DE2903881A1

DE2903881A1 - Einrichtung zur linearen abstimmung von mikrowellenroehren

Info

Publication number: DE2903881A1
Application number: DE19792903881
Authority: DE
Inventors: Guido Dipl Ing Busacca; Pietro Dipl Ing Luparello; Lucio Dipl Ing Marranca; Michele Dipl Ing Sanfilippo
Original assignee: Societa Italiana Telecomunicazioni Siemens SpA
Current assignee: Italtel SpA
Priority date: 1978-02-02
Filing date: 1979-02-01
Publication date: 1979-08-09
Also published as: IT7819895A0; IL56318A0; DE2903881C2; IT1158431B; GB2017419B; US4234855A; FR2416544B1; GB2017419A; TR21063A; FR2416544A1; IL56318A

Description

— "5 _

Einrichtung zur linearen Abstimmung von Mikrowellenröhren.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Koaxialmagnetron besteht im wesentlichen aus einem herkömmlichen Magnetron, das in der Mitte eines hohlen Zylinders eingesetzt ist, der so bemessen ist, daß er zusammen mit der Anodenkonstruktion einen Hohlraumresonator bildet. Die Abstimmung eines Koaxialmagnetrons erfolgt durch ein Abstimmelement, das den Rauminhalt des Hohlraumresonators und somit die Resonanzfrequenz verändert. Die Einführung des Abstimmelementes in den Hohlraum wird durch einen Motor gesteuert, welcher mittels Drehung einer Kurbelwelle eine Pleuelstange hin- und herbewegt. Die Pleuelstange ist mechanisch mit dem Abstimmelement verbunden, durch dessen Hin- und Herbewegung im Magnetron die Resonanzfrequenz innerhalb eines bestimmten, durch die minimale Frequenz f, und die maximale Frequenz f2 begrenzten Bereiches verändert wird. Diesen Abstimm-Mitteln ist im allgemeinen ein Drehmelder zugeordnet, der ein Dauersignal abgibt, dessen Pegel dem Cosinus des Drehwinkels der genannten Welle proportional ist. Der Pegel des am Ausgang des Drehmelders verfügbaren Signals zeigt daher die Stellung des Abstimmelementes und somit die durch das Magnetron im betrachteten Zeitpunkt erzeugte Frequenz an.

Bei einem Magnetron der beschriebenen Art ändert sich die Ausgangsfrequenz nicht linear mit dem Pegel des Drehmelder-Ausgangs signals und auch nicht linear mit dem Hub des Abstimmelementes innerhalb des Hohlraumresonators. Wenn sich das Abstimmelement in der Mitte seines Hubes befindet, liegt am

f τ + f ο Magnetronausgang nicht die Mittenfrequenz f_Q = ^ » dieser

Frequenzwert wird vielmehr dann erzeugt, wenn das Abstimmelement um eine Größe Δ_ gegenüber der Mittenstellung versetzt ist.

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Die Nichtlinearität zwischen der Magnetron-Ausgangsfrequenz und dem Drehmelder-Ausgangssignal stellt für die meisten Anwendungen des Magnetrons einen Nachteil dar, insbesondere in Radarsystemen, bei denen die Abstimmfrequenzen des Empfängers, der durch das Ausgangssignal des Drehmelders gesteuert wird, möglichst genau mit den Frequenzen des Sender-Ausgangssignals (Magnetron) abgestimmt sein müssen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, in den erwähnten Kurbeltrieb Linearisierungsmittel einzusetzen, welche eine lineare Abhängigkeit zwischen der Magnetron-Ausgangsfrequenz und dem Drehmelder-Ausgangssignal gewährleisten sollen. Sie bestehen im allgemeinen aus mindestens einem Paar exzentrischer Zahnräder, die aber einen zu großen Platzbedarf haben und auch mechanisch kompliziert und aufwendig sind. Außerdem sind die Zähne dem Verschleiß unterworfen, was mit der Zeit zu unerwünschtem Spiel und entsprechenden Fehlern in der Beziehung zwischen dem Drehmelder-Ausgangssignal und der Schwingfrequenz des Magnetrons führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Gewährleistung einer proportionalen (linearen) Beziehung zwischen der Größe des Drehmeldersignals und der Röhrenfrequenz anzugeben, welche ohne exzentrische Zahnräder oder andere mechanisch aufwendige Linearisierungsmittel auskommt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 den Frequenzgang eines Koaxia!magnetrons;

Fig. 2 den Verlauf der Magnetron-Ausgangsfrequenz und den Verlauf des Drehmelder-Ausgangssignals bei einer 36O°-Drehung der Kurbelwelle;

Fig. 3 das gemäß der Erfindung angewandte Kinematik-Prinzip;

Fig. 4a eine Teilschnittansicht eines Magnetrons gemäß der Erfindung;

Fig. 4b einen Schnitt längs der Ebene A-A von Fig. 4a;

Fig. 4c einen Schnitt längs der Ebene B-B von Fig. 4a; und

Fig. 5 einen Teil der Abstimm-Mittel eines Koaxialmagnetrons, das bei direkter Verbindung des Pleuelkopfes mit dem Abstimmelement ein ähnliches Abstimmprinzip wie das nach Fig. 4a und 4b benutzt.

Fig. 1 zeigt den Frequenzgang eines Koaxialmagnetrons, wobei auf der Ordinatenachse die Verschiebungen des Abstimmelementes bei einer 18O°-Drehung der Nockenwelle und auf die Abszissenachse die Frequenzen aufgetragen sind, die als Folge dieser Verschiebungen des Abstimmelementes am Magnetron-Ausgang auftreten. Genauer gesagt ändert sich bei Verschiebung des Abstimmelementes aus der Stellung s, in die Stellung s~ die Frequenz am Magnetron-Ausgang von Frequenz f, bis zur Frequenz f₂. Wenn sich jedoch das Abstimmelement in der Stellung

^SO ⁼

s₂

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befindet, liegt wegen der Nichtlinearität des Frequenzganges

fi + f2 am Magnetron-Ausgang nicht die Mittenfrequenz f_o = =

des durch die mechanische Einrichtung abstimmbaren Frequenzbandes vor, sondern diese Frequenz wird dann erhalten, wenn das Abstimmelement um eine Größe Δ aus der Stellung s_o versetzt ist. Daraus ergibt sich eine Nichtlinearität der Beziehung zwischen den Verschiebungen des Abstimmelementes und den Veränderungen der Schwingfrequenz des Magnetrons.

In Fig. 2 ist mit Strichlinien der Verlauf a der Magnetron-Ausgangsfrequenz bei einer 36O°-Drehung der Kurbelwelle bei einem Pleuel unendlicher Länge angedeutet, während mit Vollstrich die sinusförmige Kennlinie b des Drehmelders ebenfalls bei einer 36O°-Drehung dargestellt ist. Wie ersichtlich, liefert der Drehmelder am Ausgang ein Signal V mit sinusförmiger Amplitude, während am Magnetron-Ausgang die Frequenz f sich nur näherungsweise sinusförmig ändert. Hierbei stimmt der Verlauf a mit der Kennlinie b bei den Winkelwerten 180° und 360° überein, während die größte Abweichung bei den Winkelwerten 90° und 270° feststellbar ist. Wie schon erwähnt wurde, stellt diese Tatsache einen Nachteil dar, weil das am Drehmelderausgang verfügbare Signal nicht ohne weiteres zur Steuerung des spannungsgesteuerten Oszillators in einem Radar-Empfänger zu benutzen ist. Deshalb verwenden die Mikrowellenröhren bekannter Art Linearisierungsmittel, die die Änderungskurve der Magnetron-Ausgangsfrequenz so justieren sollen, daß sie möglichst mit der Änderungskurve der Drehmelder-Ausgangsspannung übereinstimmt (vgl. Verlauf a bzw. Kennlinie bin Fig. 2).

Bei der hier beschriebenen Einrichtung ist eine derartige Linearisierung ohne die speziellen bekannten Mittel dadurch erzielbar, daß die Länge des Pleuels nach Kriterien bemessen

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wird, die aus einem Kinematik-Prinzip abgeleitet sind, nach welchem die Winkelbewegungen der Kurbel keine harmonische Abhängigkeit von den Verschiebungen des Pleuelkopfes haben. Insbesondere sind die Verschiebungen des Pleuelkopfes durch folgende Beziehungen ermittelbar:

1) s = e (1 - cos α) + 1 (1 - / 1 - Λ² sin²

Hierbei bedeuten

1 die Pleuellänge;
e die Kurbellänge (Exzentrizität); α den Drehwinkel der Kurbelwelle; Λ das Verhältnis e/1.

In Fig. 3 ist dieses Prinzip bei einer um 360° drehenden Kurbel der Länge e veranschaulicht. Bei einer 180°-Drehung der Kurbel verschiebt sich der Pleuelkopf von der Stellung s, über die Zwischen- oder Mittenstellung s_o zur Stellung S₂. Wenn die Kurbel um 90° (l8O°/2) gedreht ist, hat sich darstellungsgemäß der Pleuelkopf ausgehend vom oberen Totpunkt um einen um

größeren Wert q über die Mittenstellung s_Q hinaus verschoben. Wenn man aufgrund dieses Prinzips den Pleuel so montiert, daß der Pleuelkopf sich auf der dem Abstimmelement entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle befindet, dann kann man die Pleuellänge 1 so bemessen, daß bei einer 90°-Drehung der Kurbel der Pleuelkopf sich um die Größe des Weges verschiebt, welchen das Abstimmelement zurücklegen muß, damit das Magnetron die Mittenfrequenz f_Q erzeugt. Dadurch wird erreicht, daß bei Drehung der Kurbel um 90 (die Hälfte des Halbkreises) am

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Magnetron-Ausgang die Frequenz f_o vorliegt, bei der die gewünschte Übereinstimmung zwischen dem Spannungsverlauf am Ausgang des Drehmelders und der Frequenzveränderung am Magnetron-Ausgang besteht. Mit anderen Worten wird durch diese Bedingung der Pleuelkopf so verschoben, daß der Frequenzverlauf a (Fig. 2) am Magnetron-Ausgang mit der Kennlinie b zusammenfällt. Unter diesen Umständen kann die Drehmelder-Ausgangsspannung zur Steuerung des spannungsgesteuerten Oszillators einen Radar-Empfängers benutzt werden, da sie die Erzeugung einer Frequenz bewirkt, die ständig um eine Größe ä„ von der durch das Magnetron erzeugten Frequenz und somit von der vom Radarsystem gesendeten Frequenz abweicht.

Wird die vorhergehende Beziehung 1) für α = 90° entwickelt, so erhält man die Beziehung

2) ι = +

2 (s¹ - e)

Die Exzentrizität e stimmt hierbei mit der Hälfte des Verschiebungswegs überein, den das Abstimmelement über den gewünschten Frequenzbereich zurücklegen muß; s' ist der Verschiebungsweg , den das Abstimmelement¹" zurücklegen muß, damit am Magnetron-Ausgang die Mittenfrequenz f_ vorliegt.

Falls bei dem betrachteten Magnetron die Erzeugung von Frequenzen in einem festgelegten Frequenzbereich f, bis f~ eine 4 mm-Verschiebung des Abstimmelementes erfordert, dann soll die Exzentrizität e 2 mm betragen. Wenn man z.B. versμchsweise festgestellt hat, daß die Erzeugung der Frequenz f_Q eine Verschiebung des Abstimmelements von 2,24 mm erfordert, so erhält man durch Einsetzen dieser Werte in die Beziehung 2) eine Pleuellänge 1 = 8,43 mm. Werden in einem Magnetron der

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beschriebenen Art die Kurbel und der Pleuel nach dem Verhältnis

2
Λ = bemessen, so erreicht man den verfolgten Zweck, wenn

' ο

der Pleuelkopf sich bei 180 gegenüber dem Hohlraum-Abstimmelement befindet.

Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen Schnittansichten eines Koaxialmagnetrons, das nach dem erläuterten Prinzip konstruiert ist und eine Kathode 1 enthält, die in einem Anodenblock 2 eingesetzt ist, in welchem mehrere Anodenhohlräume 3 vorgesehen sind. Diese Einheit ist in der Mitte eines Hohlzylinders 4 eingesetzt, der so dimensioniert ist, daß er zusammen mit der Anodenkonstruktion einen Hohlraum 5 bildet, der bei einer festgelegten Frequenz in Resonanz ist. Der äußere Hohlraum 5 steht mit den Anodenhohlräumen 3 in Verbindung durch in der Wand des Zylinders 2 vorgesehene Schlitze 6. Zur Abstimmung des so gebildeten Magnetrons wird der Abstand χ des äußeren Hohlraums 5 mittels eines Abstimmelementes 7 verändert, welches innerhalb des Hohlraumes 5 läuft, ohne dessen Wände zu berühren, und welches dessen Rauminhalt und somit die Resonanzfrequenz verändert. Da bei einem Magnetron der beschriebenen Art im allgemeinen im Hohlraum ein Vakuum erzeugt wird, sind vakuumdichte Faltbälge 8 vorgesehen, die den Hohlraum 5 von der Umgebung isolieren und die Bewegung des Abstimmelementes 7 ermöglichen. Das Abstimmelement 7 ist mit einem Bügel 9, an dem der Kopf des Pleuels 11 gelenkartig montiert ist, über einen Schaft 10 verbunden, der in Führungen 12 läuft. Der Pleuel 11 ist auf einem Kugellager 13 am exzentrischen Teil einer Kurbelwelle 15 montiert. Die Kurbelwelle 15 läuft auf Kugellagern 16 und ist an ihren beiden Enden mit elastischen Kupplungen 17 versehen, über welche ein Antriebsmotor 18 bzw. ein Drehmelder 19 mit der Kurbelwelle verbunden sind. Durch den Motor wird die Kurbelwelle 15 gedreht, an deren exzentrischem Teil 14 der Pleuel 11 gelagert ist, welcher die Drehbe-

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wegung in eine Hin- und Herbewegung des Abstimmelementes 7 umwandelt/ wodurch das Magnetron den festgelegten Frequenzbereich überstreicht. Werden die Pleuellänge 1 und die Exzentrizität e, wie sie aus der Zeichnung ersichtlich sind, nach den oben angegebenen Beziehungen bemessen, so können die bisher erforderlichen Linearisierungsmittel entfallen.

In Fig. 5 ist eine weitere Konstruktion zur linearen Abstimmung des Koaxialmagnetrons dargestellt, bei welcher ebenfalls das oben erläuterte Linearisierungsprinzip angewendet ist. Der Pleuelkopf des Pleuels 11 ist mit einem Ende eines geraden Hebels 20 verbunden, dessen Drehpunkt in seiner Mitte liegt und dessen anderes Ende mit dem Kopf des Schaftes 10, der in Führungen 21 mit Evolventemitteln läuft, in der dargestellten Weise beweglich verbunden. Da die Verbindung des Schaftes 10 mit dem Hebel 20 nur in der zum Schaft senkrechten Richtung locker ist und der Schaft in den Führungen 21 läuft, bewegt er das mit ihm fest verbundene Abstimmelement streng geradlinig hin und her.

Wird ein gerader Hebel mit Drehpunkt an der Mitte verwendet und der Pleuelkopf auf der gleichen Seite wie der Hohlraumresonator montiert, so müssen die Pleuellänge 1 und die Exzentrizität e gemäß den obigen Angaben bemessen werden. Wenn dagegen der Drehpunkt des Hebels nicht mit der Hebelmitte übereinstimmt, muß ein KonEkturkoeffizient bei der Bemessung des Kurbeltriebes berücksichtigt werden.

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Claims

10483/H/Ro. (DB 398) Ital.Anm.Nr.19895 A/73 vom 2. Februar 1978 Societa Italiana Telecomunicazioni Siemens s.p.a. Piazzale Zavattari 12, Mailand/Italien Patentansprüche

1.) Einrichtung zur linearen Abstimmung von Mikrowellenröhren, insbesondere eines Koaxialmagnetrons, mit einem Abstimmelement zur Abstimmung der Röhre auf einen durch die Werte f, und f ₀ begrenzten Frequenzbereich, das von einem Pleuel unter Umwandlung der Drehbewegung einer Kurbelwelle hin- und herbewegbar ist, an die am einen Ende ein Motor und am anderen Ende ein Drehmelder gekuppelt ist, wobei der Drehmelder ein kontinuierliches Signal erzeugt, dessen Pegel dem Drehwinkel der Kurbelwelle proportional ist, dadurch gekennzeich net, daß der Pleuel (11) die Länge

1 = + ^e

2 2+(s'-e)

hat, wobei e die Exzentrizität der Kurbelwelle (15) entsprechend der Hälfte des Verschiebungsweges ist, den das Abstirnmelement (7) zurückzulegen hat, um die Röhre über ihren Frequenzbereich abzustimmen, während s¹ der Verschiebungsweg des Abstimmelements (7) gegenüber einem Totpunkt zur Erzeugung der

fi ₊ fo
Frequenz f_Q = = am Röhrenausgang ist.

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2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß der Pleuelkopf des Pleuels (11) mit dem AbstiBTinelement (7) über einen Hebel (20) verbunden ist, der einen mit dem Abstimmelement (7) fest verbundenen Schaft (10) betätigt.

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