DE2353555C2 - Mehrkammerklystron - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Mehrkammerklystron mit einem Eingangsresonator, freischwingenden Hilfsresonatoren und einem Ausgangsresonator, deren Resonanzfrequenzen auf bestimmte V. erte in bezug auf ein vorgegebenes Betriebsfrequenzband eingestellt sind, wobei die Resonanzfrequenz des Eingangsresonators nahe der unteren Grenzfrequenz des Betriebsfrequenzbandes und die Resonanzfrequenzen der Hilfsresonatoren in Strahlrichtung gesehen bei fortlaufend höheren Werten liegen und der Gütefaktor (Q-Wert) des Eingangsresonators größer als der des ersten Hilfsresonators und kleiner als der jedes weiteren Hilfsresonators ist.

Bei einem aus DE-AS 12 98 200 bekannten Klystron dieser Art, bei dem ein hoher Wirkungsgrad und ein möglichst breites Betriebsfrequenzband angestrebt werden, sind die Resonanzfrequenzen der in Strahlrichtung aufeinanderfolgenden Resonatoren auf fortlaufend höhere Frequenzen innerhalb des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt, und die Gütefaktoren der Resonatoren nehmen in Richtung des Elektronenstrahls zunächst ab und dann wieder zu. Als Ergebnis kann innerhalb einer Betriebsfrequenzbandbreite von etwa 12 bis 14% der Mittenfrequenz ein Wirkungsgrad zwischen 20 und 32% erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Klystrons der angegebenen Art noch weiter zu erhöhen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Resonanzfrequenz des ersten Hilfsresonators 21 annähernd auf die obere Grenzfrequenz und die Resonanzfrequenzen der weiteren Hilfsresonatoren 26, 31 auf Werte oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt sind und daß der Eingangsresonator 16 einen Gütefaktor von etwa 200 und jeder außerhalb des Betriebsfrequenzbandes

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45 liegende Hilfsresonator einen Gütefaktor von etwa 650 aufweist. Ein Resonator, dessen Resonanzfrequenz tiefer liegt als die vom Elektronenstrahl aufgrund seiner Dichtemodulation in dem Resonator induzierte Spannung, verhält sich bezüglich dieser Spannung kapazitiv und erzeugt eine Gegenspannung, die den Elektronenstrahl wieder zu entbündeln sucht Mit der erfindungsgemäöen Maßnahme, bereits den ersten Hilfsresonator annähernd auf die obere Grenzfrequenz des Betriebsfrequenzbandes abzustimmen, wird erreicht, daß er für keinen innerhalb des Betriebsfrequenzbandes liegenden Signalanteil ein kapazitives Verhalten zeigen und damit entbündelnd wirken kann. Alle Resonatoren verhalten sich somit innerhalb des Arbeitsfrequenzbandes induktiv und daher bündelungsverstärkend. Ferner wird durch die im Vergleich zu dem bekannten Klystron sehr hohen Gütefaktoren des zweiten und gegebenenfalls der weiteren Hilfsresonatoren erreicht, daß diese Hilfsresonatoren weder eine äußere Last noch eine Strahlbelastung in Form eines sehr breiten Wechselwirkungsspaltes benötigen. Durch das Zusammenwirken dieser Maßnahmen läßt sich der Wirkungsgrad im Vergleich zu dem bekannten Klystron nahezu verdoppeln, und kann bei einem Vierkammerklystron bis zu 55% und bei einem Fünfkammerklystron sogar bis über 60% betragen. Dieser gute Wirkungsgrad bleibt auch dann erhalten, wenn das Betriebsfrequenzband über einen großen Bereich von Betriebsfrequenzen verschoben wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Fünfkammerklystrons gemäß einer ersten Ausführungsform;

F i g. 2 eine graphische Darstellung, die die mit dem Klystron nach F i g. 1 erzielbare Verstärkung sowie die Lage der Resonanzfrequenzen der Resonatoren in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt;

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Impedanzverhaltens der Resonatoren an dek ihnen zugeordneten Wechselwirkungsspalten, in Abhängigkeit von der Frequenz;

F i g. 4 die Phasen der an den Wechselwirkungsspalten der Resonatoren wirsamen Impedanzen in Abhängigkeit von der Frequenz;

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Zunahme der Dichtemodulation des Elektronenstrahls entlang der Strahlachse für das Klystron gemäß F i g. 1 im Vergleich zu einem nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Klystron;

F i g. 6 den Verlauf des Wirkungsgrades des Klystrons gemäß F i g. 1 im Vergleich zu einem herkömmlichen Klystron;

Fig.7 einen schematischen Längsschnitt durch ein Vierkammerklystron gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Das Klystron gemäß Fig. 1 weist innerhalb einer nicht dargestellten Umhüllung an einem Ende eine Elektronenstrahlquelle 11 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 12 und am anderen Ende eine Kollektorelektrode 12 zum Auffangen des Elektronenstrahls auf. Ein mittels Abstimmstempel 18 abstimmbarer Eingangsresonator 16 ist neben dem Elektronenstrahlerzeuger 11 angeordnet und kann durch eine Eingangs-Kopplungsschleife 17 erregt werden. Er ist auf eine Frequenz nahe der unteren Grenzfrequenz des Arbeitsfrequenzbandes des Klystrons abgestimmt. Über seinen vom Hohlraum umgebenen Wechselwirkungsspalt 19 wirkt die ange-

legte Hochfrequenzspannung auf den Elektronenstrahl 12 ein und erzeugt eine Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen. Hinter dem Eingangsresonator 16 ist eine erste Triftröhre 20 angeordnet, um einen ersten Laufraum zu bilden, der frei von dem elektrischen Hochfrequenzfeld ist und in dem der Elektronenstrahl 12 aufgrund der vom Spalt 19 erzeugten Geschwindigkeitsmodulation eine Bündelung, d. h. eine Dichtemodulation erhält Ein erster Hilfsiesonator 21 mit einem Wechselwirkungs? palt 22 am Ende des ersten Laufraums 20 ist mittels eines Abstimmstempels 23 auf eine Frequenz nahe der oberen Grenzfrequenz des Arbeitsfrequenzbandes abgestimmt. Der Hilfsresonator 21 kann mit einer Kopplungseinrichtung, z. B. einer Schleife 24 versehen sein, um ihn mit einer (nicht dargestellten) Last zur Einstellung seines Q-Wertes zu verbinden. Der Elektronenstrahl 12, der durch den Spalt 22 des Hilfsresonators 21 hindurchtritt, enthält durch seine Dichtemodulation eine Stromkomponente im Grundschwingungsmode, deren Phase nahezu 90° hinter der über den Eingangsresonatorspalt 19 induzierten Spannung nacheilt. Der dichtemodulierte Elektronenstrahl tritt mit dem Hilfsresonator 21 an den Spalt 22 derart in Wechselwirkung, daß ein elektrischer Strom entlang der Innenwand des Hilfsresonators 21 induziert wird, der nahezu in Phase mit der Stromkomponente des Grundschwingungsmodes ist. Andererseits verhält sich die Impedanz des Hilfsresonators 21 am Spalt 22 bezüglich der Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes induktiv. Daher induziert der induzierte Strom seinerseits eine Spannung mit einer Phase, die der Phase des induzierten Stromes voreilt. Durch diese wird an dem Spalt 22 des Hilfsresonators 21 auf den Elektronenstrahl 12 eine weitere Geschwindigkeitsmodulation aufgeprägt, die im Sinne einer Verstärkung der im ersten Laufraum ausgebildeten Bündelung oder Dichtemodulation wirkt. Der Elektronenstrahl 12 wird daher in einem hinter dem Hilfsresonator 21 liegenden zweiten Laufraum 25 weiter gebündelt.

In dem die endgültige Bündelung bewirkenden Teil des Klystrons ist ein zweiter Hilfsresonator 26 mit einem Wechselwirkungsspalt 27 vorgesehen, der durch einen Abstimmstempel 28 auf eine höhere Frequenz als die höchste Frequenz des Arbeitsfrequenzbandes abgestimmt wird. Die Impedanz am Spalt 27 des zweiten Hilfsresonators 26 ist daher für ein Signal mit der Mittenfrequenz des Betriebsfrequonzbandes genügend induktiv, so daß die an dem Spalt 27 durch den Elektronenstrahl 12 induzier'e Spannung im Wesentlichen in Phase mit den Spannungen ist, die an dem Eingangsresonatorspalt 19 und dem ersten Hilfsresonatorspalt 22 induziert werden. Die am zweiten Hilfsresonatorspalt 2V auf den Elektronenstrahl 12 ausgeübte Geschwindigkeitsmodulation wirkt daher im Sinne einer weiteren Verstärkung der bereits vorhandenen Bündelung oder Dichtemodulation. Der Elektronenstrahl 12 wird in einer stromab des zweiten Hilfsresonators 26 liegenden dritten Laufraum 29 weiter gebündelt. Ein dritter Hilfsresonator 31 mit einem Wechselwirkungsspalt 32 wird durch einen Abstimmstempel 33 auf eine Frequenz höher als die höchste Frequenz des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt, um auf ähnliche Weise die Bündelung in einem vierten Laufraum 34 zu verstärken, der mit diesem dritten und letzten Hilfsresonator 31 verbunden ist. Ein Ausgangsresonator 36 mit einem Wechselwirkungsspalt 37 und einer Ausgangskopplungsschleife 38 kann durch einen AbstimmstemDcl 39 im Wesentlichen auf die Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt werden. Die Hohlraumimpedanzen der Hohlraumresonatoren in einem Klystron wirken sich auf den Konversionswirkungsgrad und die Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie aus. Die Beziehung zwischen dem <?-Wert eines Hohlraumresonaiors und dem Absolutwert \Z\ der Hohlraumimpedanz, gesehen vom zugehörigen Wechselwirkungsspalt, ist gegeben durch:

IzI = RJV\ + O² (/,//o -fo/fi)² -

wobei ^-und/, die Resonanzfrequenz des Resonators und die Arbeitsfrequenz der Röhre, und R den gesamten Parallel-Verlustwiderstaed des Resonators bedeuten. Andererseits ist die Beziehung zwischen dem Q-Wert und der Phase Θ der Hohlraumimpedanz gegeben durch:

Θ = Arctan Q (/„//, -/,//„}.

(2)

Das Klystron gemäß F i g. 1 hat aufgrund seiner Auslegung die in Fig.2 dargestellte Ve~s!ärkung.s-Frequenz-Kennlinie. Die Mittenfrequenz ist 500 MHz. Die Betriebsfrequenzbandbreite W zwischen den Punkten, in denen die Verstärkung um 1 dB gegenüber tlsm Maximalwert abgenommen hat, ist etwa 7 MHz. Die Frequenzen, auf die die Hohlraumresonatoren 16, 21, 26, 31 und 36 abgestimmt sind, sind in F i g. 2 durch die Pfeile mit den entsprechenden, von einem Kreis umgebenen Bezugszahlen angegeben. Der Eingangsresonator 16 hat einen Q-Wert von 195 aufgrund der Eingangskopplungsschleife 17. Der unverschaltete erste Hilfsresonator 21 ist auf einen ζ)-Wert von 145 dadurch eingestellt, daß ein Widerstand von 50 Ohm an die Schleife 24 angeschlossen ist. Jeder der unverschalteten Hilfsresonatoren 26 und 31 hat einen (?-Wert von 650. Der Ausgangsresonator 36 mit der Ausgangskopplungsschleife 38 hat einen <?-Wert von 55.

In Fig.3 sind die Absolutwerte der unter Verwendung der Gleichung (1) errechneten Hohlraumimpedanzen gegen die Frequenz aufgetragen. Man erkennt, daß die Hi'fsresonatoren 26 und 31 hohe Impedanzen bei der höchsten Frequenz des Betriebsfrequenzbandes W haben und daß der (?-Wert des Eingangsrescnators 16 größer als der Q-Wert des Vorresonators 21 ist, wodurch man einen flachen Verlauf der Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie erhält.

F i g. 4 zeigt den Verlauf der nach Gleichung (2) errechneten Phasen der Hohlraumimpedanz. Man erkennt, daß aufgrund der erfindungsgemäßen erfindungsgemäßen Wahl der Resonanzfrequenzen der Resonatoren eine Entbiindelungswirkung auf den Elektronenstrahl entlang der Röhre vermieden wird, weil im gesamten Betriebsfrsquenzband die Impedanzen der Hilfsresonatoren 21, 26 und 31, gesehen von ihren Wechselwirkungsspalten 22, 27 und 37, eine voreilende Phase zueinander haben.

In Fig. 5 ist durch die Kurve 42 die Amplitude der dichtemodulierten Stromkomponente in dem Grundschwingungsmode df j Elektronenstrahls 12 entlang der Röhre gemäß F i g. 1 aufgetragen. Die Kurve beginnt an der Mitte des Eingangsresonatorspaltes 12, und die Position der Spaltmitten der anderen Resonatoren 21, 26, 31 und 36 sind jeweils entlang der Abszisse mit den zugehörigen Bezugszahlen angegeben. Die Ordinate ist durch den Gleichspa^nungsanteil des Strahlstroms normiert. Eine andere Kurve 43 zeigt den Verlauf der entsprechenden Amplitude bei einer ähnlich aufgebau-

ten Röhre gemäß .,nein älteren Vorschlag, bei der jedoch aufgrund anderer Abstimmung des ersten Hilfsresonators 22 eine Entbündelung des Elektronenstrahls bewirkt wird. Die Kurve 42 zeigt im gesamten Betriebsfrequenzband keine derartige Entbündelung und führt zu einer höheren Amplitude der Dichtemodulation des Elektronenstrahls am Ausgangsresonatorspalt 37.

In Fig. 6 zeigt die Kurve 44 den Konversionswirkungsgrad des Klystrons gemäß Fig. 1 für einen Frequenzbereich von 470-660MHz, d.h. für das UHF-Fernscliband. Eine andere Kurve 45 zeigt den Umsetzungswirkungsgrad einer ähnlichen, herkömmlichen Laufzeitröhre. Aus der Figur ist ersichtlich, daß mit dem Klystron gemäß F i g. I ein Umsetzi/ngswirkungsgrad von etwa 60% über das ganze UHF-Fernsehband sichergestellt wird.

Fig. 7 zeigt ein Vierkammerklystron gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 nur dadurch, daß der dritte Hilfsresonator 31 weggelassen wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mehrkammerklystron mit einem Eingangsresonator, freischwingenden Hilfsresonatoren und einem ϊ Ausgangsresonator, deren Resonanzfrequenzen auf bestimmte Werte in bezug auf ein vorgegebenes Betriebsfrequenzband eingestellt sind, wobei die Resonanzfrequenz des Eingangsresonators nahe der unteren Grenzfrequenz des Betriebsfrequenzbandes ι ο und die Resonanzfrequenzen der Hilfsresonatoren in Strahlrichtung gesehen bei fortlaufend höheren Werten liegen und der Gütefaktor (Q-V/eri) des Eingangsresonators größer als der des ersten Hilfsresonators und kleiner als der jedes weiteren Hilfsresonators ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des ersten Hilfsresonators (21) annähernd auf die obere Grenzfrequenz und die Resonanzfrequenzen der weiteren Hilfsresonatoren (26, 31) auf Werte oberhalb der oberen Ovenzfrequenz des Betriebsfrequenzbandes abgestimmt sind und daß der Eingangsresonator (16) einen Gütefaktor von etwa 200 und jeder außerhalb des Betriebsfrequenzbandes liegende Hilfsresonator einen Gütefaktor von etwa 650 aufweist

2. Mehrkammerklystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hilfsresonator einen Gütefaktor von ungefähr 145 aufweist.