DE2711494C2

DE2711494C2 - Wanderfeldverstärkerröhre

Info

Publication number: DE2711494C2
Application number: DE2711494A
Authority: DE
Inventors: Toshinori Horigome; Takao Tokio Kageyama
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1976-03-16
Filing date: 1977-03-16
Publication date: 1984-08-16
Also published as: DE2711494A1; FR2344953A1; FR2344953B1; US4147956A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wanderfeldverstärkerröhre zur Verstärkung von HF-Signaleu in einem vorgegebenen Arbeitsfrequenzband, bei der in Elektronenstrahlrichtung hintereinander eine Eingangs-, eine Ausgangs- und mindestens eine freischwingende Verzögerungsleitung liegen, die voneinander durch nicht reflektierende Leitungsabschlüsse getrennt sind, aus je einer Anzahl von miteinander über Koppelöffnungen gekoppelten Hohlräumen bestehen und je ein Durchlaßfrequenzband mit oberer und unterer Bandgrenze und eine nahe der unteren Bandgrenze liegenden Synchronisierfrequenz aufweisen, wobei die untere Bandgrenze der freischwingenden Verzögerungsleitung höher als die untere Bandgrenze der Eingangs- und Ausgangs-Verzögerungsleitung liegt.

Eine derartige Wandcrfeldverstärkcrröhre ist z. B. aus der DE-AS 12 23 961 bekannt. Bei dieser Wanderfeldröhre ist zwischen einem Einkoppelabschnitt und einem Auskoppelabschnitt ein Wechselwirkungsabschnitt angeordnet. Diese drei Abschnitte sind jeweils als Verzögerungsleitungen ausgebildet, die voneinander durch nicht reflektierende Leitungsabschlüsse getrennt sind. Das Arbeitsfrequenzband liegt bei dieser Wanderfeldröhre außerhalb, d. h. unterhalb des Durchlaßbereiches der freischwingenden Verzögerungsleitung. Selbst wenn in diesem Bereich, nämlich dicht unterhalb des Durchlaßbereiches noch eine Verstärkung von elektromagnetischen Wellen möglich sein sollte, so wird doch die Koppelimpedanz für diesen Bereich sehr gering sein und mit zunehmendem Abstand von der unteren Bandgrenze rasch abfallen. Die bekannte Wanderfeldröhre hat deshalb den Nachteil, daß sie eine relativ geringe Koppelimpedanz und damit auch nur eine geringe Verstärkung möglich macht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabt: zugrunde.

eine Wanderfeldverstärkerröhre der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher im Vergleich zur bekannten Röhre die Koppclimpedanz erhöht und die Arbeilsfrcquenzbandbrcile vergrößert ist, ohne daß die

■> Verstärkung und der Wirkungsgrad der Wanderfeldverstärkerröhrc negativ beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die obere Bandgrenze der freischwingenden Verzögerungsleitung bei ungefähr der gleichen Frequenz wie die obere Bandgrenze der Ein- und Ausgangs-Verzögerungsleitungen liegt, und daß das Arbeitsfrequenzband so festgelegt ist, daß seine Mitte ungefähr bei der Synchronisierfrequenz der freischwingenden Verzögerungsleitung und seine untere Grenzfrequenz in der Nä-{.-2 der Synchronisierfrequenz der Ein- und Ausgangs-Verzögerungsleitung liegt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird einerseits dadurch erzielt, daß sich die Impedanzkurven der freischwingenden Verzögerungsleitung und der größere Teil des Arbeitsfrequenzbandes der Impedanzkurven der Ein- und Ausgangs-Verzögerungsleitung überlappen, so daß sich im Arbeitsfrequenzband die Impedanzen addieren und damit die Verstärkung vergrößert wird.

Außerdem spielt für die Lösung der Aufgabe eine Rolle, daß die beanspruchte Lage der Bandgrenzen auch bedeutet, daß ütis Durchlaßband der freischwingenden Verzögerungsleitung schmaler als das Durchlaßband der Ausgangsverzögerungsleitung ist Da sich die Gesamtimpedanz über ein schmaleres Durchlaßband verteilt, ist sie insgesamt höher:

Im folgenden werden als Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, durch weiche die erfindungsgemäßen Bandgrenzen und Synchronisierfrequenzen verwirklicht werden können. Es zeigt

F i g. 1 a einen Längsschnitt durch die allgemeine Konstruktion eines wesentlichen Teiles einer ersten Ausführungsform der Koppelhohlra'.im-Wc-cderfeldröhre mit drei Abschnitten,

Fig. Ib einen Querschnitt durch die Wanderfeldröhre entlang der Linie A-A 'nach Fig. la,

Fig. Ic einen weiteren Querschnitt durch die Wanderfeldröhre entlang der Linie B-B'nach F i g. 1 a,

Fig. Id einen weiteren Querschnitt durch die Wanderfeldröhre entlang der Linie C-C'nach Fig. la,

F i g. 2 ein Kurvenschaubild, in dem die Synchronisationsbezichungen zwischen den Wanderwellen in den entsprechenden Verzögerungsleitungen und dem Elektronenstrahl in der Röhre nach Fig. 1 und eine Betriebsbandbreite (W)der Röhre dargestellt sind,

^cig. 3 ein Kurvenschaubild, in dem die KleinsignaI(dB)-Frequenz-Kennlinien der Röhre nach Fig. la und einer bekannten Röhre sowie die Verstärkungskennlinien der entsprechenden Verzögerungsleitungen dargestellt sind,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch die allgemeine Konstruktion eines wesentlichen Teiles einer zweiten Ausführungsform der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre mit drei Abschnitten,

F i g. 5 ein Kurvenschaubild, in dem die Synchronisationsbeziehungen zwischen den Wanderwellen in den entsprechenden Verzögerungsleitungen und dem Elektronenstrahl in der Röhre nach Fig.4 und eine Be-

b5 triebsbandbreite (W^der Röhre dargestellt sind,

Fig.6 ein Kurvenschaubild, in dem die Kleinsignalverstärkung(dB)-Frequenz-Kennlinien der Röhre nach !•'ig.4 und einer bekannten «öhre sowie die Vcrsliir-

iungskennlinien der entsprechenden Verzögerungsleitungen dargestellt sind,

F i g. 7a einen Längsschnitt durch die allgemeine Konstruktion eines wesentlichen Teiles einer dritten Aus-Führungsform der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre mit drei Abschnitten,

F i g. 7b einen Querschnitt durch die Wanderfeldröhre entlang der linie A-A 'nach F i g. 7a,

F i g. 7c eineu weiteren Querschnitt durch die Wanderfeldröhre entlang der Linie ß-ß'nach F i g. 7a,

Fig.7d einen weiteren Querschnitt durch die Wanderfeldröhre entlang der Linie C-C'nach F i g. 7a,

Fi g. 8 ein Kurvenschaubild, in dem die Synchronisationsbeziehungen zwischen den Wanderwellen in den entsprechenden Verzögerungsleitungen und dem Elektronenstrahl in der Röhre nach -F i g. 7a sowie die Betriebsbandbreite (W)der Röhre dargestellt sind,

F i g. 9 ein Kurvenschaubild, in dem die Kleinsignalverstärkung(dB)-Frequenz-Kennlinien der Röhre nach F i g. 7a und einer bekannten Röhre sowie die Verstärkungskenniinien der entsprechenden Verzögerungsleitungen dargestellt sind, und

F i g. 10 einen Längsschnitt durch die allgemeine Konstruktion eines wesentlichen Teiles einer vierten Ausführungsform der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre mit drei Abschnitten.

Fig. la zeigt eine erste Ausführungsform der abgeteilten Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre im Längsschnitt. Dabei weist eine abgeteilte Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre 1 einen Elektronenstrahlerzeuger 3 zur Ausbildung und Aussendung eines Elektronenstrahles 2, zwei Vor-Verzögerungsleitungen entlang eines langen Strahlweges, d. h. eine Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und eine Zwischen-Verzögerungsleitung 5, einen ersten Trennabschnitt 7 und einen zweiten Trennabschnitt 8 zur Wellenentkopplung zwischen den entsprechenden Verzögerungsleitungen und eine Kollektorelektrode 9 am Ende des Elektronenslrahlweges auf.

Die Eingangs-Verzögerungsleitung 4 besteht aus einem Paar von Koppelhohlräumen 4a und 4e an den beiden Enden der Verzögerungsleitung und drei dazwischen angeordneten Haupthohlräumen 4b, 4c und 4d. Die fünf Einheitshohlräume 4a, 4b, 4c, 4d und 4e sind über an den Trennwänden zwischen den Hohlräumen vorgesehene Koppeliris 16 elektromagnetisch gekoppelt. Mit dem einen Ende der Verzögerungsleitung ist ein Eingangshohlleiier 10 und mit dem anderen Ende ist ein Hohlleiter 11 mit nichtrefiektierendem Abschluß verbunden.

Die Zwischen-Verzögerungsleitung 5 weist insgesamt sechs miteinander verbundene Einheitshohlräume auf, und zwar ein Paar Koppelhohlräume 5a und 5/und vier Haupthohlräume 5b, 5c, 5d und 5e. Mit den. beiden Enden der Verzögerungsleitung 5 sind Hohlleiter 12 und 1.3 mit nichtrefiektierendem Abschluß verbunden. Die Ausgangs-Verzögerungsleitung weist insgesamt sieben miteinander verbundene Einhcitr.hohlräume auf, d. h. ein Paar von Koppelhohlräumcn 6a und 6g und fünf Haupthohlräume 6b, 6c, 6c/, 6c und 6/". Mit dem einen Ende der Verzögerungsleitung 6 ist ein Hohlleiter 14 mit nichtrefiektierendem Abschluß und mit dem anderen Ende ist ein Ausgangshohlleiter 15 verbunden.

Die Höhe Wund der Innenradius R_t des Haupthohlraumes, der AuPenradius Ri und der Innenradius Ri einer Triftröhre uiirt der Wechselwirkungsspalt-Zwischenrilum DsiiXJ in jeder Verzögerungsleitung und bei allen Verzögerungsleitungen gleich. Um eine Wellenwiderstarldsanpa.si>ling zwischen dem Hohlleiter und der Verzögerungsleitung vorzunehmen, wurden lediglich die Durchmesser der Koppelhohlräume kleiner als die der Haupthohlräume ausgewählt. Die Abmessungen der Koppeliris 16 zwischen aufeinanderfolgenden Haupthohlräumen sind am besten aus den Fig.Ib. Ic und Id ersichtlich und bei allen Hohlräumen hinsichtlich eines Radius r„ einer Öffnungsmittellinie und einer über den Öffnungswinkel der Öffnung hinausgehenden Breite 2 r₂ gleich. Lediglich der öffnungswinkel ist verschieden; so beträgt er bei der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 70" und bei der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 64°.

Beim Betrieb induziert ein über den Eingangshohlleiter 10 in die Eingangs-Verzögerungsleitung 4 eingeführtes H F-Eingangssignal ein elektrisches Wanderfeld über die Wcchselwirkungsspaile 17. Diese Wanderwelle führt mit dem im wesentlichen mit gleicher Geschwindigkeit voranschreilcnden Elektronenstrahl 2 eine Dichtemodulation durch und pflanzt sich gleichzeitig entlang der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 fr>rt, während ihre Amplitude durch Absorption der kinetischen Energie vom Elektronenstrahl 2 erhöht wird und möglicherweise in den Hohlleiter 11 mit nichtrefiektierendem Abschluß eintritt. Andererseits induziert der in der Eingangs-Verzögerungsleitung dichtemodulierte Elektronenstrahl 2 ein elektrisches Wanderfeld in die Zwischen-Verzögerungsleitung 5, so daß der Elektronenstrahl 2 durch Wechselwirkung mit der Wanderwelle weiterhin stark dichtemoduliert wird und eventuell in die Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 eintritt, wo ein elektrisches Wanderfeld mit einer weiteren großen Amplitude induziert wird. Diese Wanderwelle absorbiert weitere kinetische Energie aus dem Elektronenstrahl 2 und sie wird, nachdem ihre Amplitude erhöht wurde, als HF-Signal über den Ausgangshohlleiter 15 einer externen Schaltung zugeführt. Die Kennlinien der Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz zwischen dem der externen Schaltung zugcführten HF-Signal und dem Eingangs-HF-Signa I werden in Abhängigkeil von den Syn-

w chronisationsbe/.ichungcn zwischen den Wanderwellen in cjn entsprechenden Verzögerungsleitungen und dem Elektronenstrahl bestimmt.

In Fig.2 sind die Synchronisationsbeziehungen zwischen den Wanderwellen in den entsprechenden Verzögerungsleitungen und dem Elektronenstrahl sowie eine gewünschte Betriebsbandbreite (W) der Röhre nach F i g. I graphisch dargestellt. Dabei stellt eine Gerade 21 die Phasen-Frequenz-Kennlinie des HF-Signales, das sich als Dichtemodulation des Elektronenstrahls 2 mit dessen Geschwindigkeit fortpflanzt, eine Kurve 22 die Phasen-Frequenz-Kennlinie der Wanderwellen, die sich jeweils durch die Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und die Λ'«gangs-Verzögerungsleitung 6 mit dem größeren öffnungswinkel fortpflanzen, und eine Kurve 23 die Phasen-Frequenz-Kennlinie der Wanderwelle dai, die sich durch die Zwischen-Verzögerungsleitung 5 mi! kleinerem öffnungswinkel fortpflanzt. Der Schnittpunkt der Geraden 21 mit der Kurve 22 bestimmt eine Synchronisicrfrcqjcnz FSl der Eingangs- Verzöge-

M) rungslciiung 4 und der Ausgangs-Vcr/.ögerungsleitung 6 und der Schnittpunkt der Geraden 21 mit der Kurve 23 eine Synchronisierfrequenz FS 2 des Zwischen-Verzögerungsleitung 5. Der Grund dafür, warum die Synchronisierfrequenz an zwei Punkten auftritt, ergibt sich

b5 auf Grund der Tatsache, daß die Phasengeschwindigkeit der sich durch die Zwischen-Verzögerungsleitung 5 fortpflanzenden Wanderwelle größer ist als die der sich durch die Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und die Aus-

gangs-Verzögerungsleitung 6 fortpflanzenden Wanderwellen. Da die Abmessungen der Haupthohlräume in den jeweiligen Verzögerungsleitungen jeweils gleich sind, mit Ausnahme des öffnungswinkels der Kopplungsiris, ist die obere Grenzfrequenz FLJ 2 der ΓΛ/01-Hohlraumschwingung der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 nur wenig größer als die obere Grenzfrequenz FU1 der ΓΛίοι-Hohlraumschwingung der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6. Dagegen ist. da der öffnungswinkel der Kopplungsiris in der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 kleiner ist, die untere Grcnzfrcqucnz FL 2 der TMoi-Hohlraumschwingung der Zwischcn-Vcr/.ögcrungsleitung 5 sehr viel als die untere Grcn/frcquenz FL1 der TAfoi-Hohlraumschwingung der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6.

Zusätzlich dazu können bei einer derartigen Konstruktion, in der die oberen Grcnzirequenzen der 7Aioi-Hohlraumschwingung der einzelnen Verzögerungsleitungen im wesentlichen gleich sind, die unteren Grenzfrequenzen durch Veränderung der Öffnungsfläche der Kopplungsiris zwischen aufeinanderfolgenden Haupthohlräumen so verändert werden, daß in der Zwischen-Verzögerungsleitung. in der die öffnungsfläche der Kopplungsiris vermindert wird, die untere Grenzfrequenz angehoben und auch die Durchlaßbandbreite verengt wird, wobei jedoch die Phasengeschwindigkeit der Wanderwelle in der Verzögerungsleitung gleich bleibt und die Koppelimpedanz angehoben wird. Damit kann die Synchronisierfrequenz der Zwischen-Verzögerungsleitung mit verminderter Öffnungsfläche der Koppeliris innerhalb des Betriebsbandes liegen, ohne daß der Wirkungsgrad erniedrigt wird.

Fig.3 zeigt die Kleinsignalvcrstärkung-Frequenz-Kennlinie der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre nach

«a· I) lib I I IXT>L/S\

feldröhre. In dieser Figur kennzeichnet eine Kurve 35 die Kennlinie der bekannten Röhre, während eine Kurve 34 die Kennlinie der Röhre nach F i g. 1 darstellt. Bei der bekannten Röhre ist die Synchronisierfrequenz in allen Verzögerungsleitungen gleich und hat den Wert FS 1, der unterhalb der unteren Grenzfrequenz FBL des gewünschten Betriebsbandes liegt, so daß die maximale Verstärkung bei der Frequenz FS 1 erhalten wird, die Verstärkung jedoch bei höheren Frequenzen im gleichen Maß vermindert und damit die Betriebsbandbreite (W) der bekannten Röhre auf 33% der Durchlaßbreite der Ausgangs-Verzögerungsleitung begrenzt wird. In F i g. 3 befindet sich der Punkt FBL auf der Kurve 35 in der Nähe der maximalen Verstärkung. Dies ist jedoch darauf zurückzuführen, daß die Kurve 35 die Kennlinie bei Kleinsignalbetrieb darstellt, wobei bei Großsignalbetrieb der Punkt FBL am unteren Grenzpunkt der Betriebsbandbreite auftritt, an dem die maximale Verstärkung um 6 dB niedriger ist Hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 1 a sind die einzelnen Verstärkungskennlinicn der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 jeweils durch die Kurven 31 und 33 dar- uo gestellt, deren Maximum bei FS 1 liegt Da die Synchronisierfrequenz FS2der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 einen Wert unterhalb der oberen Grenzfrequenz FBU des Betriebsbandes der bekannten Röhre aufweist, ist die Verstärkungskennlinie der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 als Kurve 32 dargestellt, die gerade die abfallenden Bereiche der Kennlinien 31 und 33 kompensiert Dabei wird die Koppelimpedanz der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 erhöht. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß die Betriebsbandbreite der Röhre 1 bis auf 53% der Durchlaßbandbreite der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 erhöht werden kann, ohne daß die Verstärkung absinkt.

Da die untere Grenzfrequenz FL 2 der T/Woi-Hohlraumschwingung der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 höher gewählt wurde als die untere Grenzfrequenz FBL des Betriebsbandes der Röhre, wird angenommen, daß die Betriebsweise der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 bei einer Frequenz unterhalb der Frequenz FL 2 so ist, daß ähnliche Wechselwirkungen wie bei einem Mehrkammcrklystron bewirkt werden, bei dem die Kopplung zwischen den einzelnen Hohlräumen locker ist, und zwur so, uls ob die Röhre aus Hohlräumen mit niedrigem Gütefaktor ζ)zusammengesetzt wäre.

Da darüber hinaus die Durchlaßbandbreiten der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsicitung 6 die Betriebsbandbreite (W) enthalten, können sie leicht jeweils über den Eingangshohlleiter 10 und den Ausgangshohlleiter 15 an die externen Schaltkreise angepaßt werden. Insbesondere wird bei der eine große elektrische Leistung führenden Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 die öffnungsfläche der Iris jeweils groß gewählt, und damit ist auch die Durchlaßbandbreite immer groß.

Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung wurde lediglich in einer der zwei VorVerzögerungsleitungen die öffnungsfläche der Iris kleiner gewählt als in den anderen Verzögerungsleitungen. Es läßt sich aber auch so realisieren, daß die öffnungsfläche der Iris in zwei oder mehr Vor-Verzögerungsleitungen von den übrigen Verzögerungsleitungen verschieden gewählt wird. In F i g. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre mit drei Abschnitten dargestellt.

Eine Eingangs-Verzögerungsleitung 4 besteht aus einem Paar von Koppelhohlräumcn 4λ und 4e an den beiden Enden der Verzögerungsleitung und aus drei dazwischen angeordneten Haupthohlräumen 46. 4c und 4d. Diese insgesamt fünf Einheitshohlräume 4a, 4b, 4c, 4d und 4e sind elektromagnetisch über Kopplungsiris 16, die in den Trennwänden zwischen aufeinanderfolgenden Hohlräumen vorgesehen sind, miteinander gekoppelt Mit dem einen Ende der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 ist ein Eingangshohlleiter 10 und mit dem anderen Ende ein Hohlleiter 11 mit nichtreflektierendem Abschluß verbunden. In den jeweiligen Einheitshohlräumen 4a, 4b. 4c, 4d und 4e sind die Mittelpunkte von aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalte" 17 jeweils um die Distanz L voneinander entfernt, während die Höhe der haupthohlräume4Z\ 4c und 4c///beträgt

Die Zwischen-Verzögerungsleitung 5 weist insgesamt sechs miteinander gekoppelte Einheitshohlräume auf, und zwar ein Paar von Koppelhohlräumen 5a und 5/und vier Haupthohlräume 5b, 5c, 5d und 5e. Die Verzögerungsleitung 5 ist an ihren beiden Enden mit Hohlleitern 12 und 13 mit nichtreflektierendem Abschluß verbunden. Bei den Einheitshohlräumen 5a, 5b, 5c, 5d, Se und Sf wurde zwischen den Mittelpunkten von aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten 17 jeweils ein Abstand von U5 L gewählt d.h. ein größerer Abstand als bei der Eingangs-Verzögerungsleitung 4. Die Höhe der Haupthohlräume 5b, 5c, 5d und Se ist mit 1,15 H gewählt d. h. sie ist größer als die der Eingangs-Verzögerungsleitung 4. In ähnlicher Weise wurde, um die Durchlaßbandbreite der 7Moi-Hohlraumschwingung der Verzögerungsleitung 5 gleich der der Eingangs-Verzöge-

rungsleiUing 4 zu machen, der I lohlruumdurchmesscr kleiner gewählt, als der bei der Liingangs-Verzögerungsleitung 4.

Die Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 weist insgesamt sieben miteinander gekoppelte Einheitshohlräume auf, nämlich ein Paar von Koppelhohlräumen 6a und 6g und fünf Haupthohlräume 6b, 6c, 6c/, 6e und 6(. Mit dem einen t:xie der Verzögerungsleitung 6 ist ein Hohlleiter

14 mit nichtreflektierendem Abschluß und mit dem anderen Ende ein Ausgangshohlleiter 15 verbunden. In den jeweiligen Einheitshohlräumen 6a bis 6g wurde der Abstand zwischen den Mittelpunkten von aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten 17 mit L und die Höhe der Haupthohlräume 6b bis 6f mit Η gewählt, also gleich wie bei der Eingangs-Verzögerungsleitung 4. Durch die Wahl von gleichen Abständen zwischen den Mittelpunkten von aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten in der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 kann die Anpassung der jeweiligen Verzögerungsleitung an den Eingangshohlleiter 10 bzw. an den Ausgangshohlleilcr

15 leicht mit gemeinsamen Teilen und mit einem gemeinsamen Einstellverfahren durchgeführt werden.

In Fig. 5 sind die Synchronisationsbczichungcn /wischen den Wanderwellen in den jeweiligen Verzögerungsleitungen und dem HF-Signal, das sich durch den Elektronenstrahl in der Form einer Dichtemodulation fortpflanzt, sowie die Betriebsbandbreite (W) der Röhre nach F i g. 4 graphisch dargestellt. Dabei stellt die Gerade 211 die Phasen-Frequenz-Kennlinie des HF-Signa!es, das sich im Elektronenstrahl in der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und in der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 fortpflanzt, die Gerade 221 die Phasen-Frequenz-Kennlinie des H F-Signales, das sich im Elektronenstrahl in der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 fortpflanzt, und die Kurve 231 die Phasen-Frequenz-Kennlinie der WanderweUer! dar, die sich in den jeweiligen Verzögerungsleitungen fortpflanzen.

Durch den Schnittpunkt der Geraden 211 und der Kurve 231 wird eine Synchronisierfrequenz FSl der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 bestimmt und aus dem Schnittpunkt der Geraden 221 mit der Kurve 231 eine Synchronisierfrequenz FS2 der Zwischen-Verzögerungsleitung 5. Der Grund für die Synchronisationsfrequenz an zwei Punkten ist darin zu suchen, daß, obwohl die Phasenänderung pro Hohlraum der Wanderwellen in den entsprechenden Verzögerungsleitungen mit der Frequenz entsprechend der Kurve 231 verläuft, die Phasenänderung pro Hohlraum des sich im Elektronenstrahl fortpflanzenden HF-Signales größer wird, da der Abstand zwischen den Mittelpunkten von aufeinanderfolgenden Wechseiwirkungsspalten größer wird. Deshalb hat, wie es durch die Gerade 221 dargestellt ist, die Phasenänderung pro Hohlraum des sich im Elektronenstrahl in der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 fortpflanzenden HF-Signales eine größere Änderungsgeschwindigkeit bei einer bestimmten Frequenz als bei der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6, wie es durch die Gerade 211 dargestellt ist

Um die Durchlaßbandbreiten der TMoi-Hohlraumschwingung gleich der der anderen Verzögerungsleitungen zu machen, wird, nachdem die Mittelabstände zwischen aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten 17 in der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 vergrößert wurden, darüber hinaus die Höhe der Einheitshohlräume größer und ihr Durchmesser kleiner gewählt, so daß eine Parallelimpedanz des jeweiligen Einheitshohlrauines angehoben und damit der Vorteil erzielt wird, daß die Koppeliinpedan/ der Verzögerungsleitung auch angehoben wird.

Fig.6 zeigt die Klcinsignal-Frequenz-Kennlinie der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre nach Fig.4 und einer bekannten Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre. Dabei kennzeichnet 351 die Kennlinie der bekannten Röhre, während die Kurve 341 die Kennlinie der Röhre nach F i g. 4 darstellt. Bei der bekannten Wanderfeldröhre ist

ίο die Synchronisierfrequenz in allen Verzögerungsleitungen gleich und hat den Wert FSi, der unterhalb der unteren Grenzfrequenz FBL des Betriebsbandes liegt, so daß die maximale Verstärkung bei der Frequenz FS 1 erhalten wird, die Verstärkung bei höheren Frequenzen jedoch gleichmäßig vermindert und damit die Betriebsbandbreite (W) der bekannten Röhre auf 33% der Durchlaßbandbreite der Ausgangs-Verzögerungsleitung begrenzt wird. Hierbei ist hinzuzufügen, daß bei GroBsignaibetrieb der ruiiki FSL am linieren Ende des Betriebsbandes auftritt, d. h. 6 dB unterhalb der maximalen Verstärkung. Bei der Wanderfeldröhre nach Fig.4 sind die einzelnen Verstärkungskennlinien der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 jeweils durch die Kurven 311 und 331 dargestellt, deren maximale Verstärkung bei !■'Si auftritt. Da die Synchronisierfrequenz FS2 der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 bei einer Frequenz unterhalb der oberen Grenzfrequenz FBUdes Betriebsbandes der bekannten Röhre ausgewählt wurde, kann die Verstärkungskennlinie der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 durch die Kurve 321 dargestellt werden, die gerade die abfallenden Abschnitte der Kurven 311 und 331 kompensiert. Dabei steigt die Koppelimpedanz der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 an, und es kann aus F i g. 6 ersehen werden, daß die Betriebsbandbreite

(W) der Röhre 1 auf 53% der Durchlaßbandbreite der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 verbessert werden kann, ohne daß die Verstärkung absinkt.

Wird die Verzögerungsleitung nicht wie im obigen Falle in drei Abschnitte aufgeteilt, sondern in mehr Abschnitte, so können viele Veränderungen lediglich durch geringes Ändern der Mittelabstände zwischen aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten bei zwei oder mehr Zwischcn-Ver/ögerungsleitungen vorgenommen werden. Zusätzlich dazu ist ein Verfahren bekannt, bei dem, zum Zwecke der Vergrößerung der Mittelabstände zwischen aufeinanderfolgenden Wechseiwirkungsspalten, die Trennwände zwischen aufeinanderfolgenden Einheitshohlräumen dick gemacht werden. Dieses Verfahren ist insbesondere bei Hochleistungswanderfeldröhren im Millimelerband vorteilhaft, da die Wärmeleitung verbessert werden kann.

F i g. 7a zeigt eine dritte Ausführungsform der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre, bei der eine Eingangs-Verzögerungsleitung 4 aus paarweise angeordneten Koppelhohlräumen 4s, 4a', 4e und 4e' an den beiden Enden der Verzögerungsleitung und aus drei dazwischen angeordneten Haupthohlräumen 4b, 4c und 4d besteht Diese sieben Einheitshohlräume sind über Koppeliris 16, die in den Trennwänden zwischen aufeinanderfolgenden Hohlräumen vorgesehen sind, elektromagnetisch miteinander gekoppelt Mit dem einen Ende der Verzögerungsleitung ist ein Eingangshohlleiter 10 und mit dem anderen Ende ein Hohlleiter 11 mit nichtre-

h5 flektierendem Abschluß verbunden.

Eine Zwischen-Vcrzögerungsleitung 5 besteht aus insgesamt acht miteinander verbundenen Einheitshohlräumen, d. h. aus paarweise angeordneten Koppelhohl-

räumen 5a, Sa', 5f und 5Γ an den beiden Enden der Verzögerungsleitung und vier Haupihohlräumen Sb, Sc, 5t/und 5e. Mit den beiden Enden der Verzögerungsleitung Hohlleiter 12 und 13 mit nichtreflckticrendcm Abschluß verbunden. Eine Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 ist in ähnlicher Weise aufgebaut und weist insgesamt neun miteinander gekoppelte Hohlräume auf, nämlich paarweise angeordnete Koppelhohlräume 6a, 6a', 6g und 6g' an den beiden Enden der Verzögerungsleitung und fünf Haupthohlräume 6b, 6c, 6d, 6e und 6f. Das eine Ende der Verzögerungsleitung ist mit einem Hohlleiter 14 mit nichtreflektierendem Abschluß und das andere Ende mit einem Ausgangshohlleiter 15 verbunden.

Die Höhe H des Haupthohlraumes, der Außendurchmesser /?2 und der Innendurchmesser /?3 der Triftröhre und der Abstand der Wechselwirkungsspalte 17 ist in den jeweiligen Verzögerungsleitungen gleich. Wie am besten aus den F i g. 7b, 7c und 7d ersichtlich ist, ist der !nnenradius der Haupthohlräume gleich R; in der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und in der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6, jedoch nur 0,9 /?i in der Zwischen-Verzögerungsleitung 5. Um zwischen dem Hohlleiter und dem Haupthohlraumbereich in der Verzögerungsleitung eine Wellenwiderstandsanpassung vorzunehmen, wird lediglich der Innendurchmesser der Koppelhohlräume kleiner gewählt als der der Haupthohlräume. Andererseits wird der Radius η der Öffnungsmittellinie, die Öffnungsbreite 2 η und der öffnungswinkel θ der Kopplungsiris 16 zwischen den Haupthohlräumen in den jeweiligen Verzögerungsleitungen gleich gewählt.

In F i g. 8 sind die Synchronisationsbeziehungen zwischen den Wanderwellen der jeweiligen Verzögerungsleitungen und dem Elektronenstrahl sowie die Betriebsbandbreite (W) der Röhre nach F i g. 7a graphisch dargestellt. Dabei stellt die Gerade 212 die Phasen-Frequenz-Kennlinie des HF-Signales, das sich im Elektronenstrahl 2 als Dichtemodulation mit dessen Geschwindigkeit fortpflanzt, die Kurve 222 die Phasen-Frequenz-Kennlinie der sich durch die Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und die Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 fortpflanzenden Verzögerungswcllcn, wobei die Haupthohlräume größere Innendurchmesser aufweisen, und die Kurve 232 die Phasen-Frequcnz-Kcnnlinie der Wanderwelle dar, die sich durch die Zwischen-Vcrzögcrungsleitung 5 mit Haupthohlräumen von kleinerem Innendurchmesser fortpflanzt. Durch den Schnittpunkt der Geraden 212 mit der Kurve 222 wird eine Synchronisierfrequenz FS 1 der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 und durch den Schnittpunkt der Geraden 212 mit der Kurve 232 eine Synchronisierfrequenz FS 2 der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 bestimmt Der Grund dafür, warum die Synchronisierfrequenz an zwei Punkten auftritt, ist darin zu suchen, daß sowohl die obere Grenzfrequenz FU 2 als auch die untere Grenzfrequenz FL 2 der TMbi-Hohlraumschwingung der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 mit Haupthohlräumen von kleinerem Innendurchmesser jeweils größer sind als die obere Grenzfrequenz FUl und die untere Grenzfrequenz FLi der TMoi-Hohlraumschwingung der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6, was darauf zurückzuführen ist, daß die Abmessungen der Haupthohlräume bei allen Verzögerungsleitungen, mit Ausnahme des Hohlrauminnendurchmessers, gleich sind und damit die Phasengeschwindigkeit der sich durch die Zwischen-Verzögerungslcitung 5 fortpflanzenden Wanderwelle größer ist als die Phasengeschwindigkeit durch die Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und die Ausgangs-Ver/.ögcrungslcitung 6.

Fig.9 zeigt die Klcinsignal-Frequcnz-Kcnnlinie der Koppclhohlraum-Wanderfeldröhre nach Fig. 7a und einer bekannten Koppelhohlraum-Wanderfeldröhrc. In diesem Schaubild kennzeichnet die Kurve 352 die Kennlinie der bekannten Röhre, während die Kurve 342 die Kennlinie der Röhre nach F i g. 7a kennzeichnet. Bei der bekannten Röhre ist die Synchronisierfrequenz in allen Verzögerungsleitungen gleich und hat den Wert FSl₁

d. h. sie ist niedriger als die untere Grenzfrequenz FBL eines gewünschten Betriebsbandes, so daß die maximale Verstärkung bei der Frequenz FS 1 erhalten wird, die Verstärkung jedoch bei höheren Frequenzen gleichmäßig abnimmt und damit die Betriebsbandbreite (W) der bekannten Röhre auf 33% der Durchlaßbandbreite der Ausgangs-Verzögerungsleitung begrenzt wird. Der Umstand, daß sich der Punkt FBL auf der Kurve 352 in der Nähe des Punktes mit maximaler Verstärkung in F i g. 9 befindet, ist darauf zurückzuführen, daß die Kurve 352 die Kennlinie bei Kleinsignalbetrieb darstellt, während bei Großsignalbetrieb der Punkt FBL am unteren Grenzpunkt der Betriebsbandbreite auftritt, d. h. 6 dB niedriger als der Punkt mit maximaler Verstärkung. Hinsichtlich der Ausführungsform nach F i g. 7a sind die einzelnen Verstärkungskennlinien der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 durch die Kurven 312 und 332 dargestellt, deren Punkt mit maximaler Verstärkung bei FS 1 liegt. Da für die Synchronisierfrequenz FS 2 der Zwisehen-Verzögerungsleitung 5 ein Wert ausgewählt wurde, der niedriger ist als die untere Grenzfrequenz FBU des Betriebsbandes der bekannten Röhre, nimmt die Verstärkungskennlinie der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 die Gestalt der Kurve 322 an, die gerade die abfallenden Abschnitte der Kennlinien 312 und 332 kompensiert. Dabei wird die Koppelimpedanz der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 so groß, daß daraus zu ersehen ist, daß die Betriebsbandbreite (W) der Röhre 1 bis auf 53% der Durchlaßbandbreite der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 erhöht werden kann, ohne daß die Verstärkung absinkt.

Da darüber hinaus die Betriebsbandbreiten der Eingangs-Verzögerungsleitung 4 und der Ausgangs-Verzögerungsleitung 6 die Betriebsbandbreite (W) der Röhre 1 enthalten, können sie leicht über den Eingangshohlleitcr 10 und den Ausgangshohlleiter 15 an äußere Schaltkreise angepaßt werden.

Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Koppelhohlraum-Wanderfeldröhre. Die dargestellte Wanderfeldröhre weist im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie die in Fig. 7a auf, mit der Ausnahme, daß die Abmessung der Wechselwirkungsspalte 17 in den Haupthohlräumen der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 um den Faktor 1,05 größer ist als die Wechselwirkungsspalte 17 in den Haupthohlräumen der anderen Verzögerungsleitungen 4 und 6, wobei die anderen Abmessungen der Haupthohlräume in der Zwischen-Verzögerungsleitung 5 jeweils gleich wie die der übrigen Verzögerungsleitungen gehalten wurden.

Da die obere Grenzfrequenz der ΤΛ/oi-Hohlraumschwingung und die Koppelimpedanz der Koppelhohlraum-Verzögerungsleitung durch die Abmessungen der Haupthohlräume in der Verzögerungsleitung bestimmt werden, vorausgesetzt, daß die Höhen der Haupthohl- -äurnc der entsprechenden Verzögerungsleitungen gleich sind, wie es bei der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform der Fall ist, hat der Umstand, daß die Vor-Verzögcrungslcitung einen verminderten In-

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nendurchmesser der Haupthohiräume und/oder eine größere Abmessung des Wechselwirkungsspaltes hinsichtlich de: Ausgangs-Verzögerungsleitung hat, die Auswirkung, daß die obere Grenzfrequenz der TMoi-Hohlraumschwingung erhöht und die Ko'ppelimpedanz auch vergrößert werden kann. Folglich kann die Synchronisierfrequenz der Vor-Verzögerungsleitung, in der die obere Grenzfrequenz der ΤΆίοι-Hohlraumschwingung erhöht wurde, innerhalb eines Betriebsbandes so angeordnet werden, daß durch die Auswahl der Synchronisierfrequenz in der Nähe der oberen Grcnzfrcquenz des Betriebsbandes der bekannten Röhre eine breite Belriebsbandbreite erzielt werden kann, die um 50% die Durchlaßbandbreite der TMoi-Hohlraumschwingung der Ausgangs-Verzögerungsleitung übersteigt, ohne daß die Verstärkung und der Wirkungsgrad der Röhre absinken.

Es können nicht nur in einer der zwei Vor-Verzöge-

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t uii5Oit-iiuit5\.ii Mnnwivi uw iiiut.riuui\.iiiiibdjvi uti Haupthohlräume vermindert oder der Abstand der Wechselwirkungsspalte vergrößert werden, wie bei der dritten und vierten Ausführungsform, sondern es können auch beide Veränderungen vorgesehen werden. Weitere Ausführungsformen können dadurch erhalten werden, daß in zwei oder mehr Verzögerungsleitungen der Innendurchmesser der Haupthohlräume vermindert und/oder der Abstand der Wechselwirkungsspalte vergrößert wird.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Wandcrfeldverslärkcrröhre zur Verstärkung von HF-Signalen in einem vorgegebenen Arbcitsfrcquenzband, bei der in Elcktronensirahlrichlung hintereinander eine Eingangs-, eine Ausgangs- und mindestens eine freischwingende Verzögerungsleitung liegen, die voneinander durch nichtreflektierende Leitungsabschlüsse getrennt sind, aus je einer Anzahl von miteinander über Koppelöffnungen gekoppelten Hohlräumen bestehen und je ein Durchlaßfrequenzband mit oberer und unterer Bandgrenze und eine nahe der unteren Bandgrenze liegenden Synchronisierfrequenz aufweisen, wobei die untere Bandgrenze der freischwingenden Verzögerungsleitung höher als die untere Bandgrenze der Eingangsund Ausgangs-Verzögerungsleitung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Bandgrenze (FU2) der freischwingenden Verzögerungsleitung (5) fei ungefähr der gleichen Frequenz wie die obere Bandgrenze (FUi) der Ein- und Ausgangs-Verzögerungsleitungen (4, 6) liegt, und daß das Arbeitsfrequenzband (W) so festgelegt ist, daß seine Mitte ungefähr bei der Synchronisierfrequenz (FS2) der freischwingenden Verzögerungsleitung (5) und seine untere Grenzfrequenz (FBL) in der Nähe der Synchronisierfrequenz (FS 1) der Ein- und Ausgangs- Verzögerungsleitung (4,6) liegt.