DE2719311A1 - Rueckwaertswellen-oszillatorroehre - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl-Ing Dipl.-Chem Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser2 719311

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 28. April 1977

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 2181

Rückwärtswellen-Oszillatorröhre

Die Erfindung betrifft eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre für die Erzeugung von Funkwellen im UHF-Bereich. Die Röhre nach der Erfindung ist insbesondere zur Erzeugung von Millimeter- und Submillimeterwellen verwendbar.

Es sei zunächst an einige allgemeine Begriffe der Lauffeldröhren erinnert. In diesen Röhren erfolgt eine Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Verzögerungsleitung

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mit periodischer Struktur, die gegenüber dem Strahl angeordnet ist und längs welcher sich eine elektromagnetische Energie fortpflanzt. Die bewußte Wechselwirkung erfolgt zwischen den Komponenten des elektromagnetischen Feldes, das in der Nähe der Verzögerungsleitung herrscht und dem Elektronenstrahl, wenn die Phasengeschwindigkeit dieser Komponenten etwa gleich der der Elektronen des Strahl ist und dieselbe Richtung wie diese hat.

In den Lauffeldröhren, die als Vorwärtswellenröhren arbeiten, hat die Ausbreitung der Energie entlang der Verzögerungsleitung auch dieselbe Richtung wie die Geschwindigkeit der Elektronen des Strahls. In den Lauffeldröhren, die als Rückwärtswellenröhren arbeiten, hat sie dagegen die entgegengesetzte Richtung. Unter den vorgenannten Komponenten gibt es aber wenigstens eine, deren Phasengeschwindigkeit negativ ist, d. h. deren Richtung zu der der Energieausbreitung entgegengesetzt ist und somit gleich der Ausbreitungsrichtung des Strahls ist. Während in diesen letztgenannten Röhren sich die Energie zu demjenigen Ende der Verzögerungsleitung hin ausbreitet, durch das der Strahl in den Wechselwirkungsraum eintritt, hat die Phasengeschwindigkeit der einen dieser Komponenten die Richtung des Strahls. Wenn eine solche Komponente die vorherrschende Komponente bei der bewußten Wechselwirkung ist, wird die Röhre als Rückwärtswellenröhre bezeichnet und die Leistung wird an demjenigen Ende entnommen, das zu dem entgegengesetzt ist, über das der Strahl den Wechselwirkungsraum verläßt, d. h. an demjenigen Ende, das der Katode benachbart ist, von der er ausgegangen ist. Die-

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se beiden Arten von Röhren sind bekannt und die letztgenannte Art ist beispielsweise in der FR-PS 1 035 379 beschrieben, auf die zweckdienlich Bezug genommen wird.

Die Lauffeldröhren, die als Rückwärtswe11enröhren arbeiten, bieten den Vorteil, daß sie ein sehr breites Band für eine elektronische Abstimmung haben, das kontinuierlich durch die Parameter einstellbar ist, von denen die Geschwindigkeit der Elektronen abhängt, d.h. die Spannung der Verzögerungsleitung, wenn allein ein elektrisches Feld zum Antreiben der Elektronen benutzt wird, oder das elektrische Feld und das magnetische Feld, wenn, wie in den Röhren mit gekreuzten Feldern, diese beiden Arten von Feldern auf den Strahl einwirken.

Die Arbeiten der Anmelderin haben gezeigt, daß die Eigendämpfung der im Millimeterwellen- und Submillimeterwellenbereich benutzten Verzögerungsleitungen häufig sehr hoch ist und insgesamt etwa hundert Dezibel erreichen kann. Das drückt sich, insbesondere in den Rückwärtswe11enröhren, durch eine Ausgangsleistung, die mit der äußeren Belastung entnommen wird, welche mit der Verzögerungsleitung in einem Punkt gekoppelt ist, der nahe der Katodenanordnung der Röhre liegt, aus, die unter besten Einstellbedingungen viel kleiner als diejenige ist, die nach den theoretischen Voraussagen erwartet worden ist, welche unter der Annahme einer verlustfreien Leitung gemacht worden sind. Auf diesen Punkt wird weiter unter noch näher eingegangen.

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Zur Beseitigung dieses Nachteils hat man bereits die Länge der Verzögerungsleitung vergrößert, um die Länge der Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der Leitung zu vergrößern. Gleichzeitig werden dadurch aber die Gesamtverluste in der Verzögerungsleitung erhöht, so daß schließlich keine nennenswerte Verbesserung erzielt wird.

Bei dem Analysieren dieser Schwierigkeit hat die Anmelderin einen Aufbau der Rückwärtswellenröhre nach der Erfindung gefunden, in dem dieser Leistungsverlust wesentlich begrenzt wird. Dieser Aufbau der Röhre nach der Erfindung gestattet, wenn sonst im übrigen alles gleich ist, eine wesentliche Erhöhung der Ausgangswerte der Rückwärtswe11enröhren gegenüber bekannten Röhren gleicher Art. Das bildet einen Vorteil der Erfindung gegenüber diesem Stand der Technik.

Mehrexe Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, welches die dem Stand

der Technik innewohnenden Beschränkungen zeigen soll,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer

Lauffeldröhre, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines

Ausführungsbeispiels der Rückwärtswellenröhre nach der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt, wie die Verteilung der Leistung entlang der Verzögerungsleitung einer Rückwärtswellenröhre durch die Verluste entlang der Leitung modifiziert wird. Die Abszissenachse z, deren Ursprung mit demjenigen Ende der Verzögerungsleitung zusammenfällt, das sich nahe der Katode befindet, hat die gleiche Richtung wie die Ausbreitungsrichtung des Strahls. Auf der Ordinatenachse sind das Verhältnis des elektrischen Wechselfeldes E der Verzögerungsleitung in jedem Punkt der Leitung zu dem maximalen elektrischen Feld E (mit ausgezogenen Linien dargestellte Kurven) und das Verhältnis der Wechselstromstärke I in dem Strahl zur maximalen Wechselstromstärke I (gestrichelte Kurven) in dem Fall einer verlustfreien Leitung (Kurven A) und einer verlustbehafteten (Kurven B) dargestellt.

Während in einer Röhre mit verlustfreier Verzögerungsleitung das elektrische Feld und die Leistung der Welle in dem Abszissenpunkt Null maximal sind, d.h. am Ende der Verzögerungsleitung in der Nähe der Katode der Röhre, das im wesentlichen mit dem Ort der Belastung zusammenfällt, mit der diese Leistung entnommen wird (Kurve A), zeigt die Kurve B, daß in dem Fall, in welchem diese Leitung Verluste aufweist, dieses Maximum in einem von dem Ursprung entfernten Punkt auftritt. Dieser Punkt ist um so weiter von dem Ursprung entfernt, je größer die Verluste in der Leitung sind. Unter diesen Bedingungen ist die in der Belastung gewonnene Leistung viel geringer als die maximale Leistung der theoretischen Kurve A, wie die Höhe des Abszissenpunktes Null auf der mit ausgezogener Linie dargestellten Kurve B zeigt.

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Zur Vermeidung dieser Verschiebung und des sich daraus ergebenden und weiter oben angegebenen Nachteils hinsichtlich des maximalen Ausgangspegels wird gemäß der Erfindung die Verzögerungsleitung von Rückwärtswe11enröhren aus zwei Teilen hergestellt, die in einer Linie in der Richtung des Elektronenstrahls angeordnet sind, wie im folgenden beschrieben.

Zuerst wird kurz der Gesamtaufbau einer Lauffeldröhre beschrieben, der in Fig. 2, welche eine schematische Schnittansicht zeigt, dargestellt ist.

In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 1 die Katode der Röhre von der im Betrieb der Elektronenstrahl (schraffierte Fläche) ausgegangen ist, welchem durch eine Wehnelt- oder Fokussierungselektrode 2, die die Katode umgibt, eine Anfangskonvergenz gegeben wird. Der Strahl wird zu dem Einang des Tunnels 3 hin,der zwischen einer durch ein gezahntes Rechteck 4 dargestellten Verzögerungsleitung der Röhre und einer der Verzöger rungs.leitung gegenüberliegenden plattenförmigen Elektrode 5 liegt liegt,durch eine Gleichpotentialdifferenz Vo beschleunigt,velcte an diesen beiden letztgenannten Elementen, die als Anode dienen, und der Katode 1 oder dem Bezugspotential Null anliegt. In dem Beispiel von Fig. 2 wird eine Elektrode 6, die in der Nähe der Katode angeordnet ist und dieser gegenüber auf einem Potential liegt, das ein kleiner Bruchteil des Gleichpotential Vo ist, etwa in der Größenordnung eines Hundertstels, zum Steuern der Intensität des Strahls benutzt. Der Elektronenstrahl wird jenseits des Tunnels 3 durch den

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Kollektor 7 aufgefangen, der durch eine nicht dargestellte Quelle auf ein geeignetes Potential gegenüber der Katode gebracht wird. Ganz allgemein sind weder die Quellen noch ihre Verbindungen mit den sie gemäß dem Stand der Technik speisenden Elektroden in Fig. 2 dargestellt worden. Der zwischen den Elektroden 4 und 5 gelegene Teil ist der UHF- oder Höchstfrequenzteil der Röhre. Die Darstellung der Verzögerungsleitung durch das gezahnte Rechteck 4 entspricht dem Fall einer in der Höchstfrequenztechnik bekannten Verzögerungsleitung mit Rippen. Es sind an sich bekannte Einrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen, die die natürliche Divergenz des Strahls unter der Einwirkung der Raumladung verhindern und den Strahl im Innern des Tunnels 3 auf der gesamten erforderlichen Länge kanalisieren.

In dem Schema von Fig. 2 sind weder eine Belastung für die Entnahme der Ausgangsenergie der Röhre noch ein Eingang dargestellt, weil Fig. 2 lediglich allgemein den Aufbau von Lauffeldröhren zeigen soll, und zwar ungeachtet dessen, ob es sich um Vorwärtswellen- oder Rückwärtswellenröhren handelt und ob sie als Oszillator, Verstärker, usw. arbeiten.

Diese Punkte werden anhand der Variante der Erfindung, die nun als nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird, näher erläutert.

Fig. 3 zeigt wieder die Elemente von Fig. 2 mit ihren Bezugszeichen. Aber, während in Fig. 2 die Verzögerungsleitung 4

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aus einem einzigen Verzögerungsleitungsabschnitt bestand, enthält der Aufbau von Fig. 3 zwei voneinander getrennte Abschnitte, die die Bezugszahlen 40 und 42 tragen und in einer Linie in der Fortpflanzungsrichtung des Strahls angeordnet sind. In der Röhre von Fig. 3 arbeiten die beiden Teile 40 und 42 der Leitung im Rückwärtswellenbetrieb. Die Röhre enthält zwei Abschnitte I und II, die in derselben Vakuumhülle vereinigt sind, welche in den schematischen Darstellungen in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellt ist.

Der erste Abschnitt I der Röhre hat keinen Ausgang. Die Kenndaten des Verzögerungsleitungsabschnittes 40 sind nämlich so ausgelegt, daß die Ausgangsleistung auf der Höhe desjenigen Endes des Verzögerungsieitungsabschnittes 40, das sich nahe der Katodenanordnung 1, 2, befindet, praktisch Null ist. Das entspricht dem Fall, in welchem die Kurve des Feldes entlang des Teils 40 der Verzögerungsleitung des Abschnittes I sich wie die mit ausgezogener Linie in Fig. 1 dargestellte Kurve B darstellen würde und die Ordinatenachse nahe dem Ursprung O. schneiden würde. Praktisch wird dann keine Leistung in dem Abschnitt I der Röhre erzeugt, dessen Auswirkung in dieser Hinsicht fast Null ist. Dieser Abschnitt bewirkt allein eine Modulation des Elektronenstrahls vor seinem Eintritt in den Abschnitt II. Der Abschnitt I dient als Modulator für den Strahl, der somit bereits eine Wechselkomponente hat, wenn er in den zweiten Verzögerungsleitungsteil 42 des Abschnittes II eintritt. Dieser Abschnitt arbeitet als Rückwärtswellenoszillator. Das Vorhandensein dieser Komponente gestattet, die Länge dieses Teils zu reduzieren, wobei gleich-

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zeitig über eine Endmodulationstiefe verfügt wird, die ausreicht, um einen Leistungspegel in der Röhre zu erzeugen, der durch die Eigenverluste der Verzögerungsleitung weniger beeinflußt wird als in den bekannten Röhren mit nur einer einzigen Verzögerungsleitung. Diese Leistung wird in der Belastung 8 gewonnen, die an dem linken Ende des Teils 42 der Leitung montiert ist. In einer Variante der Erfindung wird dieser Teil auf das gleiche Potential wie der Teil 40 gegenüber der Katode der Röhre gebracht. Der Teil 42 weist dann in diesem Fall die gleichen elektrischen Kenndaten sowie einen Verzögerungsfaktor und einen Schritt, die insbesondere gleich denen des Teils 40 sind, auf. Seine Länge ist kleiner als die des Teils 40 und im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem Nulleistungspunkt und dem Punkt macimaler Leistung der Kurve, wie etwa der Kurve B (Fig. 1), die ihm entspricht. Diese Länge ist kleiner als die Länge, die erforderlich wäre, um ein Signal hoher Frequenz mit einem Strahl zu erzeugen, der nicht bereits am Eingang dieses Teils moduliert worden ist.

Aus verschiedenen Gründen ist es im allgemeinen erforderlich, für den optimalen Betrieb eine geringfügige Potentialdifferenz zwischen den beiden Verzögerungsleitungsabschnitten 40 und 42 in der Größenordnung eines Hundertstels der Spannung V vorzusehen. Diese Variante liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung. In Fig. 3 ist die vorgesehene Potentiometerschaltung dargestellt, mittels welcher sich beide Varianten realisieren lassen: die Bezugszahlen 9 und 10 bezeichnen in Fig. 3 die Anschlüsse der Abschnitte 40 und 42 der Verzöge-

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rungsleitung, während die Bezugszahl 12 das an die Klemmen der Quelle, die selbst nicht dargestellt ist, angeschlossene Potentiometer bezeichnet. Die Bezugszahl 14 bezeichnet einen Absorber, der in bekannter Technik hergestellt ist, den Verzögerungsleitungsabschnitt 42 abschließt und die Aufgabe hat, jede Reflexion der Wellen an dem Ende dieses Abschnittes zu vermeiden.

Vorstehende Darlegungen gelten auch für Röhren, in denen der Elektronenstrahl der doppelten Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes ausgesetzt ist, die unter einem rechten Winkel gekreuzt sind, wie in der Lauffeldröhrentechnik bekannt und in der eingangs zitierten französischen Patentschrift beschrieben.

Schließlich beinhaltet die Erfindung sämtliche anderen Varianten, die dem Fachmann zugänglich sind und aus der oben als Beispiel beschriebenen ableitbar sind.

Die Erfindung ist bei der Schaffung von breitbandigen HF-Rückwärtswellenfunkgeneratoren anwendbar, deren Frequenz durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strahls längs der Verzögerungsleitung einstellbar ist,und insbesondere zur Schaffung von Millimeter- und Submillimeterwellengeneratoren. Sie gestattet eine wesentliche Verbesserung der Ausgangsleistung. Beispielsweise bei 1000 GHz und mit zwei Verzögerungsleitungsteilen 40 und 42 mit einer Länge von 16 mm bzw. 3 mm liegt die in der Belastung 8 (Fig. 3) gewonnene Ausgangsleistung in der Größenordnung von 10 mW, während

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sie in einer mit dem linken Ende einer Röhre derselben Länge, die eine Verzögerungsleitung aus einem einzigen Teil aufweist, gekoppelten Belastung nur 0,1 mW betragen würde.

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Claims (3)

Patentanwälte Dipl-Ing Dipl.-Chem Dipl.-Ing E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leise^ 719311 Ernsber ger st r a E se 19 8 München 60 THOMSON - CSF 28. April 1977 173, Bd. Hausstnann 75008 PARIS / Frankroich Unser Zeichen: T 2181 PATENTANSPRÜCHE;

1.) Rückwärtsvvellen-Oszilüatorröhre, bei welcher die Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und den elektromagnetischen Wellen ausgenutzt wird, die sich entlang einer Verzögerungsleitung fortpflanzen,welche gegenüber dem Strahl entlang der Bahn angeordnet ist, auf der er sich unter der Wirkung von der Röhre zugeordneten Einrichtungen zwischen einer Katodenanordnung, von der er ausgeht, und einem Kollektor, durch den er aufgefangen wird, fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus zwei Teilen besteht,

von denen der erste, der sich ab der Katodenanordnung bis zu einem gewissen Punkt der Bahn erstreckt, aus einem Abschnitt besteht, in welchem sich die elektromagnetische Energie in zu der Fortpflanzungsrichtung des Strahfc entgegengesetzter Richtung fortpflanzt und in welchem die vorherrschende Komponente des elektromagnetischen Feldes, die im Betrieb mit dem Strahl in Wechselwirkung tritt, eine Phasengeschwindigkeit aufweist, die etwa gleich der des Strahl ist

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ORJGlNAL IN6PECTED

und die gleiche Richtung wie die Fortpflanzungsrichtung des Strahls hat, wobei die Eigendämpfung des Teils so ist, daß praktisch keine Energie an demjenigen Ende des Teils verfügbar ist, das der Katodenanordnung benachbart ist, und wobei der Strahl im Verlauf seines Vorbeiganges an der Verzögerungsleitung eine Modulation erhält, die ihm eine Wechselkomponente aufprägt,

und von denen der zweite Teil, der wesentlich kürzer als der erste Teil ist, eine Länge aufweist, die kleiner ist als diejenige, die erforderlich wäre, um ein Signal mit einem Strahl zu erzeugen, der nicht bereits an dem Eingang des zweiten Teils moduliert worden ist, und mit einer äusseren Belastung gekoppelt ist, mit der eine elektromagnetische Energie entnommen wird.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil aus einem zweiten Verzögerungsleitungsabschnitt besteht, welcher Kenndaten, darunter einen Verzögerungsfaktor, aufweist, die gleich denen des ersten Teils sind, daß die der Röhre zugeordneten Einrichtungen so gewählt sind, daß die Geschwindigkeit des Strahls auf der gesamten Länge seiner Bahn zwischen der Katodenanordnung und dem Kollektor die gleicheist, und daß die Belastung mit demjenigen Ende des zweiten Abschnittes gekoppelt ist, das der Katodenanordnung am nächsten liegt.

3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil aus einem zweiten Verzögerungsleitungsabschnitt besteht, welcher Kenndaten, darunter einen Verzögerungsfak-

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tor, aufweist, die gleich denen des ersten Teils sind, daß die der Röhre zugeordneten Einrichtungen so gewählt sind, daß die Geschwindigkeit des Strahls entlang des zweiten Teils etwas kleiner als die Geschwindigkeit entlang des ersten Teils ist, und daß die Belastung mit demjenigen Ende des zweiten Abschnittes gekoppelt ist, der der Katodenanordnung am nächsten liegt.

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