DE2612499A1 - Mehrkammer-geschwindigkeitsmodulationsroehre - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER

DR.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL.-ING. KLAUS DELFS, HAMBURG DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

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Mehrkammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhre

Die Erfindung betrifft eine Mehrkammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhre (Mehrkammer-Klystron) und insbesondere eine Geschwindigkeitsmodulationsröhre mit großer Bandbreite und hoher Verstärkung, die im K-Band oberhalb 10 GHz betreibbar ist.

In Mehrkammer-Klystrons wird üblicherweise ein System von gegeneinander versetzten Abstimmungsfrequenzen verwendet, wobei die Kammern auf unterschiedliche Frequenzen innerhalb des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt sind, um den Frequenzverlauf der Verstärkung zu verbessern. In Geschwin-

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digkeitsmodulationsröhren mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite, die in einem Mikrowellenband unterhalb 10 GHz betreibbar sind, hat man, um die Änderung der Impedanz der Hohlräume oder Kammern in Abhängigkeit von Frequenzänderungen möglichst klein zu halten, den Q-Wert der Kammer herabgesetzt und gleichzeitig die Perveanz (perviance) oder Raumladungskonstante auf einen großen Wert in der Nähe von 2,0 χ

-6 , 2

10 A/V2 eingestellt, so daß die Verstärkung durch die Herabsetzung des Q-Wertes nicht verringert wird.

Andererseits ist es im K-Band oberhalb 10 GHz notwendig,

-6 / ο die Perveanz des Elektronenstrahls bei 1,0 χ 10 A/V^ oder niedriger zu wählen, da die Plasmawellenlänge länger ist und sich somit eine längere effektive Lauflänge ergibt aufgrund der Tatsache, daß die Herstellung eines sehr kleinen Hohlraums schwierig ist. Da außerdem im K-Band ein Erreger mit einer hohen Ausgangsleistung nicht verfügbar ist, muß eine Geschwindigkeitsmodulation unter Bewältigung einer hohen Leistung bei hoher Verstärkung durchgeführt werden. Um jedoch eine hohe Verstärkung bei niedriger Perveanz zu erzielen, muß die Absorption der eingegebenen Leistung in der Eingangskammer durch Verringerung des Q-Wertes dieser Kammer verbessert werden, und ferner müssen die Q-Werte der Ausgangskammer und der dazwischenliegenden Kammer oder Kammern erhöht werden. Wenn dies aber geschieht, ergibt sich die Schwierigkeit, daß die Eigenschaft der Breitbandigkeit verloren geht. Wenn man umgekehrt die Q-Werte der Ausgangskam-

-a-

mer und der dazwischen liegenden Kammer oder Kammern herabsetzt, um Breitbandigkeit zu erhalten, verringert sich die Verstärkung.

Als eine mögliche Lösung dieser Schwierigkeit ist in US-PS 3 622 834 ein Klystronverstärker zur Verwendung im K-Band beschrieben, bei dem die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes bei 12,2 GHz liegt, die Perveanz des Elektronenstrahls

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der Geschwindigkeitsmodulationsröhre zu 0,5 x 10 A/V gewählt ist und wobei die Eingangskammer auf eine Frequenz etwas niedriger als die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes, eine erste Vorbündelungskammer auf eine Frequenz oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Bandes, eine zweite Vorbündelungskammer auf eine Frequenz niedriger als die untere Grenzfrequenz des Bandes und zwei nachfolgende Bündelungskammern auf Frequenzen höher als die erste Vorbündelungskammer abgestimmt sind. An die Eingangskammer so__wie an die erste und zweite Vorbündelungskammer ist jeweils eine äußere Last angeschlossen und die zwei Bündelungskammern sind unbelastet. Hierbei kann für kleine Signale eine Verstärkung von 59 dB erzielt werden bei einer -1 dB Bandbreite von 32 MHz.

Diese bekannte Geschwindigkeitsmodulationsröhre hat jedoch den Nachteil, daß keine ausreichend große Verstärkung und keine ausreichend große Bandbreite erhalten werden können, da der Q-Wert der Eingangskammer nicht extrem niedrig

his HtU 2/ Üb 6 9

Ή-

gemacht werden kann, weil ihre Resonanzfrequenz im Durchlaßband der Röhre liegt, und da der effektive Q-Wert der Bündelungskammer aufgrund der angelegten äußeren Last zu niedrig ist, trotz der Tatsache, daß in der zweiten Vorbündelungskammer, die auf eine niedrigere Frequenz als die untere Grenzfrequenz des Bandes abgestimmt ist, eine Entbündelung auftritt. Ferner ist die bekannte Röhre kostspielig und schwierig zu handhaben, da hermetisch abgedichtete Wellenleiter für die Verbindung mit äußeren Schaltelementen außer an die Eingangskammer, die erste Vorbündelungskammer und die Ausgangskammer auch an die zweite Vorbündelungskammer angeschlossen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herzustellende Geschwindigkeitsmodulationsröhre zu schaffen, die im K-Band oberhalb 10 GHz betreibbar ist und bei der das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite einen möglichst hohen Wert hat.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrkammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhre mit einer Eingangskammer, einer ersten Vorbündelungskammer, einer zweiten Vorbündelungskammer, einer oder mehreren Bündelungskammern und einer Ausgangskammer zum Abnehmen der Ausgangswellenenergie, die sämtlich längs des Elektronenstrahlweges angeordnet und durch eine Anzahl von Laufröhren voneinander getrennt sind. Gemäß der Erfindung ist die Eingangskammer auf eine Frequenz oberhalb der oberen Grenz-

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frequenz des Betriebsdurchlaßbandes der Röhre, die erste Vorbündelungskammer auf eine Frequenz niedriger als die Resonanzfrequenz der Eingangskammer und in der Nähe der oberen Grenzfrequenz des Durchlaßbandes, die zweite Vorbündelungskammer auf eine Frequenz in der Nähe der unteren Grenzfrequenz des Durchlaßbandes, die Bündelungskammer oder -kammern auf höhere Frequenz als die Resonanzfrequenz der Eingangskammer, und die Ausgangskammer auf eine Frequenz innerhalb des Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt. Der Q-Wert der Eingangskammer ist niedriger als der Q-Wert der ersten Vorbündelungskammer. Die zweite Vorbündelungskalier und alle Bündelungskammern sind ohne Last.

Nach dem erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzip wird die Kopplung zvischen dem äußeren Wellenleiter und der jeweiligen Kammer oder Hohlraum verstärkt durch Verwendung einer großen Kopplungsöffnung bei gleichzeitiger Herabsetzung des Q-Wertes der Eingangskammer und Abstimmung der Resonanzfrequenz der Eingangskammer auf eine Frequenz oberhalb der oberen Grenzfrequenz des Betriebsdurchlaßbandes der Röhre, so daß die Leistungsverstärkung durch Erhöhung der Leistungseingabe zur Eingangskammer verbessert wird. In bezug auf die zweite Vorbündelungskammer ist wichtig, daß diese unbelastet und auf eine Frequenz in der Nähe der unteren Grenzfrequenz des Betriebsdurchlaßbandes abgestimmt ist. Dies ist wichtt. g zur Erzielung einer großen Bandbreite, im Hinblick auf die ■ Tatsache, daß die Größe des effektiven Q-Wertes, die die

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Bandbreite beeinflußt, durch den Effekt der Entbündelung des Elektronenstrahls herabgesetzt werden kann, und daß in einem Klystron mit niedriger Perveanz der Q-Wert durch die Entbündelung beeinflußt und herabgesetzt wird, da die Abhängigkeit des Q-Wertes von der Strahlbelastung hoch ist. Ferner wird an die erste Vorbündelungskammer eine äußere Last angelegt derart, daß der Q-Wert der ersten Vorbündelungskammer etwa zweimal so groß ist als der Q-Wert der Eingangskammer, und diese Vorbündelungskammer wird auf eine Frequenz in der Nähe der oberen Grenzfrequenz des Bandes abgestimmt. Die Bündelungskammer oder -kammern sind unbelastet und auf noch höhere Frequenz als die Resonanzfrequenz der Eingangskammer abgestimmt. Die Ausgangskammer ist etwa auf die Mittenfrequenz des Bandes abgestimmt. Hierbei ergeben sich wesentliche Verbesserungen der Bandbreite unter gleichzeitiger Erzielung einer hohen Verstärkung. Ein weiterer Vorteil gegenüber den bekannten breitbandigen Mehrkammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhren nach dem Stand der Technik ergibt sich dadurch, daß es möglich ist, die zweite Vorbündelungskammer lastfrei zu halten, so daß ein Anschluß an eine äußere Schaltung unnötig ist, wodurch sich eine entsprechende Kostenersparnis bei der Röhre ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine 6-Kammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhre gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Phasendiagramm der an den Wechselwirkungsspalten der verschiedenen Hohlräume oder Kammern der Röhre nach Fig. 1 erzeugten Hochfrequenz spannungen.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Verstärkung für kleine Signale in Abhängigkeit von der Frequenz für die Röhre nach Fig. 1 im Vergleich zu Röhren nach dem Stand der Technik.

Bei der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform einer Geschwindigkeitsmodulationsröhre nach der Erfindung weist die Röhre 1 einen Elektronenstrahlerzeuger 2 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 3 und eine am Ende des Strahlweges angeordnete Kollektorelektrode 4 auf. Eine zylindrische Eingangskammer 5 vom Hohlraumtyp (re-entrant type) ist am Beginn des Elektronenstrahles 3 angeordnet und wird durch über eine Kopplungsöffnung 6 von einer äußeren Quelle zugeführte Hochfrequenzenergie angeregt. Die Eingangskammer 5 ist auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, die höher liegt als das Durchlaßband der Röhre, und zwar durch Einstellung veränderbarer Abstimmittel, die der Eingangskammer zugeordnet sind, z.B. eine Abstimmwand 31. Die Eingangskammer hat einen Wech-

H I) 9 B 4 ■/ I U b b a

selwirkungsspalt 7, der durch den Abstand zwischen den freien Enden der Innenwände des zylindrischen Hohlraums bestimmt ist, so daß eine über diesen Wechselwirkungsspalt 7 erzeugte Hochfrequenzspannung den Elektronenstrahl 3 in seiner Geschwindigkeit modulieren kann. Stromabwärts der Eingangskammer 5 umgibt den Elektronenstrahl 3 eine erste Laufröhre 8, die einen von radiofrequenten elektromagnetischen Feldern freien Raum schafft, in welchem die Elektronen des Elektronenstrahls 3 mit Geschwindigkeiten laufen, die durch die Größe der in der Eingangskammer 5 aufgeprägten Geschwindigkeitsmodulation abhängen. Hierdurch ergibt sich eine Bündelung der Elektronen. Wenn der Elektronenstrahl 3 dann durch den Wechselwirkungsspalt 11 einer ersten "Vorbündelungskammer 9 läuft, existiert im Elektronenstrahl 3 ein der Grundwelle entsprechender dichtemodulierter Strom mit einer Phasenverzögerung von etwa 90° bezüglich der am Wechselwirkungsspalt 7 erzeugten Spannung. Da die erste Vorbündelungskammer 9 auf eine Frequenz durch Einstellung ihrer Abstimmittel 32 auf eine Frequenz geringfügig innerhalb der oberen Bandgrenze abgestimmt ist, ist die Phase der Hochfrequenzspannung, die durch diesen dichtemodulierten Strom über den Wechselwirkungsspalt induziert wird, gegenüber der Phase der Spannung am Wechselwirkungsspalt 7 bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz um weniger als 90° und bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz um mehr als 90° verzögert. Deshalb ist der im Bereich der ersten Laufröhre 8 gebündelte Elektronenstrahl 3 in dem Wechselwirkungsspalt 11 unterschiedlichen Wirkungen

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-3-

unterworfen, wobei die Resonanzfrequenz die Trennlinie bildet. Genauer/gesagt ist bei einer Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz der Effekt der Wechselwirkung derart, daß die Bündelung weiter verstärkt wird, während bei einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz der Effekt der Wechselwirkung so ist, daß der Elektronenstrahl einer Entbündelung unterliegt. Infolgedessen ergibt sich, obwohl die Resonanzfrequenz der ersten Vorbündelungskammer nahe der Resonanzfrequenz der Eingangskammer liegt, kein plötzlicher Anstieg der Verstärkung bei der oberen Bandgrenze des Betriebsdurchlaßbandes. Zusätzlich ist die erste Vorbündelungskammer 9 mit Ankopplungsmitteln 10, wie z.B. einer Kopplungsöffnung versehen, um die Größe des Q-Wertes einzustellen, und sie ist über diese Ankopplungsmittel mit einer äußeren Schaltung, die ein Widerstandselement enthält, verbunden.

Eine zweite Vorbündelungskammer 13 ist auf eine Frequenz etwas unterhalb der unteren Bandgrenze abgestimmt durch entsprechende Einstellung der veränderbaren Abstimmittel 33. Hierdurch hat die Phase der Hochfrequenzspannung über den Wechselwirkungsspalt 14 eine große Verzögerung von mehr als 90° bezüglich der Phase der Hochfrequenzspannung über den Wechselwirkungsspalt 11. Infolgedessen wird der im Bereich der zweiten Laufröhre 12 gebündelte Elektronenstrahl im Wechselwirkungsspalt 14 einer Entbündelung unterworfen, und im Bereich der anschließenden dritten Laufröhre 15 ergibt sich eine Bündelung, deren Phase von der der vorherigen Bündelung verschieden ist.

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Eine erste Bündelungskammer 16 und eine zweite Bündelungskammer 19 sind auf Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz der Eingangskammer 5 abgestimmt durch entsprechende Einstellung ihrer veränderbarer Abstimmittel 34 bzw. 35. Deshalb variiert die Impedanz dieser Kammern allnlhlich und ist im Durchlaßband ausreichend/induktiv, so daß die an den Wechselwirkungsspalten 17 und 20 induzierten Hochfrequenzspannungen im Sinne einer weiteren Verstärkung der in der dritten Laufröhre 15 und der vierten Laufröhre 18 bewirkten Bündelungen wirken.

Schließlich ist eine Ausgangskammer 22 mit einem Wechselwirkungsspalt 24 vorgesehen, die durch Einstellung ihrer veränderbaren Abstimmittel 36 etwa auf die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes eingestellt ist. Der dichtemodulierte Elektronenstrahl 3 regt die Ausgangskammer 22 an, und die Ausgangswellenenergie wird über Ankopplungsmittel 23, wie z.B. eine Kopplungsöffnung abgenommen. Eine fünfte Laufröhre 21 ist zwischen den Kammern 19 und 22 angeordnet, um einen Laufraum zu bilden, der frei von einem radiofrequenten elektromagnetischen Feld ist.

Fig. 2 ist eine Darstellung der Phasenbeziehung zwischen der Spaltspannung V^ in der Eingangskammer 5, die als Bezugsphase genommen wird, und den Hochfrequenzspannungen V₂, V,, V^, V₅ und Vg, die über die Wechselwirkungsspalte der nachfolgenden Kammern erzeugt werden, und zwar mit Bezug auf die

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Betriebsfrequenz in der Mitte des Durchlaßfrequenzbandes. In bezug auf die Spannung V^ über den Wechselwirkungsspalt 7 der Eingangskammer 5 ist die am nächsten Wechselwirkungsspalt 11 erzeugte Spannung V₂ annähernd in Phase, während die Spannung V, über den Wechselwirkungsspalt 14 annähernd in Gegenphase zu der Spannung Vp ist, so daß die Spannung V, auf den Elektronenstrahl 3 so wirkt, daß die gebündelten Elektronen entbündelt werden. Hierdurch wird die Größe des effektiven Q-Wertes, die die Bandbreite beeinflußt, herabgesetzt. Da die an den Wechselwirkungsspalten 17 und 20 erzeugten Spannungen V^ und V₅ annähernd in Phase mit der Spannung V, sind, wirken diese Spannungen V^ und V₅ auf den Elektronenstrahl 3 so, daß sie die Bündelung, die sich durch die Geschwindigkeitsmodulation durch die Spannung V₂ ergeben hat, weiter verstärken. Schließlich hat die Spannung Vg über den Wechselwirkungsspalt 24 eine Phasenverzögerung von etwa 90° bezüglich der Spannung Vc, und somit bewirkt die Ausgangskammer 22 eine Verzögerung des gebündelten Elektronenstrahls 3 und somit ein Herausziehen von Wellenenergie als Ausgangssignal.

Die Kurve 25 in Fig. 3 zeigt die Kennlinie der Verstärkung bei kleinen Signalen in Abhängigkeit von der Frequenz für die Geschwindigkeitsmodulationsröhre gemäß Fig. 1. Die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes ist 12,2 GHz. Um die maximale Verstärkung von 60 dB und eine τ1 dB Bandbreite (W) von 60 MHz zu erhalten,· sind die verschiedenen, in Fig. 1 darge-

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stellten Kammern auf Frequenzen abgestimmt, die in Fig. 3 angezeigt und mit den gleichen Bezugszeichen wie die zugehörigen Kammern in Fig. 1 bezeichnet sind. Die Kurve 26 zeigt die Verstärkungs-Frequenzkennlinie von Geschwindigkeitsmodulationsröhren nach dem Stand der Technik, wobei die Bandbreite (W) 32 MHz beträgt. Hieraus ergibt sich, daß das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite gemäß der vorliegenden Erfindung um etwa den Faktor 2 verbessert wird.

Als Zahlenbeispiel wird im folgenden eine Liste von bevorzugten Zahlenwerten für die Daten der Röhre nach Fig. 1 angegeben.

TABELLE I

Bandmittenfre quenz

Strahlspannung

Strahlperveanz (Raumladungskonstante)

Q-Werte bei äußerer Last Eingangskammer erste Vorbündelungskammer Ausgangskammer

wobei die anderen Kammern lastfrei sind. Resonanzfrequenzen

Eingangskammer 12,233 GHz

erste Vorbündelungskammer 12,226 GHz

- 12 -

f. υ '-i H /. '/ I Il ■·> H y

12,	2	X	GHz	A/V5
12,	1		KV
0,5		ίο"6
120
220
220

zweite Vorbündelungskammer 12,172 GHz

erste Bündelungskammer 12,273 GHz

zweite Bündelungskammer 12,285 GHz

Ausgangskammer 12,19^ GHz

Während die Erfindung bei der Ausführungsform anhand einer 6-Kammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhre beschrieben wurde, kann der erfindungsgemäße Vorteil einer hohen Verstärkung bei großer Bandbreite auch in genau der gleichen Weise bei einer Geschwindigkeitsmodulationsröhre mit fünf oder mehr Kammern erzielt werden, vorausgesetzt daß die Resonanzfre-

quenzen der ündelongskammer oder -kammern auf höhere Frequenz als die Resonanzfrequenz der Eingangskammer abgestimmt sind.

Ferner ist die Erfindung nicht auf eine Röhre mit Resonatoren vom zylindrischen Hohlraumtyp (re-entrant type) beschränkt, sondern kann auch mit Resonatoren vom schraubenförmigen Typ mit verteiltem elektrischem Feld realisiert werden.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.J Mehrkammer-Geschwindigkeitsmodulationsröhre mit einem Betriebs-Durchlaßband von vorgegebener Frequenzbreite, bei der in der Elektronenstrahlrichtung hintereinander ein Eingangsresonator, eine erste und eine zweite Vorbündelungskammer, eine oder mehr Bündelungskammer und ein Ausgangsresonator zur Abnahme der Ausgangsenergie vom dichtemodulierten Elektronenstrahl angeordnet und zwischen ihnen Laufröhren angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß der Eingangsresonator (5) auf eine Frequenz höher als die obere Grenzfrequenz des Durchlaßbandes, die erste Vorbündelungskammer (9) auf eine Frequenz tiefer als die Resonanzfrequenz der Eingangskammer und in der Nähe der oberen Grenzfrequenz des Durchlaßbandes, die zweite Vorbündelungskammer (13) auf eine Frequenz nahe der unteren Grenzfrequenz des Durchlaßbandes, die Bündelungskammer oder -kammern (16, 19) auf höhere Frequenz als die Eingangskammer, und die Ausgangskammer (22) auf eine Frequenz im Durchlaßband abgestimmt sind, daß der Q-Wert der Eingangskammer (5) kleiner ist als der der ersten Vorbündelungskammer (9), und daß die zweite Vorbündelungskammer (16) und die Bündelungskammer oder -kammern (19, 22) lastfrei sind.

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2. Geschwindigkeitsmodulationsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammern (5, 9, 13, 16, 19, 22) mit veränderbaren Abstimmitteln versehen sind.

3. Geschwindigkeitsmodulationsröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangskammer (5), die erste Vorbündelungskammer (9) und die Ausgangskammer (22).mit Ankopplungsmitteln (6, 10, 23) für die elektromagnetische Ankopplung der Kammer an eine äußere Schaltung versehen sind.

4. Geschwindigkeitsmodulationsröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei mehreren Bündelungskammern (16, 19) jede Bündelungskammer (19) auf eine höhere Resonanzfrequenz abgestimmt ist als die vor ihr liegende Bündelungskammer (16).

5. Geschwindigkeitsmodulationsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Bündelungskammern (16, 19) vorgesehen sind.

6. Geschwindigkeitsmodulationsröhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonanzfrequenz der Ausgangskammer (22) auf eine Frequenz unterhalb der Mittenfrequenz des Betriebs-Durchlaßbandes der Röhre abgestimmt ist.

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