DE2245220A1 - POWER AMPLIFIER KLYSTRON - Google Patents
POWER AMPLIFIER KLYSTRONInfo
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Description
LeistungsVerstärkerklystronPower amplifier klystron
Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Leistungsverstärkerklystrons mit großer Betriebsfrequenzbandbreite. Sie betrifft insbesondere Klystrons, die derart verbessert sind, daß der Wirkungsgrad in dem gesamten Betriebs— frequenzband selbst bei Klystrons mit relativ geringer Leistung von z.B. etwa einigen hundert Kilowatt erhöht ist.The invention relates to improvements in power amplifier klystrons with large operating frequency bandwidth. It particularly concerns klystrons that are so enhanced are that the efficiency in the entire operation frequency band even with klystrons with relatively low Power of e.g. a few hundred kilowatts is increased.
Es ist bekannt, daß die Vereinigung derartiger Bedingungen, wie große Bandbreite und relativ geringe Leistung, die Verwirklichung von Klystrons mit einem guten Wirkungsgrad in dem gesamten Band sehr schwierig macht.It is known that the union of such conditions, such as large bandwidth and relatively low power, the realization of klystrons with good efficiency makes it very difficult in the entire band.
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Obwohl es relativ leicht ist, den Wirkungsgrad eines Klystrons mit geringer Bandbreite durch die Verwendung von harmonischen Hohlräumen zu erhöhen, die im wesentlichen auf die doppelte Frequenz der Mittenfrequenz des Betriebsbandes abgestimmt sind, ist es bekannt, daß dieses Verfahren zu einer spitzverlaufenden Kurve von Wirkungsgrad/Frequenz führt und nur einen geeigneten Wirkungsgrad in einem relativ schmalen Band schafft. Dieses Verfahren ist für Klystrons mit großer Durchlaßbandbreite nicht verwendbar.Although it is relatively easy to use a klystron with a low bandwidth, the efficiency of harmonic cavities to increase substantially to twice the frequency of the center frequency of the Operating band are matched, it is known that this method results in a sharp curve of efficiency / frequency and only creates a suitable degree of efficiency in a relatively narrow band. This The method cannot be used for klystrons with a large bandwidth.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Klystrons mit hohem Betriebsfrequenzband wird ein anderes Verfahren verwendet Es besteht darin, den Wirkungsgrad in der Mitte des Durchlaßbandes optimal zu gestalten, indem man die beiden oder drei letzten Hohlräume.des als "Verstärker" des Klystrons bezeichneten Teils auf Frequenzen über den Betriebsfrequenzen abstimmt.To increase the efficiency of klystrons with high Operating frequency band uses a different method It consists in making the efficiency in the middle of the passband optimal by using the two or three final cavities of the part called the "amplifier" of the klystron at frequencies above the Tunes operating frequencies.
Der als Verstärker bezeichnete Teil, der oft "Großsignalteil" heisstj . weist eine bestimmte Anzahl von Hohlräumen auf, in denen die verwendbare Hochfrequenzleistung erzeugt wird.The part called the amplifier, which is often called the "large signal part". has a certain number of cavities in which the usable high frequency power is generated.
Diesem Teil geht allgemein ein "Vorverstärkerteil" bzw. ein "Kleinsignalteil" voraus, der an seinem Eingang das zu verstärkende Hochfrequenzsignal empfängt und der eine bestimmte Anzahl von Hohlräumen aufweist, in denen die Verstärkung durchgeführt wird. Eine richtige Wahl der Anzahl dieser Hohlräume, ihre Anordnung und ihre Abstimmfrequenzen, die relativ zueinander entsprechend einer bekannten Technik verstimmt sind, ermöglicht es, eine Verstärkung und ein Durchlaßband zu erhalten, die für diesen Vorverstärkerteil geeignet sind. ίThis part is generally a "preamplifier part" or a "small signal part" which receives the high-frequency signal to be amplified at its input and the one has a certain number of cavities in which the reinforcement is carried out. A right choice of Number of these cavities, their arrangement and their tuning frequencies, which are detuned relative to each other according to a known technique, makes it possible to obtain a gain and passband suitable for this preamplifier part. ί
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Diesem Teil folgt schließlich ein Abnahmekreis der verstärkten Hochfrequenzenergie, der in üblicher Weise und entsprechend der Art des Klystrons ein oder mehrere, gegebenenfalls von Filtern gefolgte Hohlräume, eine Resonanzwendel usw. aufweisen kann»This part is finally followed by a decrease circle of the reinforced ones High-frequency energy, which in the usual way and according to the type of klystron one or more, if necessary may have cavities followed by filters, a resonance coil, etc. »
Obwohl dieser optimale Wirkungsgrad in der Mitte des Durchlaßbandes zu Wirkungsgraden führt, die in diesem gesamten Band bei Klystrons mit sehr hoher Leistung, z.B. von einigen Megawatt, wenig schwanken, ist dies für Klystrons weniger großer Leistung, z.B. von einigen Kilowatt oder sogar von einigen hundert Watt nicht der Fall.Although this optimal efficiency in the middle of the passband leads to efficiencies in this entire band for klystrons with very high output, e.g. of a few megawatts, this is the case for klystrons less high power, e.g. of a few kilowatts or even a few hundred watts, is not the case.
Bei diesen relativ niedrigen Leistungen führt das hier erwähnte Verfahren zu einer Kurve mit maximalem Wirkungsgrad in der Mitte des Durchlaßbandes und einem je nach der Frequenzänderung zu beiden Seiten der Mittenfrequenz sehr schnell abnehmenden Wirkungsgrad. Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, Klystrons zu erzielen, die in breiten Durchlaßbändern von z.B. etwa 10 % der Mittenfrequenz im Band S geeignet arbeiten.At these relatively low powers, the method mentioned here leads to a curve with maximum efficiency in the middle of the pass band and one depending on the frequency change on either side of the center frequency very rapidly decreasing efficiency. It is difficult, if not impossible, to achieve klystrons that are in wide passbands of e.g. about 10% of the center frequency in the S band work properly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zweckmäßig arbeitende Verstärkerklystrons zu schaffen, die vor allem einen erhöhten und im wesentlichen konstanten Wirkungsgrad in breiten Frequenzbändern selbst bei relativ niedrigen Leistungen haben.The invention is based on the object of creating expediently working booster klystrons, above all increased and substantially constant efficiency in broad frequency bands even at relatively low ones Have achievements.
Gemäß der Erfindung weist ein Verstärkerklystron mit mehreren Hohlräumen, xler in einem breiten Frequenzband B, das auf eine Mittenfrequenz F zentriert ist, einerseits Hohlräume auf, die über die maximale Frequenz des Bandes B derart, abgestimmt sind, daß der Wirkungsgrad des Klystrons für Frequenzen über der Mittenfrequenz F erhöht wird,und andererseits Hohlräume, genannt harmonische Hohlräume, die etwas unter die harmonische doppelte According to the invention, an amplifier klystron has multiple cavities, xler in a wide frequency band B, which is centered on a center frequency F, has cavities on the one hand, which are above the maximum frequency of the Band B are matched in such a way that the efficiency of the klystron is increased for frequencies above the center frequency F, and on the other hand cavities, called harmonic cavities, which double slightly below the harmonic
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Frequenz der minimalen Frequenz des Bandes B derart abgestimmt sind, daß der Wirkungsgrad des Klystrons für Frequenzen unter der Mittenfrequenz F erhöht wird.Frequency of the minimum frequency of the band B are tuned so that the efficiency of the klystron for frequencies is increased below the center frequency F.
Diese neue Kombination von in besonderer Weise vor allem derart abgestimmten Hohlräumen, daß jeder der Hohlräume den Wirkungsgrad des Klystrons nicht bei der Mittenfrequenz F des Bandes B verbessert, wie dies bisher bekannt war, sondern zu beiden Seiten dieser Mittenfrequenz, ermöglicht es, erhöhte Wirkungsgrade zu erreichen, die sich in breiten Frequenzbändern ausreichend wenig ändern.This new combination of in a special way above all The cavities are tuned such that each of the cavities does not affect the efficiency of the klystron at the center frequency F of the band B improved, as was previously known, but made possible on both sides of this center frequency it is to achieve increased efficiencies that change sufficiently little in broad frequency bands.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:The invention is explained below with reference to FIGS 4 explained for example. It shows:
Figur 1 und 2 Kurven, die den Verlauf der Änderung desFigure 1 and 2 curves showing the course of the change in
Wirkungsgrades von Klystrons mit großem Durchlaßband in Abhängigkeit von der Frequenz für große (Figur 1) und kleine (Figur 2) Leistungen angeben,Efficiency of klystrons with a large passband as a function of frequency indicate for large (Figure 1) and small (Figure 2) services,
Figur 3 eine Kurve, die den Verlauf der ÄnderungFigure 3 is a curve showing the course of the change
des Wirkungsgrades eines Klystrons gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Frequenz angibt, undthe efficiency of a klystron according to the invention as a function of the Indicating frequency, and
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Teils eines Klystrons gemäß der Erfindung.FIG. 4 shows a schematic representation of an embodiment of part of a klystron according to the invention.
Figur 1 zeigt den Verlauf einer Wirkungsgradkurve r in Abhängigkeit von der Frequenz F eines üblichen Leistungsversärkerklystrons. Es handelt sich hierbei um ein Klystron mit großer Betriebsfrequenzbandbreite B und großer Leistung. Der Wirkungsgrad dieses Klystrons bzw. mitFIG. 1 shows the course of an efficiency curve r as a function of the frequency F of a conventional power booster klystron. This is a klystron with a large operating frequency bandwidth B and a large one Power. The efficiency of this klystron or with
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anderen Worten sein Strahlgrundstrom am Äusgangskreis ist bei der Mittenfrequenz P des Frequenzbandes B maximal.In other words, its basic beam current is at the exit circle at the center frequency P of the frequency band B maximum.
Entsprechend einer oben erwähnten bekannten Technik wird dieser Wirkungsgrad r in dem gesamten Band B dadurch maximal, daß man in dem Verstärkerteil des Klystrons Hohlräume verwendet, die auf Frequenzen über der Frequenz F abgestimmt sind. . According to a known technique mentioned above this efficiency r in the entire band B thereby maximally that one uses cavities in the amplifier part of the klystron which are tuned to frequencies above the frequency F. .
Wenn auch derartige Frequenzverstimmungen der beiden oder drei letzten Hohlräume des Verstärkerteils es ermöglichen, für Klystrons hoher Leistung relativ konstante Wirkungsgradkurven, wie die in Figur 1 zu erhalten, ist dies für Klystrons weniger großer Leistung nicht der Fall. , ' Even if such frequency detunings of the last two or three cavities of the amplifier part make it possible to obtain relatively constant efficiency curves, such as those in FIG. 1, for klystrons of high power, this is not the case for klystrons of less high power. , '
Figur 2 zeigt den Verlauf einer Wirkungsgradkurve eines Klystron weniger großer Leistung mit einem Durchlaßband B, das gleich dem der Figur 1 ist. Wenn es auch in diesem Falle möglich ist, für die Mittenfrequenz F des Bandes einen Wirkungsgrad r„ ebenso hoch wie im Falle der Figur 1 zu erhalten, so ist es kaum möglich, diesen Wirkungs-* grad auf Werten zu halten, die in dem gesamten Band etwa gleich rM sind. , -FIG. 2 shows the course of an efficiency curve of a klystron of less high power with a pass band B which is the same as that of FIG. If it is also possible in this case to obtain an efficiency r 1 for the center frequency F of the band as high as in the case of FIG Band are roughly equal to r M. , -
Figur 3 zeigt den Verlauf der Wirkungsgradkurve r in Abhängigkeit von der Frequenz F eines Klystrons gemäß der Erfindung, das in Figur 4 schematisch und im Schnitt in einer Ausführungsform gezeigt ist.FIG. 3 shows the course of the efficiency curve r as a function of the frequency F of a klystron according to FIG Invention, which is shown in Figure 4 schematically and in section in one embodiment is shown.
Das Klystron der Figur 4 weist einen dichten, evakuierten, nahezu zylindrischen Kolben 1 auf, der an einem Ende eine Elektronenkanone, die symbolisch durch eine emittierende Kathode 2 dargestellt ist, und am gegenüberliegenden Ende eine Sammelelektrode 3 hat. Die Elektronenstrahlen, werdenThe klystron of Figure 4 has a sealed, evacuated, almost cylindrical piston 1, which at one end a Electron gun symbolically emitting by an Cathode 2 is shown, and at the opposite end has a collecting electrode 3. The electron beams, will
von der Kathode 2 emittiert und zu dem Kollektor 3 durch die Laufzeitröhre gerichtet, die durch aufeinanderfolgende Laufzeitzwischenräume gebildet werden, in denen sich die Elektronengruppen bilden und zwischen denen die Resonatoren angeordnet sind, die die verschiedenen Hohlräume 4 bis 10 bilden.emitted from the cathode 2 and to the collector 3 through the transit time tube directed through successive Runtime gaps are formed in which the electron groups are formed and between which the Resonators are arranged which form the various cavities 4 to 10.
Der erste Hohlraum erhält von einer schematisch dargestellten Koppe!vorrichtung 11 das zu verstärkende Hochfrequenzsignal. Dieses Signal, das auf den Strahl der von der Kathode emittierten Elektronen tibertragen und in dem Eingangshohlraum 4 moduliert wird, wird in dem ersten Teil I des Klystrons in an sich bekannter Weise vorverstärkt, wo der Verstärkungsfaktor gebildet wird. In der Figur besteht dieser Teil aus zwei Hohlräumen, genannt "Grundhohlräume", die auf das Betriebsfrequenzband B des Klystrons abgestimmt sind. Dieser Abschnitt kann in bekannter Weise mehr als zwei Hohlräume aufweisen. The first cavity receives the high-frequency signal to be amplified from a schematically illustrated coupling device 11. This signal, which is transmitted to the beam of electrons emitted by the cathode and is modulated in the input cavity 4, is in the first part I of the klystron in a manner known per se pre-amplified, where the amplification factor is formed. In the figure, this part consists of two cavities, called "basic cavities" which are tuned to the operating frequency band B of the klystron. this section can have more than two cavities in a known manner.
Der dritte Teil III dieses Klystrons, der schematisch durch einen Ausgangsgrundhohlraum dargestellt ist, dem eine Koppe!vorrichtung 12 zugeordnet ist, die das verstärkte HF-Signal abnimmt, ist der HF-Energieabnahmeteil, der, wie bereits oben erwähnt wurde, in bekannter Weise aus jedem System besteht, das es ermöglicht, in dem Betriebsfrequenzenband maximale Leistung abzunehmen, z.B. zwei gekoppelten Hohlräumen, einem einem Filter zugeordneten Hohlraum, einer Resonanzwendel usw.The third part III of this klystron, which is represented schematically by an initial base cavity, the a Koppe! device 12 is assigned, which reinforced the RF signal decreases, is the RF energy decrease part, which, as already mentioned above, in a known manner consists of any system that enables maximum power to be drawn in the operating frequency band, e.g. two coupled cavities, a cavity assigned to a filter, a resonance coil, etc.
Der zweite Teil II, der als Leistungsverstärker bezeichnet wird, weist hier vier Hohlräume 6, 7, 8 und 9 auf, von denen einer als "harmonischer" Hohlraum 7 bezeichnet wird.The second part II, which is referred to as the power amplifier, here has four cavities 6, 7, 8 and 9, from one of which is referred to as a "harmonic" cavity 7.
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Diese Vorrichtung stellt selbstverständlich nur ein Ausführungsbeispiel dar und kann hinsichtlich der Gesamtanzahl von Hohlräumen und deren Abstimmfrequenz (und somit auch hinsichtlich deren Abmessungen) und auch hinsichtlich der Anordnung längs der Laufzeitröhre verschieden, sein..Of course, this device represents only one exemplary embodiment and can with regard to the total number of cavities and their tuning frequency (and thus also with regard to their dimensions) and also with regard to the arrangement along the transit time tube.
Bei allen Ausführungsformen weist ein Klystron gemäß der Erfindung in seinem Verstärkerteil II Hohlräume auf, die auf Frequenzen größer als die maximale Frequenz F2 = F +. —_— des Betriebsfrequenzbandes und harmonische Hohlräume auf, die auf Frequenzen nahe der doppelten Frequenz der minimalen Frequenz dieses Bandes, d.h. 2F. = 2 (F - —5—) - 2FQ - B. abgestimmt sind.In all embodiments, a klystron according to the invention has cavities in its amplifier part II which are at frequencies greater than the maximum frequency F 2 = F +. —_— of the operating frequency band and harmonic cavities on frequencies close to twice the frequency of the minimum frequency of this band, ie 2F. = 2 (F - —5—) - 2F Q - B. are matched.
Der Durchmesser d und die Länge 1 dieser harmonischen Hohl räume ist jeweils im wesentlichen dem halben Durchmesser D und der halben Länge L der Grundhohlräume gleich.The diameter d and the length 1 of these harmonious hollow spaces is each substantially half the diameter D. and half the length L of the basic cavities.
Um eine Wirkungsgradkurve wie die durchgehende Kurve der Figur 3 zu erhalten, sind die Hohlräume, die den Frequenzen zugeordnet sind, die größer als die Mittenfrequenz F sind, derart abgestimmt, daß die Wirkungsgradkurve, die ohne die harmonischen Hohlräume (Kurve ABC) erhalten werden, bezüglich der Frequenz F nicht symmetrisch ist, sondern ihr Maximum M zwischen F und der maximalen Frequenz F2 des Bandes B liegt. Ein derartiges Ergebnis wird dadurch erhalten, daß man diese Hohlräume auf Frequenzen abstimmt, die größer sind, als diejenigen, die eine bezüglich F symmetrische Kurve erzeugen würden, wie dies für die üblichen Klystrons der Fall ist.In order to obtain an efficiency curve like the continuous curve in FIG. 3, the cavities which are assigned to the frequencies which are greater than the center frequency F are tuned in such a way that the efficiency curve which is obtained without the harmonic cavities (curve ABC), is not symmetrical with respect to the frequency F, but its maximum M between F and the maximum frequency F 2 of the band B is. Such a result is obtained by tuning these cavities to frequencies greater than those which would produce a curve symmetrical with respect to F, as is the case for conventional klystrons.
Die harmonischen Hohlräume sind auf etwas weniger als die Frequenz 2F^ -B abgestimmt, um den Wirkungsgrad des Klystrons zwischen der minimalen Frequenz F1 des Bandes B und der Frequenz F zu verstärken. Die Wirkung dieser harmo-The harmonic cavities are tuned to slightly less than the 2F ^ -B frequency to increase the efficiency of the klystron between the minimum frequency F 1 of band B and the frequency F. The effect of this harmo-
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nischen Hohlräume auf den Teil AB der Kurve der Figur 3 ist derart/ daß die Wirkungsgradkurve von derart verbesserten Klystrons den Verlauf der Kurve DBC hat.niche cavities on the part AB of the curve of Figure 3 is such / that the efficiency curve of such improved Klystrons has the shape of the curve DBC.
Um ein derartiges Ergebnis zu erhalten, sind verschiedene Ausführungsformen möglich. Das Klystron kann einen oder mehrere harmonische Hohlräume und einen oder mehrere Hohlräume haben, die auf Frequenzen Über FQ abgestimmt sind. Außerdem kann die Anordnung dieser Hohlräume relativ zueinander in dem Verstärkerteil II verschieden sein.Various embodiments are possible in order to achieve such a result. The klystron may have one or more harmonic cavities and one or more cavities tuned to frequencies Above F Q. In addition, the arrangement of these cavities relative to one another in the amplifier part II can be different.
Bei dem in Figur 4 gezeigten Beispiel weist der Verstärker II einen Grundhohlraum 6 auf, der auf das Betriebsfrequenzband B abgestimmt ist, der an einen harmonischen Hohlraum 7, der auf eine Frequenz abgestimmt ist, die etwas kleiner als (2 F0-B) ist, z.B. 1,88 FQ für ein Band B gleich iO % von FQ, dann zwei Hohlräume 8 und 9,die auf Frequenzen ober der Frequenz FQ abgestimmt sind, z.B. der Hohlraum 8 auf die Frequenz 1,05 F und der Hohlraum 9 auf die Frequenz 1,07 F . Diese Werte sind selbstverständlich nur beispielsweise angegeben.In the example shown in Figure 4, the amplifier II has a basic cavity 6, which is tuned to the operating frequency band B, which is matched to a harmonic cavity 7, which is tuned to a frequency that is slightly smaller than (2 F 0 -B) , e.g. 1.88 F Q for a band B equal to iO% of F Q , then two cavities 8 and 9 which are tuned to frequencies above the frequency F Q , e.g. cavity 8 to the frequency 1.05 F and the cavity 9 to the frequency 1.07 F. These values are of course only given as examples.
Nimmt man an, daß der Ausgang der betrachteten Klystrons stets auf eine optimale Last arbeitet, und wenn »an Klystrons betrachtet, die in einem Band S {1500 MHz bis 5200 MHz) mit Durchlaßbändern mit einer Breite B gleich 10 % der Mittenfrequenz F arbeiten und Leistungen abgeben, deren Spitzenwert etwa 200 Kw beträgt, dann haben Klystrons gemäß der Erfindung Wirkungsgrade, die z.B. zwischen 50 und 60 % für das Band B schwanken. Unter den gleichen Leistungs-, Frequenz- und Bandbedingungen arbeitende bekannte Klystrons haben einen zwischen 44 und 6Ol schwankenden Wirkungsgrad.Assume that the exit of the considered klystrons always works at an optimal load, and when »considered at klystrons operating in a band S {1500 MHz to 5200 MHz) work with passbands with a width B equal to 10% of the center frequency F and emit power, whose peak value is about 200 Kw, then klystrons according to the invention have efficiencies which e.g. vary between 50 and 60% for band B. Working under the same power, frequency and band conditions known klystrons have between 44 and 60l fluctuating efficiency.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| 8131 | Rejection |