DE2160082A1 - Höchstfrequenz-Tetrode - Google Patents

Description

THOMSON - CSF
173, Bd. Haussmann
Paris 8e /Frankreich

Unser Zeichen; T 1119

Höchstfrequenz-Tetrode

Die Erfindung "betrifft Elektronenröhren, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, insbesondere Röhren vom Tetrodentyp, die sich durch eine hohe Leistungsverstärkung auszeichnen.

Diese bei sehr hohen Frequenzen arbeitenden Röhren machen grundsätzlich von koaxialen Hohlräumen Gebrauch. Die Elektroden dieser Röhren sind in den meisten Fällen durch koaxiale Zylinder gebildet, welche die Rolle der Katode, des Steuergitters, des Schirmgitters und der Anode spielen; sie setzen sich in Koaxialleitungen fort, die grundsätzlich von koaxialen Zylindern gebildet sind, zwischen denen koaxiale Hohlräume bestehen, beispielsweise der Eingangshohlraum und der Ausgangshohlraum der Röhre.

Es ist jedoch bekannt, daß die Erzielung einer hohen Leistungsverstärkung dazu führt, daß für diese Röhren die

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Lei/Gl

sogenannte "Katodenbasisschaltung" (Katode an Masse) angewendet wird; bei dieser Verwendung bewirkt die Eingangsleistung nur die Steuerung des GitterStroms.

Bei den allgemein angewendeten Tetrodenröhren ist jedoch, falls nicht besondere Abänderungen in der Reihenfolge der inneren Anschlüsse der Elektroden getroffen werden, wie später noch angegeben wird, nur der Betrieb in der sogenannten "Gitterbasisschaltung" möglich, bei der die Eingangsleistung den gesamten Katodenstrom steuern muß. Eine einfache Erklärung hierfür kann durch die Analyse der elektrischen Spannungen gegeben werden, die bei der üblichen Schaltung, d.h. der "Gitterbasisschaltung" auftreten.

Es ist bekannt, daß das Ersatzschaltbild einer bei Höchstfrequenzen arbeitenden Tetrode in "Gitterbasisschaltung" einen Serienwiderstand im Katodenkreis enthält. Wenn man die Katode als Bezugspunkt für das Hochfrequenzpotential wählt, haben alle übrigen Elektroden (Steuergitter, Schirmgitter, Anode) ein von Null verschiedenes Hochfrequenzpotential in Bezug auf die Katode.

Eine bekannte Lösung für die Erhöhung der leistungsverstärkung einer Tetrode besteht, wie bereits zuvor erwähnt, darin, daß die Anordnung der Elektrodenanschlüsse so geändert wird, daß die "Katodenbasisschaltung" ermöglicht wird, bei welcher der Widerstand des Ersatzschaltbildes im Gitterkreis der Röhre liegt und demzufolge ein Hochfrequenz-Kurzschluß zwischen der Katode und dem Schirmgitter besteht. Diese Änderung kann im Innern der Röhre durch Kreuzen des Katodenanschlusses und des Steuergitteranschlusses erfolgen, jedoch mit dem Nachteil, daß eine Begrenzung der nutzbaren Frequenzen nach oben eintritt,

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wobei diese Begrenzung durch Streukopplungen und Vergrößerungen der von den Anschlüssen eingeführten Induktivitäten verursacht wird. Die Änderung kann auch außerhalb durch einen besonderen Aufbau der Röhre mit zwei Enden vorgenommen werden, wodurch zwar die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden können, jedoch ein abnehmbarer Hohlraum für das Einbringen und Entnehmen der Röhre erforderlich wird. Eine dritte Möglichkeit zur Vornahme dieser Änderung besteht darin, daß das Steuergitter an einem Träger aufgehängt wird, der durch die zylindrische Katode hindurchgeführt ist, wobei dann die zuvor angegebenen Nachteile nicht auftreten; die sich daraus ergebende außerordentlich große länge der Leitung des Eingangskreises im Innern der Röhre hat jedoch eine merkliche Verringerung der nutzbaren Bandbreite infolge einer später noch erläuterten physikalischen Erscheinung zur Folge.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Höchstfrequenz-Tetrode, die in "Katodenbasisschaltung" verwendbar ist, damit eine beträchtliche Leistungsverstärkung erhalten wird, bei der jedoch die zuvor angegebenen Nachteile durch eine geeignete Montage des Schrimgitters vermieden werden. Zu diesem Zweck ist das Schirmgitter an einem durch die Katode hindurchgeführten Träger aufgehängt und mit den Hochfrequenzkreisen der Röhre über zwei Anschlüsse verbunden. Der eine Anschluß bildet einen Bestandteil der Austrittsleitung, wodurch der Austritt der verstärkten Höchstfrequenzenergie ermöglicht wird, und er bildet außerdem eine wirksame Abschirmung zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen; der andere Anschluß ermöglicht die Erfüllung der für die gesuchte betriebsweise erforderlichen Bedingung, indem er die Ausbildung eines Hochfrequenzpotentials gewährleistet, das in Bezug auf die Katode Null ist.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; darin zeigen:

Fig. 1 die sehematische Darstellung einer bei sehr hohen

Frequenzen arbeitenden Tetrode bekannter Art und Fig. 2 eine Höchstfrequenz-Tetrode nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die schematische Ansicht einer Tetrode bekannter Art, die bei sehr hohen Frequenzen in Katodenbasisschaltung (Katode an Masse) arbeitet; dieses Schema, in dem die Abmessungen nicht der Wirklichkeit entsprechen, ist nur als Beispiel für den Stand der Technik angegeben.

Die Tetrodenröhre enthält vier zylindrische Elektroden: eine Katode 1, ein Steuergitter 2, das an einem Ende an einem Mittelträger 5 aufgehängt ist, der als Gitteranschluß dient; ein zweites Gitter 3, das Schirmgitter genannt wird; und eine Anode 4.

Die Resonanzhohlräume der Röhre sind durch die zylindrischen Ringräume 6, 7, 8 gebildet, die durch leitende Wände (z.B. 103) geformt werden, die sich an die Elektroden 2, 1, 3, 4 anschließen und koaxiale Zylinder bilden. Diese leitenden Enden sind an den Elektroden über Kragen (z.B. 101) befestigt und ermöglichen den Übergang von den kleinen Elektrodenabständen auf die für den richtigen Betrieb der Hohlräume erforderlichen Abstände zwischen den Wänden.

In Fig. 1 sind die für die Abdichtung des die Elektroden enthaltenden evakuierten Kolbens erforderlichen Teile nur sehr schematisch dargestellt; dies sind beispielsweise Keramikringe, welche die Hohlräume etwa auf der Höhe der Kragen verschließen.

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In den Hohlräumen 6, 7 und 8 sind ringförmige Kolben 16, . 17 bzw. 18 beweglich angeordnet. Nicht dargestellte Vorspannungseinrichtungen klassischer Art ermöglichen das Anlegen der erforderlichen Gleichspannungen an die verschiedenen Elektroden. Elektrisch isolierende Teile 102, beispielsweise Glimmerringe, dienen zur gleichspannungsmäßigen Isolierung der sich an die Kragen (beispielweise 101) anschließenden zylindrischen leitenden Wände (z.B. 105).

Der Eintritt und der Austritt der Höchstfrequenzenergie erfolgt über Höchstfrequenzkoppler 10 bzw. 11.

Eine solche Vorrichtung arbeitet in folgender Weise:

Der Eintritt der Höchstfrequenzwellen in die Röhre erfolgt über den Koppler 10 in den Hohlraum 6 zwischen der Katode 1 und dem Steuergitter 2; der Austritt der Wellen erfolgt über den Koppler 11 aus dem Hohlraum 8 zwischen dem Schirmgitter 3 und der Anode 4. Die Kolben 16 und 18 dienen zur Abstimmung des Eingangshohlraums bzw. des Ausgangshohlraums.

Die Katodenbasisschaltung wird durch die besondere Ausbildung der Anschlüsse des Steuergitters 2 im Innern der Röhre ermöglicht: Mit Hilfe des Kolbens 17 kann nämlich ein Höchstfrequenz-Kurzschluß zwischen der Katode 1 und dem Schirmgitter 3 hergestellt werden. Auf diese Weise ist die Ausbildung der"Katodenbasisschaltung" nicht von den üblichen Nachteilen begleitet, wie Streukopplungen oder Notwendigkeit der Demontage der Hohlräume beim Einsetzen der Röhre.

Die große Länge des Eingangskreises für die Höchstfrequenzwellen, der von dem Hohlraum 6 und seiner Verlängerung zwischen den Elektroden bis zu dem Wechselwirkungsraum 100 zwischen den Höchstfrequenzwellen und dem von der Katode 1

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erzeugten Elektronenbündel gebildet ist, ergibt jedoch eine Beschränkung der Bandbreite wegen der folgenden Erscheinung: Die Abstimmung des Eingangskreises, die mit Hilfe des Kolbens 16 erfolgt, beispielsweise auf den λ/4-Betrieb, kann nur für große Wellenlängen λ realisiert werden, d.h. für verhältnismäßig niedrige Frequenzen, weil keine Möglichkeit besteht, daß der Kolben 16 in das Innere der Tetrodenröhre selbst eindringen und beispielsweise die gestrichelt angedeutete Stellung 19 einnehmen kann. Es kann dann eine Betriebsart höherer Ordnung angewendet werden, die es er— möglicht, daß der Kolben 16 eine realisierbare Stellung einnimmt, doch geschieht dies zum Nachteil der Bandbreite,die beispielsweise im 4 \ -Betrieb etwa um den Faktor 4 verringert ist.

Pig. 2 zeigt eine Tetrode nach der Erfindung, die bei sehr hohen Frequenzen mit einer großen Bandbreite arbeiten kann.

Die Zuführung der Gleichspannungen zu den verschiedenen Elektroden der Tetrode erfolgt in ähnlicher Weise wie bei der Röhre von Fig. 1; die hierfür erforderlichen Teile sind gleichfalls nicht dargestellt, weil sie dem Fachmann keine besonderen Schwierigkeiten bieten.

Die Anordnung der vier Elektroden selbst entspricht derjaiigen von allen Höchstfrequenz-Tetroden, beispielsweise derjenigen von Fig. 1.

Eine Anode 24 von im allgemeinen zylindrischer Form umschließt den dichten evakuierten Kolben 20, in dem die drei anderen Elektroden angeordnet sind: die Katode 21, das Steuergitter 22 und das Schirmgitter 23. Dagegen sind die Anschlüsse dieser Elektroden und.die Hohlräume der Röhre in einer besonderen Weise ausgebildet.

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An alle Elektroden schließen sich auf der gleichen Seite Wände von itn allgemeinen zylindrischer Gestalt an, die den Anfang der Hohlräume der Röhre bilden und den Kragen 101 von Pig. 1 entsprechen. Ringe 44 aus einem mechanisch widerstandsfähigen und elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Keramik, sind hermetisch zwischen diesen Wänden so angebracht, daß sie den dichten Verschluß des evakuierten Kolbens 20 und zugleich die elektrische Isolierung der Elektroden gewährleisten.

An die Resonanzhohlräume schließen sich außerhalb des evakuierten Röhrenkolbens 20 leitende zylindrische Wände an, die denjenigen von Pig. 1 entsprechen und ebenfalls gleichspannungsmäßig durch Isolierringe 104, beispielsweise aus Glimmer, von den Elektroden isoliert sind.

In Fig. 2 sind zwei zylindrische Wände 105 und 106 mit der Katode 21 verbunden. Sie sind hinsichtlich der Hochfrequenz gleichwertig und dienen einfach zum Anlegen einer schwachen Heizspannung an die beiden Enden eines zylindrischen Gitters 110, das zur Heizung der Katode auf dieser angebracht ist.

Erfindungsgemäß ist das Steuergitter 22 durch eine zylindrische Wand 108 verlängert, während das Schirmgitter 23 von einem zylindrischen Träger 25 getragen wird, der durch die Katode 21 hindurchgeführt ist und elektrisch leitende Wände hat, die einen der beiden Anschlüsse bilden, über welche das Schirmgitter 23 an die äußere Schaltung angeschlossen ist. An diesem zylindrischen Träger ist ein gleitender Zylinder 109 befestigt. Der andere Anschluß des Schirmgitters ist durch die zylindrische Wand 107 verlängert.

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Die Anode 24 ist durch die zylindrische Wand 103 verlängert.

Diese neuartige Anordnung der Elektrodenanschlüsse und die entsprechende Ausbildung der zugeordneten Hohlräume ermöglicht eine sehr vorteilhafte "Verwendung dieser Tetrode in "Katodenbasisschaltung" durch Abstimmung der Hohlräume mit Hilfe von ringförmigen Kolben 111, 112, 113, 114, die in den Hohlräumen derart verstellbar sind, daß sie die Einstellung ihrer elektrischen länge ermöglichen.

Die Höchstfrequenzenergie wird an das Steuergitter 22 bei-" spielsweise mit Hilfe einer Kopplungsschleife angelegt, die in den Eingangshohlraum eingeführt ist, der von den Wänden 105 und 108 und von deren Verlängerungen zur Katode bzw. zum Steuergitter hin gebildet wird.

Diese Koppiungsschleife ist in Fig. 2 nicht sichtbar, weil diese ein Schnitt in einer Ebene ist, welche diese Schleife nicht enthält; sie liegt nämlich an einer Stelle des Röhrenumfangs, an der sich keine Kolbenstangen befinden, die in Pig. 2 sichtbar sind. Die Einstellung des Kolbens 113 ermöglicht in an sich bekannter Weise die Abstimmung des Eingangshohlraums .

Der Röhrenausgang wird durch eine Kopplungsschleife 120 gebildet, die in den Austrittshohlraum der Röhre eingeführt ist, der von den Wänden 107 und 103 begrenzt ist und sich zum Schirmgitter 23 und zur Anode 24 hin fortsetzt. Die Abstimmung dieses Hohlraums erfolgt durch den Kolben 111.

Die "Katodenbasisschaltung" wird einfach dadurch erhalten, daß der Kolben 114» der in dem von den Wänden 106 und 109 und ihren Verlängerungen abgegrenzten Hohlraum beweglich ist,

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so eingestellt wird, daß ein Höchstfrequenz-Kurzschluß zwischen der Katode 21 und dem Schirmgitter 23, d.h. zwischen der Katode und den Wänden des zylindrischen Trägers 25 gebildet wird.

Schließlich wird ein Kolben 112, der in dem von den Wänden 107 und 108 und ihren Verlängerungen zum Schirmgitter 23 und zum Steuergitter 22 hin begrenzten Hohlraum beweglich ist, so eingestellt, daß zwischen diesen beiden Elektroden eine praktisch unendlich große Hochfrequenzimpedanz ausgebildet wird, damit dieser Hohlraum den Betrieb der Röhre nicht stört.

Wie bei der Röhre nach Pig. 1 bestehen bei dieser Röhre nicht die sonst üblichen Nachteile der Störkopplungen, der Erhöhung der Induktivitäten infolge von inneren Verbindungen oder einer Notwendigkeit der Demontage der Hohlräume.

Darüberhinaus hat die Eintrittsleitung der Höchstfrequenzwellen zwischen der Katode 21 und dem Steuergitter 22 im Gegensatz zu der Röhre von Pig. 1 eine geringe Länge so daß nicht mehr die frequenzmäßigen Beschränkungen wie bei der Tetrode von Fig. 1 bestehen.

Auch bildet der erste Schirmgitteranschluß, der durch die Wand des Trägers 25 gebildet ist, eines der Elemente des Hohlraums, der die Ausbildung einer Katodenbasisschaltung ermöglicht; der zweite Anschluß des Schirmgitters 23 zur Wand 107 hin ermöglicht einerseits die Ausbildung einer wirksamen Abschirmung zwischen den Höchstfrequenzwellen am Eingang und am Ausgang, und er dient andererseits als Teil des Ausgangshohlraums.

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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile liegen auf zwei Ebenen: Einerseits besteht die Möglichkeit der. Anwendung einer "Katodenbasisschaltung" wodurch eine sehr merkliche Verbesserung der Leistungsverstärkung erreicht wird, denn diese Verstärkung liegt bei einer derartigen Schaltung in der. Größenordnung von 20 dB, während sie bei einer Gitterbasisschaltung 12 dB kaum überschreiten kann; andererseits besteht die Möglichkeit eines Betriebs bei Frequenzen, die 500 MHz überschreiten können, und zwar mit einer Bandbreite, die ausreichend groß ist, daß die Röhre vorteilhaft in Fernsehsendern anwendbar ist, wo es dank der Verbesserung der Leistungsverstärkung möglich ist, die Zahl der Zwischenverstärkerstufen zu verringern.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   öchstfrequenz-Tetrode mit einem evakuierten Kolben, zylindrischen Elektroden, die im Innern des Kolbens koaxial zu einer Achse der Röhre angeordnet sind, und von der Achse ausgehend im wesentlichen aus einer elektronenemittierenden Katode, einem Steuergitter, einem Schirmgitter und einer Anöde bestehen, die durch Gleichspannungsquellen auf geeignete Gleichspannungspotentiale gelegt sind, mit einer Eingangskopplungsvorrichtung, die eine Höchstfrequenzwelle zwischen dem Steuergitter und der Katode anlegt, und mit einer Ausgangskopplungsvorrichtung, die eine Höchstfrequenzwelle zwischen der Anode und dem Schirmgitter abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elektroden auf der gleichen Seite der Röhre in leitenden Kragen enden, an die sich zylindrische leitende Wände anschließen, die koaxial zu der Achse liegen und abstimmbare koaxiale Hohlräume bilden, daß das Schirmgitter (23) an dem Ende, das dem mit einem Kragen versehenen Ende entgegengesetzt ist, mit einem zentralen leitenden Zylinder (25) verbunden ist, der koaxial zu der Achse im Innern der Katode (21) liegt und auf der gleichen Seite wie die Elektroden durch eine zylindrische leitende Wand (109) verlängert ist, die mit der sich an die Katode (21) anschließenden Wand (106) einen abstimmbaren Hohlraum bildet, daß die Hohlräume mit Hilfe von ringförmigen, axial verschiebbaren Kolben abstimmbar sind, und daß der zwischen den sich an die Katode (21) und den zentralen leitenden Zylinder (25) anschließenden Wänden (106, 109) gebildete Hohlraum so abgestimmt ist, daß ein Höchstfrequenz-Kurzschluß zwischen der Katode und dem Schirmgitter erzeugt wird.

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2. 2. Höchstfrequenz-Tetrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den sich an das Steuergitter und an das Schirmgitter anschließenden Wänden (108, 107) enthaltene Hohlraum so abgestimmt ist, daß eine praktisch unendlich große Impedanz für die Höchstfrequenzwelle zwi-' sehen diesen beiden Elektroden erzeugt wird.
3. 3« Höchstfrequenz-Tetrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangskopplungsvorrichtung die Hochfrequenzenergie in den Hohlraum einbringt, der zwischen den sich an das Steuergitter und an die Katode anschließenden Wänden enthalten ist.
4. 4. Höchstfrequenz-Tetrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskopplungsvorrichtung (120) die Höchstfreqüenzenergie aus dem Hohlraum entnimmt, der zwischen den sich an das Schirmgitter und an die Anode anschließenden Wänden enthalten ist.

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