DE2833734C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein abstimmbares Klystron mit zwei Hohlraumresonatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß man ein Klystron mit zwei Hohlraumresonatoren als selbsterregten Oszillator benutzen kann. Ein solches Klystron besteht im wesentlichen aus drei Teilen, nämlich einem Kathoden-Aufbau, der einen Elektronenstrahl liefert, einem HF-Teil, in welchem der Elektronenstrahl mit dem HF-Feld zusammenwirkt, sowie aus einem End- oder Kollektorteil, an dem die Elektronenbahn endet. Der HF-Teil besteht bei dem hier betrachteten Klystron aus einem Eingangs- und einem Ausgangshohlraumresonator. In einer derartigen Röhrenkonstruktion durchläuft der von der Kathode erzeugte Elektronenstrahl "Gitter" vom Spalttyp im Eingangshohlraum, an welche ein veränderliches Signal angelegt ist, das eine Geschwindigkeits-Modulation der Elektronen bewirkt. Dieser Geschwindigkeitsmodulation entspricht eine Dichtemodulation der den Ausgangshohlraum durchlaufenden Elektronen. Der pulsierende Elektronenstrahl regt durch Induktion HF-Felder im Ausgangshohlraum an, die über einen Rückkopplungskreis bei entsprechender Phase in den Eingangshohlraum zurückgeführt werden, wodurch die Aufrechterhaltung von elektrischen Schwingungen bewirkt wird.

Da die Frequenz des aus dem Ausgangshohlraum entnommenen Signals durch die Abmessungen der beiden Hohlräume eindeutig bestimmt ist, sind Klystrone im allgemeinen mit Mitteln zur Veränderung der Abmessungen der Hohlräume versehen, damit der Oszillator auf einen bestimmten Frequenzwert abgestimmt werden kann. Derartige Abstimm-Mittel bestehen meistens aus zwei kleinen Kolben, deren Eindringtiefe in den Eingangs- bzw. Ausgangshohlraum zur Abstimmung des selbsterregten Oszillators verändert wird. Ein so aufgebautes Klystron erfordert eine zweifache Abstimmung, und da für Röhren der betrachteten Art gewöhnlich ein hoher Gütefaktor der Hohlraumresonatoren erforderlich ist, wird der Abstimmvorgang äußerst zeitraubend und aufwendig.

Ein Klystron der eingangs genannten Art mit zwei Hohlraumresonatoren und einer an beiden Hohlräumen seitlich angeordneten Membran, mit der beide Hohlräume gleichzeitig abgestimmt werden, und zwar unter gleichzeitiger Änderung ihrer Kopplung, ist aus der DE-OS 14 91 521 bekannt. Der bekannte Oszillator ist so konstruiert, daß ein erster gewählter primärer Schwingungsmodus, nämlich der 1-3/4-Modus, der bei einer Strahlspannung von 10 kV erregt wird, im durchstimmbaren Band linear ist, während ein anderer primärer Resonanzmodus des Klystrons, nämlich der 2-1/4-Modus nicht linear ist. Der 2-1/4-Modus wird vorzugsweise mit einer Strahlspannung 5 kV erregt. Für optimalen Betriebswirkungsgrad und eine optimale Abstimmlinearität sollen die beiden primären Resonanz-Modi in der Mittenfrequenz des durchstimmbaren Bandes im X-Band-System um etwa 1000 MHz voneinander entfernt sein. Der gewählte Primär-Modus benötigt einen bestimmten relativen Unterschied zwischen den neutralen Resonanzfrequenzen der Kammern. Die dort gewählte Abstimmung ist aber äußerst kritisch, weil sie mit dem Rückkopplungskreis den Pegel des Signals verändert, das in den Eingangshohlraum zurückgeführt wird.

Aus der CH-PS 3 36 910 ist es bei einem auf eine feste Frequenz abgestimmten Zweikammer-Klystron bekannt, bei seiner Herstellung nur den Ausgangshohlraum auf die Resonanzfrequenz des Eingangshohlraums abzustimmen. Zu diesem Zweck wird ein gesonderter Abstimmechanismus verwendet, mit dem die obere Begrenzungswand des Ausgangshohlraum plastisch verformt und damit die Hohlraumhöhe verändert wird. Dies wäre bei einem abstimmbaren Klystron ungünstig, weil zugleich auch der Energieübertragungsschlitz des Hohlraums sowie die Länge der Elektronenbahn verändert würden.

Gemäß der ein Leistungsklystron mit einem Eingangs- und einem Ausgangshohlraumresonator betreffenden DE-AS 14 91 500 werden im Bereich von einigen MHz liegende Frequenzabweichungen mittels eines nur auf den Ausgangshohlraumresonator einwirkenden Abstimmittels vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach (in einem einzigen Feinabstimmvorgang) abstimmbares Klystron zu schaffen, bei dem die Abstimmung keine kritischen Veränderungen der Rückkopplung bzw. des Signalpegels verursacht.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Klystron gelöst.

Da das hier beschriebene Klystron so ausgelegt ist, daß die Abstimmfrequenz des Eingangshohlraums von derjenigen des Ausgangshohlraums um etwa 10% abweicht und ferner der Rückkopplungskreis und die Gitter beider Hohlräume so dimensioniert sind, daß sie bei der Abstimm-Mittenfrequenz das richtige Spannungsverhältnis haben, verursacht eine kleine Veränderung (von etwa ±2%) der Frequenz des Ausgangshohlraums und somit des Ausgangssignals keine nennenswerte Veränderung des Spannungsverhältnisses.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben, die einen Schnitt durch den Klystron- Oszillator darstellt.

Der dargestellte Klystron-Oszillator hat zwei Hohlraumresonatoren 2 bzw. 3 und eine Kathode 1, die einen Elektronenstrahl erzeugt. Die Elektronen haben aufgrund der Beschleunigung durch eine Anodenvorspannung bei Durchlaufen der Gitter des Eingangshohlraumresonators 2 eine bestimmte kinetische Energie bzw. eine entsprechende Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit wird durch die Gitter bildende Steuerelektroden gesteuert, welche den Elektronenstrahl nach dem Takt eines zu dem Eingangshohlraumresonator 2 gelangenden Signals v_(t) modulieren. Aus dieser Geschwindigkeitsmodulation wird eine Dichtemodulation des Elektronenstrahls, weil in einem bestimmten Abstand vom Gitter eine Ballung der elektrischen Entladungen auftritt, die darauf zurückzuführen ist, daß die schnelleren Elektronen die langsameren Elektronen einholen. Zu den Gittern des Ausgangshohlraumresonators 3 gelangt daher eine Elektronenströmung, deren Dichte gemäß dem Takt des modulierenden Signals variiert. Eine derartige Elektronenströmung regt durch Induktion HF-Felder im Ausgangshohlraum an, die über den Rückkopplungskreis 4 in den Eingangshohlraumresonator 2 zurückgeführt werden, so daß mit positiver Rückkopplung das Eingangssignal v_(t) geliefert wird. Die Elektronen setzen dann ihren Weg bis zu einer Kollektorelektrode 6 fort, wo sie aufgefangen werden.

Die Frequenz des am Ausgangshohlraumresonator 3 entnommenen Signals v_(t) ist durch die Abmessungen der beiden Hohlraumresonatoren 2 und 3 bestimmt. Gemäß der Erfindung wird der Eingangshohlraumresonator 2 so dimensioniert, daß er bei einer Frequenz in Resonanz ist, die sich um etwa 10% von der Resonanzfrequenz des Ausgangshohlraumresonators 3 unterscheidet. Ferner sind der Rückkopplungskreis 4 und die Gitter so bemessen, daß bei der Abstimm-Mittenfrequenz das richtige Spannungsverhältnis erreicht wird. Die Gitter und der Rückkopplungskreis werden also so dimensioniert, daß das Rückkopplungssignal v_(t) einen Wert hat, bei dem der Schwingvorgang stabil und die Leistungsfähigkeit bzw. der Wirkungsgrad optimal ist.

Der Ausgangshohlraumresonator 3 ist mit Abstimm-Mitteln, z. B. in Form eines Kolbens 5 versehen, wodurch seine Abmessungen und damit seine Resonanzfrequenz verändert werden können, um den Klystron-Oszillator auf den gewünschten Frequenzwert abzustimmen. Wird die Frequenz des Ausgangshohlraumresonators 3 beispielsweise durch Verändern der Eindringtiefe des Kolbens 5 in den betreffenden Hohlraum geringfügig variiert um ungefähr ±2%, so ändert sich das Spannungsverhältnis nicht nennenswert, wodurch innerhalb eines relativ großen Frequenzbandes der Schwingvorgang stabil und der Wirkungsgrad optimal bleibt.

Als Beispiel seien einige Dimensionierungswerte zur Realisierung des hier beschriebenen Oszillators angegeben. Werden z. B. der Eingangshohlraumresonator 2 und der Ausgangshohlraumresonator 3 so dimensioniert, daß sie bei einer Frequenz von 8,5 GHz bzw. 9,5 GHz in Resonanz sind, und werden der Rückkopplungskreis 4 und die Gitter so bemessen, daß das richtige Spannungsverhältnis bei der Frequenz 9,5 GHz erreicht ist, so wird bei einer Änderung der Frequenz des Ausgangshohlraumresonators 3 um ±0,2 GHz das Spannungsverhältnis nicht nennenswert und jedenfalls nicht mit einer Abweichung von mehr als ±5% vom festgelegten Wert geändert, so daß kein "Durchgehen" oder Erlöschen des Schwingvorganges möglich ist. Wie durch Versuche festgestellt wurde, bleibt nämlich der Schwingvorgang stabil und die Leistungsfähigkeit bzw. der Wirkungsgrad optimal, solange das Spannungsverhältnis nicht um ±5% vom festgelegten Wert abweicht.

Bei dem hier beschriebenen Oszillator ist es daher möglich, die Frequenz des Ausgangssignals innerhalb einer Dynamik von 0,4 GHz zu verändern. Mit bekannten Klystrons, bei denen eine Abstimmung des Rückkopplungskreises mit einer Blende an beiden Hohlräumen durchgeführt wird, war dies nicht erreichbar.

Die Abstimm-Mittel können mechanischer Art sein, wobei die Frequenzänderungen durch Änderung der Eindringtiefe eines Kolbens in den Ausgangshohlraumresonator 3 oder durch Verwendung einer Blende nur am Ausgangshohlraumresonator erzielt werden. Die Abstimm-Mittel können aber auch elektrischer Art sein, wobei anstelle z. B. eines kleinen Kolbens eine dielektrische Einrichtung oder ein nichtlineares Bauelement vorgesehen ist, die bzw. das nur mit den Feldern des Ausgangshohlraums gekoppelt ist.

Claims (5)

1. Abstimmbares Klystron mit zwei Hohlraumresonatoren, die als Eingangs- bzw. Ausgangshohlraumresonator dienen, Gitter zur Steuerung eines Elektronenstrahls enthalten und über einen Rückkopplungskreis verbunden sind, und mit eingebauten Abstimm-Mitteln zur Veränderung der Hohlraumeigenschaften hinsichtlich der Resonanzfrequenz, wobei der Eingangshohlraumresonator eine Gestalt hat, durch welche er bei einer Frequenz in Resonanz ist, die von der Resonanzfrequenz des Ausgangshohlraumresonators abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Resonanzfrequenzen ungefähr 10% beträgt, wobei die Resonanzfrequenz des Ausgangshohlraumresonators (3) höher als diejenige des Eingangshohlraumresonators (2) ist, und daß zur Abstimmung des Klystrons in einem Frequenzbereich von ±2% der Schwingfrequenz des Ausgangshohlraumresonators (3) die Abstimm-Mittel nur die Eigenschaften im Ausgangshohlraumresonator (3) verändern.

2. Abstimmbares Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimm-Mittel aus nur einem kleinen Kolben (5) bestehen, der in den Ausgangshohlraumresonator (3) einführbar ist.

3. Abstimmbares Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimm-Mittel aus einer nur an dem Ausgangshohlraumresonator (3) angeordneten Blende bestehen.

4. Abstimmbares Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimm-Mittel aus einer nichtlinearen dielektrischen Einrichtung bestehen, die mit den Feldern des Ausgangshohlraumresonators (3) gekoppelt ist.

5. Abstimmbares Klystron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimm-Mittel aus einem mit den Feldern des Ausgangshohlraumresonators (3) gekoppelten nichtlinearen Bauelement bestehen.