DE2947918A1 - Wanderfeldroehre - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE fc ν "r « w ι w DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstroß« 12 ■ D-8000 München 60 · Telefon 832024/5 Teltx 5212744 · Telegramme Interpatent

Vl P501 D

VaHan Associates, Inc. Palo Alto, CaI., USA

Wanderfeldröhre Priori tat: 30. November 1978 - USA - Serial No. 965 452 Zusammenfassung

Schwingungen aufgrund von RUckwSrtswelien 1n Hochleistungs-Wanderfeldröhren werden durch eine nicht reziproke Dämpfe1nr1chtung verhindert, die 1m wesentlichen nur RUckwa'rtswelien absorbiert. Ein Richtungskoppler vermittelt den Energieaustausch zwischen der Wanderfeldröhren-Wechselwirkungsleitung und einem externen Kreis, der ein nicht reziprokes verlustbehaftetes Element enthält, beispielsweise einen FerHt-R1chtle1ter. Bei solchen AusfUhrungsforaien 1st die vom R1chtle1ter verarbeitete Hochfrequenz-stung erheblich niedriger als die Leistung auf der Wechselw1rkungsle1tung der Wanderfeldröhre. Das vom R1chtle1ter

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verarbeitete Frequenzband ist erheblich schmaler als das von der Wanderfeldröhre verarbeitete. Die Kopplung zum Verlustelement erfolgt durch ein oder mehrere Resonanzkreiselemente, so daß eine Dämpfungs-"Kerbe" für eine einzige Rückwärtswelle erhalten wird, bei einer bestimmten Frequenz, bei der Schwingungen wahrscheinlich sind, beispielsweise der Frequenz, die/ün Phasenverschiebung pro Hohlraum bei einer Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlräumen assoziiert ist, die 1m Koaleszenzmodus arbeitet.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Wanderfeldröhren, insbesondere breitbandige Röhren dieser Art mit sehr hohen Leistungen, bei denen Schwingungen aufgrund von Rückwärtswellen auf der Leitung ein wichtiges Problem darstellen.

Bei Wanderfeldröhren haben immer Schwingungen erhebliche Probleme mit sich gebracht, die durch Wellen auf der Wechselwirkungs-Verzögerungsleitung verursacht sind, die in einer Richtung entgegen der des verstärkten Signals wandern. Beim üblichen Vorwärtswellenverstä'rker wandern die Rückwärtswellen in Gegenrichtung zum Elektronenstrahl. Diese Wellen wechselwirken im allgemeinen nicht stark mit dem Elektronenstrahl, sie werden jedoch wahrscheinlich durch eine Fehlanpassung am Eingangsende der Röhre erneut reflektiert, so daß Vorwärtswellen entstehen, die durch die Elektronenstrahl-Wechselwirkung verstärkt werden, so daß eine RUckkopplungsverstärkung und eventuell Schwingungen entstehen. Die Rückwärtswellen können anfänglich durch Reflexionen von einem fehlangepaßten Ausgangskreis oder durch Störungen in der Wechselwirkungsleitung selbst verursacht sein. Insbesondere durch periodische Störungen. In einigen Fä'llen.mit denen sich die Erfindung hauptsächlich befaßt, sind Raumharmonische von RUckwärtswellen synchron mit dem Strahl und werden direkt verstärkt, mit entsprechenden Schwingungen.

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In Wanderfeldröhren geringer Leistung werden Schwingungen typischerweise dadurch kontrolliert, daß eine ausgedehnte Dämpfung auf ein Stück der Wechselwirkungsleitung aufgebracht wird. Bei Wanderfeldröhren hoher Leistung hat sich die Dämpfung allein als unzureichend erwiesen. Der nächste Schritt besteht darin, die Leitung in relativ kurze Abschnitte aufzuteilen, ohne Leitung-Welle-Verbindung zwischen diesen. Jeder Abschnitt wird mit einer Widerstandslast abgeschlossen, und so muß die Schwingungsleistung in jedem neuen Abschnitt neu beginnen. Beide diese Dämpfungs-Schemata absorbieren wertvolle Energie und im Falle von Röhren sehr hoher Leistung ist die Abfuhr dieser Energie oft ein Problem.

Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, die nicht reziproken Wellenübertragungseigenschaften von ferrimagnetisehen Resonanzmaterialien dazu auszunutzen, die unerwünschten Rückwärtswellen zu dämpfen, während die nutzbaren Vorwärtswellen durchgelassen werden. In der US-PS 2 970 242 ist eine gefaltete Hohlleiter-Wechselwirkungsstruktur beschrieben, die eine Reihe von nicht reziproken Ferrit-Dämpfern aufweist, die direkt in den Hohlleiter gesetzt sind. Dieses Schema hat den Nachteil, daß die gesamte Signalleistung durch den Ferrit fließen muß. Auch wenn das in der Richtung guter Übertragung erfolgt, so ist doch das Material etwas verlustbehaftet und ein erheblicher Teil der Energie geht verloren. Darüber hinaus bietet das Ausgasen, Kühlen und Vorspannen der Ferrit-Einsätze viele technische Probleme.

In der US-PS 3 144 616 sind nicht reziproke Dämpfer in einer Leitung beschrieben, die direkt aneinandergrenzende Enden der getrennten Teile der Wechselwirkungsleitung verbindet. Die Vorwärts-Leitungs-Energie fließt durch den Richtleiter zum nächsten, abgetrennten Leitungsteil, während die Rückwärts-Schwingungsenergie absorbiert wird. Dadurch würde vermieden, die gesamte Leitungsleistung an einer Trennstelle wegzuwerfen. Dieses Schema hat sich jedoch nicht als sehr erfolgreich erwiesen, da die Phasenverschiebung der Schwingung durch den Richtleiter gleich der Phasenverschiebung der Raumladungswelle auf dem Strahl gehalten werden muß. über einen breiten Frequenzbereich hat sich das nicht als

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praktikabel erwiesen. In der US-PS 4 118 671 ist ein sehr ähnlicher Lösungsversuch beschrieben, der ebenfalls unter der Schwierigkeit leidet, eine korrekte Phasenbeziehung über die volle Bandbreite einer echt breitbandigen Wanderfeldröhre aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung 1st es, die Stabilität einer Wanderfeldröhre durch Dämpfung der Rü'ckwärtswelienleistung zu verbessern, ohne vergleichbare Dämpfung der erwünschten Vorwärtswellen-Signalleistung.

Weiter soll durch die Erfindung Rückwärtswellenleistung bei einer bestimmten Frequenz gedämpft werden, bei der Schwingungen wahrscheinlich sind.

Weiter soll die RUckwärtswellenieistung in einem nicht reziproken Verlustelement gedämpft werden, das nur einen kleinen Bruchteil der Wechselw1rkungsle1tungsleistung verarbeitet.

Welter soll für eine Dämpfung der RUckwärtswellenleistung In einer breitbandigen Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlräumen gesorgt werden, die 1m Koaleszenz-Modus arbeitet, und zwar bei einer Frequenz nahe der, die 2ir Phasenverschiebung pro Hohlraum entspricht.

Diese Ziele werden dadurch erreicht, daß eine Kopplung zwischen der Wechselwirkungsleitung und externen Schaltungselementen Über einen oder mehrere Richtungskoppler eingeführt wird. Beim Anschluß des nicht reziproken Dämpfungselementes werden Richtungsunterschiede beibehalten. Damit können die Rückwärtswellen erheblich mehr als die Vorwärts wellen gedämpft werden κ

Gewisse potentielle Schwingungsfrequenzen werden selektiv behandelt, well Resonanzkreiselemente das nicht reziproke Verlustelement und den Richtungskoppler miteinander verbinden.

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Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. IA schematisch ein Richtungs-Kerbfilter fUr Wanderfeld-Hohlleiter;

Fig. IB schematisch ein alternatives nicht reziprokes Element für das Filter;

F1g. 2 schematisch eine Wanderfeldröhre nach der Erfindung;

Fig. 3A einen Schnitt durch einen Richtungskoppler, der für die Erfindung brauchbar ist;

Fig. 3B einen Schnitt durch den Koppler nach Fig. 3A;

Fig. 4 schematisch eine Modifikation des Dämpfers nach Fig. 2;

Fig. 5 schematisch einen alternativen Dämpfer nach der Erfindung;

Fig. 6 skizzenhaft das Dispersionsdiagramm der Verzögerungsleitung nach Fig. 2;

Fig. 7 eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 6, bei der die Moden koalesziert sind; und

Fig. 8 graphisch die nicht reziproke Dämpfung bei einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig.lA zeigt ein vereinfachtes Schema eines nicht reziproken Kerbfilters, wie es in der Erfindung verwendet wird. Der Zweck des Filters besteht darin, selektiv Wellen zu dämpfen, die in einem Haupt-Hohlleiter 10 wandern. Insbesondere wird eine "Rückwärts"-Welle 14, die von rechts nach links wandert, erheblich mehr gedämpft als eine "Vorwärts"-Welle 12, die von Unks nach rechts wandert. Um das zu erreichen, wird ein Richtungskoppler 16, der in der üblichen Darstellung für Funktions-Schal tungselemente angedeutet ist, dazu verwendet, Wellen vom Haupt-Hohlleiter 10 1n einen geschlossenen, ringförmigen Hohlleiter 18 zu koppeln, der als Ringresonator für wandernde Wellen arbeitet. Die Vorwa'rtsschwingung 12 koppelt 1n den Ringresonator 18 als Vorwärts-

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welle 20, die 1m Uhrzeigersinn wandert. Die Rückwärtswelle 14 koppelt 1n die RUckwä'rtsweiie 22, die gegen den Uhrzeigersinn wandert. In Reihe 1n den Ringresonator 18 1st ein Richtleiter 24 eingesetzt, der die gegen den Uhrzeigersinn wandernde Welle 22 mit nur geringer DSmpfung durchläßt. Der Richtleiter 24 absorbiert die 1m Uhrzeigersinn laufende Welle 20 fast vollständig. Der Richtleiter 24 kann konventionell aufgebaut sein, d.h. ein Element aus ferrimagnetischer, elektrisch nicht leitender Keramik sein, das mit einem querllegenden statischen Magnetfeld (nicht dargestellt) so vorgespannt 1st, daß es nahe der Interesslerenden Frequenz 1n Resonanz 1st. Bei einer bevorzugten Betriebsart kann der Kopplungskoeffizient des Richtungskoppler 16 sehr klein sein, so daß nur ein kleiner Bruchteil einer auftreffenden Wellenleistung 1m Haupt-Hohlleiter 10 1n den Hohlleiter Übertragen wird, aus dem der Ringresonator 18 gebildet 1st. Der kleine Bruchteil der Leistung der Vorwartswelle 12, der 1n den Ring 18 gekoppelt wird, wird unmittelbar Im Richtleiter 24 absorbiert und geht verloren. Dieser Verlust kann jedoch so klein sein, daß er unbedeutend 1st. Der Teil der Leistung der Rückwärtswelle 14, die 1n den Resonator 18 als RUckwärtsweile 22 gekoppelt wird, wird jedoch andererseits nur sehr gering vom R1chtle1ter 24 gedämpft und fährt deshalb fort, gegen den Uhrzeigersinn Im Resonator 18 zu zirkulieren. Bei einer Frequenz, bei der die Länge des Ringresonators exakt eine ganze Anzahl von Wellenlängen 1st, 1st die RUckwärtswelienleistung, die von der Haupt-Rlickwärtswelle 14 eingekoppelt wird, kumulativ, und die Amplitude der Rlickwärtswelle 22 baut sich auf einen großen Wert auf. Dadurch wird effektiv eine engere Kopplung zwischen den RUckwärtsweilen 14 und 22 geschaffen. Wenn der Kopplungskoeffizient des Kopplers 16 richtig zum Gesamtverlust 1m Ringresonator 18 einschließlich Richtleiter 24 in Beziehung steht, wird die gesamte Rlickwärtswelle 14 1m Hauptleiter 10 durch den gesamten Ringverlust absorbiert. Die Frequenzbandbreite der Absorption steigt mit dem Verlust 1m Resonator 18 und fällt mit dessen Länge. Durch Wahl der richtigen Konstante kann also ein Dämpfer so entworfen werden, daß er ein gewünschtes schmales Frequenzband abdeckt. Der R1chtle1ter 24 braucht 1n Richtung 20 nur einen kleinen

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Bruchteil der Vorwärtsleistung im Leiter 10 zu verarbeiten, er kann somit einfach aufgebaut sein. Wenn die Amplitude der Rückwärtswelle 14 zu Null wird, sollte die Leistung durch den Richtleiter 24 in der "leichten" Richtung 26 Null sein. Eine sehr kleine Energiemenge könnte jedoch schlimmstenfalls fließen, wenn der Richtungskoppler 16 nicht perfekt richtend ist.

Fig. IB illustriert ein alternatives nicht reziprokes Element, das an Stelle eines Richtleiters 24 verwendet werden kann. Hier wird ein Zirkulator 27 mit zwei sequentiellen öffnungen 28 und 29 verwendet, die in Reihe mit dem Ring 18 geschaltet sind. Eine dritte öffnung 30 ist mit einem Belastungshohlleiter 31 verbunden, der eine dissipative Last 32 enthält. Die Energie wird zwischen den öffnungen übertragen, wie durch den Pfeil angedeutet. Das Zirkulatorelement ist in der Lage, mehr Energie in der falschen Richtung zu verarbeiten als der Richtleiter nach Fig. IA, weil die Energieabfuhr vom Ferritelement entfernt ist.

Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt durch eine Wanderfeldröhre 34 mit gekoppelten Hohlräumen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Röhre 34 besteht aus einem metallnen Vakuumkolben 36, beispielsweise aus Kupfer. Ein Elektronenerzeugungssystem 38 projiziert einen konvergierenden Elektronenstrahl 40 als einen zylindrischen, bleistiftförmigen Strahl durch die Länge des Kolbens 36. Der Elektronenstrahl 40 wird von einer konkaven Glühkathodenoberfläche 42 emittiert. Um die Kathode herum befindet sich eine zylindrische Fokussierelektrode 44, die die elektrischen Felder so formt, daß der Strahl 40 konvergiert. Die Kathode 42 und die Fokussierelektrode 44 sind auf eine isolierende Vakuumdichtung 46 montiert. Eine Kathodenanschlußleitung 48 flihrt aus der Vakuumdichtung 46 heraus, um eine Spannung, typischerweise negativ gegen Erde, an die Kathode 42 und die Fokussierelektrode 44 zu legen. Die Kathode 42 wird mit einem Strahlungsheizer 50 auf Glühemissionstemperaturen geheizt, der mit einem Strom erregt wird, der durch Leitungen 42 eingeführt wird, die ebenfalls hermetisch dicht gegen die Vakuumdichtung 46 abgedichtet sind.

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Eine hohle Anode 54, die zur Kathode 42 vorsteht, wird mit einer positiven Spannung gegen Kathode 42 betrieben (Erde), um den Strahl 40 zu beschleunigen. Der Strahl 40 wird durch eine Zentral öffnung 55 1n der Anode 54 konvergiert. Er wird von einem nicht dargestellten axialen Magnetfeld zu einem zylindrischen Strahl fokussiert gehalten. Innerhalb des Kolbens 36 ist eine Verzögerungs-Wechsel Wirkungsleitung 56 angeordnet, die aus einer Reihe von Hohlräumen 58 besteht, beispielsweise zylindrischen Pillenschachteln, deren Achsen längs des Strahls 40 gerichtet sind und die sequentiell mit Blenden 60 1n den metalInen Wänden 61 gekoppelt sind, die Hohlräume 58 trennen. Die Wände 61 enthalten Zentral öffnungen 62, um den Durchtritt des Elektronenstrahls 40 zu erlauben. Die Wände 61 haben vorstehende Lippen 63, um die Länge der Spalten 64 zu reduzieren, 1n denen die Elektronen mit den axialen elektrischen Feldern der Hohlräume 58 wechselwirken. Diese Herabsetzung 1st notwendig, weil die Leitung 56 in der dargestellten Form einen Fundamental-Fortpflanzungsmodus als Rückwärtswel1e hat, bezogen auf die Vorwärtsbewegung des Strahls 40, und es 1st damit notwendig, fUr eine Wechselwirkung mit der Vorwärtswellen-Raumharmon1sehen der Felder in der Leitung 56 zu sorgen. Ein verkürzter Spalt 64 erlaubt eine starke Wechselwirkung mit der Raumharmonischen. Eine Eingangs-Signal schwingung wird 1n den ersten Hohlraum 58 durch einen Eingangshohlleiter 65 eingeführt, der ein dielektrisches Vakuumfenster 66 enthält. Die Signalschwingung wechselwirkt mit dem Elektronenstrahl 40 Über die Länge der Verzögerungsleitung 56 und wird durch die Wechselwirkung verstärkt. Im letzten Hohlraum 68 wird die Leitungswelle 1n einen Trenn-Hohlleiter 70 gekoppelt und in einem Kell aus Verlustmateril 71 absorbiert. Es 1st keine Öffnung 60 in der Endwand 72 des letzten Hohlraums 72 der Leitung 56 vorgesehen, so daß keine Leitungswelle In die Ausgangs-Verzögerungslei.tung 73 eintritt. Zu diesem Zeltpunkt hat der Elektronenstrahl 40 eine Dichtemodulation erreicht, die das Signal 1n die Leitung 73 trägt, wo es welter verstärkt wird. Der erste Hohlraum 74 der Leitung 73 wird mit einem Hohlleiter 75 an eine Abschlußlast 76 gekoppelt, um Irgendwelche RUckwärtswellenenergie zu absorbieren, die sonst reflektiert

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und verstärkt werden könnte, so daß Schwingungen entstehen. Der letzte Hohlraum 77 der Leitung 73 ist über Hohlleiter 78 an die nicht dargestellte Nutzlast gekoppelt. Ein dielektrisches Fenster 80 Über dem Hohlleiter 78 dichtet das Vakuum ab. Nach dem Ausgangshohl raum 77 ist es dem Elektronenstrahl 40 erlaubt, sich auszudehnen, indem das magnetische Fokusslerfeld beendet wird, und der Elektronenstrahl wird auf der Innenfläche eines Auffängers 82 aufgenommen. Die abzuführende Energie wird durch nicht dargestellte Kühl einrichtungen entfernt, beispielsweise Wasser oder Luft-Klihlfahnen. Der Auffänger 82 ist auf den Kolben 86 Über einen dielektrischen Isolator 84 montiert, so daß der aufgefangene Strom überwacht werden kann, und das Potential des Kollektors 82 kann weniger positiv sein als das des Kolbens 36, um den Wirkungsgrad der Wanderfeldröhre zu erhöhen.

Eine nicht reziproke Dämpfe1nr1chtung 85, die mit der Verzögerungsleitung 56 gekoppelt 1st, 1st analog dem Richtungs-Kerbfliter nach Fig. IA. Eine Richtungskoppleröffnung 86 durch Kolben 36 1st 1n eine Blende 60 zwischen benachbarten Hohlräumen 58 gekoppelt. In dieser symmetrischen Position zwischen Hohlräumen ist die Leitungswelle auf der Leitung 56 1m wesentlichen ein Wanderfeld, so daß der Richtungskoppler die Vorwärts- und Rückwärts-Wellen trennt. Der Koppler 86 treibt einen Hohlleiterring 88, der bei Frequenzen in Resonanz ist, bei denen seine elektrische Länge eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen beträgt. Diese Frequenzen können am besten durch eine Ringabstimmung 90 eingestellt werden, bei der es sich um einen variablen Phasenschieber handelt. Ein variabler Dämpfer 92 1m Ring 88 stellt den Verlust 1m Ring ein, so daß dieser auf eine kritische Kopplung an die RUckwärtswelle auf der Leitung 56 eingestellt werden kann, wenn eine solche Schwingung bei der durch die Abstimmung 90 ausgewählten Frequenz existieren würde. Ein Richtleiter 94 erfüllt die Funktion des Richtleiters 24 gemäß Fig. IA. Das heißt, im Uhrzeigersinn laufende Schwingungen, die nur zu einem sehr geringen Grad von der Vorwärtswelle auf Leitung 56 eingekoppelt werden, werden absorbiert, ohne den Ring 88 voll zu durchlaufen. Mögliche gegen den Uhrzeigersinn

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wandernde Wellen, die von potentiellen Rückwärtswellen bei der ausgewählten Frequenz von Leitung 56 eingekoppelt werden, können sich jedoch nach Resonanzart aufbauen, so daß eine kritische Kopplung mit der Leitung 56 erreicht wird. Wenn also eine RUckwärtswelie längs Leitung 56 laufen würde, wlirde diese also bei der Resonanzfrequenz vollständig in den Ring Übertragen. Bei anderen Frequenzen wlirde keine solche Obertragung erfolgen, die Welle würde Innerhalb der Leitung 56 verbleiben.

Flg. 3A und 3B sind zwei Schnitte durch eine bekannte Art eines Richtungskoppler, der zur Verwendung mit der Erfindung geeignet 1st. Fig. 3A 1st ein Horizontalschnitt durch die beiden miteinander gekoppelten Hohlleiter 10' und 18¹ gemäß Fig. 1. F1g. 3B 1st ein Vertikalschnitt, der Details der Richtungskoppleröffnungen zeigt. Ein erster QuerschHtz 96 1n der Mitte der gemeinsamen Hohlleiter-Breitwand 97 koppelt die Querkomponente des Magnetfeldes der elektromagnetischen Welle, d.h. das Feld in der Mitte der Breitseite 97 des Hohlleiters. Ein zweiter, länglicher Schütz 98 1n der Breitwand 97 erstreckt sich in Längsrichtung nahe der Schmalwand 99. Er koppelt die Langskomponente des Magnetfeldes nahe den Schmalwänden. Da das Magnetfeldbiid der Welle den Leiter herab fortschreitet, erreichen diese beiden Komponenten maximalen Wert an der Position der Schlitze 96 und 98 zu Zeltpunkten, die sich um einen Viertelzyklus unterscheiden. Die Phasenbeziehung dieser maximalen Magnetfelder hängt von der Fortpflanzungsrichtung der Welle ab und damit hat die Welle 1m gekoppelten Hohlleiter 18' eine Richtung, die von der Wanderrichtung der treibenden Welle 1m Hauptleiter 10' abhängt. Dieser Kopplertyp 1st besonders vorteilhaft zur Kopplung von der Verzögerungsleitung einer Wanderfeldröhre vom Hohiraumtyp, well die Kopplung Insgesamt 1n einer einzigen Querebene erfolgt. Richtungskoppler, die Offnungen verwenden, die einen Abstand In Richtung der Wellenfortpflanzung haben, sind nicht geeignet, well 1n der Wanderfeldröhre die Leitungswelle schnell wächst, wenn sie die Verzögerungsleitung durchquert, und die Energiekopplung fUr zwei Identische» 1m Abstand voneinander befindliche Offnungen nicht die gleiche sein wUrde.

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Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Struktur nach Fig. Der Resonanzring 88' enthält keinen inneren Dämpfer wie 92 gemäß Fig. Statt dessen koppelt eine Kopplungsöffnung 96 (die direktional oder nicht-direktional sein kann) den Ring 18' mit einem Belastungshohlleiter 98, der mit dissipativen Belastungen 100 abgeschlossen ist. Die Energieverarbeitungsfähigkeit ist höher, weil die Belastungen groß sein können und leicht zu kühlen sind.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines direktionalen Kerbdämpfers. Hier speist ein Richtungskoppler 86" einen Resonanzhohlraum 102, der seinerseits den direktionalen Resonanzring 88" speist, der einen Richtleiter 90" und ein einstellbares Verlustelement 92" enthält. Der Ring 88" kann auch einen nicht dargestellten einstellbaren Phasenschieber enthalten. Der Hohlraum 102 ist so aufgebaut, daß er bei der gleichen Frequenz in Resonanz kommt, die in zwei orthogonalen Moden behandelt wird. Diese sind elektrische Quer-Moden, relativ zur Vertikalachse des Hohlraums 102, und auf jede von diesen wird der Hohlraum auf Resonanz mit einem Paar von einander gegenüberstehenden Abstimmschrauben 104 in den Wänden abgestimmt, auf denen das elektrische Feld abgeschlossen wird. Der Richtungskoppler 86" sorgt dafür, daß eine Wanderwelle auf der Leitung 56" zwei stehende Wellen im Hohlraum 102 erregt, je eine in den beiden orthogonalen Moden, jedoch 90 phasenversetzt. Mit anderen Worten, es wird ein zirkulär polarisierter Resonanzmodus im Hohlraum 102 aufgebaut, wobei die Rotationsrichtung von der Richtung der Welle in der Verzögerungsleitung 56" abhängt. Auf diese Weise wird die Richtungsselektivität beibehalten. Ein zweiter Richtungskoppler 103 koppelt die rotierenden stehenden Wellen vom Hohlraum 102 in Wanderfelder im Hohlleiterring 88". Durch einen Prozess, der exakt analog der Eingangskopplung zum Hohlraum 102 ist, laufen die Wellen im Ring 88" in einer Richtung, die durch die Drehrichtung der Welle im Hohlraum 102 bestimmt wird. Das Netto-Resultat ist, daß die Wellen im Ring 88" die gleiche Richtungsbeziehung zu den Wellen in der Leitung 56" haben, die bei dem Dämpferansatz nach Fig. 2 auftritt. Ein

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Vorteil der Hinzufügung des Zwischenhohlraums 102 Hegt darin, daß dieser als Transformator für den Gesamt-Kopplungskoeffizienten zwischen den beiden Hohlleitern verwendet werden kann. Das erfolgt dadurch, daß unterschiedliche Kopplungskoeffizienten fUr die Richtungskoppler 86" und 103 benutzt werden. Der Transformator erlaubt eine breitere Wahl der Bandbreiten der Absorptior.skerbe. Er sorgt auch dafür, daß die Absorption der Vorwärtswellen bei Frequenzen außerhalb der Bandbreite des Hohlraums 102 besser vernachlässigbar 1st. Darüber hinaus erhöht er den körperlichen Abstand des R1cht1e1ters 90" vom Wanderfeldröhrenkörper, so daß die Störung zwischen Magneten zur Strahlfokussierung und zur Vorspannung des Ferrit minimiert wird. Der Hohlraum 102 kann auch zweckmäßigerweise einen keramischen Einsatz enthalten, der als Vakuumsperre dient; der Richtleiter und die anderen Elemente des Ringes 88" können dann in außerordentlich bequemer Welse außerhalb des Vakuums arbeiten.

Fig. 6 und 7 illustrieren ein Problem bei Hochleistungs-Wanderfeldröhren mit sehr breitem Band; die Erfindung 1st ganz besonders geeignet, dieses Problem zu beseitigen. Fig. 6 zeigt ein Dispersionsdiagramm ftlr eine Leitung mit gekoppelten Hohlräumen vom Typ des gefalteten Hohlleiters gemäß F1g. 2. Die Phasenverschiebung pro Abschnitt 1st horizontal gegen die Frequenz (ω) aufgetragen, die vertikal aufgetragen 1st. Die Kurve 106 illustriert die Dispersion, die mit einem glatten gefalteten Hohlleiter erhalten würde, der keine reflektierenden Diskontinuitäten enthält. Die Phasenverschiebung pro Abschnitt wird mit Bezug auf den Weg des Elektronenstrahls gemessen. Bei der unteren Grenzfrequenz (D₁ 1st keine Phasenverschiebung in einem glatten Hohlleiter vorhanden, durch die Faltung kehrt sich jedoch das Feld, das vom Strahl gesehen wird, an jedem Spalt um, so daß der Punkt 107 der unteren Grenzfrequenz » rad Phasenverschiebung pro Sektion entspricht. In der Praxis treten jedoch Diskontinuitäten und lokale Reflexionen 1m sog. gefalteten Hohlleiter auf. Beispielswelse repräsentieren die Driftröhrenlippen 63 und die Kopplungsblenden 60 bei der Röhre nach

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Fig. 2 periodische Diskontinuitäten, ebenso wie die sehr unvollkomnenen Umkehrstellen. Es ergibt sich ein Frequenz-Sperrband 108, dessen Mitte bei einer Frequenz ω« entsprechend 2ir Phasenverschiebung pro Abschnitt des ungestörten glatten Hohlleiters, bei 106 dargestellt, zentriert ist. Die Fortpflanzungs-Dispersionskurve ist damit 1n zwei diskontinuierliche Abschnitte 109 und 110 aufgespalten, die zwei getrennte Fortpflanzungsmoden darstellen. Konventionelle Wanderfeldröhren arbeiten nur im unteren, sog. "Hohlraum"-Modus 109. Ein begrenzter Erfolg wurde dadurch erreicht, daß nach dem sog. "Koaleszenz-Modus"-Pr1nz1p über einen breiteren Frequenzbereich gearbeitet wurde. Dieser Modus ist 1n der US-PS 3 684 913 beschrieben. Das Prinzip 1st dort so beschrieben, daß die Eigenresonanzfrequenz der Kopplungsblenden auf die Resonanzfrequenz eingestellt wird, die die Hohlräume haben würden, wenn keine Kopplungsblenden vorhanden wären, wobei für den Moment angenommen wird, daß die Kopplungsblenden sich alle auf der gleichen Seite des Elektronenstrahls befinden, statt von Seite zu Seite versetzt zu sein. Eine äquivalente Erläuterung für den Fall, daß die Kopplungsblenden tatsächlich von Seite zu Seite versetzt sind, wie in Fig. 2, besteht darin, daß die/^yil^sSLl^n^sSHingestent wird, daß eine Reflexton erzeugt wird, die die Reflexion von der Suszeptanz auslöscht, die durch die Driftröhrenlippen 63 und die Strahl öffnungen 62 eingeführt wird. Wenn das perfekt getan wird, wird das Sperrband 108 eliminiert und die Dispersionskennlinie wird wie in Fig. 7 dargestellt, d.h. es ergibt sich 1m wesentlichen ein einziger Transmissionsmodus von der Grenzfrequenz ω, bis zu einer höheren Bandkante ω₄ entsprechend 3π Phasenverschiebung pro Abschnitt.

Der Erfolg einer Wanderfeldröhre mit gefaltetem Hohlleiter mit Koaleszenz· Modus 1st durch eine Instabilität begrenzt, die darauf zurückzuführen ist, daß der Elektronenstrahl synchron mit einer Vorwärts-Raumharmonischen einer potentiellen Rückwärtswelle bei einer Frequenz nahe der Frequenz ω« entsprechend 2π Phasenverschiebung ist. Die Erfindung kann dazu verwendet werden, für eine Richtungsdämpfung von Rückwärtswellen bei dieser kritischen Frequenz zu sorgen, ohne daß die nutzbaren

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Vorwärtswellen merklich gestört werden. Es wird nur eine kleine Energiemenge aus der Vorwärtswelle abgezogen, weil der effektive Gütefaktor des Resonanzdämpfers dann so niedrig ist, daß die Kopplung mit dieser Welle sehr weit unter dem kritischen Wert liegt. Es wurde auch festgestellt, daß die Phasenstörung der Vorwärtswelle ebenfalls vernachlässigbar ist. Die potentielle RUckwärtswelle wird jedoch andererseits kritisch gekoppelt, wenigstens bei einer einzigen Frequenz, dank des potentiellen Resonanzaufbaus dieser Welle 1m Dämpfer, und wird damit effektiv an der Stelle des Dämpfers bei der interessierenden Frequenz abgeschlossen.

Die große Bandbreite der Wanderfeldröhre, ω, bis ω*, ist keinesfalls durch die Bandbreite des R1cht1e1ters begrenzt. Ziel der Erfindung 1st es, es zu ermöglichen, daß ein schmal bandiger Richtleiter mit geringer Leistung als Kontrolle für eine breitbandige Hochleistungs-Wanderfeldröhre dienen kann. Erfindungsgemäß 1st die "Durchlaß"-R1chtung 26 des Richtlelters 24 gemäß Fig. IA mit der "Sperr"-Richtung 14 1m Wanderfeldröhren-Hohlleiter 10 assoziiert, und umgekehrt. Dieser spezielle Umstand 1st verantwortlich für einige der Vorteile der Erfindung.

F1g. 8 zeigt die Resultate von Messungen flir den Dämpfer und die Verzögerungsleitung nach Fig. 5. Die Einsatzdämpfung für die Verzögerungsleitung 1st über der Frequenz aufgetragen. FUr die Rückwärtsrichtung war der Verlust 116 größer als 20 dB bei der Resonanzfrequenz, 6,23 GHz, wie durch die ausgezogene Kurve 1m oberen Graph dargestellt. Der Verlust in der Vorwärtsrichtung 115, im unteren Graph aufgetragen, lag etwa 1,5 dB Über dem frequenzunabhängigen Verlust 114 der Verzögerungsleitung selbst. Die außerordentlich enge Bandbreite des Rückwärts-Verlustes ergab sich durch die Verwendung eines sehr langen experimentellen Ringresonators mit hohem Gütefaktor und hoher Dispersion. Die sekundären Absorptionsspitzen 117 wurden durch benachbarte Moden dieses langen Resonators verursacht, die eine elektrische Wellenlänge mehr

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oder weniger als der Betriebsmodus hatten. Es wurden Berechnungen für einen äquivalenten Ringresonator durchgeführt, der so kurz wie möglich konstruiert war. In diesem Falle würde die Bandbreite durch den Gütefaktor des Zwischen-Hohlraums 102 im belasteten Zustand bestimmt. Die Resultate dieser Berechnungen sind als Kurve 118 aufgetragen und zeigen an, daß eine nutzbare Richtungsdämpfung über ein Frequenzband eines merklichen Bruchteils eines Prozents erhalten werden kann. Innerhalb dieses Bandes erscheint die Wanderfeldröhre für eine Rückwä'rtswelle allein,als ob sie einen Leitungstrenner an der Stelle des Kopplers 86" hätte. RUckwärtswellenschwingungen in diesem Band werden am Starten gehindert, weil die Wanderfeldröhre für solche Wellen erscheint, als ob sie in kürzere Abschnitte aufgeteilt wäre.

Die obigen Beispiele sind als Illustrationen der erfindungsgemäßen Lehre angegeben. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß viele andere AusfUhrungsformen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. Beispielsweise gibt es viele Typen von Verzögerungsleitungsstrukturen, die in Wanderfeldröhren verwendet werden. Die Struktur eines gefalteten Hohlleiters wurde beschrieben, weil sie ziemlich verbreitet ist und well ihre Analogie zu einem echten gefalteten Hohlleiter die Arbeitsweise der Erfindung leichter verständlich macht. Andere Typen von Verzögerungsleitungen mit gekoppelten Hohlräumen können verwendet werden. Es sind auch Richtungskoppler für Verzögerungs-Wendel leitungen bekannt, und diese könnten als Elemente sowohl mit einem koaxialen als auch einem Hohlleiter-Richtungsdämpfer verwendet werden.

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Claims (10)

1. Vl P501 D

   Patentansprüche

   ; 1./Wanderfeldröhre, gekennzeichnet durch eine nicht reziproke Dämpfungseinrichtung bestehend aus einem verlustbehafteten Resonator, der in der Lage ist, zwei Wellen in entgegengesetzten Richtungen zu führen, eine nicht reziproke Verlusteinrichtung, die gerichtet mit dem Verlustresonator 1n der Weise gekoppelt ist, daß die erste Welle mehr als die zweite Welle gedämpft wird, und einen Richtungskoppler, der eine in einer Richtung auf der Verzögerungs-Wechselwirkungsleitung der Röhre laufende Welle bevorzugt in die erste Welle koppelt und eine auf der Wechselwirkungsleitung in entgegengesetzter Richtung laufende Welle bevorzugt mit der zweiten Welle koppelt.
2. 2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlustresonator ein Wanderwellen-Ring- oder Schleifen-Resonator 1st.
3. 3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht reziproke Verlusteinrichtung ein Richtleiter ist, der ein Reihenelement des Ringresonators bildet.
4. 4. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht reziproke Verlusteinrichtung ein Zirkulator mit zwei Öffnungen 1st, die in Reihe mit dem Ringresonator geschaltet sind, und einer dritten Öffnung, die mit einer diss1pat1ven Last verbunden ist.
5. 5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Richtungsfiltereinrichtung, mit der der Richtungskoppler mit dem Verlustresonator gekoppelt ist.

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   030024/0760 ORIGINAL INSPECTED
6. 6. Röhre nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rtchtungsf11tere1nr1chtung aus einem Hohlraum mit zwei um 90° phasenmaßg versetzten, orthogonalen Moden besteht, die im wesentlichen bei der gleichen Frequenz in Resonanz sind.
7. 7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Richtung die Richtung des Elektronenflusses 1n der Wanderfeldröhre ist.
8. 8. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlustresonator zum Teil aus einem Resonanzhohlraum mit zwei orthogonalen Moden besteht, die im wesentlichen bei der gleichen Frequenz in Resonanz sind.
9. 9. Röhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellen zirkular polarisierte, im wesentlichen stehende Wellen mit entgegengesetzte· Drehsinn sind.
10. 10. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht reziproke Verlusteinrichtung ein ferrfmagnetisches Resonanzelement 1m Wanderwellen-Ring oder -Schleifen-Resonator 1st, das zur ferrImagnetisehen Resonanz bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Resonators geeignet 1st.

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