DE2236234A1 - Dielektrisches fenster fuer mikrowellenenergie - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DR.-PHIL. G. NICKEL DR.-ING. J. DORNER 22362 3 A

8 MÖNCHEN 15

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

-^ TEL. IO811) 555719

München, den 21.JuIi 1972 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 33

RAYTHEON COMPANY, 141 Spring Street, Lexington, Ma. Q2173, Vereinigte Staaten von Amerika

Dielektrisches Fenster für Mikrowellenenergie

Die Erfindung bezieht sich auf ein dielektrisches Fenster, welches für elektromagnetische Energie durchlässig ist und für Ubertragungssysteme oder für Mikrowellengeräte bestimmt ist.

Ein Fenster für Mikrowellenenergie aus dielektrischem Werkstoff, wie es gegenwärtig für Anwendungsfälle hoher Leistungen in Gebrauch ist, wird im allgemeinen innerhalb eines im Querschnitt kreisförmigen Wellenleiterabschnittes angeordnet, welcher an ein Rechteckwellenleiter-Übertragungssystem angekoppelt ist. Der die Energie abgebende Ausgangaabschnitt von Mikrowellengeräten mit gekreuzten Feldern, beispielsweise von Magnetronröhren mit einem koaxialen Hohlraumresonator, ist im allgemeinen mit einer dünnen Scheibe aus einem wenig verlustbehafteten Werkstoff, wie Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder Glas, " ausgerüstet, wobei die Werkstoffauswahl entsprechend der Höhe der gewünschten Scheitelleistung getroffen wird. Die genannten Werkstoffe besitzen eine große Dielektrizitätskonstante von über 3,0 und regen aUß·** dem Resonanzfrequenz-Schwingungszustand entsprechend dem Normalbetrieb eine größere Anzahl von Schwingung szuständen höherer Ordnung an. Der übliche Betriebs-Schwingungszustand in koaxialen Hohlraumresonatoren ist der Schwingungszustand der TE₁₁-WeIIe. Der Ausgangsabschnitt mit der im Querschnitt kreisförmigen Wellenleitung, innerhalb welchem sich das Fenster befindet, stellt eine Grenzfläche zwischen einem

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evakuierten Raum innerhalb des Röhrengehäuses und dem sich anschließenden, im Querschnitt rechteckigen Kopplungsabschnitt dar, welcher mit dielektrischem Werkstoff erfüllt ist. Es existieren sieben zusätzliche Schwingungszustände, welche in dem Hohlraumresonator angeregt werden und diese Schwingungszustände höherer Ordnung breiten sich normalerweise nicht in den mit Dielektrikum erfüllten Teilen der Anordnung aus und existieren daher nur innerhalb des dielektrischen Fensters, wobei ein sehr rascher Abfall außerhalb des Fensters zu beobachten ist.

Bestimmte, interessierende Schwingungszustände liegen nahe bei dem Betriebs-Schwingungszustand der TE₁^-WeIIe und werden in Fachkreisen oft als sogenannte Geister-Schwingungszustände bezeichnet. Es handelt sich um Schwingungszustände entsprechend den TSp-t-, TEpo- ^unc* TM₁--Wellen, welche in dem dielektrischen Werkstoff praktisch eingefangen werden. Die Geister-Schwingungszustände haben ihre Resonanz bei bestimmten Frequenzen innerhalb vieler erwünschter Abstimmbereiche und beschränken daher in starkem Maße die Bandbreite, insbesondere für abstLmmbare Hochfrequenzgerate mit gekreuzten Feldern. Zusätzlich verursacht das Vorhandensein von Resonanzen der Geis tür Schwingungszustände innerhalb des Fensters außerordentlich hohe Feldstärken über denjenigen bei dem normalen Betriebs-Schwingungszustand, wodurch eine zu starke Erwärmung und ein elektrischer Durchbruch herbeigeführt werden. Um diese Wachteile zu umgehen und die Resonanzfrequenzen der Geister-Schwingungszustände zu verschieben, wird bei bekannten Konstruktionen ein körperlich unterschiedlicher Durchmesser des dielektrischen Fensters vorgesehen, welches innerhalb des im Querschnitt gleichförmigen Wellenleiterabschnittes angeordnet ist, was einen Kompromiss bezüglich der Kennwerte des Spannungs-Stehwellenverhältnisses (voltage standing wave ratio) darstellt. Zusätzlich kann es notwendig sein, den benachbarten Wellenleiter-Übertragungsabschnitt unter Druck zu setzen, um einen elektrischen Durchbruch zu vermeiden, wodurch ein weiteres Fenster innerhalb der Ausgangskonstruktion erforderlich wird. Beide Maßnahmen

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sind kostspielig und kompliziert, ohne daß im.wesentlichen eine messbare Vergrößerung der G^samt-Bandbreite' und der Möglichkeiten des Betriebes bei hoher Leistung erzielt werden. Die Bedeutung des Problemes der Geister-Sehwingungszustände ist in der Veröffentlichung "Microwave Engineering" von A.F.Harvey, 1963, Academic Press, Inc., New York, Seite 74, beschrieben. Eine weitere Beschreibung des Problemes findet sich in der US-Patentschrift 3 436 694. Dielektrische Fenster einer Konstruktion, welche im allgemeinen als "pill box"-Bauart oder "poker chip"-Bauart bezeichnet wird, für Übertragungswellenleiter mit Problemen bezüglich der Resonanz von Ge'ister-Schwingungszuständen sind auch in der US-Patentschrift 2 834 834 beschrieben.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein für■Mikrowellenenergie durchlässiges, dielektrisches Fenster in dem Resonanzfrequenzbereich entsprechend dem normalen Betrieb s-Schwingungszust and im wesentlichen von Resonanzen der Geister-Schwingungszustände freizuhalten

Diese Aufgabe wird bei einem dielektrischen Fenster für Mikrowellenenergie mit einem Fensterkörper aus einem für elektromagnetische Energie durchlässigen Werkstoff, wobei eine bestimmte elektrische und magnetische Feldverteilung für einen vorbestimmten Resonanzfrequenz-Schwingungszustand des Normalbetriebs vorliegt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fensterkörper im wesentlichen in den Bereichen der Intensität Null der elektrischen Feldstärke für den Schwingungszustand des Normalbetriebes größere Dicke besitzt als in den übrigen Bereichen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, daß in dem Fenster Mittel zur Veränderung der Randbedingungen für die Resonanz der Geister-Schwingungszustände vorgesehen werden, welche innerhalb des Fensterwerkstoffes angeregt werden, so daß diese Resonanzzustände' außerhalb eines bestimmten Frequenzbandes zu liegen kommen, ohne daß der Durchmesser eines_vim Querschnitt kreisförmigen Wellenleiterabschnittes verändert zu werden braucht. Eine Vergrößerung des Fensterquerschnittes im Bereiche der

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elektrischen Feldstärke der Größe Null bezüglich des Betriebs-Schwingungszustandes wird zu einer dickeren Trennfläche, so daß die Resonanzen des Geister-Schwingungszustandes verstimmt werden. Eine Verdickung der Trennschicht kann in vielerlei Weise erfolgen, wobei eine stufenartige Gestalt oder eine knopfförmige Ausbildung in den betreffenden Bereichen vorgesehen sein kann. Die verschiedenen Fensterkonstruktionen können entweder ala einstückige dielektrische Fensterkörper vorgesehen sein oder jeweils gesonderte Bauteile können durch geeignete Metallisierungsverfahren vereinigt werden. Der zusätzliche Trennschichtbereich besteht entweder aus einem entsprechend angepassten Werkstoff oder aus demselben Werkstoff wie das eigentliche dielektrische Fenster und ragt nur von einer Seite des Fensters weg. Die Erfindung ist allgemein für Konstruktionen verwendbar, welche in irgendeinem Frequenzbereich des Mikrowellenteiles des elektromagnetischen Spektrums arbeiten und bei welchen Schwierigkeiten bezüglich der Geister-Schwingungszustände auftreten.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, welches hier beschrieben wird und welches in einem Frequenzbereich von 8500 MHz bis 9600 MHz arbeitet, konnten die Kennwerte des Spannungs-Stehwellenverhältnisses über den Abstimmbreich hinweg auf einem Maximalwert von 1,12 gehalten werden. In dem nutzbaren Bandbreitebereich ergab sich eine Verbesserung von 30% und bei hohen Spitzenleistungen trat kein elektrischer Zusammenbruch auf. Zum Verhindern des elektrischen Zusammenbruchs in der Ausgangs-Koppelkonstruktion mit dem Fenster sind also keine Mittel zum Unter-drucksetzen der Ausgangswellenleitung mehr erforderlich. Die selektive Vergrößerung der Fensterdicke unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Durchmessers der dielektrischen Fensterkonstruktion innerhalb der im Querschnitt kreisförmigen Wellenleitung ergibt auch einen billigeren Aufbau.

Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung Gegenstand der anliegenden Ansprüche. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme

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auf die Zeichnung erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen ins einzelne gehenden Querschnitt durch eine Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen dielektrischen Fensterkörper mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt längs der in Fig. 2 angedeuteten Schnittlinie 3-3,

Fig. 4 ein Diagramm, welches die außerordentlichen

Schwingungszustände und die Geister-Schwingungszustände darstellt, welche innerhalb des dielektrischen Fensterkörpers angeregt werden,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen im Querschnitt rechteckigen Wellenleiterabschnitt,

Fig. 6 und 7 Darstellungen der elektrischen und der magnetischen Feldverteilung, wie sie bei der normalen Resonanzfrequenz entsprechend dem Schwingungszustand der TE., ..-Welle auftreten,

Fig. 8 und 9 Darstellungen der elektrischen und magnetischen Feldverteilung entsprechend dem benachbarten außerordentlichen Schwingungszustand oder Geister-Schwingungszustand der TEg₁-WeIIe,

Fig. 10 und 11 Darstellungen der elektrischen und magnetischen Feldverteilung für den benachbarten Geister-Schwingungszustand der TE₂₂-WeIIe,

Fig. 12 und 13 Darstellung der elektrischen und magnetischen Feldverteilung für den benachbarten Geister-Schwingungszustand der TM₁₁-WeIIe/

Fig. 14 eine Rückansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 15 einen Schnitt entsprechend der in Fig. 14 angedeuteten Schnittlinie 15-15. -

Das in Figur 1 dargestellte AusführungsbeispieL enthält eine Lauffeldröhre 10 mit gekreuzten Feldern, und zwar ein

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Magnetron mit einem koaxialen Hohlraumresonator, welches ein Gehäuse 12 aufweist, das von Deckelteilen 14 und 16 sowie einer zylindrischen Wand 18 gebildet ist, an welche die Deckelteile dicht anschließen, so daß ein evakuierbares Gehäuse entsteht. Anodenstege oder Anodenglieder 20, welche von einer gemeinsamen Trennwand 22 wegstehen, bilden jeweils zwischen sich Resonanzhohlräume des inneren Resonanzsystemes und sind rund um eine emittierende, zentrische Kathode 24 angeordnet. Die Kathode 24 wird von einer Halterungskonstruktion 26 getragen, welche ein äußeres, rohrfbrraiges Teil 28 enthält, das an einem magnetischen Polschuh 30 befestigt ist. Die elektrischen Zuleitungen zur Speisung der Kathode sowie zum Anlegen des elektrischen Potentials für den Betrieb des Gerätes erstrecken sich durch die Halterung 26 für die Kathode. Gebräuchliche Röhren dieser Art sind so aufgebaut und ausgelegt, daß sie im ΊΓ -mode der Schwingungen über einen bestimmten abstimmbaren Frequenzbereich arbeiten, welcher durch den äußeren, koaxialen Hohlraumresonator vorgegeben wird, welcher einen normalen Resonanzfrequenz-Schwingungszustahd, beispielsweise entsprechend der TE. -j-Welle aufweist.

Die Einrichtungen zur Erzeugung des magnetischen Feldes enthalten den zuvor schon erwähnten Polschuh 30 sowie einen diesem gegenüberliegenden, inneren Polschuh 32, der durch eine Abstimmanordnung 34 hindurchreicht. Äußere, C-förmige Permanentmagneten liegen an Polschuh-Anschlußstücken an und im allgemeinen sind zwei derartige Magneten vorgesehen, welche in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene gelegen sind. Sas magnetische Feld ist parallel zur Achse der Kathode 24 gerichtet und durchdringt den Wechselwirkungsbereich zwischen den Anodengliedern 20 und der Kathode 24. Die elektrischen Feldlinien verlaufen senkrecht zu den magnetischen Feldlinien zwischen Kathode und Anode, so daß sich im Wechselwirkungsbereich gekreuzte elektrische und magnetische Felder ergeben, wie bei dieser Art von Hochfrequenzgeräten bekannt ist.

Der koaxiale Hohlraumresonator 40 wird von der zylindrischen Wand 18, der gemeinsamen Trennwand 22 und den Deckelteilen 14 und 16 begrenzt. Die Abmessungen des runden Hohlraum-

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resonators sind so gewählt, daß sich, eine Resonanz beim Betriebs-Schwingungszustand entsprechend der TE₁₁-WeIIe einstellt. Die in dem inneren Resonanzsystem erzeugte Sehwingungsenergie wird zum koaxialen HohlraumresOnator über Schlitze 42 der gemeinsamen Trennwand 22 ausgekoppelt. Fremde oder unerwünschte Schwingungszustände werden durch ringförmige Belastungselemente oder Verlustelemente 44 und 46 unterdrückt. Die Verlustelemente oder Belastungselemente 44 und 46 können aus Werkstoffen wie carbonisiertem Aluminiumoxid-Keramikmaterial, aus Bariumtitanat und Ferritten bestehen.

Die innerhalb des Magnetrons erzeugte Energie wird von dem koaxialen Hohlraumresonator 40 über eine Iris 50 und einen geeigneten Transformatorabschnitt 52 ausgekoppelt, welcher beispielsweise H-förmige Gestalt besitzen kann. Eine Konstruktion 54 mit einem dielektrischen Fenster schließt die Öffnung der Iris 50 dicht ab und ist für die Mikrowellenenergip durchlässig, welche über einen Ausgangs-Wellenleiterabschnitt 56 zu einem Verbraucher ausgekoppelt wird, wobei der Wellenleiterabschnitt 56 beispielsweise Rechteckquerschnitt hat und mit Luft von normalem atmosphärischem Druck erfüllt ist. Die erzeugte Mikrowellenenergie ist in einem gewünschten Frequenzband vermittels eines axial verschieblichen Abstimmringes 70 abstimmbar, welcher mittels Schrauben 74 an Stützen 72 gehalten und über diese Teile mit einer Abstinmeinriirtiung 34 verbunden ist. Zur Betätigung der Abstimmeinrichtungen sind im allgemeinen Konstruktionen mit verformbaren Bälgen und mittels Zahnrädern angetriebene Wellen vorgesehen. Die Einrichtung kann mittels eines Betätiguhgsknopfes 76 betätigt werden, der von Hand oder selbsttätig angetrieben . wird.

Zur Evakuierung des Röhrengehäuses ist in der Wandung 18 ein Evakuierungsstutzen 78 vorgesehen. Die übrigen Bauteile des Magnetrons mit koaxialem Hohlraumresonator, etwa Kühlrippen, Magnet-Befestigungsplatten und Verankerungsplatten, sind absichtlich weggelassen, da sie dem Fachmann an sich bekannt sind.

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Aus den Figuren 2 und 3 ist zu ersehen, daß die Konstruktion 54 mit dem dielektrischen Fenster einen dielektrischen Fensterkörper 58 enthält, der innerhalb einer im Querschnitt kreisförmigen Wellenleitung 60 gehaltert ist, welche ihrerseits an einen Flansch 62 angesetzt ist. Die Fensterkonstruktion ist an einem rohrförmigen Bauteil 64 befestigt, das von*der zylindrischen Wand 18 des Röhrengehäuses absteht. Der Fensterkörper ist aus dielektrischem Werkstoff gefertigt, welcher eine hohe Dielektrizitätskonstante von über 3>0 aufweist, um ein optimales Verhalten bei Spitzenleistung zu erzielen. Geeignete Werkstoffe dieser Art, wie Aluminiumoxid-Keramikmaterial, haben eine Dielektrizitätskonstante von 9»0. Andere Werkstoffe, z. B. Berylliumoxid, haben eine Dielektrizitätskonstante von etwa 6,00 und außerdem sind die hochtemperaturfesten Gläser oder geschmolzenes Quarz zu nennen, welche noch etwas niedrigere Werte der Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

Wenn nun die Schwierigkeiten der Geister-Schwingungszustände oder der außerordentlichen Schwingungszustände, welche zu einer zu starken Erwärmung führen, beseitigt werden können, so ist es möglich, das betreffende Gerät mit höhen Werten der Spitzenleistung zu betreiben, wobei billigere dielektrische Werkstoffe verwendet werden können. Der Außenrand des dünnen, runden Fensterkörpers 58 ist in geeigneter Weise metallisiert, ,um das Bauteil an den zylindrischen Wellenleiterabschnitt 60 ansetzen zu können, welcher aus sehr gut leitendem Metall, beispielsweise aus Kupfer, besteht.

Einrichtungen zur Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Geister-Schwingungszustände haben die Form einer Erweiterung der Grenzbedingungen für diese Schwingungszustände innerhalb des dielektrischen Fen3terkörpers 58. Die genannten Einrichtungen ragen von derjenigen Seite des Fensterkörpers 58 weg, welche dem Vakuumgehäuse oder der Konstruktion zugekehrt ist, in welcher der Betriebs-Schwingungszustand angeregt wird. Knopfförmige Elemente 66 und 67 aus entsprechendem oder gleichem dielektri-

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schem Werkstoff wie der eigentliche Fensterkörper bilden eine Trennwand von größerem Querschnitt als in den übrigen Bereichen, so daß die Resonanzfrequenzen der Geister-Schwingungszustände stark verstimmt werden. Die Anordnung der die Resonanzfrequenzen der genannten Schwingungszustände verschiebenden Elemente kann in einer einstückigen Konstruktion vorgesehen sein, doch können · die Elemente auch als gesonderte Bauteile über Metallisierungen angesetzt sein, beispielsweise durch Metallspritzen von Titan an den aneinander anliegenden Oberflächen. Bei einem Ausführungsbeispiel für den Betrieb im Frequenzband von 8500 MHz bis 9600 MHz haben die mit zusätzlicher Stärke ausgeführten Trennwandbereiche eine Dicke von etwa dem Doppelten der Stärke der übrigen Teile des Fensterkörpers 58. Die grundsätzliche Anordnung des Werkstoffes zur Erzeugung einer zusätzlichen Trennwanddicke bestimmt sich durch die Lage der Feldstärke Null für das elektrische und das magnetische Feld bei der Resonanzfrequenz entsprechend dem normalen Betriebs-Schwingungszustand innerhalb des Hohlraumresonators 40 und der im Querschnitt kreisförmigen Wellenleitung 60. Die Lage der Bereiche mit der elektrischen Feldstärke Hull wird leicht mittels Erregersonden bestimmt. Weitere Einzelheiten der für die Funktionsweise wesentlichen Anordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Betrachtung.

In Figur 4 ist ein Diagramm wiedergegeben, in welchem der Durchmesser des dielektrischen Fensters und die Resonanzfrequenzen der Geister-Schwingungszustände aufgetragen sind. In dem bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel interessierenden, gewünschten Abstimmbereich von 8500 MHz bis 9600 MHz sind die benachbarten Geister-Schwigungszustände von herausragender Bedeutung diejenigen der TM₁₁-WeIIe, der TE₂^-WeIIe und der TE₂₂-WeIIe, die durch die Linien 80 bzw. 82 bzw. 84 deutlich gemacht sind. In einem Fenster mit einem Durchmesser von etwa 32 mm tritt der obere Geister-Schwingungszustand der TEg₂-WeIIe bei einer Resonanzfrequenz von etwa 9270 MIIz auf, was sehr wohl innerhalb des gewünschten Abstimmbereiches liegt, während die übrigen Geister-Schwingungszustände das untere Ende des Abstimmbereiches um 8500 MHz nachteilig beeinflussen. Die Linie 86 gibt die Abmessungen des runden Hohlraumes zu beiden Seiten des dielektrischen

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Fensterkörpers an. Für einen Betrieb mit der TE₁₁-WeIIe wird diese Abmessung zwischen etwa 5,1 mm und 5,15 mm festgelegt.

Die Figuren 6 und 7 zeigen die elektrische und magnetische Feldverteilung für einen runden Hohlraum, dessen Durchmesser mit a bezeichnet ist. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie in diesem Schwingungszustand ist 3_f412 a. Die elektrischen Feldlinien sind durchgehend gezeichnet, während die magnetischen Feldlinien gestrichelt eingezeichnet sind. Die normalisierten Feldverteilungen, wie sie in diesem Fachgebiet im allgemeinen verwendet werden, zeigen elektrische Feldstärkebereiche von 0° an Polstellen in gewisser Ähnlichkeit zum Nordpol und zum Südpol, während die maximale elektrische Feldstärke oder die 90°-Feldstärke bei einer Weiterführung des Vergleichs mit dem Globus im Äquatorialbereich festzustellen ist. Zur Erleichterung des Verständnisses sei die Richtung des O°-Feldes und des 90°-Feldes unter Betrachtung eines Abschnittes eines Recheckwellenleiters ähnlich dem Abschnitt 56 nahe dem Auslaßende der Fensterkonstruktion 54 erklärt. Der Vektor 88, welcher zwischen den breiten Wänden 90 und 92 des Wellenleiters verläuft, zeigt die maximale elektrische Feldstärke an, während die elektrische Feldstärke vom Werte Null nahe den schmalen Wänden 54 und 56 auftritt. Um die Energie entsprechend der Resonanzfrequenz beim Schwingungszustand der TE₁₁-WeIIe über den rechteckigen Wellenleiterabschnitt 56 zum Verbraucher auskoppeln zu können, sind die dickeren Bereiche der Trennwand oder des Fensters zur Verschiebung der Resonanz der Geister-Schwingung szustände grundsätzlich in einem Bereich angeordnet, welcher den schmalen Wänden des zugehörigen Rechteck-Wellenleiterabschnittes, also den Wänden 94 und 96, naheliegt. Die knopfartigen Elemente 66 und 67 sind in Figur 5 eingezeichnet, um die gewählte Lage deutlich zu machen.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, das im X-Band arbeitet, wurde durch Verdickung des Trennwandwerkstoffes in den besagten Bereichen über den gewünschten Abstimmbereich ein elektrischer Kennwert des Spannungs-Stehwellenverhältnisses von im Maximum 1,12 aufrecht erhalten. Messungen ergaben, daß die Resonanzfrequenzen für die einzelnen Geister-Schwingungs-

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zustände bezüglich der TM₁₁-WeIIe 8342 MHz, bezüglich der £E₂₁-Welle 8390 MHz und bezüglich der TE₃₃-WeIIe 9652 MHz betrugen. Man erkennt also, daß im Ergebnis die niedrigeren Geister-Schwingungszustände so weit verstimmt worden sind, daß sie sehr wohl unterhalb der unteren Bereichsgrenze von 8500 MHz liegen, während die oberen Geister-Schwingungszustände außerhalb des Betriebs-Atestimmungsbereiehes über die obere Bereichsgrenze von 9600 MHz verschoben worden sind. Die Gesamtbandbreite ist nun auf 14 i° erweitert, während mit gebräuchlichen dielektrischen Fensterkonstruktionen die Bandbreite nur 11 fo betrug. Bei anderen Ausführungsformen der Fensterkonstruktion mit dickeren Bereichen der Fenstertrennwand konnten Bandbreiten bis zu einer Höhe von 17 i° erreicht werden. Hohe Spitzenleistungen von 220 kW bis 270 kW können bei Lauffeldröhren mit gekreuzten Feldern mit der erfindungsgemäßen dielektrischen Fensterkonstruktion erreicht werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde kein elektrischer Durchbruch im gesamten Abstimmbereich beobachtet, so daß jede Notwendigkeit eines Unterdrucksetzens des Wellenleiterabschnittes 56 wegfällt.

Die Figuren 8 und 9 zeigen die Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes für den unteren Geister-Schwingungszustand der TE₂₁-WeIIe. Die elektrischen Feldlinien sind wieder durch ausgezogene Linien dargestellt, während die gestrichelten Linien die magnetischen Feldlinien versinnbildlichen. Die Wellenlänge der Energie ist für diesen -Sohwingungszustand das 2,057-fache der Abmessung a. Die Anordnung des zusätzlichen Trennwand- oder Fensterwerkstoffes iri Form der Knöpfe 66 und 67 bewirkt offensichtlich eine Abstimmung dieses Geister-Schwingungszustandes auf einen neuen Anregungspunkt innerhalb des dielektrischen Werkstoffes entsprechend bedeutend niedrigeren Werten gegenüber denjenigen, welche mit der dünnen, dielektrischen. Scheibe als Fenster bekannter Gräte erzielbar sind.

Die Figuren TO und 11 verdeutlichen die elektrische und magnetische Feldverteilung für die TE₂₂-WeIIe oder den oberen Geister-Schwingungszustand. Bei dieser Ausbreitungsform der Wellenenergie beträgt die Wellenlänge O>937 &· Auch hier schwächt

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oder stört die Anordnung der die Trennwandstärke vergrößernden Knöpfe 66 und 67 im Null-Bereich die elektrischen Felder dieses Schwingungszustandes beträchtlich, wodurch eine Verschiebung' der oberen Bandbreitegrenze auf höhere Werte erreicht wird. Es kann bei den vorliegenden Ausführungsbeiapielen festgestellt werden, daß die Resonanzen aufgrund der oberen Geister-Schwingungszustände nicht in so starkem Maße eine Verstimmung erfahren, wie die unteren Geister-Schwingungszustände der TBlL ^-Welle und der TE₂₁-WeIIe.

Die Figuren 12 und 13 zeigen die elektrische und die magnetische Feldverteilung für die TKL-J-WeIIe oder für andere, tiefere GeiBter-Schwingungszustände, welche nun verstimmt sind.

In den Figuren 14 und 15 ist ein anderes Ausführungsbeiepiel der Erfindung gezeigt. Ein rechteckiger Flansch 98 ist am äußeren Ende eines im Querschnitt kreisförmigen Wellenleiterabschnittes 100 vorgesehen. Ein entsprechender Flansch 102 befindet sich am jeweils anderen Ende des Wellenleiterabschnittes 100 und kann dicht an den Auskuppelabschnitt eines Mikrowellengerätes mit gekreuzten Feldern angeschlossen werden. Ein dielektrischer Fensterkörper 104 weist eine dünne Scheibe aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise aus Aluminiumoxid-Keramik auf. Zur Verdickung des Trennwandungsbereiches oder Fensterbereiches sind zunächst im wesentlichen halbkreisförmige Elemente 106 und 108 stufenartig angefügt, welche mit der Oberfläche des Fensterkörpers 104 verbunden sind. Hierauf sind kleinere Elemente 110 und 112 symmetrisch in den Bereichen der Feldstärke Null angesetzt, um die notwendige Verdickung zu erreichen. Zwischen den jeweiligen zusätzlichen Fensterelementen und der benachbarten Oberfläche des Fensterkörpers 104 ist ein Kupferring 114 eingelagert, der die notwendige, verlötbare Oberfläche zur Befestigung der zusammengesetzten Bauteile darbietet. Die Durchsicht durch die in Figur 14 gezeigte, rechteckige Öffnung 116 läßt erkennen, in welchem Maße das dielektrische Material der sich innerhalb des koaxialen Hohlraumresonators nahe dem Ausgangsabschnitt ausbreitenden Mikrowellenenergie ausgesetzt ist.

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Dem Fachmann bietet sich nun noch eine Vielzahl von Möglichkeiten der Verdickung des Querschnittsbereiches des Fensters. Sp kann beispielsweise der dielektrische Fensterkörper so hergestellt werden, daß der die Verdickung bewirkende Werkstoff angegossen ist. Die Werkstoffmenge und die Dicke der zusätzlichen Trennwand läßt sich empirisch für verschiedene normale Resonanzfrequenzen bei den jeweiligen Betriebs-Schwingungszuständen bestimmen. Die Vergrößerung der Bandbreite ohne eine Einbusse oder einen Kompromiß hinsichtlich der.Kennwerte des Spannungs-Stehwellen-Verhältnisses sind die Folge der Verwendung der hier beschriebenen Mittel zur"Verschiebung der Resonanzfrequenzen der Gteister-Schwingungszustände außerhalb des gewünschten Betriebs-Bandbreitebereiches. Die Unterschiede im Maß der Verstimmung zwischen den oberen und unteren Geister-Schwingungszuständen können durch Veränderung der Menge und der Gestalt des dielektrischen Werkstoffes beeinflußt werden. Aufgrund der hier beschriebenen Fensterkonstruktion kann der Durchmesser des im Querschnitt kreisförmigen Wellenleiterabschnittes sowie des für die Übertragung der Resonanzfrequenzen optimal ausgelegten dieelektrischen- Fensterkörper über die gesamte Länge der Ausgangskonstruktion konstant gehalten werden.

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Claims (19)

Patentansprüche.

1.) Dielektrisches Fenster für Mikrowellenenergie mit einem Fensterkörper aus einem für elektromagnetische Energie durchlässigen Werkstoff, wobei eine bestimmte elektrische und magnetische Feldverteilung für einen vorbestimmten Resonanzfrequenz-Schwingungszustand des Normalbetriebes vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) im wesentlichen in den Bereichen der Intensität Null der elektrischen Feldstärke für den Schwingungszustand des Normalbetriebes größere Dicke (66, 67 bzw. 106, 108, 110, 112) besitzt, als in den übrigen Bereichen.

2. Dielektrisches Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die größere Dicke aufweisenden Bereiche (66, 67 bzw. 106, 108, 110, 112) des Fensterkörpers (58 bzw. 104) mindestens doppelt so dick sind, wie die übrigen Bereiche.

3. Dielektrisches Fenster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) kreisscheibenförmig ist.

4. Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verdickten Bereiche des Fensterkörpers (58) knopfförmig (66, 67) sind.

5. Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verdickten Bereiche des Fensterkörpers (104) teppenartig (106, 110, 108, 112) ausgebildet sind.

6. Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) aus dielektrischem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante besteht und als Trennwand zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen atmosphärischen Druckes angeordnet ist und daß die verdickten Bereiche (66, 67 bzw. 106, 108, 110, 112)

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aus zusätzlichem, dielektrischem Werkstoff bestehen, welcher auf der dem Bereich niedrigeren Druckes zugewandten Seite des Fensterkörpers angeordnet ist.

7. Dielektrisches Fenster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Werkstoff Berylliumoxid enthält oder hieraus besteht.

8. Dielektrisches Fenster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Werkstoff Aluminiumoxid-Keramikmaterial enthält oder hieraus besteht.

9· Dielektrisches Fenster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Werkstoff eine Dielektrizitätskonstante von über 3>0 aufweist.

10. Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) im Bereich des Überganges von einem im Querschnitt runden Wellenleiterabschnitt und einem Rechteck-Wellenleiterabschnitt angeordnet ist und daß der zusätzliche dielektrische Werkstoff dem im Querschnitt runden Wellenleiterabschnitt zugewandt ist. -

11. Dielektrisches Fenster nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) denselben Durchmesser wie der im Querschnitt runde Wellenleiterabschnitt (60 bzw. 100) hat.

12. Dielektrisches Fenster nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) an der Innenwandungsfläche des im Querschnitt runden Wellenleiterabschnittes (60 bzw. 100) befestigt (114) ist.

13. Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche

10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des im Querschnitt kreisförmigen. Wellenleiterabschnittes (60 bzw. 100) als Sehwingungszustand entsprechend dem Normalbetrieb die

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TE₁₁-WeIIe auftritt.

14· Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche * 1 bis 13t insbesondere für abstimmbare Mikrowellen-Erzeugungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fensterkörper (58 bzw. 104) eine Vielzahl von Schwingungszuständen mit bestimmten elektrischen und magnetischen FeInverteilungen innerhalb eines bestimmten Abstimmbereiches anregbar sind und daß mittels der größere Dicke aufweisenden Bereiche des Fensterkörpers die Grenzbedingungen für die Resonanz entsprechend bestimmten Schwingungszuständen außerhalb des Abstimmbereiches hinsichtlich der Resonanzfrequenz eines normalen Betriebsschwingungszustandes verschiebbar sind.

15. Dielektrisches Fenster nach einem der Ansprüche 1 bis 14» dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterkörper (58 bzw. 104) ein Energie-Ausgangskopplungsbauteil für den koaxialen Hohlraumresonator (40) eines mit einem solchen Hohlraumresonator ausgerüsteten Hagnetrons (10) bildet.

16. Verwendung eines dielektrischen Fensters nach Anspruch 15 für ein Magnetron mit einer Kathode und einer diese umgebenden Trennwand, welche Anodenglieder trägt, die eine Vielzahl von Hohlraumresonatoren eines Resonanzsystemes begrenzen, ferner mit einem die Trennwand umfassenden, koaxialen Hohlraumresonator, welcher mit den zwischen den Anodengliedern und der Kathode gebildeten Hohlraumresonatoren in Verbindung steht und in welchem bei einem bestimmten Normal-Schwingungszustand eine bestimmte elektrische und magnetische Feldverteilung vorliegt und schließlich mit Mitteln zum Auskoppeln der erzeugten Energie aus dem koaxialen Resonanzhohlraum, welche das dielektrische Fenster enthalten.

17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Fensterkörper (58 bzw. 104) in einem Abschnitt einer im Querschnitt runden Wellenleitung (60 bzw. 100) angeordnet ist.

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18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der koaxiale Hohlraumresonator ein axial bewegliches Abstimmelement ( 70) zur Veränderung der Resonanzfrequenz über ein bestimmtes Abstimmband hinweg aufweist.

19. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die TE^-Welle als Schwingungszustand des gewünschten Normalbetriebes ausgenützt wird.

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