllungsfaktor, h ,ι	0.6h
l.aiifwuikcl f
,',/■ :	W)
.U :	60
	120
,i„/.	40
,U-	50
Triitwege:
	1.290 cm
/ -ι	1.290 cm
/ :	2.578 cm
/:.	1.9 52 cm
/,.	0.61") cm
Cicsanil-CM aktor der I lohlräume:
Cf ingang	200
Q:	200
	300
Q--	850
Q.	850
Q^j,,-	180
Hohlraumabstim mti ng:
/■	12.181 MHz
/'.	12.222MHz
/■■	12.171 MHz
/',	12.266 MHz
r,	12.283 MHz
	12.200MHz

Magnetisches Fokussicrungsfcld (2.5 · Brillouin Feld; 4000Gauss.

In Fig. 9 ist eine andere Klystron-Ausführung nach der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform ist in· wesentlichen dieselbe wie die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform mit der Ausnahme, daß lediglich eir einziger frei schwingender Hohlraum 9 zwischen den Fingangshohlraum 5 und dem Ausgangshohlraum 11 verwandt wird. Der I.aufraum zwischen der Mitte de« Wcchsclwirkungsspaltes 7 des F.ingangsrcsonators i und dem Wcchsclwirkungspall des Hohlraumes 9 isi größer als 90 des reduzierten Plasmawinkcls. und clk Lauflänge zwischen dem Wcchsclwirkungsspalt 11 ir dem Hohlraum 9 und dem Wechsclwirkunpsspall 14 ir

dem Ausgnngsrcsonalor Il beträgt 35 des reduzierten Plnsniii wiiikcls.

Hei allen Ausführimgsfoimen der Γ ig. 1. 7 und 9 sind die Resonatoren alle auf einen (iriindresonan/modns in der Nähe des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt. Hin Vorteil der vorliegenden l>findimg besteht darin, dal! eine Oberwcllenbündelung mit Hohlräumen erreicht werden kann, die auf eine Grundresonanz in der Nähe des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt sind im (jegcnsatz zu der bekannten Röhre, bei der ein Oberwellen-Resonator verwandt wurde, der auf cnen (iriinclresonanzmodus bei der ersten Oberwelle des DiirchliilJbiindcs abgestimmt werden mußte. Bei l-'requen/en über dem .V-Band wird ein übermäßiger Teil

des Volumens eines Oberwellen-Hohlraumes durch den Strahl eingenommen.

Eis ist nicht erforderlich, daß die Resonatoren, die bei den erfindungsgemäßen Röhren verwandt werden, einspringende Hohlraumresonatoren sind. Fs können auch andere Arten von Resonatoren verwandt werden, wie etwa wendelförmigc Resonatoren mit verteiltem F-'cld (wobei entweder Resonatoren mit einer einzigen Wendel oder Resonatoren mit einer über Kreuz gewickelten Wendel verwandt werden können). Weiterhin kann der Ausgangsresonator 13 /. B. eine Verzögerungsleitung oder einen verlängerten Wcchselwirkungskreis enthalten, der durch mehrere miteinander gekoppelte I lohlraumrcsonatoren gebildet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichiiuime

Claims (9)

1. Paten tansprüehe:

   |. Mehrkammer-Klystron mit einem Eingangsresonator, 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 isl als 90" des reduzierten Plasmawinkels.
2. 2. Klystron nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Laufraum kurzer ist als 150° des reduzierten Plasmawinkels.
3. 3. Klystron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Laufraum annähernd 120° des reduzierten Plasmawinkels lang ist.
4. 4. Klystron nach Anspruch I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei frei schwingende Resonatoren strahlabwärts von dem genannten Laufraum vorgesehen sind.
5. 5. Klystron nach einem der .Ansprüche ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder frei schwingende Resonator strahlabwärts von dem genannten Laufraum auf eine Frequenz höher als die obere Bandkantenfrequenz 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 Mitte.(frequenz des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt ist.
8. 8. Klystron nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Laufräumc kurzer als 90° des reduzierten Plasmawinkels sind.
9. 9. Klystron nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren einspringende Hohlraumresonatoren sind.