DE2512629A1

DE2512629A1 - Elektronisch abstimmbarer hohlraumresonator und damit ausgestattete mikrowellenroehre

Info

Publication number: DE2512629A1
Application number: DE19752512629
Authority: DE
Inventors: George Kenneth Farney
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-09-25
Also published as: US3927347A; GB1491756A; IT1034480B; FR2265188A1; CA1034645A; NL7503453A; DE2512629C2; NL183912C; IL46865A; IL46865A0; JPS5716461B2; JPS50133763A; FR2265188B1

Description

Es wurde von den Befürwortern dieses Schemas erwartet, daß eine solche Anordnung zwischen 1 % und 2 % elektronische Abstimmung ermöglichen konnte. Die Struktur ist Jedoch relativ groß, die Gesamtabmessungen sind im allgemeinen vergleichbar mit der Größe der Röhre im Ku-Band. Die erwähnte Röhre wird gegenwärtig unter NAVELEX, Contract No. N00039-73-C-0080 entwickelt und wird in den ersten beiden vierteljährlichen Berichten unter diesem Kontrakt beschrieben. Die Berichte haben die Dokumentnummern PT-3938 bzw. PT-4062. Der zweite Viertel-Jahresbericht trägt das Datum 13. Dezember 1973.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektronisch abstimmbaren Hohlraumresonator und eine damit ausgestattete Mikrowellenröhre verfügbar zu machen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind eine Vielzahl Blindbelastungselemente in elektromagnetischer Feldaustauschbeziehung mit den erregten Resonanzfeldern eines Hohlraumresonators gekoppelt, um den Resonator blind zu belasten, so daß eine zusammengesetzte, blindbelastete Hohlraumresonatorstruktur definiert wird. Es sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen der Blindbelastungseffekt der Jeweiligen Blindbelastungselemente auf die zusammengesetzte Struktur variiert werden kann, um die Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Hohlraumresonators abzustimmen, so daß der Resonator elektronisch abgestimmt wird.

Bei einer speziellen Ausbildung der Erfindung sind die Blindbelastungselemente innerhalb des Hohlraumresonators angeordnet, so daß eine verbesserte Kopplung zum Resonator

erreicht wird und gleichzeitig die Größe der zusammengesetzten Resonatorstruktur minimiert wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung besteht die Blindbelastungsstruktur aus einer Reihe von Blindbelastungselementen, wobei. elektronische Abstimmeinrichtungen jedem Element assoziiert sind, um die Blind- . belastung der zusammengesetzten Resonatorstruktur elektronisch zu variieren.

Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung sind Abstimmeinrichtungen mit jedem Abstimmelement der Reihe assoziiert, wobei diese Abstimmeinrichtungen eine oder mehrere Diodeneinrichtungen aufweisen, mit denen die Felder von einzelnen Blindbelastungselementen elektrisch kurzgeschlossen werden, entsprechend einem elektrischen Signal, das über den betreffenden Diodeneinrichtungen liegt.

Gemäß einer anderen speziellen Ausbildung der Erfindung bestehen die Abstimmeinrichtungen, die jedem der Blindbelastungselemente assoziiert sind, aus ferromagnetischen Einrichtungen, mit denen die induktive Reaktanz der betreffenden Blindbelastungseiemente variiert wird, entsprechend einem magnetischen Signal, das an den ferromagnetischen Einrichtungen liegt.

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung besteht die Blindbelastungsstruktur aus einem segmentierten leitenden Ring, wobei benachbarte Segmente des Ringes elektrisch über Diodeneinrichtungen verbunden sind, so daß elektrische Vorspannungssignale, die an die Diodeneinrichtungen angelegt werden, um die Diodeneinrichtungen leitend zu machen, die effektive Länge der leitenden Länge des mit dem Resonator gekoppelten Ringes ändern.

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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung besteht die Blindbelastungsstruktur aus einer Reihe von Blindbelastungsfahnen, die von einer Wand des Resonators in diesen vorstehen.

Gemäß einer anderen speziellen Ausbildung der Erfindung wird der Stabilisierungshohlraum eines Koaxialmagnetrons für den kreisförmigen elektrischen Modus durch eine Vielzahl von Blindbelastungselementen abgestimmt, die in Energieaustauschbeziehung mit dem kreisförmigen elektrischen Modus des Resonators für den kreisförmigen elektrischen Modus gekoppelt sind, wobei die Blindbelastung der betreffenden Elemente mittels Diodeneinrichtungen oder ferromagnetischen Einrichtungen variiert wird, die damit assoziiert sind, um eine elektronische Abstimmung der Betriebsfrequenz des Magnetrons zu erreichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise als Blockschaltbild dargestellten Schnitt durch ein Magnetron für den kreisförmigen elektrischen Modus mit Merkmalen der Erfindung;

einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1; den in Fig. 1 mit der Linie 3-3 umschlossenen Teil und als Blockschaltbild den Modulator zur elektronischen Variation der Abstimmung; das in Fig. 3 mit der Linie 4-4 umschlossene Detail;

einen Schnitt entsprechend Fig. 2 durch eine andere Ausführungsform der elektronischen Abstimmeinrichtung innerhalb des Hohlraums der Röhre für den kreisförmigen elektrischen Modus;

Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5

Fig. 6 das in Fig. 5 mit der Linie 6-6 umschlossene Detail einer alternativen Abstimmeinrichtung;

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke ^ERF ^^es kreisförmigen elektrischen Modus von der Frequenz f zur Veranschaulichung der Frequenzänderung, die einer Aktivierung eines der Diodenelemente gemäß Fig. 6 und 7 assoziiert ist, als Funktion des Stroms durch die ] Dioden;

Fig. 9 die Abhängigkeit des Reihenwiderstandes Rs vom Strom für ein Paar Diodenelemente des Abstimmschemas nach Fig. 6 und 7;

Fig.10 die Abhängigkeit des Stroms I von der Spannung V durch eine der Abstimmdioden des Abstimmschemas nach Fig. 6 und 7»

Fig.11 eine Fig. 3 entsprechende Detailansicht eines alternativen Abstimmschemas nach der Erfindung;

Fig.12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 in Fig. 11; Fig.13 schematisch eine Aufsich auf einen Hohlraum

für den kreisförmigen elektrischen Modus zur ; Veranschaulichung einer bevorzugten symmetrischen Sequenz zur Erregung der Abstimmelemente darin; und

Fig.14 ein schematisches Schaltbild eines Schieberegisters, das in einem Abstimm-Modulator verwendet wird, wie er in dem Abstimmschema nach Fig. 1 bis 4 verwendet wird.

In Fig. 1 bis 4 ist ein Magnetronoszillator für den kreisförmigen elektrischen Modus mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Das Magnetron 11 weist einen zentralen, zylindrischen Glühkathodenemitter 12 auf, der koaxial von einer kreisförmigen Anordnung von Fahnenresonatoren umgeben ist, die auf Anodenpotential arbeiten. Jeder zweite

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Fahnenresonator 13 ist über Koppelschlitze in der Rückwand mit einem Resonator 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus gekoppelt, der die Reihe Anodenresonatoren 13 koaxial umgibt.

Der Hohlraum 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus ist so dimensioniert und aufgebaut, daß er den TEq₁₁-Modus bei der Betriebsfrequenz des Magnetronoszillators führt, um dessen Betriebsfrequenz zu stabilisieren. HF-Ausgangsleistung wird vom Resonator 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus über eine Koppelblende 15 ausgekoppelt und dann über einen Hohlleiter 16 und ein Mikrowellenfenster 17 an eine geeignete Mikrowellenlast, beispielsweise eine nicht dargestellte Antenne. Ein nicht dargestellter Magnet liefert ein axiales Magnetfeld im Ringraum zwischen der Kathode 12 und der diese umgebenden Reihe von Anodenresonatoren 13· Unter dem Einfluß der gekreuzten elektrischen und magnetischen Felder zwischen Kathode und Anode werden Elektronen veranlaßt, um die Kathode 12 zu zirkulieren und Speichen aus Raumladungen zu bilden, in der üblichen Magnetronbetriebsweise, um Mikrowellenenergie auf der Anodenleitung 13 und im damit gekoppelten Hohlraum 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus zu erzeugen.

Eine elektronische Abstimmeinrichtung nach der Erfindung ist in die Magnetronstruktur 11 eingebaut, um die Betriebsfrequenz des Magnetrons elektronisch abzustimmen. Die elektronische Abstimmeinrichtung weist eine Blindbelastungsstruktur 18 auf, die innerhalb des Hohlraums für den kreisförmigen elektrischen Modus derart angeordnet ist, daß eine elektromagnetische Feldaustauschbeziehung mit dem kreisförmigen elektrischen Modus besteht, um den Hohlraum, und damit die Betriebsfrequenz des Magnetrons 11, abzustimmen. Die Blindbelastungsstruktur 18 ist in Fig. 3 dargestellt und besteht aus

einer Reihe von radial gerichteten Fahnen 19, die von der Außenwand des Resonators 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus zur zentralen Anodenstrüktur vorstehen. In einem typischen Ausführungsbeispiel haben die Fahnen 19 eine Höhe h, gemessen von der Wurzel bis zu den Spitzen, von etwa 1/10 einer Wellenlänge. Zwei gegeneinander geschaltete PIN-Dioden 21 sind zwischen benachbarte Fahnen 19 an einem Punkt beispielsweise halbwegs zwischen der Wurzel und der Spitze montiert.

Ein Zuleitungsdraht 22 führt zum Verbindungspunkt der beiden Dioden 21. Die Leitung erstreckt sich im allgemeinen senkrecht zum elektrischen Feldvektor des kreisförmigen elektrischen Modus, so daß eine minimale Störung desselben hervorgerufen wird. Die Leitungen 22 führen durch Durchführungsisolatoren 23 nach außen an entsprechende Ausgangsanschlüsse n^-n eines Abstimm-PIN-Modulators 24. In Fig. 1 ist der Abstimm-PIN-Modulator als elektronische Abstimmeinrichtung 24 bezeichnet. Der Abstimm-PIN-Modulator 24 dient dazu, eine Vorspannung an die gegeneinander geschalteten Dioden 21 zu liefern, die zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand schalten. Im ersten Zustand sind die Dioden 21 in Sperrrichtung vorgespannt, so daß sie nichtleitend sind, so daß die betreffenden Dioden einen offenen Kreis zwischen benachbarten Fahnen 19 darstellen. Im zweiten Zustand ist das Ausgangssignal des Abstimm-Modulators 24, das einem entsprechenden Diodenpaar 21 zugeführt wird, derart, daß die Dioden 21 in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, so daß sie leitend sind. In diesem Zustand erscheinen die Dioden als Kurzschluß zwischen benachbarten Fahnen 19.

In einem typischen Ausführungsbeispiel im S-Band hat der Resonator für den kreisförmigen elektrischen Modus eine axiale Höhe von 78,8 mm (3,10"), einen Innendurchmesser

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von 75,7 mm (2,98") und einen Außendurchmesser von 226 mm (8,88"). 250 einwärts gerichtete Fahnen 19 definieren 250 schlitzartige Bereiche zwischen benachbarten Fahnen 19, die die gegeneinander geschalteten PIN-Dioden enthalten. Die Fahnen 19 haben Dicken t in Richtung des elektrischen Vektors (Umfangsrichtung) des Resonators, die etwa gleich der Dicke des Raumes oder Schlitzes zwischen benachbarten Fahnen sind. Zusätzlich beträgt die Breite w benachbarter Fahnen 19 in Richtung normal zum elektrischen Feldvektor des Resonators für den kreisförmigen elektrischen Modus 5,08 mm (0,200^M) und vorzugsweise weniger als die 10,04 mm (0,400") der Höhe h der betreffenden Fahnen 19, die etwa 10 % der Höhe des Hohlraums 14 beträgt. Jede der Fahnen oder Jeder der Bereiche zwischen benachbarten Fahnen dient dazu, eine gewisse induktive Blindbelastung des Resonators 14 zu schaffen, wenn die Dioden 21 nicht leitend, also offen sind. Wenn die Dioden 21 in einem Schlitz leitend werden, wird das Magnetfeld des TEq^ -Modus, das in den Schlitz oder Bereich zwischen benachbarten Fahnen gekoppelt wurde, ausgeschlossen, so daß das effektive Volumen des Resonators 14 geändert wird, und damit seine Resonanzfrequenz. Die Röhre 11 wird also in diskreten Frequenzschritten über einen gewissen Abstimmbereich, beispielsweise von 1 bis mehrere Prozent, dadurch durchgestimmt, daß selektiv einzelne Diodenpaare 21 in den betreffenden Schlitzen der Reihe ausgekoppelter Blindbelastungselemente 18 leitend gemacht werden.

Der elektronisch abgestimmte Resonator 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus kann also vorteilhafterweise als elektronisch abgestimmtes Filter verwendet werden, um Signale und Rauschen zu sperren, die außerhalb des Durchlaßbandes des Magnetrons 11 liegen. Insbesondere wird im Falle eines elektronisch durchgestimmten Radars die Magnetron-Ausgangs-Senderöhre 11 elektronisch auf Irgendeine einer Anzahl gevrtinschter Frequenzen innerhalb

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eines durchstiminbaren Frequenzbereiches abgestimmt, wie das durch den Ausgang der elektronischen Abstimmeinrichtung 24 festgelegt ist. Ss ist erwünscht, daß der Empfänger 25, der die Echoimpulse empfangen soll, auf die gleiche Frequenz abgestimmt wird wie der Sender. Dementsprechend ist der Empfänger 25 über eine Empfängersperröhre 26 und Koppelblende 27 mit dem Hohlraumresonator 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus gekoppelt .

Radarechoimpulse, die über die Antenne empfangen werden, werden durch das Mikrowellenfenster 17, Hohlleiter 16 und Blende 15 in den Koaxialresonator 14 fortgepflanzt. Da der Resonator 14 elektronisch aus die Frequenz der gesendeten Impulse abgestimmt ist, liegt er auf der richtigen Frequenz, uni die Echo impulse zu empfangen und alle anderen Signale sowie Rauschen zu sperren. Das Signal läuft dann durch den Hohlraum und über die Empfängersperröhre 26 zum Empfänger. Die Empfängersperröhre isoliert und schützt den Empfänger 25 effektiv während der Dauer der gesendeten Impulse des Magnetrons 11. Bei dem System nach Fig. 1 ist also der Eingang des Empfängers 25 automatisch so abgestimmt, daß er der Frequenz der Sendeimpulse folgt.

Zusätzlich zur elektronischen Abstimmung, die durch die gekoppelte Reihe von Blindbelastungselementen 18 geschaffen wird, können konventionelle mechanische Ring-Abstimmeinrichtungen in den Resonator 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus gebracht werden, wie das in der US-Patentschrift 3 441 79 ' beschrieben ist. Die PH-Dioden 21 sind in Fig. 4 als mit ihren N-Bereichen an die gemeinsame Drahtleitung 22 angeschlossen dargestellt, das ist Jedoch nicht erforderlich. Stattdessen können die Dioden 21 auch so geschaltet werden, daß die P-Bereiche an die gemeinsame Leitung angeschlossen sind und die K-Bereiche an die angrenzenden Fahnen 19. Die

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PIN-Dioden brauchen auch nicht in Gehäusen angeordnet zu sein, sondern brauchen nur aus den Halbleiterplättchen zu bestehen, die zwischen die Fahnen 19 montiert werden, ohne getrennte Gehäuse.

In Fig. 5 ist eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht einer anderen Position für die reaktive Belastungsanordnung 18 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel stehen die Blindbelastungsfahnen 19 axial von der ringförmigen Deckplatte und/oder Bodenplatte 26 des Hohlraums 14 vor. Die Reihe 18 ist vorzugsweise in der radialen Mitten-» ebene des Resonators 14 positioniert, wo das elektrische Feld maximale Intensität hat, um maximal mit den Feldern des Resonators 14 zu koppeln. In dieser Position hat die Blindbelastungsreihe 18 weniger Einfluß auf die Ausgangskoppelblende 15 und die zugehörigen Bauteile, da diese Ausgangskopplung typischerweise über die äußere Seitenwand des Resonators 14 erfolgt.

In Fig. 6 und 7 ist eine alternative Blindbelastungsreihe 28 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Die Blindanordnung 28 besteht aus einer segmentierten, leitenden Ringstruktur, die von der Wand des Resonators über einen Isolierkörper 29 mit niedrigen Verlusten, beispielsweise Ton- oder Beryllerde, abgestützt wird. Benachbarte Segmente 31 sind über PIN-Dioden 32 zusammengeschaltet. Jedes zweite Ringsegment 31' ist leitend mit HF-Erde verbunden, d.h., der Wand des Resonators 14, und zwar über Leitungen 33· Die anderen Ringsegmente 31 sind mit dem Ausgang des Abstimm-PIN-Modulators 24 über Leitungen 34 und Durchführungsisolatoren 35 verbunden. Die Dioden 32 sind relativ zu entsprechenden Leitungen 34 und den entsprechenden Ringsegmenten 31 gegeneinander geschaltet, so daß bei Erregung einer der Leitungen 34 mit einer Vorspannung, die die Dioden 32 in Vorwärtsrichtung vorspannt, das betreffende Ringsegment 31

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elektrisch mit dem benachbarten geerdeten Ringsegment 31' verbunden ist. Wenn also alle Dioden 31 gesperrt sind, ist der Abstimmring elektrisch segmentiert und hat einen minimalen Verschiebeeffekt auf das elektrische Feld innerhalb des Resonators. Wenn jedoch alle Dioden leitend gemacht werden, wird der segmentierte Ring ein kontinuierlicher Abstimmring innerhalb des Resonators und hat einen maximalen Abstimmeffekt, indem das Volumen des Resonators effektiv um den Teil reduziert wird, der unmittelbar vom Abstimmring 28 beeinflußt ist. Der Resonator 14 ist in diskreten Frequenzschritten zwischen den beiden Enden des Abstimmbereiches dadurch abstimmbar, daß selektiv entsprechende Segmente der zusammengesetzten Abstimmringstruktur erregt werden. Wie bei den anderen Ausführungsformen kann der Abstimmring 31 und 31^! angrenzend an die obere oder untere Endwand des Resonators oder längs der äußeren Seitenwand des Resonators 14 angeordnet werden.

In Fig. 8 bis 10 ist der elektrische Abstimmeffekt dargestellt, der dadurch erregt wird, daß eines der Blindbelastungselemente der Abstimmstruktur erregt wird, die die Dioden 21 verwendet und in Fig. 1 bis 4 und Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Gemäß Fig. 8 hat das elektrische HF-Feldsignal am Ausgang eine gewisse Frequenz fo und eine gewisse Signalamplitude A₁, wenn keine Diode leitend ist. Wenn eine der Dioden eingeschaltet oder leitend gemacht wird, wie in Fig. 9 und 10 dargestellt, beginnt der Reihenwiderstand Rs der Diode bei steigendem Strom I abzufallen. Der Strom wächst mit wachsender Vorwärtsvorspannung V, nachdem eine gewisse Schaltoder Schwellwertspannung an die Diode 21 gelegt worden ist. Wenn also die Diode 21 vom »Aus"-Zustand entsprechend der Frequenz fo gemäß Fig. 8 in den Endzustand

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voller Leitfähigkeit geschaltet wird, und damit einen minimalen Reihenwiderstand Rs hat, wie für die Ausgangsspannung angedeutet ist, die bei f^ zentriert ist, verschiebt sich die Frequenz kontinuierlich mit wachsendem Strom I durch die Diode 21. Auch die HF-Verluste wachsen in der betreffenden Diode während des Einschaltprozesses, so daß der Gütefaktor der zusammengesetzten Resonanzstruktur verringert wird, wie durch die unterbrochen dargestellte Signalkurve 38 angedeutet wird, die fallende Amplituden Ap, A, und A^ hat.

In einigen Fällen kann es also erwünscht sein, das kontinuierliche Abstimmspektrum zwischen der ersten Frequenz fo und der zweiten Frequenz f^ zu erhalten, entsprechend der Frequenzverschiebung, die dadurch erhalten wird, daß eines der Blindbelastungselemente der Abstimmanordnung voll erregt wird. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, ergibt sich jedoch eine entsprechende Herabsetzung des Gütefaktors für die Zwischenwerte der Leitung der betreffenden Dioden. In einigen Fällen kann die Verringerung des Gütefaktors tolerierbar sein, um die kontinuierliche Frequenzverschiebung zu erhalten. In vielen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, diesen Belastungseffekt für den Gütefaktor zu vermeiden, und deshalb die Diode schnell von dem nicht leitenden Zustand in den voll leitenden Zustand zu schalten, wie durch die elektrischen HF-FeldrSjgnale entsprechend den Frequenzen fo bzw. f^ angedeutet.

In Fig. 11 ist eine alternative Ausführungsform der Blindbelastungsstruktur 18 dargestellt, Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 sind die Dioden 21 zwischen benachbarten Fahnen 19' durch Ferrit-Elemente 41 ersetzt, die angrenzend an die Seitenwand des

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Resonators für den kreisförmigen elektrischen Modus an den Wurzeln der Fahnen 19^! angeordnet sind. Die Fahnen 19¹ sind auch modifiziert, sie enthalten eine magnetisch permeable Struktur 42, beispielsweise Weicheisen, die durch die Seitenwand 43 des Resonators 14 zu einem externen, in Umfangsrichtung gerichteten Joch vorstehen, das benachbarte Polschuhteile 42 der Fahnen 19' miteinander verbindet. Auf die Joche 44 sind Wicklungen 45 gewickelt. Die Wicklungen werden entweder selektiv erregt, um die Polschuhteile 42 so zu polarisieren, daß ein Magnetfeld durch den Ferrit 41 erzeugt wird, oder die ZyIInderspulen 45 können in Reihe geschaltet und gemeinsam erregt werden. Die induktive Belastung der einzelnen Fahnenstrukturen 19' für den Betriebsmodus des Resonators 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus ist eine Funktion der Magnetfeldstarke in den Ferrit-Elementen 41.

Wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 5 kann die Ferrit-Abstimmstruktur nach Fig. 11 und 12 entweder in die untere, obere oder Seitenwand des Resonators 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus eingebaut werden, um diesen elektronisch abzustimmen. Die elektronische Abstimmeinrichtung 24 kann einzelne Ausgänge haben, die mit einzelnen Wicklungen 45 verbunden sind, oder die elektronische Abstimmeinrichtung kann einen einzigen Ausgang haben, der an allen in Reihe geschalteten Zylinderspulen 45 liegt. Ein geeignetes Ferrit-Material ist beispielsweise Yttrium-Gadolinium-Eisengranat, das mit 0 % bis 15 % Dysprosium dotiert ist.

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In Fig. 13 ist eine bevorzugte räumliche Folge für die Aktivierung der einzelnen Abstimmelemente dargestellt, bei der soviel Symmetrie wie möglich in der Störung des elektrischen Feldes innerhalb des Resonators 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus aufrechterhalten wird. Wenn speziell die einzelnen Abstimmelemente getrennt aktiviert werden, folgt einer Aktivierung des ersten Elementes die eines zweiten Elementes, das in einer diametral gegenüberliegenden Position angeordnet ist, wobei das nächste Elementenpaar derart aktiviert wird, daß es den zwischen den vorher aktivierten Elementenpaaren eingeschlossenen Winkel halbiert. Eine Folge von Einzelaktivierungen und die räumliche Verteilung sind in Fig. 13 dargestellt, wobei die Zahlen der Position in der Aktivierungsfolge entsprechen. Dieses symmetrische Verfahren der Aktivierung einzelner Abstimmelemente verringert den Betrag der Asymmetrie in den gestörten elektrischen Feldern des Resonators 14, so daß die Größe der Moduskonversion vom gewünschten TE₀₁ .j-Modus in gewisse unerwünschte Modi mit geringerem Gütefaktor reduziert wird.

In Fig. 14 ist ein Schieberegister 48 dargestellt, wie es beispielsweise in der elektronischen Abstimmeinrichtung 24 verwendet wird, um die Ausgangssignale für die einzelnen Abstimmelemente abzuleiten, wie die Dioden oder die einzelnen Wicklungen 45. Die Ausgangsleitungen 49 vom Schieberegister werden, nach geeig- . neter Verstärkung durch nicht dargestellte Verstärker, für die bevorzugte Aktivierungsfolge gemäß Fig. 13 angeschlossen. D.h., die erste Leitung n^ wird mit dem als erstem zu aktivierendem Abstimmelement verbunden, das in Fig. 13 mit 1 bezeichnet ist, usw. Die PIN-Dioden 21 brauchen nicht in Gehäusen untergebracht zu sein, es können die Halbleiterplättchen zwischen die benachbarten Fahnen 19 montiert sein, wie in Fig. dargestellt.

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Das Magnetron für den kreisförmigen elektrischen Modus gemäß Fig. 1 bis 4 ist mit evakuiertem externen Hohlraum 14 für den kreisförmigen elektrischen Modus dargestellt, das ist jedoch nicht erforderlich und in einigen Ausführungsformen ist ein konventioneller gasdichter, vrellendurchlässiger Kolben, beispielsweise ein Keramikzylinder, innerhalb des Resonators 14 an der Außenseite der Innenwand angeordnet, so daß der Resonator nicht evakuiert ist. Die Erfindung ist auch anwendbar auf andere Typen von Magnetrons für den kreisförmigen elektrischen Modus, wie etwa ein Magnetron gemäß der US-Patentschrift 3 231 781, bei der der Resonator für den kreisförmigen elektrischen Modus, der dazu verwendet wird, die Frequenz der Röhre zu stabilisieren, koaxial auf die Mittellinie der Röhre montiert ist und von der kreisförmigen Reihe von Fahnenresonatoren umgeben ist, die nach außen zum sie umgebenden Kathodenemitter weisen. Im letzteren Falle ist die Reihe von Abstimmelementen 18 vorzugsweise auf einer der Endwände des Resonators für den kreisförmigen elektrischen Modus angeordnet, so daß sie das System von Koppelschlitzen in der äußeren Seltenwand des Resonators für den kreisförmigen elektrischen Modus nicht stört.

Der Vorteil der elektronischen Abstimmeinrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß eine Einrichtung geschaffen ist, mit der die Frequenz eines Hohlraumresonators oder Magnetrons sehr schnell auf gewisse vorgegebene Frequenzen abgestimmt werden kann, die präzise entsprechend dem Ausgangssignal des elektronischen Abstimm-Modulators 24 vorbestimmt werden können. Weiterhin braucht die Frequenz nicht entsprechend irgendeiner linearen Rampenfunktion durchgesteuert zu

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werden, sondern kann statistisch irgendwo innerhalb des elektronischen Durchstimmbereiches der Röhre positioniert werden, indem dafür gesorgt wird, daß der Ausgang des Abstimm-Modulators 24 die gewünschte statistische Folge hat. Der Ausgang des Abstimm-Modulators kann auch dazu verwendet werden, die Frequenz des lokalen Oszillators oder Empfängers auf präzise die gleichen vorgegebenen Frequenzen abzustimmen, wie die des Magnetrons, indem lediglich die Abstimmausgangssignale des Modulators 24 dazu verwendet werden, eine geeignete Abstimmeinrichtung im Empfänger zu erregen.

Das elektronisch abgestimmte Magnetron vermeidet damit die Probleme bekannter mechanischer Abstimmeinrichtungen, indem die Frequenzen präziser festgelegt und die Frequenz erheblich schneller und in irgendeiner gewünschten Weise innerhalb des durchstimmbaren Bandes ohne sich bewegende Teile geändert werden. Ein solches elektronisch abgestimmtes Magnetron ist besonders nützlich für elektronische Gegenmaßnahmen, Zittern der Zielsteigerung (dithering the target enhancement) und für Zwitscherradar, (chirped radar). Im letzteren Falle wird die Frequenz des gesendeten Mikrowellenimpulses über die Dauer des Impulses in der Weise variiert, daß sie eine inverse Funktion einer frequenzabhängigen Verzögerung Jm Empfanger ist, um eine Impulskompression innerhalb des Empfängers für besseren Störabstand abzuleiten.

Als Alternative zur Verwendung von PIN-Dioden zur Verwendung in den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 10 können die Dioden 21 und 32 durch ferro-elektrische keramische Elemente ersetzt werden, beispielsweise Bariumtitanat, das 73 % Ba Ti O^ und 27 % Sr Ti O^ enthält. In einem solchen Falle ergibt eine geeignete

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elektrische Vorspannung über der ferro-elektrischen Keramik eine erhebliche Änderung der Dielektrizitätskonstante, so daß der kapazitive Blindwiderstand und die Impedanz bei der Frequenz des kreisförmigen elektrischen Modus geändert wird, mit der es gekoppelt ist. Die ferro-elektrischen Elemente arbeiten dann als HF-Schalter, die zwischen einem Zustand hoher Impedanz und einem Zustand niedriger Impedanz aufgrund der angelegten Vorspannung umschalten.

Claims

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Patentansprüche

Elektronisch durchstimmbarer Mikrowellenresonator mit einem elektronisch durchzustimmenden Hohlraumresonator, gekennzeichnet durch Blindbelastungseinrichtungen mit einer Vielzahl Blindbelastungselemente, die in Austauschbeziehung hinsichtlich des elektromagnetischen Feldes mit den angeregten Resonanzfeldern des Hohlraumresonators gekoppelt sind, um diesen Resonator blind zu belasten, um eine zusammengesetzte blindbelastete Hohlraumresonatorstruktur zu definieren, eine Einrichtung, mit der der zusammengesetzte, blindbelastete Mikrowellen-Hohlraumresonator mit Mikrowellenenergie angeregt wird, und eine Einrichtung, mit der der Blindbelastungseffekt einzelner Belastungselemente auf die zusammengesetzte Hohlraumresonatorstruktur elektronisch variiert wird, um die Resonanzfrequenz der zusammengesetzten Hohlraumresonatorstruktur entsprechend dem variablen Blindbelastungseffekt der Elemente auf den Hohlraumresonator durchzustimmen.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« . daß die Blindbelastungseinrichtung aus einer Vielzahl von Blindbelastungselementen besteht, die innerhalb des Hohlraumresonators angeordnet sind, und daß die Einrichtung zum Variieren der Blindbelastung einzelner Blindbelastungselemente Abstimmeinrichtungen aufweist, die auf ein elektrisches oder ein magnetisches Signal ansprechen

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und in Austauschteζiehung hinsichtlich des elektromagnetischen Feldes mit den einzelnen Blindbelastungselementen angeordnet sind, um den Blindbelastungseffekt der einzelnen Blindbelastungselemente aufgrund eines angelegten elektrischen oder magnetischen Signals zu variieren, um die zusammengesetzte Hohlraumresonatorstruktur abzustimmen.
3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet _t daß die Abstimmeinrichtung Diodeneinrichtungen aufweist, um die elektrischen Felder einzelner Blindbelastungselemente entsprechend einem elektrischen Signal, das an die Diodeneinrichtungen gelegt wird, elektrisch kurzzuschließen.
4. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abstimmeinrichtung eine ferromagnetische Einrichtung aufweist, mit der der induktive Blindwiderstand der einzelnen Blindbelastungselemente entsprechend einem magnetischen Signal variiert wird, das an einzelne der ferromagnetischen Einrichtungen gelegt wird..
5. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung Diodeneinrichtungen aufweist, mit denen die Verbindung einzelner Blindbelastungselemente mit zirkulierenden Strömen des Hohlraumresonators variiert wird.
6. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelastungselemente jeweils zwei leitende Fahnen aufweisen, die von einer Wand des Hohlraumresonators in diesen vorstehen.

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7. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelastungselemente jeweils zwei von einander entfernte, leitende Elemente aufweisen, zwischen denen ein Spalt ist.
8. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelastungselemente jeweils zwei Segmente eines leitenden Ringes aufweisen sowie zwischen benachbarte Segmente des Ringes geschaltete Diodeneinrichtungen, mit denen die benachbarten Segmente elektrisch verbunden werden, sobald die Diodeneinrichtungen in den Vorwärtsleitungsbereich vorgespannt sind.
9. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator so dimensioniert und angeordnet ist, daß ein kreisförmiger elektrischer Resonanzmodus geführt wird, und daß die Einrichtung, mit der der Hohlraum mit Mikrowellenenergie angeregt wird, so angeordnet ist, daß er den kreisförmigen elektrischen Modus des Hohlraumresonators anregt, und daß die Blindbelastungseinrichtung aus einer gekrümmten Reihe von Blindbelastungselementen besteht, die mit dem kreisförmigen elektrischen Modus des Hohlraumresonators gekoppelt sind.
10. Resonator nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch öine Einrichtung zur Erzeugung eines gekrümmten Elektronenstroms, eine gekrümmte Mikrowellen-Wechselwirkungsleitung, die in Austauschbeziehung hinsichtlich der elektromagnetischen Schwingungsenergie mit dem Elektronenstrom gekoppelt ist, um Schwingungsenergie auf dem Mikrowellen-Wechselwirkungskreis anzuregen, und Einrichtungen, mit

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denen der Mikrowellen-Wechselwirkungskreis in Austauschbeziehung hinsichtlich Mikrowellenenergie mit dem kreisförmigen elektrischen Modus des Hohlraums für den kreisförmigen elektrischen Modus gekoppelt wird, um die Betriebsfrequenz der Schwingungsenergie der Mikrowellen-Wechselwirkungsleitung auf die Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Hohlraumresonators zu stabilisieren, so daß eine elektronische Variation des Blindbelastungseffektes einzelner der Blindbelastungselemente auf die zusammengesetzte Hohlraumresonator struktur die Frequenz der Schwingungsenergie abstimmt, die zum Mikrowellen-Wechselwirkungskreis gekoppelt wird.
11. Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines gekrümmten Elektronenstroms aus einem Kathodenemitter besteht, der koaxial zum Mikrowellen-Wechselwirkungskreis

. angeordnet ist, eine Einrichtung, mit der eine elektrische Spannung zwischen die Kathode und den Mikrowellen-Wechselwirkungskreis gelegt wird, und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der ein axiales Magnetfeld in dem kreisförmigen Elektronenstrom ,erzeugt wird, um gekreuzte elektrische und magnetische Felder für die elektronische Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrom und dem Mikrowellen-Wechselwirkungskreis zu erzeugen.
12. Resonator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelastungseinrichtung aus einer Vielzahl von Blindbelastungselementen besteht, die innerhalb des Hohlraumresonators für den kreisförmigen elektrischen Modus angeordnet sind, und daß die Einrichtung zum Variieren der Blindbelastung einzelner der Blindbelastungselemente eine

Abstimmeinrichtung aufweist, die auf ein elektrisches oder magnetisches Signal anspricht und in Austauschbeziehung hinsichtlich des elektromagnetischen Feldes mit einzelnen der Blindbelastungselemente angeordnet ist, um den Blindbelastungseffekt der einzelnen Blindbelastungselemente auf den Hohlraumresonator entsprechend einem angelegten elektrischen oder magnetischen Signal zu variieren, um die zusammengesetzte Hohlraumresonatorstruktur abzustimmen.
13. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet _t daß die Abstimmeinrichtung Diodeneinrichtungen aufweist, um die elektrischen Felder der einzelnen Blindbelastungselemente entsprechend einem elektrischen Signal, das über die Diodeneinrichtungen gelegt ist, elektronisch kurzzuschließen.
14. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung ferromagnetische Einrichtungen aufweist, um die induktive Reaktanz der einzelnen Blindbelastungselemente entsprechend einem magnetischen Signal zu variieren, das an die einzelnen ferromagnetischen Einrichtungen gelegt wird.
15. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet« daß die Abstimmeinrichtung eine Diodeneinrichtung aufweist, mit der die Verbindung einzelner Blindbelastungselemente mit den zirkulierenden Strömen des Hohlraumresonators variiert wird.
16. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bllndbelastungeelemente jeweils zwei leitende Fahnen aufweisen, die von einer Wand des Hohlraumresonators in diesen vorstehen.
17. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelastungeelemente jeweils zwei von
einander entfernte leitende Elemente aufweisen,
zwischen denen ein Spalt definiert ist, und Diodeneinrichtungen, die über diesen Spalt geschaltet
sind, um eine elektrische Verbindung über dem Spalt entsprechend einer Vorwärtsvorspannung an der
Diodeneinrichtung zu schaffen.
18. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelastungselemente jeweils zwei Segmente eines leitenden Ringes aufweisen und Diodeneinrichtungen zwischen benachbarte Segmente des Ringes geschaltet sind, um benachbarte der Segmente elektrische zu verbinden, sobald die Diodeneinrichtungen in den Vorwärtsleitungsbereich vorgespannt sind.

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