DE2146394A1

DE2146394A1 - Verfahren fur den stabilen Betrieb einer Rohre mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen und dazu geeignete Rohre

Info

Publication number: DE2146394A1
Application number: DE19712146394
Authority: DE
Inventors: Bertram Gordon Redwood City Cahf James (V St A )
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1970-11-16
Filing date: 1971-09-16
Publication date: 1972-05-18
Also published as: GB1372093A; US3668460A; FR2109813A5

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT

D - 8 MÖNCHEN 60 THEODOR-STORM-STRASSE 18a V1 P304 D

VARIAN ASSOCIATES PaIo Alto, California, USA

Verfahren für den stabilen Betrieb einer Röhre mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen und dazu geeignete Röhre

Zusatz zu Patent... (Patentanmeldung P 21 3Θ 799.5)

Priorität« 16. November 1970, USA, Ser. Nr. 89 670

Zusammenfassung s

33s wird eine Röhre mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen mit koalisierten Modi beschrieben. Die Verzögerungsleitung der Röhre wird aus einer Folge von Hohlraumresonatoren gebildet, die über Koppelschlitze miteinander gekoppelt sind« Die Koppelschlitze sind so bemessen oder abgestimmt, daß ihre Resonanzfrequenz la wesentlichen bei der Frequenz der oberen Bandkante des Hohlraummodus liegt, um die Frequenzen des Schlitzmodus und des Hohlraummodus an der Bandkante zu koalisieren, so daß das Durchlaßband der Leitung vergrößert v/ird. Wenigstens zwei Sätze solcher Koppelschlitze sind in der ganzen Leitung vorgesehen· Jeder Schlitzsatz ist so

ORIGINAL INSPECTED

209821/0546 —

2U6394

angeordnet, daß die Schlitzzentren im wesentlichen in einer Linie ausgefluchtet sind, die im wesentlichen parallel zur Strahlachse liegt. Durch die Verwendung von mehreren Schlitzsätzen wird die Schlitzimpedanz der Leitung erheblich herabgesetzt, so daß die Betriebsbandbreite der Leitung im Vergleich zu einer Leitung mit nur einem Satz aus ausgefluchteten Koppelschlitzen erheblich vergrößert wird.

Ausgangspunkt der Brfind»Tipri

Bei einem Verfahren für den stabilen Betrieb einer Röhre nach dem Hauptpatent, und der dazu geeigneten Röhre, war ein einziger Satz ausgefluchteter Koppelschlitze vorgesehen, mit denen die Hohlräume der Leitung gekoppelt wurden, um eine Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen zu bilden. Die Koppelschlitze dieses einzigen Satzes waren auf die Frequenz der oberen Bandkante des Hohlraummodus abgestimmt, um den Schlitzmodus und den Hohlraummodus zu koalisieren, um damit dia Betriebsbandbrcito der Röhre zu vergrößern.

Bei der Röhre nach dem Hauptpatent wurde eine Betriebsbandbreite bei einer Arbeitsfrequenz von 16 GHz von 3 5$ erreicht. Es ist jedoch erwünscht, die Bandbreite der Röhre auf einen höheren Wert zu verbreitern, etwa 10 SS.

Zusammenfassung der Erfindung»

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Röhre mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen nit koalisierten Kodi verfügbar gemacht werden.

Srfindungsgemäß werden in einer solchen Röhre wenigstens zv/ei Sätze von in einer Linie ausgefluchteten Koppelschlitzen vorgesehen, mit denen die aufeinanderfolgenden Hohlräume der Verzögerungsleitung gekoppelt werden, so daß die Schlitz-

209821/05Λ6

2U6394 - 3 -

impedanz im Vergleich mit einer Röhre mit nur einem Satz von in einer Linie ausgefluchteten Koppelschlitzen erheblich verringert wird, wodurch die Betriebsbandbreite der Röhre erheblich vergrößert wird.

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung liegen die beiden Sätze von in einer Linie ausgefluchteten Koppelschlitzen auf verschiedenen Seiten des Strahls.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 schematisch, teilweise als Blockschaltbild, teilweise als Schemazeichnung und teilweise als schematischer Schnitt eine Mikrowellenröhre nach dem Hauptpatent;

Fig. 2 ein w- β -Diagramm zur Veranschaulichung des Durchlaßbandes der Leitung für den Hohlraummodus» den Schlitzmodus und koalisierte Hohlraue- und Schlitz-Modi;

Fig· 3 die normierte Frequenz aufgetragen über der Phasenverschiebung pro Hohlraum zur Veranschaulichung der Dispersionskennlinie von Verzögerungsleitungen mit ausgefluchtet koalisierten Modi für verschiedene Schlitz-Impedanzen;

Flg. 4 die Wechselwirkungsspaltimpedanz Z aufgetragen über der Phasenverschiebung pro Hohlraum zur Veranschaulichung der Kennlinien einer Leitung mit koalisierten Modi in Abhängigkeit von der Schlitzimpedanz;

Fig. 5 eine perspektivische Schemazeichnung einer

Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen nach der Erfindung; und

209821/OS4 6

2U6394

Flg. 6 eine Ansicht einer Hohlraumendwand für eine Leitung mit gekoppelten Hohlräumen nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Mikrowellenröhre 1 mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen nach dem Hauptpatent dargestellt. Ein Blektronenstrahlerzeugungssystem 2 bildet und projiziert einen Elektronenstrahl 3 über einen länglichen Strahlweg zu einem Strahlauf fänger 4 am Ende des Strahlweges 3. Die Verzögerungsleitung 5 aus gekoppelten Hohlräumen ist längs des Strahlweges zwischen dem Slektronenstrahlerzeugungssystem 2 und dem Auffänger 4 angeordnet und steht in kumulativer elektromagnetischer Wechselwirkung mit dem Strahl, so daß eine wachsende Schwingung auf der Leitung erzeugt wird, die als Ausgangssignal ausgekoppelt v;ird.

Die Verzögerungsleitung 5 aus gekoppelten Hohlräumen weist eine Anzahl Hohlraumresonatoren 6 auf, die aufeinanderfolgend längs des Strahlweges angeordnet sind. Benachbarte Hohlräume 6 sind mit Koppelschlltzcn 7 iiltoln&ndcr gekoppelt« die in der gemeincoDon Fcnd zwischen den boncchb&rtcn Hohlräumen vorgesehen sind. Zu verstärkende Eingangsschwingungsenergie wird dem strahlaufwärtigen Hohlraum 6 Über einen Eingangs-Hohlleiter 6 zugeführt, der mit dem strahlaufwärtlgen Hohlraum 6 über eine Koppelblende 9 in Verbindung steht. Die auf die Verzögerungsleitung 5 gekoppelte Schwingungsenergie wandert durch die Leitung, so daß sie in kumulative elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Strahl tritt, um eine wachsende Schwingung auf der Leitunc zu erzeugen. Die verstärkte Schwingungsenergie wird am strahlabwärtlgen Snde der Verzögerungsleitung 5 über einen Ausgangehohlleiter 11 ausgekoppelt, der mit dem strehlabwärtigen Hohlraum 6 über eine Ausg&ngsblende 12 gekoppelt ist. Die Ausgangsenergie wird über Hohlleiter 11 an eine nicht dargestellte geeignete Last gekoppelt, beispielsweise einer Antenne. Bei einem

209821/0546

2U6394 - 5 -

typischen Ausführungsbeispiel arbeiten die Verzögerungsleitung, der Auffänger und die Anode des Strahlerzeugungssystems auf Massepotential, während der Kathodenemitter des Strahlerzeugungssystems 2 impulsweise oder deuernd auf einem negativen Potential arbeitet, auf dem er mit einer geeigneten Stromversorgung gehalten wird, beispielsweise einem Impulsgeber 3» der die Strahlspannung liefert.

In Fig. 2 ist die Dispersionskennlinie für die Verzögerungsleitung 5 nach Fig. 1 mit gekoppelten Hohlräumen und koalisiertem Modi dargestellt. Die Koppelschlitze 7 sind jeweils auf eine Frequenz abgestimmt, die mit der Frequenz der oberen Bandkante des Modus der gekoppelten Hohlräume der Leitung zusammenfällt. Bei der Leitung mit koalisierten Modi sind die geometrischen Mittelpunkte der Koppelschlitze 7 alle axial im wesentlichen mit einer Linie parallel zur Achse des Strahlweges und auf einer Seite desselben ausgefluchtet. In einem typischen Ausführungsbeispiel hat der Schlitzmodus eine Dispersionskennlinie gemäß Kurve 14 in Fig. 2, während der Modus der gekoppelten Hohlräume eine Dispersionskennlinie gemäß Kurve 15 hat» Wenn die Resonanzfrequenz der Schlitze jedoch mit der Frequenz der oberen Bandkante des Hohlraummodus zusammenfällt, koalisieren die beiden Modi, so daß sich ein zusammengesetzter koalisierter Modus ergibt, der durch Kurve 16 angedeutet ist.

Eine Leitung mit koalisierten Modi hat eine erheblich breitere kalte Bandbreite für die zweite Raumharmonische als eine Leitung aus nichtkoalisierten gekoppelten Hohlräumen. Darüber hinaus sind unerwünschte Bandkantenschwingungen, die bisher in der Nähe der Frequenz der oberen Bandkante des nichtkoalisierten Modus gekoppelter Hohlräume bei einer Leitung mit koalisierten Modi beseitigt.

Γη Figuren 3 und 4 sind die Dispersionskennlinie einer ausgefluchteten koalisierten Verzögerungsleitung und die Spalt-Impedanz-Kennlinie solcher Leitungen in Abhängigkeit von der

2098?1/0546 BAD ORH3.NAL

2U6394

gesamten Schlitzimpedanz pro Hohlraum der Verzögerungsleitung dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Schar von Dispersions« kennlinien für die ausgefluchtete koalisierte Leitung mit Schlitzimpedanzen pro Hohlraum zwischen 1 Ohm und 1 Megohm. Bei einer typischen Mikrov;ellenröhre kann die Spaltimpedanz zwischen 700 und 1000 0hm variieren» und zur Erzielung einer großen Bandbreite 1st es erwünscht, mit einer so kleinen Schlitzimpedanz pro Hohlraum zu arbeiten wie praktisch möglich. . .

Bei der Leitung aus gekoppelten Hohlräumen mit koalisierten Modi nach Flg. 1, betrug die niedrigste praktisch brauchbare Schlitzimpedanz pro Hohlraum größenordnungsmäßig 1000 0hm, wenn die Röhre in einem Frequenzband mit einer Mittenfrequenz von etwa 35 GHz arbeiten sollte. Es wäre erwünscht, die Schlitzimpedanz pro Hohlraum erheblich zu verringern, um eine größere Bandbreite der Leitung zu erhalten, während gleichzeitig die Phasenverschiebung pro Hohlraum so hoch wie möglich gehalten v/erden soll, um eine Leitung mit relativ hoher Wärmekapazität zu erhalten.

Es wurde festgestellt, daß, wenn zwei Sätze Koppelschlitze vorgesehen werden, die in Längsrichtung der Röhre verlaufen, die Schlitzimpedanz pro Hohlraum um einen Faktor 4 herabgesetzt werden kann, das heißt von 1000 auf 2AO Ohm, so daß die Bändbreite der Röhre von etwa 3 '/> auf etwa 1φά im Ka-Band, dessen Mittenfrequenz bei 35 GHz liegt, heraufgesetzt werden kann. Jeder Satz Koppelschlitze ist ausgefluchtet, das heißt die geometrischen Zentren der Schlitze in einander gegenüberliegenden Hohlraumstirnwänden liegen auf einer geraden Linie, die im allgemeinen parallel zur Strahlachse ist. Bin Schlitzsatz ist auf einer Seite des Strahls angeordnet, und der andere Schlitzsatz auf der gegenüberliegenden Seite des Strahls. Dieser Aufbau ist in Fig. 5 dargestellt, wo ein erster Satz aus ausgefluchte-

209821/0646

2U6394 - 7 -

ten Koppelschlitzen bei 7 angedeutet ist und der zweite Satz aus ausgefluchteten gekoppelten Schlitzen bei 18.

Zh Fig. 6 ist eine Aufsicht auf eine gemeinsame Wand zwischen benachbarten gekoppelten Hohlräumen 6¹ mit Koppelschlitzen darin dargestellt. Bei dieser AusfUhrungsform haben die Hohlräume 6» rechteckigen Querschnitt, im Gegensatz zum kreisförmigen Querschnitt nach Fig. 5» und die Koppelschlitze 18· sind geradlinig, und nicht gekrümmt wie in Fig. 5. Bei einem typischen Ausfuhrungsbeispiel einer Leitung mit gekoppelten Hohlräumen und koalisierten Modi, in der zwei Satz Koppelschlitze zum Betrieb bei 35 CrKz mit einer Betriebsbandbreite von etwa 10 % verwendet werden, sind die Koppelschlit2e 7* und 18* Jeveils 4,07 mm (0,160 ") lang und haben eine Höhe von 0,3C mm (0,015 ⁿ) und die Hohlräume 6* haben eine Höhe h von 5 »50 mm (0,216 ") und eine Breite w von 5,08 mm (0,200 ⁿ). Der Abstand zwischen benachbarten Endwänden in Axialrichtung der Hohlräume C^f beträgt etwa 0,122 mm (0,048 ⁿ). Es wird ein Betrieb mit einer Phasenverschiebung pro Hohlraum von etwa 1,5 bis 1,6T rad. erreicht.

Die Leitung mit ausgefluchtet gekoppelten Hohlräumen nach Fig. 5 und 6 ist zwar zur Vorwärtswellenwechselwirkung in einer Wanderfeldröhre gedacht, die mit einer Phasenverschiebung pro Periode zwischen 1,5Tund 1,6iT rad. arbeitet, kann jedoch zveckmäöigerweise auch als Ausgangsleitung einer Hybridröhro verwendet werden, in der eine Folge von Klystron-Btindelungskohlräumen verwendet wird, der eine Leitung mit ausgefluchteten gekoppelten Hohlräumen nach Fig. 5 oder 6 als Au&gangsleltung folgt.

- Ansprüche 209821/0546

Claims

V1 P304 D Patentansprüche

1.' Verfahren zum stabilen Botrieb einer Röhre mit einer Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen, die nit kumulativer elektromagnetischer !Wechselwirkung mit dem Strahl im Bereich von 1,o1Tbis 2_foTrad Phasenverschiebung pro Perioda der Verzögerungsleitung arbeitet, und bei dem die Koppelschlitze zwischen benachbarten Hohlrcumresonatoren der Leitung auf einen Schlitz-Resonanzmodus abgestimmt v/erden« der im wesentlichen bei der Frequenz der oberen Bandkante des Hohlraummodus-Durchlaßbandes der Verzögerungsleitung liegt, um die niederfrequente Kante des Durchlaßbandes des Schlitzmodus mit der höherfrequenten Durchlaßbandkante des Hohlraum-Qodus zu koalisieren,, so daß die Breite des Durchlaßbandes der zusaiamengesetzten Verzögerungsleitung erheblich vergrößert vird und das Sperrfrequenzband zwischen den Hohlraum- und Schlitz-Fortpflanzungsmodl beseitigt t.'ird, nach Patent«.. (Patentanmeldung P 21 3G 799· 5) dadurch gekennzeichnet, daß zwei Satz Koppolschlitze in gegenüberliegenden EndwMnden der gekoppelten Hohlräume angeordnet werden, und zwar jeder' Koppelschlitzsatz auf einer anderen Seite des Strahlweges derart, daß er im wesentlichen in einer Ebene liegt, die durch die Achse des Strahls und die geometrischen Zentren der Koppelschlitze definiert ist.

2 ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Zentren jedes Satzes Koppelschlitze im wesentlichen in einer geraden Linie ließon_r die

nilgemein

209821/OM 6

2U639A - 9 -

parallel zur Strahlachse auf einer Seite des Strahlwegss liegt.

3. Mikrowellenröhre zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Strahlerzeugungseinrichtung, einer Verzögerungsleitung aus einer Reihe von Hohlraumresonatoren, die längs des Strahlweges angeordnet sind und mit einer Reihe von Schwingungsenergie-Koppelschlitzen gekoppelt sind, die in den gemeinsamen Endwänden von Kohlraumresonatoren angeordnet sind, so daß eine Verzögerungsleitung mit einem Hohlraummodus-Durchl&ßfrequenzband und einem Schlitzmodus-DurchlaßfrGquenzband gebildet wird, bei der die Schlitze relativ zu den Dimensionen der Hohlraumresonc.toren so dimensioniert sind, daß ihre Resonanzfrequenz im wesentlichen bei der oberen Bandkantenfrequenz des Hohlraummodus liegt, um die hochfrequente Bandkante des Hohlraummodus mit der niederfrequenten Bandkante des Schlitzmodus zu koalisieren, um die Breite des Durchlaßbandes für die zusammengesetzte Verzögerungsleitung zu vergrößern, dadurch gekennzeichnet , daß die Koppelachlitze wenigstens zwei Sätze Schlitze bilden, von denen jeder in gegenüberliegenden Bndwänden jedes Hohlraums derart angeordnet ist, daß die geometrischen Zentren eines Schlitzsatzes auf einer Seite des Strahlweges liegen und im wesentlichen in einer Sbene, die durch die Achse des Strahlweges und die Zentren der Koppelschlitze definiert ist, so daß die gesamte Schlitzimpedanz für jeden gekoppelten Hohlraum erheblich verringert ist, um die Betriebsbandbreite der Röhre im Vergleich mit einer Röhre HiIt nur einem Satz ähnlicher Koppelschlitze erheblich zu vergrößern.

4* Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß bei jedem Satz Koppelschlitze die geometrischen

209821/0546

Zentren der Koppelschlitze im wesentlichen in einer geraden Linie liegen, die im allgemeinen parallel zur Strahlachse auf einer Seite derselben liegt.

2Q93P1/0546