DE3030114A1

DE3030114A1 - Wendelgekoppelte wanderwellenroehre

Info

Publication number: DE3030114A1
Application number: DE19803030114
Authority: DE
Inventors: Kunio Tokyo Tsutaki
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-08-08
Filing date: 1980-08-08
Publication date: 1981-06-04
Also published as: FR2463501A1; FR2463501B1; DE3030114C2; US4378512A

Description

Wendelgekoppelte Wanderwellenröhre

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wanderfeldröhre bzw. Wanderwellenröhre, die einen wendelförmigen bzw. wendelgekoppelten Verzögerungsschaltkreis mit einem Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt zur Unterdrückung einer rückwärtslaufenden Wanderwellenschwingung aufweist.

Wie im Stand der Technik allgemein bekannt, ist eine Wanderwellenröhre mit einem Elektronenkanonenabschnitt zum Imitieren eines Elektronenstrahles aufgebaut sowie mit einem Verzögerungs-(Leitungs-)Schaltkreisabschnitt, der Wechselwirkungen zwischen dem Elektronenstrahl und elektromagnetischen Wellen bewirkt, mit einem Kollektorabschnitt zum Sammeln der Elektronen, die ihre Wechselwirkungen mit den elektromagnetischen Wellen beendet haben und mit einem elektromagnetischen Wellenausgangsabschnitt, der elektromagnetische Wellen in den Verzögerungs-Schaltkreisabschnitt leitet. Unter diesen Einrichtungen dient der Verzögerungsabschnitt bzw. der Verzögerungsleitungsschaltkreis dazu, die Phasengeschwindigkeit der aus dem elektromagnetischen Eingangsabschnitt stammenden elektromagnetischen Wellen auf einen solchen Wert zu verringern, der· so gering ist, wie im wessentlichen die Geschwindigkeit des Elektronenstrahles, während er die synchrone Beziehung zwischen diesen Größen aufrechterhält, wodurch eine Verstärkungswirkung verursacht wird. Derartige Verzögerungseinrichtungen werden konstruktionsmäßig in verschiedene Typen eingeteilt, die z.B. einen wendelgekoppelten Verzögerungsleitungsschaltkreis und einen hohlraumgekoppelten Verzögerungsleitungsschaltkreis enthalten. Die vorliegende Erfindung ist auf den wendelgekoppelten Verzögerungsleitungsschaltkreis gerichtet.

Der wendelgekoppelte Verzögerungsleitungsschaltkreis wurde bisher aufgrund seiner konstruktiven Einfachheit im Vergleich mit

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hohlraumgekoppelten Verzögerungsleitungsschaltkreisen oder anderen Verzögerungsleitungsschaltkreisen in größerem Umfange benutzt und zwar als Verzögerungsleitungsschaltkreis einer Hochfrequenzverstärkungsröhre für relativ niedrige oder mittlere Leistungen. Allerdings ist der wendelgekoppelte Verzögerungsleitungsschaltkreis thermisch unzureichend, da er so aufgebaut ist, daß ein Wendel aus einer dünnen Drahtspule von dielektrischen Stangen gehalten ist, die eine geringe thermische Leitfähigkeit haben. Da der wendelgekoppelte Verzögerungsleitungsschaltkreis darüber hinaus eine Rückwärtswellenschwingung verursacht, wenn er mit hoher Frequenz und hoher Leistung betrieben wird, wurde er nicht für eine Hochfrequenz und HochleistungsverStärkungsröhre angewandt. Allerdings wurden die thermischen Probleme der wendelgekoppelten Wanderwellenröhre jüngst durch den Fortschritt der Herstellungstechniken gelöst. Gleichzeitig wurde es erforderlich, die Schwingungen der Rückwärtswanderwellen zu unterdrücken.

Gemäß einer Analyse des elektromagnetischen Feldes eines Wendels kann der Wendel einige raumharmonische sowie die Grundwellen ausbreiten, die positive Phasen-und Gruppengeschwindigkeiten haben und er kann zur Verstärkung praktisch eingesetzt werden. Die Schwingungen der Rückwärtswanderwellen, die das Problem der wendelgekoppelten Wanderwellenröhren bilden, werden durch Wechselwirkungen zwischen dem Elektronenstrahl und der rückwärtslaufenden Komponente der Minus 1 Raumharmonischen verursacht, welche eine positive Phasengeschwindigkeit und eine negative Gruppengeschwindigkeit hat. Die Komponente dieser Minus-1-Raumharmonischen vergrößert sich mit dem Anwachsen der Phasenkonstanten ka im freien Raum; (ka -Coa/c, wobei U>die Winkelfrequenz der elektromagnetischen Wellen, c die Lichtgeschwindigkeit und a der mittlere Radius des Wendels darstellen). Andererseits muß bei einer wendelgekoppelten Wanderwellenröhre für hohe Frequenz und hohe Leistung der Wert der Phasenkonstanten ka so vergrößert werden, daß die Rückwärtswanderwellen dazu neigen, zu schwingen. Dies rührtdaher, daß die Phasenkonstante ßa =COa/v , wobeiUdie Winkelfrequenz der elektromagnetischen

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Wellen, ν die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen und a der mittlere Radius des Wendeis isty der auf dem Wendel auszubreitenden elektromagnetischen Wellen so gewählt Wf'rd. , daß sie einen Wert zwischen 1 und 2 einnimmt. Weiterhin muß die Betriebsspannung vergrößert werden, aufgrund der Anforderungen für die Ausgangsleistung und die Strahlfokussierung.

Zur Unterdrückung der Schwingungen der Rückwärtswellen wurden bisher zwei Methoden vorgeschlagen. Die eine Methode ist in der Zeitschrift (IEDM),Dez. 1978, S. 526 bis 529 beschrieben. Dort werden dielektrische Stangen angewandt, die den Wendel halten, der seinerseits mit einem eine elektromagnetische Welle absorbierenden Material festgebacken ist, welches eine mäanderförmige Form (Linie) aufweist, um Frequenzen selektiv abzuschwächen, die um die Frequenz herumliegen, bei der die Rückwärtswellenschwingung auftritt. Hierdurch wird die Rückwärtswellenschwingung unterdrückt. Diese erste Methode läßt zufriedenstellende Arbeitscharakteristiken als Röhre erwarten, da nicht nur die Frequenz der Rückwärtswellenschwingung, sondern auch alle anderen Frequenzen, die von den Grundwellen des verwendeten Bandes unterschiedlich sind, beträchtlich abgeschwächt werden. Allerdings ist die Technik des Einbackens der dielektrischen Stangen mit dem die elektromagnetische Welle absorbierenden Material mit der mäanderförmigen Form so schwierig, daß diese erste Methode praktisch nicht ausführbar ist.

Eine zweite Methode ist in der US-PS 3 7 61 7 60 (R. Harper et al) 25. September 1973, beschrieben,wo ein ausgangsseitiger Verzögerungs-Leitungsschaltkreis mit einem speziellen Geschwindigkeitsanpasser vorgesehen ist. Diese zweite Methode basiert auf dem Konzept, daß die Energie elektromagnetischer Wellen von dem Elektronenstrahl absorbiert wird, sofern dort Wechselwirkungen zwischen den schnellen Raumladungswellen des Elektronenstrahles und den elektromagnetischen Wellen auftreten. Folglich kann eine Rückwärtswellenschwingung unterdrückt werden, sofern die Schwingungsfrequenz der Rückwärtswellen und die der schnellen Raumladungswellen auf der Seite des Dämfpungsgliedes für die elektromagnetische Welle an der Ausgangsseite

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des Verzögerungsschaltkreises gekoppelt werden. Nach dieser Methode ist es jedoch erforderlich, einen Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 % der Phasengeschwindigkeit vorzusehen. Folglich besteht dort der Nachteil, daß die Anpassungscharakteristiken für die Grundwellen gestört werden und daß eine zusätzliche Länge der Röhre für die Unterdrückung der Rückwärtswellenschwingung erforderlich, was die Länge der Röhre vergrößert. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Plasmafrequenz und die Oszillationsfrequenz prinzipiell nicht bestimmt werden können, wenn die WendeIsteigung so bestimmt ist, daß sie eine Synchronisation zwischen den schnellen Raumladungswellen und den Rückwärtswellen bewirkt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Synchronisation zwischen den schnellen Raumladungswellen und den Rückwärtswellen enorm schwierig ist, da die Herstellungsgenauigkeit der Wendelform wesentlichen Einfluß hierauf hat, wodurch Betriebsinstabilitäten auftreten.

Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine wendelgekoppelte Wanderwellenröhre zu schaffen, die Rückwärtswellenschwingungen wirksam unterdrücken kann. Weiterhin soll eine wendelgekoppelte Wanderwellenröhre geschaffen werden, die die Rückwärtswellenschwingung unterdrückt und dabei eine kürzere Röhrenlänge aufweist, leichter herzustellen und ohne Schwierigkeiten zu handhaben ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine wendelgekoppelte Wanderwellenröhre zu schaffen, die stabil betrieben werden kann.

Die vorliegende Erfindung verwendet einen Geschwindigkeitsanpassungsabschnitt auf der Ausgangsseite des Verzögerungsschaltkreises, wie bei der oben behandelten zweiten Methode des Standes der Technik. Allerdings unterscheidet sich das Konzept zum Unterdrücken der Rückwärtswellenschwingung von demjenigen des Standes der Technik darin, daß die vorliegende Erfindung auf der

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Tatsache basiert, daß, da die Rückwärtswellenschwingung als Resultat der Kopplung zwischen der Komponente der Rückwärtswelle der Minus-1-Raumharmonischen und dem Elektronenstrahl auftritt, der Frequenzbereich für ihre Wechselwirkung deutlich schmaler ist im Vergleich mit dem Frequenzbereich, bei dem die Grundwellen und der Elektronenstrahl miteinander in Wechselwirkungen treten. Diese Methode der Erfindung ist praktisch anwendbar, da solch ein Geschwindigkeitsanpassungsabschnitt verwendet werden kann, der einen geringen Einfluß. ■ auf die Grundwellen ausübt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung- ist eine wendelgekoppelte Wanderwellenröhre vorgesehen, die eine Elektronenkanone enthält,einen Kollektor, einen Eingangsabschnitt für die elektromagnetische Welle, einen Ausgangsabschnitt für die elektromagnetische Welle und einen wendeiförmigen Verzögerungsschaltkreis, der in der Mitte in Hochfrequenzweise mittels eines elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedes aufgeteilt ist, wobei der Verzögerungsschaltkreis zwischen dem elektromagnetischen Wellendämpfungsglied und dem Ausgangsabschnitt -für die elektromagnetische Welle in drei Abschnitte eingeteilt ist:

Ein Hochgeschwindigkeitsabschnitt besitzt eine größere feste (Wendel-)Steigung (P.) des Wendeis als die Steigung (P_Q) des Wendeis des Verzögerungsschaltkreises zwischen dem Eingangsabschnitt für die elektromagnetische Welle und dem elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedes; einen Abschnitt für niedrige Geschwindigkeit, der eine geringere feste Steigung (P₂) des Wendeis aufweist als (P₀) ; und einen Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt, dessen Wendelsteigung sich von der größeren Steigung zu der kleineren Steigung ändert. Die Röhre der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (L₁ZL₂) der Längß (L₁) des Verzögerungsschaltkreises zwischen dem Ende des elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedes an der Seite des Kollektors und einer Stellung auf der Röhrenachse inpem Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt , wo die Spirale bzw. der Wendel des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes eine mittlere Steigung ((P., + P₂)/2) aufweist zur Länge (L₃) des Verzögerungsschaltkreises zwischen der Stellung der mittleren Steigung und dem Ausgnagsabschnitt für die elektromagnetische Welle in dem

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Bereich von 0,6 bis 2 liegt und daß das Verhältnis (2(P₁ - P₂) / (P₁ + P₂)) der Differenz zwischen der größeren Steigung und der kleineren Steigung bezogen auf den Wert der mittleren Steigung injdem Bereich von 0,04 bis 0,14 liegt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine wendelgekoppelte Wanderwellenröhre der obengenannten Art vorgesehen, bei der das Verhältnis zwischen der Länge (L₃) des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes des Verzögerungsschaltkreises und der gesamten Länge (L. + L₂) des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises der folgenden Ungleichung genügt:

^<13'^{3 x} A₃Z^₂)J + 6,7.,

wobei I , den Anfangsstrom der Rückwärtswellenschwingung darstelle, wenn die gesamte Verzögerungseinrichtung mit der mittleren Steigung ((P- + P₃)/2) aufgebaut ist und wobei

I , der Arbeitsstrom der Röhre ist.
col

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschal·tbild des Aufbaues einer wendelgekoppelten Wanderwellenröhre gem. der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis ¹ _st/¹ _sto ^{und 2} (^ρί ~ ^P2⁾/^(P1 ^{+ 1}V sowie die Beziehung zwischen der Verstärkungsverminderung der Grundwellen an dem dämpfungsseitigen Abschnitt und der Größe 2(P₁-P₂)Z(P-^P₂)?

Fig. 3 die Längen L-, L₂, L-, und die Steigungen P- und P~ in dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Änderungen des minimalen Wer^^_gVeghä^-|nisses I_st/I_sto der Fig.2^

bezogen auf das Verhältnis L₁/L₂ ₍ nachdem das

Verhältnis I ,/I , anwächst; st sto

Fig.5 eine graphische Darstellung der Änderung des

minimalen Wertes des Verhältnisses I +/I ,

st⁷ sto

zu dem Verhältnis L-3/(L..+L₂) nachdem das Verhältnis I ,/I , anwächst; und

S *C S tO

Fig.6 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles einer wendelgekoppelten Wanderwellenröhre nach der Erfindung, die mit zwei elektromagnetischen Wellendämfpungsgliedern ausgerüstet ist.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Aufbaues der Wanderwellenröhre nach der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Elektronenkanone, mit 2 ist ein Eingangsabschnitt der elektromagnetischen Welle bezeichnet, mit 3 ein eingangsseitiger Verzögerungs-(Leitungs)-Schaltkreis, mit 4 ein elektromagnetisches Wellendämpfungsglied, mit 5 ein Ende des elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedes auf der Seite des Kollektors, mit 6 ein Hochgeschwindigkeitsabschnitt eines ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises, 7 einen Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt, 8 einen Schaltkreisabschnitt für niedrige Geschwindigkeit an der Ausgangsseite des Verzögerungsschaltkreises, 9 einen ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis, 10 einen Ausgangsabschnitt für die elektromagnetische Welle, 11 einen Kollektor und 12 einen Elektronenstrahl.

Im Falle der Grundwellen wirkt, wie dargestellt, der von der Elektronenkanone 1 emittierte Elektronenstrahl 12 mit dem Hochfrequenzsignal zusammen, das durch den Eingangsabschnitt 2 der elektromagnetischen Welle zugeführt wird, so daß der Elektronenstrahl 12 sich in Richtung auf den Kollektor 11 hin ausbreitet, während er von dem verstärkten Hochfrequenz signal moduliert wird. Während des Verlaufes der Ausbreitung wird das Hochfrequenzsignal von dem elektromagnetischen Wellen-Dämpfungsglied 4 abgeschwächt bzw. gedämpft. Unmittelbar nach Durchlaufen des elektromagnetischen

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Wellendämpfungsgliedes 4 wird ein Hochfrequenzsignal an dem Hochgeschwindigkeitsabschnitt 6 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises 9 durch den modulierten Elektronenstrahl induziert. Dieses induzierte Signal tritt in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 12, so daß es verstärkt wird und aus dem Ausgangsabschnitt für die elektromagnetische Welle nach außen abgegeben wird. Die Steigung P₁ des Wendeis des Schaltkreisabschnittes 6 für die niedrige Geschwindigkeit an dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis 9 ist größer als die Steigung P des Wendeis an dem eingangsseitigen Verzögerungsschaltkreis 3. Letzerer ist synchron mit dem Elektronenstrahl. Weiterhin ist die Steigung P2 des Wendeis an dem Schaltkreisabschnitt 8 für die niedrige Geschwindigkeit an dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis kleiner als die Steigung P₀ an dem eingangsseitigen Verzögerungsschaltkreis 3. Mit diesen Steigungen kann die nichtlineare Verzerrung verbessert werden, und zwar beträchtlich mehr als mit einer Wanderwellenröhre, die mit einem Verzögerungsschaltkreis mit konstanter Wendelsteigung und ohne Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt ausgerüstet ist, ohne daß die Effektivität des Elektronenstrahls für die Grundwellen negativ beeinträchtigt wird. Die für die entsprechenden Steigungen beforderten Bedingungen, bei denen sowohl der Schaltkreisabschnitt 8 für die niedrige Geschwindigkeit als auch der Hochgeschwingkeitsabschnitt 6 des ausgangsseitigen VerzögerungsSchaltkreises 9 zur Verstärkung der Grundwellen beitragen, liegen hinsichtlich der Tatsache, daß der synchrone Bereich der Wanderwellenröhre im wesentlichen in der Größenordnung eines Kopplungsparameters C liegt, so, daß das Verhältnis 2(P₁-P₂)Z(P-^P₂) der Differenz zwischen P₁ ⁺P₂ ^be~ zogen auf die mittlere (P₁+P_)/2 an dem Geschwindigkeitsanpassungsabschnitt 7 kleiner ist als 0,14.

Die Komponente der Rückwärtswelle der Minus 1 Raumharmonischen, die eine solche Fisjuenz hat, daß sie mit der Geschwindigkeit des Elektronenstrahles 12 synchron läuft, wird durch thermische Störungen in dem Verzögerungsschaltkreis in der Nähe des Ausgangsabschnittes für die elektromagnetische Welle erzeugt, wobei sie in entgegengesetzter Richtung zu dem Elektronenstrahl 12 läuft und mit dem Elektronenstrahl, der hierdurch verstärkt werden soll, in Wechselwirkung tritt, bis sie endgültig von dem elektromagnetischen Wellendämpfungsglied 4 absorbiert wird. Wenn zu

diesem Zeitpunkt die Verstärkung der Rückwärtswelle unendlich wird, bis die Rückwärtswelle den Ausgangsabschnitt der elektromagnetischen Welle erreicht hat, so wird die Röhre eine Rückwärtswellenschwingung bewirken. Nach einer detaillierten Analyse des Erfinders sind die Bedingungen, die für die Hochgeschwindigkeit- und Niedriggeschwindigkeitsabschnitte 6 und 8 an dem ausgangsseitigen Verzögerungsabschnitt gefordert werden, damit sie für die Verstärkung der Rückwärtswellen beitragen, dadurch gegeben, daß das Verhältnis 2 (P₁-P₂) / (P..+P₂). kleiner gleich 0,04 ist. Folglich sollte dieses Verhältnis größer als 0,04 sein. Dies wird deutlich aus Fig. 2 wo die Beziehung zwischen einem Strom für den Beginn der Rückwärtswellenschwingung und dem Verhältnis 2 (P₁-P₂);/( P..+P₂) dargestellt ist, das im Folgenden detaillierter beschrieben wird. Zusammenfassend sollten die Steigungen P₁ und P2 der nachfolgenden Bedingung gehorchen, damit die Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeits-Schaltkreisabschnitte 6 und 8 die Grundwellen verstärken und nicht die Minus 1 Raumharmonische:

0,04 <2. (P₁ - P₂) / (P₁ + P₂) < 0,14.

Es wird jetzt auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist das Verhältnis zwischen dem Strom (I . ) für den Beginn der Rückwärtswellenschwingung an dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis, bei dem der Wendel des Verzögerungsschaltkreises der Röhre eine konstante Steigung gleich der mittleren Steigung (P₁+?-)/2 aufweist und dem Strom (I _t) für den Beginn der Rückwärtswellenschwingung dargestellt, für den Fall gem. der vorliegenden Erfindung, bei der ein Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt vorgesehen ist, als Funktion des Verhältnisses 2 (P₁-P₂)/(P -P) . Das Verhältnis (L../L₂) ist als Parameter gewählt. Hierbei ist L₁ die Länge des Verzögerungsleitungsschaltkreises zwischen dem kollektorseitigen Ende 5 des elektromagnetischen Wellendämfpungsgliedes an der Stelle der Röhrenachse in dem Geschwindigkeitsanpassungsabschnitt 7, an dem die Steigung des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes die mittlere Steigung (P₁+?^)/2 aufweist; L₂ ist die Länge des Verzögerungsleitungsschaltkreises zwischen dem Ort der mittleren Steigung und dem Ausgangsabschnitt 10 der elektromagnetischen Welle, wie in Fig. 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt weiterhin die Verringerung der Verstärkung an dem Hochgeschwindigkeitsschaltkreis-

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abschnitt 6 des ausgangsseitigen Verzögerungs-Schaltkreises als Funktion des Verhältnisses 2(P.-P₃)/(P₁+?-) der Grundwellen. Für P₁ = Ρ- ist die Verstärkung mit der Größe 1 dargestellt. Für den Fall L₁ZL- = 1,16 wird, wie aus Fig. 2 verständlich, der Wert von I ,/I , graduell vergrößert, während der Wert von 2 (P₁-P-)/(P₁+P„) gering ist. Er wächst jedoch abrupt an, wenn der Wert von 2 (P..-P₂) Z (P-I⁺P₂) nahe an 0,04 herankommt, bis er einen Wert in der Größenordnung von 20 erreicht, wenn der Wert von 2 (P₁-P₂) Z(P-I⁺P?) nahe an 0,047 herankommt. Danach verringert sich der Wert von I ./I , mit der Vergrößerung des Wertes von ⁺Pn), bis er sein Minimum annimmt, wenn der Wert von

2(P₁-P₂)Z(P₁ ⁺P₃) nahe an 0,075 kommt. Wenn der Wert von 2(P₁-P-JZ(P₁ ⁺P₉) weiter vergrößert wird, so nimmt der Wert von I _tZl ±. eine Spitze größer als 30 an. Liegt der Wert von 2(P₁-P-) Z (P^P₂) in der NÄhe von 0,13, so nimmt der Wert von ^_s-^/^_s^_o seinen minimalen Wert von 17 ein. Andererseits, selbst wenn der Wert von L₁ZL₉ größer oder kleiner als 1,16 ist, wird der Wert von 2(P₁-P₂)Z(P-I⁺P₉)/ der die Spitzenwerte und minimalen Werte von I ,Zl , erzeugt, vergrößert, während die Spitzenwerte und minimalen Werte selbst verkleinert werden. Für das Verhältnis L₁-ZL₃ bei den Werten 0,6 und 2 erreicht der Spitzenwert des Verhältnisses I ,/I , die Größe von 12, wenn das Verhältnis von 2 (P₁-P₉)Z

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(P₁ZP₉) nahe an 0,062 herankommt.

Wenn der Wert von 2(P₁-p)Z(P₁ ⁺P₃) in der Nähe von 0,12 liegt, so wird der minimale Wert von 6 erreicht. Die oben erläuterten Charakteristiken des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes gemäß der vorliegenden Erfindung können wie folgt erklärt werden, wenn man die Komponenten der Rückwärtswelle an der Ausgangsseite des Verzögerungsleitungsschaltkreises 9 betrachtet, d.h. die Komponente der Rückwärtswelle, die an dessen Hochgeschwindigkeitsabschnitt synchronisiert ist, die Komponente der Rückwärtswelle, die an dem Niedriggeschwindigkeits-Abschnitt 8 des Schaltkreises 9 synchronisiert ist und die Komponente der Rückwärtswelle,die an der mittleren Steigung von ( (P-j+P-) Z2)an dem Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt des Schaltkreises 9 synchronisiert ist. Für den Fall L₁ZL₂ = 1,16,

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wobei der Wert von 2(P₁-P₂)Z(P₁ ⁺P₉) gleich oder kleiner 0,04 ist, ist die Differenz zwischen den Wendelsteigungen des Hochgeschwindigkeitsabschnittes 6 und des Niedriggeschwindigkeitsabschnittes 8 an der Ausgangsseite des Verzögerungsschaltkreises bemerkenswert klein, so daß beide Schaltkreisabschnitte zur Verstärkung der Komponente der Rückwärtswelle beitragen, die an der mittleren Steigung ((P₁ + P₉)/2) synchronisiert sind. Diese Rückwärtswellenkomponente wird so dominant, daß der Wert von I ,/I für den Wert von 2(P₁-P₂)Z(P₁H-P₂) deutlich vergrößert wird. Wenn der Wert 2 (P₁-P₂)Z(P₁H-P₉) größer als 0,04 wird, so werden die Beiträge der Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsabschnitte 6 und 8 an dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis für die Komponente der Rückwärtswelle, die an der mittleren Steigung ((P₁ + P₂)Z2)synchronisiert ist, graduell verringert. Allerdings wird die Komponente der Rückwärtswelle des entsprechenden Schaltkreises vergrößert. Im Ergebnis wird die Energie der Rückwärtswelle in drei Arten von Komponenten aufgeteilt. Der Wert von Ig+./·¹- = to wird größer als 20 wenn der Wert von 2(P₁-P₃)Z(P₁ ⁺P₂) nahe an 0,047 kommt. Wird der Wert von 2(P₁-P₂)Z(P₁ ⁺P₉) weiter vergrößert, so wird die Komponente der Rückwärtswelle, die an der mittleren Steigung ((P₁ + P )Z2) synchronisiert ist, verringert,' jedoch werden die beiden Komponente der Rückwärtswelle, die an den Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeits-Abschnitten 6 und 8 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises synchronisiert sind, so dominant, daß der Wert I ./I . graduell verringert wird. Zumindest verschwindet die Komponente der 'Rückwärtswelle, die an der mittleren. Steigung ((P₁H-P₉) Z2) synchronisiert ist, wenn der Wert von 2(P₁-P₂)Z(P₁ ⁺P₂) nahe an 0,12 kommt, so daß der Wert ¹S₁-Zl₃₁-Q sein Minimum annimmt. Danach wird der Wert I ./1 , erneut ver-

st sto

größert, so daß er seine Spitzen- und Minimumwerte wiederholt. Allerdings steht dieses darauf folgende Verhalten in keiner Beziehung zur vorliegenden Erfindung und soll daher auch hier nicht weiter erläutert werden.

Für die Fälle von L₁ZL₉ = 0,6 bzw. 2, werden die Werte von 2(P₁-P ) Z (P₁ ⁺P ), die die Spitzen- oder Minimumwerte von I ,/I . liefern, so vergrößert, daß die Spitzen- bzw. Minimumwerte selbst verringert werden, da eine der Komponenten der beiden Rückwärtswellen, die

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an dem Hochgeschwindigkeitsabschnitt 6 und dem Niedriggeschwindigkeitsabschnitt 8 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises synchronisiert sind, stärker wird als die andere. Folglich sind die Bedingungen, die gefordert werden, damit die Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsabschnitte 6

und 8 für die Unterdrückung der Rückwärtswellen beitragen, entweder, daß die Komponenten der Rückwärtswelle der drei genannten Arten koexistieren, d.h. daß die Komponenten der Rückwärtswelle, die an den Hochgeschwindigkeits- und Niedfiggeschindigkeitsabschnitten 6 und 8 synchronisiert sind und die Komponente der Rückwärtswelle, die an der mittleren Steigung ((P₁ + P-)/2) synchroniert ist,"koexistieren oder daß die Komponenten der Rückwärtswelle von zwei der obengenannten Arten koexistieren, d.h. diejenigen, die an dem Hochgeschwindigkeitsabschnitt 6 und dem Niedriggeschwindigkeitsabschnitt 8 synchronisiert sind. Für diesen Fall muß das Verhältnis von 2 (P -P₂)/(P +P₂) größer als 0,04 sein.

Aus Fig. 2 ist andererseits zu erkennen, daß für den Fall, daß eine Verstärkung für die Grundwellen an dem Niedriggeschwindigkeitsabschnitt 8 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises vorgenommen wird, die Verstärkung an dem Hochgeschwindigkeitsabschnitt gleich 0 ist, wenn der Wert von 2(P₁-P₂)Z(P^P₂) größer als 0,14 ist. Folglich ist die obere Grenze für den Wert von 2(P₁-P₂)/ (P +P) unterhalb dessen eine Verstärkung für die Grundwellen vorhanden ist = 0,14.

Dementsprechend gehorchen die Bedingungen für die Unterdrückung der Rückwärtswellenschwingung und zur Erzielung einer Verstärkung der Grundwellen an der Dämpfungsseite des Abschnittes 6 an dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis der folgenden Ungleichung:

0,05 <2(P₁-P₂)/(P₁+P₂) <0,14 (1)

Es ist günstig,wenn die Wendelsteigung P an dem eingangsseitigen Verzögerungsschaltkreis 3 / oder in der Nähe der mittleren Steigung (Ρ-,+Ρ-) /2 ist.

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Hier liegt der grundlegende Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber der eingangs genannten US-PS 3 761 760, der darin liegt, daß der Niedriggeschwindigkeitsabschnitt 8 und der Hochgeschwindigkeitsabschnitt 6 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises so aufgebaut sind, daß Rückwärtswellen im Einklang mit der Erfindung nicht schwingen. Gemäß der US-PS 3 761 760 schwingen nämlich im Gegensatz hierzu die Rückwärtswellen an dem Niedriggeschwindigkeitsabschnitt 8 jedoch nicht an dem Hochgeschwindigkeitsabschnitt 6. Weiterhin kann gem. der vorliegenden Erfindung eine Verstärkung für die Grundwellen an dem Hochgeschwindigkeitabschnitt 6 und dem Niedriggeschwindigkeitsabschnitt des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises vorgenommen werden, indem die Werte 2(£> -P₂) / (P..+P₂) innerhalb eines Bereiches von 0,04 bis 0,14 ausgewählt werden. Im Unterschied hierzu ist bei der US-PS 3 761 760 der Wert von 2(P₁-P₂)Z(P₁ZP₂) auf 0,16 ausgewählt, so daß an dem Hochgeschwindigkeitsabschnitt 6 keine Verstärkung ausgeführt wird. Folglich ist die vorliegende Erfindung gegenüber der US-PS 3 761 760 darin vorteilhaft, daß der ausgangsseitige Verzögerungsschaltkreis 9 verkürzt werden kann.

Fig. 4 zeigt die Änderungen des ersten minimalen Wertes von ¹ _st/¹ _sto in Fig. 2 für die Werte von L₁ZL,,. Wie oben beschrieben, nimmt der minimale Wert von I ,Zl _t für den Wert von L₁ZL₂ = 1,16 sein Maximum an, so daß er kleiner wird, unabhängig davon, ob der Wert von L₁ZL₂ gegenüber dem Wert 1,16 vergrößert oder verkleinert wird. Für die Werte von L₁ZL₂ =0,6 oder 2 wird der Wert von I_st/I_sto auf 6 verringert. Für den Fall der üblichen Wanderwellenröhren sind die Bedingungen für die Unterdrückung der Rückwärtswellenschwingung von dem Arbeitsstrom abhängig; sie sind jedoch so, daß der minimale Wert von I .Zl . größer sein muß als 6.

Folglich kann der Ort für den Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt, damit dieser für die Unterdrückung der Rückwärtswellenschwingung wirksam ist, so ausgewählt werden, daß er unter den Bereich fällt, der durch die folgende Ungleichung beschrieben wird:

0,6 <L₁ZL₂ <2 ** (2)

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Aus der obigen Beschreibung ist deutlich geworden, daß die Steigungen für den dämpfungsseitigen Abschnitt 6 und den kollektorseitigen Abschnitt 8 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises 9 innerhalb des Bereiches liegen müssen, der durch die obige Ungleichung (1) bestimmt ist und daß der Ort des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes 7 so gelegen sein muß, daß er in dem Bereich liegt, der durch die obige Ungleichung (2) definiert ist. Dann ist es möglich, eine wendelgekoppelte Wanderwellenröhre zu schaffen, die hochfrequente Ausgangsgrößen liefern kann, bei der die Ruckwärtswellenschwingung unterdrückt ist, ohne daß die Effektivität des Elektronenstrahls beeinträchtigt wird oder daß die Röhre zu sehr verlängert werden muß.

Im folgenden wird die Beziehung zwischen dem Verhältnis (LoZL₁ + L„)) zwischen der Länge L₃ des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes 7 des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises und der Gesamtlänge (L-,+L₂) des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises 9 und dem minimalen Wert I_gt/I _t erläutert.

Wie oben beschrieben, wird der Kopplungsgrad der Grundwellen in dem ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreis 9, wenn das Verhältnis (2 (P -P«)/ (P₁ + P₂)) weiter vergrößert wird, umsomehr verringert, so daß die Schaltkreislänge (L₁+L-) des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises vergrößert werden muß, um eine gewünschte Verstärkung zu erhalten. Andererseits kann für die Ruckwärtswellenschwingung ein spürbarer Effekt nicht erhalten werden, selbst wenn der Wert 2 (P₁~Po)/(P₁+?-) auf einen beträchtlichen Wert vergrößert wird. Diese Tatsache geht deutlich aus Fig. 2 hervor, bei der das Verhältnis I ,/I , ) zwischen dem Strom I . für den Beginn der Ruckwärtswellenschwingung für den Fall, daß kein Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt vorgesehen ist und dem Strom I , für den Beginn der Ruckwärtswellenschwingung für den Fall, daß ein Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt vorgesehen ist, als Funktion des Verhältnisses 2(P₁-P₂)Z(P₁ ⁺P-) aufgetragen ist. Die vorliegende Erfindung verbessert weiterhin das eingangs genannte Verfahren und klärt die Beziehung zwischen dem minimalen Wert des Verhältnisses (I ./I , )

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in Fig. 2, wenn dieser anwächst, und dem Verhältnis (L^/(L₁+L₉)) zwischen der Gesamtlänge (L- + L₉) des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises 9 und der Länge (L₃) des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes 7, so daß der geeignetste Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt vorgesehen werden kann, in Übereinstimmung mit dem Verhältnis (I ,/I , ) zwischen dem Strom I , und

col sto sto

einem Kollektorstrom I ,

col.

Für die Beziehungen des Verhältnisses (I ,/I , ) und dem Verhältnis (2(P₁-P₉)Z(P₁ ⁺P?)) wurden von dem Erfinder umfangreiche Berechnungen angestellt, wobei als Parameter das Verhältnis (L₃/ (L., + L2)) der Länge (L₃) des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes zur Gesamtlänge (L₁ + L₉) des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises 9 verwendet wurden. Es wurde festgestellt, daß für einen kleinen Wert L-./(L. + L₉), wie in Fig. 2 dargestellt, der Wert von 2(P₁ - P₃)Z(P₁ + P₃), bei dem der Wert (I Zl ±- ) anwächst, kleiner wird und daß der minimale Wert nach diesem Anwachsen ebenfalls kleiner wird. Weiterhin wurde gefunden, daß für einen großen Wert L₃Z(L₁ + L₃) der Wert von 2 (P₁-P₂)Z(P₁ + P₂) > k>^{ei dem} der Wert (^I _st/¹ _sto ^y> anwächst, größer wird und daß der minimale Wert nach diesem Anwachsen ebenfalls größer wird.

Folglich wird für den Fall, daß das Verhältnis (I ,/I) des Kollektorstromes I , zu dem Strom I ·. klein ist, der Wert

col sto

von (L₃Z(L₁ + L~)) so verkleinert wird, daß eine voreingestellte Verstärkung durchgeführt werden kann, ohne daß der ausgangsseitige Verzögerungsleitungsschaltkreis zu sehr vergrößert bzw. verlängert werden muß. Dies wird durch den Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt erreicht. Für den Fall, daß im Gegensatz das Verhältnis (I ,Zl , ) groß ist, wird der Wert von (L₃Z(L₁H-L )) vergrößert, um die Rückwärtswellenschwingung zu unterdrücken. Hierbei wird dann die Länge des ausgangsseitigen Verzögerungsschaltkreises auf einen gewissen Betrag im Vergleich mit dem Falle vergrößert, bei dem der Wert (L₃Z(L₁ + L₉)) klein ist.

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Fig. 5 zeigt die Beziehung des minimalen Wertes, nachdem das

Verhältnis (I ,/I , ) in Fig. 2 anwächst zu dem Wert von st sto

(L_/(L- + L^))· Eine gerade Linie, die in etwa die Punkte von Werten verbindet, die in Fig. 5 als tatsächliche Werte aufgetragen sind, kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

¹StZ¹StO " ¹³'^{3 (}V^(L1 ^{+ L}2^{)} + 6}'⁷ <³>

Folglich wird die Länge L^ des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes zur Unterdrückung der Rückwärtswellenschwingung der wendelgekoppelten Wanderwellenröhre vorzugsweise so ausgewählt, daß sie der folgenden Ungleichung genügt:

¹COlZ¹StO <¹³'^{3 (L}3^/(L1 ^+L2^{}) + 6}'⁷ ^

Ist der Wert von L-,/(L- + L„) so festgelegt, daß er die Ungleichung (4) erfüllt, so ist es möglich, einen Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt zu erhalten, der die bestmöglichste Unterdrückung der Rückwärtswellen in Übereinstimmung mit dem Wert (I ,/I ) er-

OO -L S "CO

zielt.

Weiterhin kann der Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur bei einem ausgangsseitigen Verzögerungsleitungsschaltkreis angewandt werden, wenn dieser Verzögerungsleitungsschaltkreis durch ein -einziges elektromagnetisches Wellendämpfungsglied aufgeteilt ist, sondern auch auf einem solchen Fall, bei dem ein Verzögerungsleitungsschaltkreis 9 zwischen dem Ausgangsabschnitt 10 der elektromagnetischen Welle und dem Dämpfungsglied 5 der elektromagnetischen Welle liegt, oder auch für den Fall, daß ein Verzögerungsleitungsschaltkreis 3¹ zwischen elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedern 4, 4¹ liegt. In diesem Falle ist der Verzögerungsleitungsschaltkreis in drei Abschnitte 3, 3¹ und 9 aufgeteilt und zwar durch mehrere elektromagnetische Wellendämpfungsglieder 4 und 4' wie in Fig.6 dargestellt. Fig. 6 zeigt den Fall, bei dem der Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt bei dem ausgangsseitigen Verzögerungsleitungsschaltkreis 9 einer in drei Abschnitte aufgeteilten Verzögerungsleitungsschaltkreisröhre angewandt wird, wobei das Bezugszeichen 3' einen zwischenliegenden Verzögerungsleitungsschaltkreis bezeichnet, der dieselbe Wendel-

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Steigung aufweist wie der eingangsseitige Verzögerungsleitungsschaltkreis 3. Das Bezugszeichen 4¹ bezeichnet ein elektromagnetisches Wellendämpfungsglied. Die weiteren in Fig. 6 erscheinenden Elemente sind die gleichen wie in Fig. 1.

Schließlich sollen im folgenden die numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Für den Fall, daß eine Wanderwellenröhre nach dem Stand der Technik mit einer mittleren Wendelsteigung VOn(P- + P₂)/2 aufgebaut ist, so liegen die Oszillationsfrequenz und der Strom zum Starten der Oszillation der Rückwärtswelle bei 22 GHz bzw. 48 mA; der Arbeitsstrom (I ,) liegt bei 250 mA. Hier kann eine Rückwärtswellenschwingung dadurch unterdrückt werden, daß ein Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt mit L. /L₂ = 1,16, 2 (P₁-P₂)Z(P^P₂) = 0,06 und L3/(L.j+L₂) = 0,36 gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird. Sämtliche in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung erwähnten technischen Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Leer seife

Claims

PATKNTA NWALT PKOPESHIONAI, BEPHIiSKNTATIVKS HETOUE THE EUROPEAN PATENT OKKICK MÜHLTIIALKR STH. 102 · 800υ MÜNCHEN 71 Nippon Electric Co., Ltd. 33-1, Shiba Gochome, Minato-ku, Tokyo , Japan Patentansprüche:

1./ Wendelgekoppelte Wanderwellenröhre mit einer Elelektronenkanone,

-^ einem Kollektor, elektromagnetischen Welleneingangseinrichtungen, elektromagnetischen Wellenausgangseinrichtungen und einer Verzögerungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine wendelgekoppelte Verzögerungseinrichtung vorgesehen ist, die in Hochfrequenzweise in eine Vielzahl von Verzögerungsschaltkreisen aufgeteilt ist, und zwar mittels mindestens eines elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedes, wobei einer der aufgeteilten Verzögerungsschaltkreise mit Außnahme für die eingangsseitige Verzögerungseinrichtung einen Hochgeschwindigkeitsschaltkreisabschnitt aufweist, dessen Wendelsteigung (P-) größer ist als die Wendelsteigung (P_) des eingangsseitigen Verzögerungsschaltkreises, daß ein Schaltkreis für niedrige Geschwindigkeit vorgesehen ist, dessen Wendelsteigung (P-) kleiner ist als die Wendelsteigung (P_), und daß ein Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt (7) vorgesehen ist, dessen Wendelsteigungen sich von der größeren Wendelsteigung (P^) zu der kleineren Wendelsteigung (P,,) ändern, wobei das Verhältnis (L- /L„) zwischen der Länge (L₁) des Hochgeschwindigkeitsschaltkreisabschnittes zuzüglich eines Teiles des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes, der sich von dessen Grenzen mit dem Hochgeschwindigkeitsschaltkreisabschnitt bis zu einer Stellung auf der Röhrenachse bei dem

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TELEGRAMMAnHESSE/CABI.K: Ι'ΛΤΤΤΙΛ MÜNCHEN TKI-El¹ON 0S9' 75 77 20 TKLKX 0Π 21214 I)KUTSCIIK HANK Λ(ί KONTO-NU. 53/22 531 PCISTSCII HCK MÜNCIIKN ll-'i!) IH-SUiI

_ ο —

der Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt eine mittlere Steigung ((P₁H-P₇)/2) erstreckt, und der Länge (L2) des Abschnittes für geringe Geschwindigkeit zuzüglich des verbleibenden Teiles des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes in der Größenordnung von 0,6-2 liegt, und wobei das Verhältnis (2 (Ρ,,-Ρ«) / (Ρ,,+Ρ-,) ) der Differenz zwischen der größeren Wendelsteigung (P,,) und der kleineren Wendelsteigung (P₉) bezogen auf die mittlere Steigung in der Größen-Ordnung von 0,04 bis 0,14 liegt.

2. Wendelgekoppelte Wanderwellenröhre nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen einer Länge (LO des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes der Verzögerungseinrichtung und der Gesamtlänge (L^+L«) des Hochgeschwindigkeitsschaltkreisabschnittes, des Schaltkreisabschnittes für die niedrige Geschwindigkeit und des Geschwindigkeits-Anpassungsabschnittes folgender Ungleichung genügt:

¹COl⁷¹StO <¹³'^{3 x} ^V^I ^{+ L}2^}-7 ^{+ 6}'⁷' wobei I . den Anfangsstrom einer Rückwärtswellenschwingung

ο Λ—U

bezeichnet, unter der Bedingung, daß der Schaltkreis mit der mittleren Wendelsteigung ((P- + P₃)/2) ohne den Geschwindigkeits-Anpassungsabschnitt aufgebaut ist und wobei I , einen Arbeitsstrom darstellt.

3. Wendelgekoppelte Wanderwellenröhre nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung in Hochfrequenzweise mittels einer Vielzahl von elektromagnetischen Wellendämpfungsgliedern (4, 4') aufgeteilt ist.

Beschreibung

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