DE2516103C2 - Laufzeitröhre - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Laufzeitröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Koaxialmagnetron dieser Art ist bekannt (US-PS 12 285). Bei diesem bekannten Koaxialmagnetron bestehen die feststehenden Elemente ebenso wie die be- wegbaren Feldstörelemente aus einem dielektrischen Material, das das elektrische Feld konzentriert, und die Wirkungsweise dieser bekannten Röhre beruht darauf, daß das dielektrische Material das elektrische Feld im Hohlraumresonator verzerrt, und zwar umso stärker konzentriert, je gleichmäßiger das dielektrische Material im Hohlraumresonator verteilt ist, und umso schwächer verzerrt, je stärker die bewegbaren Elemente die feststehenden Elemente überlappen; bei vollständiger Überlappung wird die höchstmögliche Arbeitsfrequenz erreicht.

Das Problem bei diesem bekannten Koaxialmagnetron liegt darin, daß die Elemente der Abstimmeinrichtung im Hochfeldbereich des Hohlraumresonators angeordnet sein müssen, eben um das Feld wirkungsvoll konzentrieren zu können und die zur Abstimmung notwendige Verzerrung des Feldes auf akzeptabel kleinem Raum vornehmen zu können. Im Hochfeldbereich des Hohlraums angeordnetes Material bringt zwangsläufig eine erhebliche Widerstandsbelastung des Hohlraums mit sich, die eine Dämpfung darstellt, so daß der Gütefaktor des Hohlraums durch diese Belastung auf einen unannehmbar niedrigen Wert herabgesetzt wird. Durch die Konzentration des elektrischen Feldes im dielektrischen Material ist überdies mit Bogenüberschlägen zwischen einem feststehenden und einem in dessen Nähe angeordneten bewegbaren Element zu rechnen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Mikrowellenröhre der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß eine Konzentration des elektrischen Hohlraumfeldes ebenso wie eine dämpfende Belastung durch die Abstimmelemente vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst Durch die Verwendung von leitenden Bündbelastungselementen in Form einer Reihe von leitenden Fahnen entsteht eine lokale raumperiodische Struktur für elektrische Felder, die durch Kopplung mit dem Hohlraumfeld angeregt werden, so daß sie den Hohlraummodus belasten. Werden nun diese lokalen raumperiodischen elektrischen Felder durch die bewegbaren Feldstörelemente gestört, so ändert sich die Blindbelastung des Hohlraumfeldes und damit dessen Resonanzfrequenz. Im Gegensatz zu den körperlichen Belastungsstrukturen in Form von dielektrischen Elementen beim bekannten Koaxialmagnetron wird die Abstimmung also erfindungsgemäß durch Felder vorgenommen, die schon prinzipiell keine dämpfende Widerstandsbeiastung des Hohlraumresonators mit sich bringen können. Leitende Elemente, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen werden, erzwingen an der Stelle, an der sie im Hohlraum untergebracht werden, einen Schwin gungsknoten, also einen Bereich schwachen elektri schen Feldes, stellen also prinzipiell keine oder wenigstens höchstens eine sehr geringe dämpfende Widerstandsbelastung des Hohlraumfeldes dar, so daß durch die Erfindung eine Verschlechterung des Gütefaktors des Hohlraums mit Sicherheit vermieden wird. Dadurch, daß die bewegbaren Feldstörelemente so angeordnet sind, daß sie Störelemente für die elektrischen Felder zwischen benachbarten Fahnen bilden, nicht aber Störelemente für das Hohlraumfeld, wie bei dem bekannten Koaxialmagnetron, wird das Hohlraumfeld noch nicht einmal in dielektrischen Teilen einer erfindungsgemä ßen Mikrowellenröhre konzentriert, so daß die bei dem bekannten Koaxialmagnetron auftretende Neigung zu Bogenüberschlägen beseitigt ist. Schließlich genügen zur Störung der Felder zwischen den leitenden Fahnen gemäß der Erfindung schon kleine Feldstörelemente, so daß sogar in dem Schwachfeldbereich, in dem diese Elemente gemäß der Erfindung anzuordnen sind, vergleichsweise wenig Material vorhanden ist, so daß die dämpfende Widerstandsbelastung durch solches Material auch hier auf einem Minimum gehalten wird.

Gegenüber dem bekannten Koaxialmagnetron ergibt sich bei der Erfindung noch der zusätzliche Vorteil, daß die Anzahl der einzelnen Abstimmelemente aufgrund der raumperiodischen Struktur sehr groß ist, so daß die Rate, mit der die bewegbaren Elemente auf ihrer Kreisbahn bewegt werden müssen, um eine gewisse Modulationsfrequenz zu erreichen, wesentlich kleiner ist, als die Rate, mit der die Abstimrneinrichtung des bekannten Koaxialmagnetrons verdreht werden muß, da zur wirkungsvollen Verzerrung des Hohlraumfeldes, wie sie bei dem bekannten Koaxialmagnetron verwendet wird, erheblich größere Wege erforderlich sind, so daß eine

kleine Raumperiode der Struktur nicht verwirldichbar ist. Eine Verringerung der Drehzahl der Abstimmeinrichtung bringt aber eine Erhöhung der Lebensdauer des Lagers und damit der Betriebslebens, dauer der Röhre mit sich, oder, wenn mit gleichen Kreisbahngeschwindigkeiten gearbeitet wird, ergibt sieb eine erheblich höhere Rate der Frequenzmodulation der Ausgangsfrequenz der Röhre.

Die Abstimmeinrichtung des bekannten Koax^:almagnetrons 'isruhte unter anderem darauf, daß das Hohlraumfeld den kreisförmigen elektrischen Modus hat, mit anderen Worten diese bekannte Röhre konnte nur als Koaxialmagnetron verwirklicht werden, da nur dort der Hochfeldbereich des Hohlraumfeldes für die kreisförmige Abstimmstruktur zugänglich ist Die erfindungsgemäße Konstruktion ist für beliebige Felder geeignet, und damit auch für beliebige Formen des Mikrowellen-Kreises und des damit gekoppelten Hohlraumresonators. Insbesondere ist sie auch für Magnetrons geeignet, bei denen kein toroidförmiger Hohlraumresonator vorgesehen ist, sondern ein zylindrischer, der seinerseits von einem Fahnenresonatorsystem des Magnetrons umgeben ist Bei einem zylindrischen oder toroidförmigen Hohlraumresonator, wie im Oberbegriff des Anspruchs 2 vorausgesetzt ist, wird die Erfindung Vorzugsweise in der Weise ausgeführt, daß die leitenden Fahnen längs wenigstens einer der Wände des Hohlraumresonators angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden weiter beschrieben; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch das Koaxialmagnetron;

F i g. 2 den in F i g. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teil;

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2 zur Veranschaulichung des dielektrischen Abstimmelementes in einer ersten Position;

F i g. 4 eine F i g. 3 ähnliche Darstellung der dielektrischen Abstimmstruktur in einer zweiten Position; F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 2; Fig.6 ein Detail einer Fig.2 entsprechenden Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und

F i g. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in F i g. 6.

Das in Fig. 1 dargestellte Koaxialmagnetron U weist eine zylindrische Kathode 12 auf, mit der ein Elektronenstrom in einen ringförmigen Wechse'.wirkungsbereich emittiert wird, der zwischen der Kathode und einer diese umgebenden zylindrischen Anode 13 definiert wird, die eine kreisförmige Reihe von Anodenfahnen 14 aufweist, die von der zylindrischen Anode 13 nach innen zur zentral angeordneten Kathode 12 hin vorstehen, um eine Mikrowellen-Wechselwirkungsleitung zu definieren. Eine kreisförmige Reihe von länglichen Schlitzen 15 ist in der zylindrischen Wand der Anode 13 vorgesehen, um für eine Schwingungsenergieverbindung mit alternierenden Fahnenresonatoren zu sorgen, die durch den Bereich zwischen benachbarten Fahnen 14 definiert sind

Ein toroidförmiger Hohlraumresonator 16 ist um die Anode 13 herum in Austauschbeziehung hinsichtlich des elektromagnetischen Feldes mit den Fahnenresonatoren über Koppelschliize 15 angeordnet. Da nur alternierende Fahnenresonatoren direkt mit dem toroidförmigen Hohlraum 16 gekoppelt sind, erregt der ^T-Schwingungsmodus des Fahnenresonanzsystems den kreisförmigen elektrischen Modus Γ£όπ des Toroidresonators

16. Ein zylindrisches, schwingungsdurchlässiges Vakuumgefäß 17 ist um die zylindrische Anode 13 herum derart angeordnet, daß der Elektronenwechselwirkungsbereich zwischen der Kathode 12 und den Anodenresonatoren 14 dadurch evakuiert werden kann, daß das Gehäuse 17 evakuiert wird, während es dem externen Resonator 16 möglich ist, unter Atmosphärendruck zu arbeiten oder mit einem geeigneten elektrisch isolierenden Gas, beispielsweise SFe, unter Druck gesetzt zu werden.

Zwei zylindrische Permanentmagnetstrukturen 18 sind innerhalb der Anode 13 koaxial im Abstand von der Kathode und auf beiden Seiten des Wechselwirkungsspaltes zwischen der Kathode 12 und den umgebenden Fahnenresonatoren 14 angeordnet Die Permanentmagnete 18 sind so polarisiert, daß sie ein axial gerichtetes Magnetfeld durch den kreisförmigen Wechselwirkungsbereich zwischen den Spitzen der Fahnenresonatoren 14 und dem Kathodenemitter 12 erzeugen.

Der Toroidhohlraumresonator 16 wird durch den Raumbereich definiert, der durch die Außenseite der zylindrischen Anoden wand 13 und die Innenseite einer zylindrischen, koaxial in radialem Abstand angeordneten Wand 19 begrenzt wird. Die obere und die untere Stirnwand des Resonators 16 sind durch ringförmige elektrisch leitende Platten 21 und 22 definiert, die mit der äußeren Seitenwand 19 und dem Vakuumgefäß 17 vereinigt sind.

In Fig. 1 — 5 ist eine Abstimmstruktur 23 dargestellt, mit der eine Frequenzmodulation der Ausgangsfrequenz der Röhre bewirkt wird. Genauer gesagt, eine Reihe von radial gerichteten elektrisch leitenden Inseln oder Fahnen 24 ist auf der Innenseite der oberen Wand 21 des Resonators 16 geformt, um eine Reihe von Blindbelastungselementen zu definieren, die mit den elektromagnetischen Feldern des angeregten 7ΈΌιι- Modus des Resonators 16 gekoppelt sind, um den Resonator 16 blind zu belasten. Ein zweites, drehbares Abstimmelement 25 wird durch eine ringförmige dielektrische Platte 26 gebildet, beispielsweise aus Keramik mit geringen Verlusten wie Tonerde, Beryllerde, Saphir, usw. Die ringförmige dielektrische Platte 26 weist eine Reihe von öffnungen 27 auf, wobei der Stegteil der Platten, der zwischen benachbarten öffnungen 27 verbleibt, eine kreisförmige Reihe von Feldstörelementen 28 definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Öffnungen 27 in Umfangsrichtung in gleicher Weise wie der Raum (Kerbe) zwischen benachbarten Fahnen 24, so daß, wenn die Winkelposition des drehbaren Abstimmelementes 25 die in F i g. 3 dargestellte ist, der induktive Blindbelastungseffekt der Blindbelastungselemente 24 minimal ist und deshalb die Ausgangsfrequenz der Röhre ihren höchsten Wert hat. Wenn das drehbare Feldstörelement 26 jedoch in die Position gedreht ist, in der die Störelemente 28 sich mit den (Kerben) zwischen benachbarten Blindbelastungselementen 24 decken, ist der Blindbelastungseffekt der Elemente 24 auf die Betriebsfrequenz des Hohlraums 16 maximal, so daß diese Relativstellung der tiefsten Frequenz des Hohlraums entspricht.

Eine kreisförmige Reihe von axial gerichteten dielektrischen Lappen 29 des dielektrischen Abstimmelementes 25 ist am unteren Ende eines zylindrischen, leitenden Betätigungselementes 31 befestigt, beispielsweise angelötet, das durch einen ringförmigen Schlitz in der oberen Wand 21 des Resonators 16 hindurchreicht. Das zylindrische Betätigungselement 31 ist an einer Welle 32 befestigt (Fig. 1), die drehbar von einem schlüsselförmi-

gen Gehäuse 33 mittels einer Lageranordnung 34 abgestützt wird. Ein Motor 35 ist an der Welle 32 befestigt, um die Welle und das Abstimmelement 25 zu drehen. Ein elektrischer Wechselstromgenerator 36 ist mit der Ausgangswelle des Motors 35 gekuppelt, um ein zeitlich variables Ausgangssignal zu bilden, das der momentanen Frequenzabweichung der Ausgangsfrequenz der Röhre entspricht, wenn der Motor Betriebsdrehzahl erreicht hat. Dieses zeitlich veränderliche Signal wird dazu verwendet, den Empfänger eines Radars oder dergleichen auf die Betriebsfrequenz der Röhre 11 abzustimmen, um einen besseren Störsignalabstand zu erhalten.

Ausgangs-Mikrowellenenergie wird vom Koaxialresonator 16 über eine übliche Ausgangs-Koppelblende 37 und einen Hohlleiter 38 abgenommen, um einer geeigneten Last zugeführt zu werden, beispielsweise einer nicht dargestellten Antenne. Wenn A/ Fahnen 24 und N Feldstörelemente 28 vorgesehen sind, wird die Ausgangsfrequenz der Röhre 2/Vmal pro Umdrehung des drehbaren Abstimmelementes 25 über das durchstimmbare Band gewobbelt. Der Generator 36 hat deshalb vorzugsweise die gleiche Anzahl von Polen wie Blindbeiastungselemente 24 vorhanden sind.

In F i g. 6 und 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform ist ähnlich der nach F i g. 1 — 5 mit der Ausnahme, daß das rotierende Abstimmelement 25' aus einem geschlitzten dielektrischen Zylinder 26' besteht, der mit einer Reihe von öffnungen 27' (Schlitzen) versehen ist, wobei die öffnungen den Nuten oder Zwischenräumen zwischen längs gerichteten Inseln oder Fahnen 24' entsprechen, die auf der Innenseite der äußeren Seitenwand 19 des Hohlraums 16 vorgesehen sind. Die kreisförmige Anordnung von längs gerichteten Fahnen 24' dient als eine Reihe von Blindbelastungselementen zur induktiven Blindbelastung des Hohlraums 16.

Der Stegteil 28' zwischen benachbarten öffnungen 27' des zylindrischen dielektrischen Elementes 26' dient als eine Reihe von Feldstörelementen in der gleichen Weise wie oben in Verbindung mit Fig.3 und 4 beschrieben, um die Blindbelastung des Hohlraums 16 entsprechend der Relativposition der Feldstörteile 28' relativ zu den Inseln oder Fahnen 24' zu modulieren. Das zylindrische Abstimmelement 25' ist am metallischen zylindrischen Betätigungselement 31 befestigt, das seinerseits über die Achse 32 in Drehung versetzt wird, wie das in Verbindung mit F i g. 1 erläutert wurde.

Es wurde also gezeigt, daß die Blindbelastungselemente längs der oberen Wand 21 oder längs der Seitenwand 19 angeordnet werden können, gewünschtenfalls können sie auch längs der unteren Wand 22 angeordnet werden. Weiterhin können diese Blindbelastungselemente 24 und 24' sowohl längs der oberen Wand 21 und der unteren Wand 22 als auch längs der Seitenwand 19 angeordnet werden, um einen größeren Abstimmbereich zu erhalten.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird die drehbare Abstimmeinrichtung 25 in einem Koaxialmagnetron der Art verwendet, bei der der Stabilisierungshohlraum 16 die Reihe von gekoppelten Fahnenresonatoren 14 umgibt. Hierbei handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform, es ist jedoch auch eine andere Ausführungsform möglich, wobei das Fahnenresonatorsystem 14 einen zentralen Resonator für den kreisförmigen elektrischen Modus umgibt (US-Patentschrift 32 31 781). Bei einer solchen Röhre könnte die obere Wand des zentralen Resonators die Reihe von radial gerichteten Fahnen 24 aufweisen und die drehbare dielektrische Platte würde eine Reihe von radial gerichteten Öffnungen aufweisen, um die Reihe von Störelementen 28 zu definieren.

Eine Röhre, die eine Abstimmeinrichtung nach der Erfindung enthält, weist die Möglichkeit auf, die Ausgangsfrequenz der Röhre über ein gewisses Frequenzband schnell hin und her zu wobbeln. Ein Vorteil der Abstimmeinrichtung nach der Erfindung liegt darin, daß die dielektrische Abstimmstruktur 25 nicht in einem Bereich kräftigen elektrischen Feldes angeordnet ist und weiterhin die Menge an Dielektrikum erheblich geringer ist als früher in der US-Patentschrift 34 12 285 angegeben, wobei der belastete Gütefaktor des Hohlraums unter einen brauchbaren Wert reduziert wurde. Weiterhin wird mit der Abstimmeinrichtung nach der Erfindung eine erheblich größere Anzahl von Zähnen in der relativ drehbaren Abstimmstruktur verwendet, so daß die Rate, mit der das rotierende Abstimmelement gedreht werden muß, um eine gewisse Modulationsfrequenz zu erreichen, erheblich herabgesetzt ist, verglichen mit der Abstimmeinrichtung nach der erwähnten US-Patentschrift 34 12 285. Eine Herabsetzung der Drehzahl der Abstimmeinrichtung erhöht die Lebensdauer des Lagers und damit die Betriebslebensdauer der Röhre, oder, wenn bei der gleichen Drehzahl gearbeitet wird, ergibt sich eine erheblich höhere Rate der Frequenzmodulation der Ausgangsfrequenz der Röhre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Laufzeitröhre mit einem Wechselwirkungskreis mit dem Elektronenstrom, einem mit diesem gekoppelten Hohlraumresonator als frequenzbestimmendes Element der Röhre, und einer Abstimmeinrichtung im Hohlraumresonator, die aus feststehenden Elementen und auf einer Kreisbahn um die Röhrenachse bewegbaren Feldstörelementen, insbesondere dielektrischen Elementen, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Elemente leitende Bündbelastungselemente in Fenn einer Reihe von leitenden Fahnen (24) sind, die auf einem Kreis um die Röhrenachse angeordnet sind und längs Radien dieses Kreises ausgerichtet sind, derart, daß die elektrischen Felder des vom Mikrowellenkreis (14) angeregten Schwingungsmodus des Hohlraumresonators (16) ihrerseits elektrische Felder zwischen benachbarten Fahnen (24) anregen und damit dieser Schwingungsmodus mit den Fahnen (24) blind belastet wird, und daß die bewegbaren Feldstörelemente (28) so angeordnet sind, daß sie Störelemente (28) für die elektrischen Felder zwischen benachbarten Fahnen (24) bilden, deren Störeffekt von ihrer Stellung auf der Kreisbahn abhängt, und sie je nach ihrer Stellung unterschiedlich große Teile von Streufeldern dieser elektrischen Felder abfangen, so daß die Belastung des angeregten Schwingungsmodus des Hohlraumresonators (16) und da- mit dessen zugehörige Resonanzfrequenz entsprechend der Bewegung der Feldstörelemente (28) auf ihrer Kreisbahn zyklisch variiert.

2. Röhre nach Anspruch 1, bei der der Hohlraumresonator eine Kammer aulweist, die zwei in axialem Abstand befindliche, koaxial angeordnete, leitende Stirnwände mit kreisförmigem Umfang und wenig stens eine zylindrische Seitenwand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Fahnen (24) längs wenigstens einer der Wände (13, 19, 21, 22) des Hohlraumresonators (16) angeordnet sind.