DE2317487C2

DE2317487C2 - Mehrkammerklystron

Info

Publication number: DE2317487C2
Application number: DE2317487A
Authority: DE
Inventors: Takao Tokyo Kageyama
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1972-04-18
Filing date: 1973-04-06
Publication date: 1984-09-20
Also published as: JPS533225B2; NL7305199A; DE2317487A1; NL169531C; US3819977A; FR2180836B1; JPS492476A; GB1368410A; NL169531B; FR2180836A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrkammerklystron von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art

Die für die Verwendung eines Mehrkammerklystrons insbesondere als Verstärkerröhre für Rundfunk- oder Fernsehsender wichtigen Eigenschaften sind insbesondere ein hoher Verstärkungsfaktor, ein guter Konversionswirkungsgrad, ein breites Betriebsfrequenzband mit flacher Frequenzkennlinie in diesem Band, sowie möglichst niedrige Energieumwandlung in durch Kühlung abzuführende Verlustwärme; erwünscht ist ferner eine möglichst geringe Länge des Klystrons. Verstärkungsfaktor, Konversionswirkungsgrad und Frequenzverhalten können beeinflußt werden durch geeignete Abstimmung der verschiedenen Resonatoren und durch geeignete Bemessung der Laufräume zwischen den Resonatoren, wobei die Länge der Laufräume üblicherweise in normierter Form in Einheiten des Laufwinkels angegeben wird, für den die Gleichung φ = l-coq/V_o gilt (mit φ = Laufwinkel, / = Länge des Laufraums, V₀ = Geschwindigkeit des Elektronenstrahls und coq — Phasenkonstante des Plasmas).

Aus dem Stand der Technik sind eine Fülle verschiedener Abstimmschemata für die Resonatoren des Klystrons bekannt, mit denen ein gewünschtes Betriebsverhalten in einem möglichst breiten Betriebsfrequenzband erzielt werden soll. Das im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Abstimmschema ist bekannt aus der Zeitschrift »The Radio and Electronic Engineer« September 1971, S.408, Fig.6. Ein Mehrkammerklystron, bei dem ebenfalls ein Hilfsresonator auf eine Frequenz tiefer als die Mittenfrequenz, des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt ist, ist aus US-PS 36 22 834 bekannt, wobei jedoch auf den Bündelungseffekt der zweiten Harmonischen der Grundschwingung zurückgegriffen wird. Ebenfalls mit Bündelung durch die zweite Harmonische

ίο arbeitet das aus der DE-OS 21 17 925 bekannte Klystron, bei dem die auf den Eingangsresonator folgenden Hilfsresonatoren auf die zweifache Frequenz der Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt sind. Aus der DE-AS 12 98 200 ist ein Mehrkammerklystron mit großer Bandbreite bekannt dessen in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Hilfsresonatoren auf gegenüber dem Eingangsresonator fortlaufend höhere Frequenzen abgestimmt sind. Auf demselben Prinzip beruht das Abstimmschema des aus US-PS 31 95 007 bekannten Mehrkammerklystrons, wobei hier jedoch der Eingangsresonator auf eine Frequenz weit unterhalb und die Hilfsresonatoren auf Frequenzen weit oberhalb des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt sind derart daß innerhalb des Betriebsfrequenzbandes nur die flachen Flanken der Resonanzkurven der Resonatoren wirksam sind. Um hierbei überhaupt einen ausreichenden Verstärkungsfaktor zu erzielen, müsse» die Resonatoren sehr breite Resonanzkurven, d. h. niedrige Q-Werte haben, was unter anderem den Nachteil starker Wärmeverluste in den Resonatoren mit sich bringt

Grundsätzlich haben die Hilfsresonatoren von Mehrkammerklystrons den Zweck, die dem Elektronenstrahl durch den Eingangsresonator aufgeprägte, zunächst schwache Modulation zu verstärken. Diese Modulation ist zunächst eine Geschwindigkeitsmodulation, aus der sich nach Durchlaufen einer Laufstrecke eine Dichtmodulation des Elektronenstrahls, d. h. eine Bündelung der Elektronen zu Elektronenpaketen ergibt Diese induzieren beim Vorbeiflug am Wechselwirkungsspalt eines Hilfsresonators in diesem eine Wechselspannung, deren Rückwirkung auf den Elektronenstrahl zu einer weiteren Verstärkung der Bündelung führen soll. Unmittelbar bündelungsverstärkend kann ein Hilfsresonator aber nur dann wirken, wenn er sich gegenüber dem vorbeifliegenden modulierten Elektronenstrahl induktiv verhält, d. h. wenn er auf eine höhere Frequenz als der jeweils vorausgehende Resonator abgestimmt ist Wenn, wie bei einem Mehrkammerklystron der eingangs genannten Art, der erste Hilfsresonator zur Verbesserung der Breitbandigkeit auf eine tiefere Frequenz als die Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt ist, so verhält er sich gegenüber dem eingangsmodulierten Elektronenstrahl kapazitiv und wirkt auf diesen entbündelnd, d. h. abschwächend auf die vorhandene Modulation. Um der hierdurch bewirkten Verringerung des Konversionswirkungsgrades entgegenzuwirken, wird bei dem aus der genannten US-PS 36 22 834 der zusätzliche Bündelungseffekt der zweiten Harmonischen ausgenutzt, wobei hierfür jedoch ein auf den tief abgestimmten Hilfsresonator folgender Laufraum von großer Länge, nämlich von mehr als 90° Laufwinkel erforderlich ist. Dies führt zu einer unerwünscht großen Baulänge des Klystrons.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim KIystron der eingangs genannten Art einen hohen Wirkungsgrad bei möglichst kurzer Baulänge zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Sie beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß

der am tief abgestimmten ersten Hilfsresonator auftretende Entbündelungseffekt gezielt ausgenutzt werden kann, um bereits nach einer relativ kurzen Laufstrecke eine Bündelungsumkehr des Elektronenstrahls, d. h. eine erneute Bündelung mit entgegengesetzter Phase zu erreichen, die dann nach Verstärkung duich den zweiten und gegebenenfalls durch den dritten Hilfsresonator ein großes Signal im Ausgangsresonator erzeugen kann, wobei die Laufräume des Klystrons zusammen wesentlich kürzer als bei den vorbekannten Klystrons gemacht werden können.

Bevorzugte Werte für die Längen der Laufräume sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Klystron gemäß einer ersten Ausführungsform im schematischen Längsschnitt;

F i g. 2 die Bündelung, Entbündelung und Wiederbündelung der Elektronen entlang dem Elektronenstrahl;

F i g. 3 die Kennlinie der Impedanzphase eines Hilfs- resonators des Klystrons in Abhängigkeit von der Frequenz;

F i g. 4 die Verstärkung des Klystrons in Abhängigkeit von der Frequenz mit Angabe der Grundmode-Resonanzfrequenzen, der Hilfsresonatoren;

F i g. 5 die normierten dichtemodulierten Strahlströme eines Klystrons gemäß der ersten Ausführungsform und eines bekannten Klystrons, abgetragen über den Weg längs der Strahlachse; und

F i g. 6 einen schematischen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform.

Es wird zuerst auf F i g. 1 Bezug genommen. D; ί dort gezeigte erste Ausführungsform hat zwischen einem Kathodenstrahlerzeuger 11 zur Erzeugung eines Elektronenstrahles !2 und einer Sammelelektrode 13 am anderen Ende einen Eingangsresonator 14 mit einer Eingangskopplung 15, die mit einer Eingangsenergiequelle 16 verbunden ist, und einem Wechselwirkungsspalt 17 zur Geschwindigkeitsmodulation des Strahls 12 mit der Hochfrequenzspannung, die durch die von der Energiequelle 16 zugeüfhrte Energie an dem Spalt 17 des Eingangsresonators 14 induziert wird, ferner einen ersten Laufraum 18, der unmittelbar hinter dem Eingangsresonator 14 den Strahl 12 umgibt um einen Raum frei vom Hochfrequenzfeld zu bilden, in dem die Elektronen mit den Geschwindigkeiten laufen können, die ihnen durch die Geschwindigkeitsmodulation im Eingangsresonator 14 gegeben werden. Dann kommt ein erster frei schwingender Hilfsresonator 19, dessen Grundresonanzmode auf eine Frequenz, die niedriger ist als die Mittenfrequenz des Betriebsdurchlaßbandes des Klystrons, und der einen Wechselwirkungsspalt 20 am Ende des ersten Laufraums 18 und Mittel wie einen Koppler 21 zur Verbindung zu einer hier nicht gezeigten Schaltung zur Einstellung der elektrischen Eigenschaften des Voreingangsresonators 19, wie seinen (?-Wert oder die Frequenz aufweist Es folgt ein zweiter Laufraum 22, der den Strahl 12 anschließend an dem Spalt 20 des 1. Hilfsresonators 19 umgibt, und dessen normierter Laufwinkel, der länger als der des ersten Laufraums und der anderen Laufräume, die noch beschrieben werden, aber nicht größer als 90° ist

Während des Hindurchtriftens durch den ersten Laufraum 18 werden die Elektronen gebündelt, so daß eine dichtemodulierte Komponente des Strahlstroms an dem Spalt 20 des ersten Hüfsresonators 19 entsteht, die eine Phasennacheilung von ungefähr 90° gegenüber der an dem Spalt 17 des Eingangsresonators 14 angelegten Spannung besitzt und im ersten Hilfsresonator 19 entlang der Resonatorwand einen Strom induziert der sich in Phase mit der dichtemodulierten Stromkomponente befindet Andererseits ist die Impedanz des ersten Hilfsresonators 19 an seinem Spalt 20 gesehen in der Nähe der Mittenfrequenz kapazitiv, weil der erste Hilfsresonator 19 tief abgestimmt ist Der entlang der Resonatorwand induzierte Strom induziert daher eine Spannung über dem Spalt 20, die bezüglich der Phase um etwa 90°

ίο weiter hinter dem Wandstrom nacheilt und gegenüber der an dem Spalt 17 des Eingangsresonators 14 angelegten Spannung angenähert die entgegengesetzte Phase besitzt Als Ergebnis davon werden die Elektronen an dem Spalt 20 des ersten Hilfsresonators 19 einer entbündelnd wirkenden Geschwindigkeitsmodulation ausgesetzt und sind unmittelbar nach dem Eintreten in den zweiten Laufraum 22 im wesentlichen vollständig entbündelt Es hat sich nun als möglich herausgestellt, die einmal entbündelten Elektronen während deren Durchgang durch den zweiten Laufraum 22 wieder zu bündeln.

Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform umfaßt einen zweiten Hilfsresonator 23, der mit seiner Grundmode-Resonanz auf eine Frequenz, die höher ist als die obere Grenzfrequenz des Paßbandes, abgestimmt ist und einen Wechselwirkungsspalt 24 an dem Ende des zweiten I aufraums 22 besitzt, einen dritten Laufraum 25, der den Strahl 12 hinter dem Spalt 24 umgibt, zur Bildung eines hochfrequenzfreien Laufraumes, einen dritten Hilfsresonator 26 ähnlich dem zweiten Hilfsresonator 23 mit einem Wechselwirkungsspalt 27 am Ende des dritten Laufraumes 25, einen vierten Laufraum 28, der den Strahl 12 hinter dem Wechselwirkungsspalt 27 umgibt und einen Ausgangsresonator 29 mit einem Wechselwirkungsspalt 30 am Ende des vierten Laufraums 28 mit einem Ausgangskoppler 31, der mit einer Nutzeinrichtung 32 wie etwa einer Antenne verbunden ist, um ihr die im Ausgangsresonator 29 abgenommene verstärkte Energie zuzuführen. Der dritte und der vierte Laufraum haben kürzere normierte Längen als der zweite Laufraum, wie oben schon ausgeführt wurde. Als Folge der höheren Frequenzabstimmung der Hilfsresonatoren 23 und 26 ist deren Impedanz an ihren Wechselwirkungsspalten 24 und 27 gesehen in dem Betriebsfrequenzband hinreichend induktiv. Die an den Spalten 24 oder 27 durch die dichtemodulierte Stromkomponente des Strahls 12 induzierte Spannung ist daher ungefähr in Phase mit der an dem Spalt 20 des ersten Hilfsresonators 19 induzierten Spannung und moduliert die Elektronen bezüglich der Geschwindigkeit so, daß die im zweiten Laufraum 22 vorhandene Bündelung verstärkt wird. Die dichtemodulierte Stromkomponente des Strahls 12 mit derart verstärkter Elektronenbündelung erregt die Ausgangsresonatorschaltung 29 zur Lieferung der Ausgangsenergie.

Beispielsweise haben die normierten Längen oder Laufwinkel der Laufräume 18, 22, 25, 28 die Werte 50°, 80°,45° und 33°.

Im weiteren wird auf F i g. 2 Bezug genommen. Es wird im einzelnen das Entbündeln und das Wiederbündeln der Elektronen an dem Wechselwirkungsspalt 20 des ersten Hilfsresonators 19 und innerhalb des zweiten Laufraums 22 beschrieben. In F i g. 2 ist die Gleichsfombewegung der Elektronen weggelassen, d. h.

Fig. 2 stellt für die Elektronen des Strahls 12 die Geschwindigkeitsmodulation und die Bündelung dar. wie sie von einem sich entlang des Strahls 12 mit der Gleichstrom-Strahlgeschwindigkeit mit bewegendem Beob-

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achter gesehen wird, so daß der Strahl 12 als zeitlich gefallen ist. Die Frequenz für den ersten Hilfsresonator feststehend dargestellt werden kann und nicht als ein 19 ist ein wenig niedriger als die untere Grenze des kontinuierlicher orts- und zeitabhängiger Fluß. Das Durchlaßbandes. Die Frequenzen für den zweiten und Verhalten der Elektronen wird illustriert durch acht dritten Hilfsresonator 23 und 26 sind höher als dessen Scheiben A bis H, die sich anfänglich an den Stellen 5 obere Grenze. Die Frequenzen für die Eingangs- und befinden, die sich ergeben, wenn ein einer Schwingungs- Ausgangsresonatoren 14 und 29 liegen in der Nähe der periode der Mittelfrequenz des Betriebsfrequenzbandes Mittelfrequenz.

entsprechender Längenabschnitt des Strahles 12 in acht In F i g. 5 ist als Kurve 38 die Amplitude der Grundgleiche Teile geteilt wird. Fig.2 (a) zeigt die Hochfre- komponente des dichtemodulierten Stromes, normiert quenzspannung, die an dem Spalt 17 des Eingangsreso- io durch den Gleichstrom-Strahl-Strom, gegen die in MiIIinators 14 erzeugt wird und die die Scheiben in dem metern gemessene Entfernung von dem am weitesten durch die Pfeile dargestellten Sinn geschwindigkeitsmo- stromaufwärts liegenden Wechselwirkungsspalt 17 entduliert. F i g. 2 (b) zeigt die Scheiben unmittelbar strom- lang des Weges des Strahles 12 abgetragen. Die Positioabwärts von dem Spalt 17, wo die Elektronen noch nicht nen der Spalte 17, 20, 24,27, 30 sind durch die entspregebündelt sind, aber ihre durch die Pfeile dargestellten 15 chenden Bezugszeichen angezeigt. Eine weitere Kurve Geschwindigkeiten haben. F i g. 2 (c) zeigt die Scheiben 39, die allgemein unter der Kurve 38 verläuft, zeigt den unmittelbar stromaufwärts von dem Spalt 20 des ersten normierten dichtemodulierten Strom in Abhängigkeit Hilfsresonators 19, wobei die Maxima der Elektronen- von dem Abstand für eine bekannte geschwindigkeitsbündelung an den Stellen der Scheiben A liegen. In modulierte Röhre mit demselben Abstand zwischen den F i g. 2 (d) zeigt die gestrichelte Kurve 36 die dichtemo- 20 am meisten stromaufwärts liegenden und am meisten dulierte Komponente des Strahles 12 an dem Spalt 20, stromabwärts liegenden Spalten und mit einem langen die den phasengleichen Wandstrom induziert Die ande- Laufraum unmittelbar stromabwärts vom Eingangsrere durchgezogene Kurve 37 zeigt die an dem Spalt 20 sonator. Der Mittelpunkt des unmittelbar stromabwärts induzierte Spannung zusammen mit der durch die indu- von dem langen Laufraum liegenden Spaltes ist durch zierte Spannung auf die Scheiben ausgeübten Ge- 25 den Buchstaben X dargestellt Die im Laufraum 22 erschwindigkeitsmodulation. Die durch die Pfeile ange- reichte Rückbündelung ist stark genug, um den Umzeigte Geschwindigkeitsmodulation neigt zum Entbün- Wandlungswirkungsgrad um 5% zu steigern, dein des Elektronenbündels an den Stellen der Scheiben In F i g. 6 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt,

A und zum Wiederbündeln der Elektronen nach den die ähnlich der ersten ist bei der jedoch kein dritter Stellen der Scheiben £, wo unmittelbar stromaufwärts 30 Hilfsresonator verwendet wird. Die der ersten Ausfühvon Spalt 20 das Minimum der Bündelung ist. F i g. 2 (e) rungsform entsprechenden Teile sind mit den gleichen zeigt die im wesentlichen vollständig entbündelten Elek- Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal tronen in dem Bereich unmittelbar stromabwärts vom näher beschrieben. Ein Beispiel für die normierten Län-Spalt 20. Die Elektronen besitzen jedoch durch die an gen der Laufräume 18,22,28 beträgt 50°, 80° und 35°.

dem Spalt 20 induzierte Spannung eine Geschwindig- 35

keitsmodulation und tendieren zu der Scheibe E, wie es Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

durch die Pfeile angedeutet wird. F i g. 2 (f) zeigt den

Elektronen-Wiederbündelungseffekt innerhalb des
zweiten Laufzeitraums 22. Auf diese Weise ist es mit der
Erfindung möglich, die Elektronen zurückzubfindeln 40
und den Konversionswirkungsgrad zu steigern, und
zwar mit einem zweiten Laufraum 22 von einer normierten Länge, die kürzer ist als 90°. Im Gegensatz dazu
ist bei Verwendung der zweiten harmonischen Raumladungskräfte ein Laufraum von einer normierten Länge 45
in der Größenordnung von 120° nötig, um eine Verbesserung der Elektronenbündelung zur Steigerung des
Konversionswirkungsgrades zu erreichen.

Die in F i g. 3 gezeigte Kurve zeigt die Phase der Impedanz des ersten Hilfsresonators 19 von seinem Spalt 50
20 aus gesehen in Abhängigkeit von der Frequenz. Dabei ist to die Mittenfrequenz des Betriebs- oder Durchlaßbandes und /'die Frequenz, bei der der erste Hilfsresonator 19 mit seiner Grundschwingungs-Resonanz abgestimmt wird, um die Bandbreite des Klystrons zu ver- 55
bessern. Man sieht, daß die Phase der Impedanz in der
Nähe der Mittenfrequenz f_o um 90° nacheilt

Das in F i g. 4 gezeigte Diagramm zeigt den Verstärkungsfaktor einer des Klystrons gemäß der Ausführungsform in Abhängigkeit von der Frequenz, die in 60
MHz abgetragen ist Die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes beträgt 600 MHz. Die Frequenzen, auf die die
Resonatoren 14,19,23,26,29 mit ihrer Grundresonanzmode eingestellt sind, sind durch die Pfeile mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet Mit diesen Fre- 65
quenzen hat das Klystron ein Betriebsfrequenzband von
ca. 7 MHz Breite zwischen den Punkten, an denen die
Verstärkung um 1 dB von der Maximalverstärkung ab-

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrkammerkiystron mit vorgegebenem Betriebsfrequenzband, mit einem Eingangsresonator, einem Ausgangsresonator und zwei oder drei dazwischen angeordneten, frei schwingenden Hilfsresonatoren, wobei der Eingangsresonator auf etwa die Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes, der in Strahlrichtung gesehen erste Hilfsresonator auf eine Frequenz tiefer als die Mittenfrequenz und der in Strahlrichtung gesehen zweite sowie gegebenenfalls dritte Hilfsresonator auf Frequenzen oberhalb des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt sind, wobei die Laufwinkel der die Resonatoren verbindenden Laufräume unterschiedlich sind, nicht mehr als 90° betragen und der dem Ausgangsresonator vorausgehende Laufraum am kürzesten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufwinkel des auf den Eingangsresonator (14) folgenden Laufraums (18) ca. 50° und der Laufwinkel des auf den ersten frei schwingenden Hilfsresonator (19) folgenden Laufraunis (22) zwischen 60° und weniger als 90° beträgt

2. Mehrkammerklystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den ersten Hilfsresonator (19) folgende Laufraum (22) einen Laufwinkel von 80° aufweist.

3. Mehrkammerklystron nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß der den zweiten Hilfsresonator (23) mit dem Ausgangsresonator (29) verbindende Laufraum einen Laufwinkel von 35° hat

4. Mehrkammerklystron nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den zweiten Hilfsresonator (23) mit einem dritten Hilfsresonator (26) verbindende Laufraum (25) einen Laufwinkel von 45° und der den dritten Hilfsresonator (26) mit dem Ausgangsresonator (29) verbindende Laufraum (28) einen Laufwinkel von 33° hat.