DE2719311C3

DE2719311C3 - Rückwärtswellen-Oszillatorröhre

Info

Publication number: DE2719311C3
Application number: DE2719311A
Authority: DE
Inventors: Pierre Orsay Guenard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1981-09-24
Also published as: DE2719311A1; GB1555216A; US4149107A; DE2719311B2; FR2349948A1; FR2349948B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückwärtswellen-Oszillalorröhre mit einer längs eines zwischen einer Kathode und einem Kollektor verlaufenden Elektronenstrahls •ngeordneten. zweiteilig ausgebildet«·!! Verzögerungsleitung, deren Teile unterschiedliche Länge aufweisen und bei welcher der Verbraucher der erzeugten Hochfrequenzenergic an dem der Kathode zugewandten Ende des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung angeschlossen ist.

Eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre dieser Art ist •US der USPS 29 70 241 bekannt. Diese Röhre kann wahlweise je nach Größe des Strahlstromes als Verstärkerröhre oder als Oszillator arbeiten, Der dem Kollektor¹ benachbarte Teil tief Verzögerungsleitung ist wesentlich länger als der ändere Teil, welcher der Kathode benachbart ist. Ifri Betrieb als Oszillatorröhre trgeben sich hierbei sehr Ungünstige Verhältnisse* da die Hochfrequenzenergie nicht an der Stelle abgegriffen wird, wo sie über die Länge des betreffenden Teiles der Vefzög"efUngsl'eitu(ig hifiweg ihr Maximum erreicht. Um dies verständlich zu machen, sei zunächst an einige allgemeine Begriffe von Lauffeldröhren erinnert In diesen Röhren erfolgt eine Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Verzögerungsleitung 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 Verzögerangsleitung herrscht, und dem Elektronenstrahl, wenn die Phasengeschwindigkeit dieser Komponenten etwa gleich der der Elektronen des Strahls ist und dieselbe Richtung wie diese hat

In den Lauffeldröhren, die als Vorwärtswellenröhren ai betten, hat die Ausbreitung der Energie entlang der Verzögerungsleitung auch dieselbe Richtung wie die Geschwindigkeit der Elektronen des Strahls. In den Lauffeldröhren, die als Rückwärtswellenröhre!, arbeiten, hat sie dagegen die entgegengesetzte Richtung.

Unter den vorgenannten Komponenten gibt es aber wenigstens eine, deren Phasengeschw.ndigkei: 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 Wechs,alwirkungsraum eintritt hat die Phasengeschwindigkeit der einen dieser Komponenten die Richtung des Strahls. Wenn eine solche Komponen te 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 Kathode benachbart ist von der er ausgegangen ist. Diese beiden Arten von Röhren sind bekannt, und die letztgenannte Art ist beispielsweise in der FR-PS 10 35 379 beschrieben.

■to Die Lauffeldröhren die als Rückwärtswellenröhren arbeiten, bieten den Vorteil, daß lie ein sehr breites Band für eine elektronische Abstimmung haben, das kontinuierlich durch die Parameter einstellbar ist von denen die Geschwindigkeit der Elektronen abhängt.

■*5 d. h. die Spannung er 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 mn gekreuzten Feldern, diese beiden Arten von Feldern auf den Strahl einwirken

Die Arbeiten der Anmelderin haben gezeigt, daß die Eipendämpfung der im Millimeterwellen- und Submillimeterwellenbereich benutzten Verzögerungsleitungen hä'ifig sehr hoch ist und isgcsamt etwa hundert Dezibel erreichen kann Das drückt sich, insbesondere in den Ruckwärtswellenrfthren. durch eine Ausgangsleistung, die mn der äußeren Belastung entnommen wird, welche mn der Verzögerungsleitung in einem Punkt gekoppelt ist. der nahe der Kathodenanordnung der Röhre liegt.

aus. die unter besten Rinsiellbedingungen viel kleiner als diejenige ist, die nach den theoretischen Voraussagen erwartet Worden ist* welche unter der" Annahme einer verluslfreien Leitung gemacht wördt'n sind, Auf diesen Punkt wird weiter unten noch näher eingegangen,

ώ tut Beseitigung dieses Nachteils hat man bereits die Länge der Verzögerungsleitung vergrößert, um die Länge der Wechselwirkung zwischen dein Stfahl und der Leitung zu vergrößern. Gleichzeitig werden

dadurch aber die Gesamtverluste in der Verzögerungsleitung erhöht, so daß schließlich keine nennenswerte Verbesserung erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre zu schaffen, in der die Leistungsverluste aufgrund der Eigendämpfung der Verzögerungsleitung wesentlich geringer sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Länge des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie von ihrem kollektorseitigen Ende ausgehend bis zu ihrem kathodenseitigen Ende ihr Maximum erreicht und daß die Länge des der Kathode benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung wesentlich größer als die des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung und so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie an ihrem kollektorseitigen Ende und an ihrem kathodenseitigen Ende praktisch gleich NuH Ist, wobei des Maximum cjpr Hochfrequenzenergie zwischen ihren beiden Enden liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den I !nteranspruchen gekennzeichnet 2ί

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F ι g. i ein Diagramm, welches die dem Stand der Technik innewohnenden Beschränkungen zeigen soll.

F i g. 2 eine schematiche Darstellung einer Lauffeldröhre, und

F ι g 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Rückwärtswellen-Oszillatorröhre nach der Erfindung.

F ι g. I 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 Verr igerungsleitung zusammenfällt, das sich « nahe der Kathode befindet, hat die gleiche Richtung wie die Ausbreitungsrichtung des Strahls. Auf der Ordirialenachse sind das Verhältnis des elektrischen Wechselfeldes ΐ der Verzögerungsleitung in jedem Punkt der Leitung zu dem maximalen elektrischen Feld E_n, (mit « ausgezogene*' Linien dargestellte K.irven) und das Verhältnis der Wechselstromstärke / in dem Strahl zur maximalen Wechselstromstärke l_m (gestrichelte Kurven) in dem Fall einer verlustfreien Leitung (Kurven A) und einer verlustbehafteter, (Kurven ß^dargestellt. w

Während in einer Röhre mit verlustfreicr Verzöge fungsleitung ias elektrische Feld und die Leistung der Weite in dem Abszissenpunkt Null maximal sind. d. h »m Ende der Verzögerungsleitung in der Nähe der Kathode der Röhre, das im wesentlichen mn dem Ort « der Belastung zusammenfällt, nut der diese Leistung entnommen wird (Kurve A). ze'gt die Kurve B. daß in oem Fall, in welchem diese Leitung Verluste aufweist, dieses Maximum in einem von dim I lrsprung entfernten Punkt auftritt Dieser Punkt ist um so weiter von dem 6" Ursprung entfernt, je größef die Verluste in der Leitung sind. Uiiier diesen Bedingungen lsi die in der Belastung gewonnene Leistung Viel geringer als die maximale Leistung der theoretischen Kurve A, wie die Höhe des Abszissehpunkles NuJl auf der mit ausgezogener Linie dargestellten Kurve flzeigi.

Zur Vermeidung dieser Verschiebung und des sich daraus ergebenden und weiter oben angegebener* Nachteils hinsichtlich des maximalen Ausgangspegels wird gemäß der Erfindung die Verzögerungsleitung von Rückwärtsweilenröhren aus zwei Teüen 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 F i g. 2, weiche eine schematische Schnittansicht zeigt, dargestellt ist

In Fig.2 bezeichnet die Bezugszahl 1 die Kathode der Röhre von der im Betrieb der Elektronenstrahl (schraffierte Fläche) ausgegangen ist. welchem durch eine Wehnelt- oder Fokussierungselektrode 2, die die Kathode umgibt, eine Anfangskonvergenz gegeben wird. Der Strahl wird zu dem Eingang des Tunnels 3 hin, der zwischen einer durch ein gezahntes Rechteck 4 dargestellten Verzögerungsleitung der Röhre und einer der Verzögerungsleitung gegenüberliegenden plattenförmigen Elektrode 5 liegt, durch eine Gleicbpotentialdifferenz Vo beschleunigt weiche an diesen beiden letztgenannten Elementen, die als Anode dienen, und der Kathode 1 oder dem Bezugspotenti«*. Null anliegt In dem Beispiel von F i g. 2 wird eine Elektrode 6. die in der Nähe der Kathode angeordnet ist und dieser gegenüber auf einem Potential liegt, das ein kleiner Bruchteil Hes Gleichpotential V₀ ist etwa in der Größenordnung eines Hundertstels, zum Steuern der Intensität des Strahls benutzt. Der Elektronenstrahl wird jenseits des Tunnels 3 durch den Kollektor 7 aufgefangen, der durch eine nicht dargestellte Quelle auf ein geeignetes Potential gegenüber der Kathode gebracht wird. Ganz allgemein sind weder die Quellen noch ihre Verbindungen mit den sie gemäß dem Stand der Technik speisenden Elektroden in F i g. 2 dargestellt worden. Der zwischen den Elektroden 4 und 5 gelegene Teil isi der UHF- oder Höchstfrequenzten der Röh-e. Die Darstellung der Verzögerungsleitung durch das gezahnte Rechteck 4 entspricht dem Γ-aII 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 F ι g. 2 sind weder eine Belastung für die Entnahme der Ausgangsenergie der Röhre noch ein Eingang dargestellt, weil F ι g. 2 lediglich allgemein den Aufbau von Lauffeldröhren zeigen soll, und zwar ungeachtet dessen, ob es sich um Vorwärtswellen- oder Rückwärtsweilenröhren handelt und ob sie als Oszilla tor. Verstärker usw arbeiten.

Diese Punkte weiden anhand der Variante der Erfindung, die nun als nicht einschränkendes Ausführungsbeispiei der Erfindbng unter Bezugnahme auf Fit,- 3 Lesi-hrieben wird, näher erläutert.

F ι g } zeigt wieder die Elemente von F ι g. 2 mit ihren Bezugs/eichen. Aber, während in F i g. 2 die Verzögerungsleitung 4 aus einem einzigen Vcrzögerungsleilungsabschmtt bestand, enthält der Aufbau von Fig. 3 zwei voneinandei getrennte Abschnitte, die die Bezugszahlen 40 und 42 tragen und in einer Linie in der F-öfipflanzungsriehtung des Strahls angeordnet sind. In der Röhre Von Fig*3 arbeiten die bt-iden Te|b43 und 42 der Leitung im Röckwärtswellenbetrieb, Die Röhre enthält zwei Abschnitte 1 und II, die in derselben Vakuuirihülle vereinig' sind, welche in den schematl· sehen Darstellungen in den Fig.2 und 3 nicht dargestellt ist.

Der erste Abschnitt I der Röhre hat keinen Ausgang.

Die Kenndaten des Verzögerungsleitungsabschnilles 40 sind nämlich so ausgelegt, daß die Ausgangsleistung auf der Höhe desjenigen Endes des Verzögerungsleitungsabschnittes 40, das sich nahe der Kathodenanordnung 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. I 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 Il eintritt. Dieser Abschnitt arbeitet als Rückwärtswellenoszillator. Das Vorhandensein dieser Komponente gestattet, die Länge dieses Teils zu reduzieren, wobei gleichzeitig über eine Endmodulationstiefe verfügt wird, die ausreicht, um einen Leistungspegel in der Röhre zu erzeugen, der durch die Eigenverlusle 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 Kathode der Röhre gebracht. Der Teil 42 weist dann in diesem Fall die gleichen elektrischen Kenndaten sowie einen Verzögerungsfaktor und eine Teilung, 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 maximaler Leistung der Kurve, wie etwa der Kurve B (F i g. 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 Verzögefungsleilungsabschftilten 40 und 42 in der GröDeriordnung eines Hundertstels der Spannung V₀ 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 Bezugszahleh 9 und 10 bezeichnen

ίο in Fig.3 die Anschlüsse der Abschnitte 40 und 42 der Verzögerungsleitung, 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 Verzögerungsleitungsabschnilt 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 Palentschrift beschrieben.

Die Erfindung ist bei der Schaffung von breitbandigen HF-Rückwärtswellenfunkgeneraloren anwendbar, deren Fretjifenz durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strahls längs der Verzögerungsleitung einstellbar

JO ist, und insbesondere zur Schaffung von Millimeter- und Submillimeterwellengeneratoren. Sie gestattet eine wesentliche Verbesserung der Ausgangsleistung. Bei* spielsweise bei 1000 GHz und mit zwei Verzögerungsleitungsteilen 40 und 42 mit einer Länge von 16 mm bzw.

J5 3mm liegt die in der Belastung 8 (Fig.3) gewonnene Ausgangsleistung in der Größenordnung von 10 mW, während sie in einer mit dem linken Ende einer Röhre derselben Länge, die eine Verzögerungsleitung aus einem einzigen Teil aufweist, gekoppelten Belastung nur

■»ο 0,1 mW betragen würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

λ. ^ λ rx. *\ j λ ΔΙ iy Jl 1 Patentansprüche:

1. Rückwärtswellen-Oszillatorröhre mit einer längs eines zwischen einer Kathode und einem Kollektor verlaufenden Elektronenstrahls angeordneten, zweiteilig ausgebildeten Verzögerungsleitung, deren Teile unterschiedliche Länge aufweisen und bei welcher der Verbraucher der erzeugten Hochfrequenzenergie an dem der Kathode zugewandten Ende des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Länge des dem Kollektor (7) benachbarten Teiles (42) der Verzögerungsleitung so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie von ihrem kollektorseitigen Ende ausgehend bis zu ihrem kathodenseitigen Ende ihr Maximum erreicht und

— daß die t.änge des der Kathode benachbarten Teiles (40) der Verzögerungsleitung wesentlich größer als die des dem Kollektor (7) benachbarten Teiles (42) der Verzögerungsleitung und so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie an ihrem kollektorseitigen Ende und an ihrem kathodenseit'gen Ende praktisch gleich Null ist. wobei das Maximum der Hochtrequenzenergie zwischen ihren beiden Enden liegt.

2. Rückwärtswelien-Oszillatorröhre nach Anspruch I. dad ¹Vh gekennzeichnet, daß der zweite Teil (42) der Verzögerungsleitung dieselben Kenndaten, einschließlich des Verzögerungsfaktors, aufweist wie der erste Teil (4ÖJ.

3. Rückwärtswellen-Oszillatoi.öhre nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Geschv/indigkei! des Elektronenstrahls (3) auf der gesamten Länge seiner Bahn von der Kathode (1) zum Kollektor (7) dieselbe ist.

4. Rückwärlswellen-Oszillatorröhre nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls (3) entlang des zweiten Teils (42) der Verzögerungsleitung etwas geringer ist als entlang des ersten Teils (40).