DE3105291C2 - Hochleistungs-Elektronenröhre - Google Patents

Abstract

Die vorliegende verbesserte Hochleistungs-Elektronenröhre (10) hat mindestens eine Gitterelektrode (14 oder 16), welche aus einem einstückigen, am einen Ende geschlossenen zylindrischen Bauteil mit dem Außendurchmesser (D) gebildet ist. Das zylindrische Bauteil wird von einer Vielzahl von gebogenen, in Umfangsrichtung langgestreckten Öffnungen (30 bzw. 32) durchsetzt. Jede der Öffnungen hat eine Länge (x) und eine Breite (y), wobei x größer als y ist, und wobei x nicht größer als das 0,55fache des Durchmessers (D) der Elektrode ist. Die Breite (y) jeder der Öffnungen ist vorteilhafterweise nicht größer als das 0,1fache des Durchmessers (D) der betreffenden Elektrode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Elektronenröhre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Hochleistungs-Elektronenröhre mit diesen Merkmalen ist aus der US-PS 29 80 984, dem DE-Buch von H. Meinke und F. W. Grundlach »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik« 3. Aufl., Berlin 1968, Seiten 878 und 879 sowie dem Datenblatt »Power Tube 8916« der RCA Corporation vom Februar 1973 bekannt. Die zylindrischen Gitter dieser bekannten Elektronenröhren bestehen entweder aus einem Zylinder mit in Achsrichtung langgestreckten Schlitzen oder sind als Steggitter ausgebildet. Bei Leistungsröhren, die außer dem Steuergitter noch ein Schirmgitter enthalten, fluchten die Gitteröffnungen in Radialrichtung miteinander, d. h. daß die Stege des Schirmgitters genau hinter den Stegen des Steuergitters liegen, um den Schirmgitterstrom und damit auch die Schirmgitterverlustleistung klein zu halten.

Hochleistungs-Elektronenröhren der obengenannten Art, z. B. die erwähnte lineare VHF-Leistungsverstärkerröhre RCA 8916, werden z. B. in linearen Leistungsverstärkern für VHF-Fernseh- und FM-Dienste sowie für Nachrichtensender bis 400 MHz benötigt. Die koaxialen Anschlüsse sind für einen Betrieb in einer normalen koaxialen TEM-Mode ausgelegt. Bei solchen Leistungsröhren gibt es jedoch noch eine große Zahl von Störschwingungsmoden, wie die TE- und TM-Moden, die gleichzeitig mit der gewünschten TEM-Mode in einem Resonanzhohlraum oder Resonatorsystem auftreten können. Bei einer typischen Leistungsröhre der o. a. Art treten diese Störresonanzen bei Frequenzen auf, die im allgemeinen wesentlich höher sind als die Nenn-Betriebsfrequenz der Röhre, so daß sie keine Probleme verursachen, da in der Röhre bei diesen Frequenzen wenn überhaupt nur wenig Leistung erzeugt werden kann. Es gibt jedoch gewöhnlich einige wenige Störschwingungsmoden, die Probleme verursachen können und sich in Hochfrequenzschwingungen bei den Störmodefrequenzen äußern. Diese Hochfrequenzschwingungen beeinträchtigen das Betriebsverhalten der Leistungsröhre, da sie jeden der folgenden Röhrenparameter erhöhen können: Betriebs-Spitzenspannung, flächenspezifische Elektrodenverlustleistung, dielektrische Verluste, Störanteil des Signals und Hochfrequenz-Leckströme bzw. -spannungen; ferner können durch solche hochfrequente Störschwingungen Jnterferenzsignale erzeugt und der Betriebswirkungsgrad der Schaltung herabgesetzt werden. Es wurde sogar über Röhrenschäden infolge von Sprüngen in Keramikisolatoren berichtet, die auf solche Hochfrequenzschwingungen zurückzuführen sind.

Damit solche schädlichen Wirkungen der Hochfrequenz-Störschwingungen auftreten können, muß eine Hochfrequenzrückkopplung von einem Ausgangskreis, der die Anode und zugehörige Elektroden enthält, auf einen Eingangskreis, der das Steuergitter und zugehörige Elektroden enthält, mit einer solchen Größe und Phase, daß die inhärenten Kreisverluste überwunden werden, vorhanden sein. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, nimmt die Stärke der Störschwingungen zu, bis die durch die Störschwingungen verursachten Verluste gleich der bei den Störfrequenzen erzeugten Leistung sind. Es wurde festgestellt, daß die Hochfrequenzrückkopplung durch Faktoren, wie die Gitteröffnungs-

länge, Gitterdicke und Öffnungsorientierung bestimmt werden.

Die Versuche, die Ursachen solcher unerwünschter Hochfrequenzschwingungen zu beseitigen, waren bisher ohne durchgreifenden Erfolg geblieben. Man hat deshalb versucht, die Störschwingungen zu dämpfen, zumindest auf Werte, bei denen die Amplituden klein im Vergleich zu denen der Schwingungen bei der Nenn-Betriebsfrequenz sind. Zum Beispiel schwingen die derzeitigen Leistungsröhrenschaltungen im allgemeinen bei Frequenzen, die den zirkulären TE- oder TM-Moden zugeordnet sind. Diese Moden haben jedoch niedrige Verluste und die Versuche, die Zirkularmode-Schwingungen nennenswert zu belasten, werden oft durch die Unmöglichkeit zunichte gemacht, eine Zirkularmodebelastung ohne Verringerung des Wirkungsgrades der Schaltung bei der Nenn-Betriebsfrequenz zu erreichen. Da es schwierig ist, die störenden zirkulären Schwingungstypen gezielt zu belasten, ohne die Betriebseigenschaften der Leistungsröhre zu beeinträchtigen, wird es attraktiv, das Einsetzen der Störschwingungen durch reaktive Dämpfung der unerwünschten Hochfrequenzrückkopplung zu verhindern oder zu verringern. Darin besteht nun die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Sie wird bei einer Hochleistungs-Elektronenröhre der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Ausbildung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hochleistungs-Elektronenröhre sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dadurch, daß die Öffnungen der Gitterelektrode in Umfangsrichtung langgestreckt sind, wobei die Länge größer als die Breite der Öffnungen ist und die Länge der Öffnungen höchstens das 0,55faehe des Außendurchmessers der Gitterelektrode beträgt, werden die Störschwingungen erheblich reduziert.

Es ist zwar aus der US-PS 14 37 607 eine Eiektronenröhre mit eh cm zylindrischen Gitter bekannt, das sich in Umfangsrichtung erstreckende Öffnungen aufweist Aus dieser Patentschrift kann jedoch nicht entnommen werden, daß störende TE- oder TM-Moden dadurch verhindert oder verringert werden können, daß man die Umfangsabmessung der Gitteröffnungen in der erfindungsgemäßen Weise begrenzt Die bekannte Elektronenröhre hat nämlich einen im wesentlichen offenen Elektrodenaufbau, d. h. die Gitterelektrode und die Anode haben offene Enden und die Elektronenröhre hat keine koaxialen Anschlüsse, so daß auch keine störenden Zirkularmode-Schwingungen in der Elektronenröhre zu erwarten sind.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Hochleistungs-Elektronenröhre gemäß der Erfindung tinter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Längsschnittansicht einer Hochleistungs-Elektronenröhre mit einer Gitterausbildung nach einem Ausführungsbeispiel der Hochleistungs-Elektronenröhre nach der Erfindung und

F i g. 2 eine vergrößerte, teilweise weggebrochene Ansicht der Gitterelektroden der Hochleistungs-Elektronenröhre der F i g. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Hochleistungs-Elektronenröhre 10 enthält eine Kathode 12, ein Steuergitter 14, ein Schirmgitter 16 und eine Anode 18. Diese Elektroden sind alle zylindrisch und ineinander koaxial verschachtelt, ohne sich zu berühren. Die offenen Enden der koaxialen Elektroden sind voneinander durch isolierende Keramikringe 20 getrennt und enthalten Anschlußflächen 22. Die zylindrische Anode 18 bildet einen Teil des Kolbens der Hochleistungs-Elektronenröhre 10. Der Bereich zwischen der Anode 18 und der Kathode 12 bildet ein Resonanzsystem 24. Bei einer Tetrode, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, enthält das Resonanzsystem 24 einen Ausgangsresonator 26 und einen Eingangsresonator 27. Der Ausgangsresonator 26 enthält den Raum zwischen der Anode 18 und dem Schirmgitter 16. Der Eingangsresonator 27 enthält den Raum zwischen dem Schirmgitter 16 und dem Steuergitter 14 sowie zwischen dem Steuergitter 14 und der Kathode 12. Von der Außenseite der Anode 18 springt eine Mehrzahl von beabstandeten Kühlrippen 28 vor. Der äußere Rand der Kühlrippenanordnung ist mit einer zylindrischen Muffe 29 umgeben.

Dieser Aufbau ist bekannt; vgl. z. B. die eingangs genannten Druckschriften. Diesem gegenüber ist es neu, eine Mehrzahl von gebogenen, in Umfaugsrichtung langgestreckten Öffnungen 30 und 32 im Steuergitter 14 bzw. Schirmgitter 16 vorzusehen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Die in Umfangsrichtung langgestreckten Öffnungen 30 und 32 haben also eine Länge χ und eine Breite y, wobei die Länge χ größer als die Breite y ist, und die Länge χ der Öffnungen beträgt höchstens das 0,55fache des Außendurchmessers der Gitterelektroden. Die Gitterelektroden 14 und 16 sind jeweils aus einem starren, hohlen, am einen Ende geschlossenen

zylindrischen Teil gebildet Die Gitterelektroden 14 und 16 können aus einem dünnwandigen Material hergestellt werden, wie es für solche Zwecke üblich ist Jede der Öffnungen 32 des Schirmgitters 16 fluchtet radial mit einer entsprechenden Öffnung 30 des Steuergitters 14. Die Öffnungen 30 und 32 können durch ein mit einer elektrischen Entladung arbeitendes Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, wie es in der US-PS 29 80 984 beschrieben ist Wenn die Öffnungen 3G und 32 durch ein mit einer elektrischen Entladung arbeitendes Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, kann eine ganze longitudinale Reihe von Öffnungen in ein und demselben Bearbeitungsschritt hergestellt werden.

Es wurde durch Betriebstests festgestellt, daß die Anregung von unerwünschten TM- und TE-Störmoden oder Störschwingungstypen, die hier als zirkuläre Moden bezeichnet werden sollen, wie sie bei Leistungsröhren, die sich in Longitudinalrichtung erstreckende Gitteröffnungen aufweisen und in der TEM-Mode betrieben werden, und bei Leistungsröhren, wie der linearen VHF-Leistungsverstärkerröhre RCA 8916 auftreten, dadurch wesentlich gedämpft oder sogar ganz beseitigt werden können, daß man die Orientierung und die Länge der Gitteröffnungen erfindungsgemäß wählt. Im allgemeinen kann vorgesehen werden, daß bei Steuergittern mit einem Außendurchmesser D die in Umfangsrichtung verlaufende Länge χ der langgestreckten Öffnungen nicht größer als das 0,55fache des Durchmessers D und die Breite y der Öffnungen nicht größer als das O.lfachedes Durchmessers Dist.

Bei einer Versuchsausführung hatte das Steuergitter 14 der Leistungsröhre einen Innendurchmesser von 3,77 cm und einen Außendurchmesser von 3,92 cm. Längs des Umfanges des Steuergitters 14 erstreckte sich

eine Vielzahl von länglichen Öffnungen 30, die jeweils eine Länge von 1,14 cm und eine Breite von 0,165 cm hatten. Das Schirmgitter 16, das koaxial um das Steuergitter 14 angeordnet war, hatte einen Innendurchmesser von 4,07 cm und einen Außendurchmesser von 4,23 cm. Das Schirmgitter hatte eine Vielzahl von länglichen Öffnungen 32 mit einer Länge von 1,14 cm und einer Breite von 0,165 cm, die mit den Steuergitteröffnungen 30 radial fluchteten. Jede der Gitterelektroden 14 und 16 hatte insgesamt 10 logitudinale Reihen von Öffnungen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet waren. Achtzehn in Umfangsrichtung verlaufender Reihen von Öffnungen vervollständigten die Öffnungsanordnung. Ein Elektronen-Wechselwirkungsbereich 34, der als die gesamte longitudinale Höhe der Gitteröffnungen definiert ist, wie Fig.2 zeigt, erstreckte sich über etwa 3,55 cm längs der Achse des Steuergitters 14 und des Schirmgitters 16.

Durch die oben angegebenen Öffnungsbemessung ist sichergestellt, daß die Hochfrequenzkopplung für die zirkulären Schwingungstypen erheblich gedämpft wird, so daß keine Störschwingungen bei den zirkulären Schwingungstyp-Resonanzen auftreten.

Der beschriebene Aufbau der Gitterelektroden erhöht zwar die Wahrscheinlichkeit von störenden TEM-Schwingungen, diese Störschwingungen sind jedoch unwahrscheinlich, da die Länge des erwähnten Wechselwirkungsbereiches 34 wesentlich kleiner als eine halbe Wellenlänge bei der TEM-Betriebsfrequenz ist. Es ist in der Hochfrequenztechnik bekannt, daß solche Stör-Schwingungen nur dann auftreten können, wenn das Verhältnis der Länge des Wechselwirkungsbereiches zur halben Wellenlänge der TEM-Betriebsfrequenz beträchtlich ist. Außerdem ist die Länge des Wechselwir-

kungsbereiches 34 erheblich kleiner als der Umfang der Gitterelektroden 14 und 16; daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Rückkopplung im TEM-Mode bei der beschriebenen Ausführung der Öffnungen kleiner als für die Rückkopplung in der zirkulären Mode bei den bekannten konventionellen, sich longitudinal erstreckenden Gitteröffnungen.

Die Begrenzung der Ausdehnung jeder der Öffnungen 30 und 32 bei der oben beschriebenen Gitterausführung hält die Zirkularmodeanregung minimal, die im Ausgangsresonator 26 entwickelt und auf den Eingangsresonator 27 rückgekoppelt werden kann, so daß das Einsetzen von Zirkularmode-Schwingungen stark behindert wird. Bei der oben beschriebenen Gitterausführung wird die Tatsache ausgenutzt, daß Stör-TEM-Moden mit Kreiskoppiern leichter belastet öder gedämpft werden können, wie sie normalerweise für die vorgesehenen Betriebsmoden verwendet werden. Die Güte Q des Resonanzsystems 24, definiert als das Verhältnis des zeitlichen Mittelwertes der im Resonanzsystem gespeicherten Energie zu den Energieverlusten pro Zyklus der Stör-TEM-Moden ist also wesentlich geringer als das der störenden zirkulären Moden im gleichen Frequenzbereich. Da es außerdem unmöglich ist, Leistungsröhren und Resonanzsysteme mit idealer Symmetrie herzustellen, wird etwas Energie von den TEM-Moden in zirkuläre Moden umgesetzt, wodurch sich ein zusätzlicher Belastungsmechanismus für die TEM-Moden ergibt und dadurch die Rückkopplung verringert wird, die störende Hochfrequenzschwingungen verursachen könnte.

Die als Ausführungsbeispiel beschriebene Hochleistungs-Elektronenröhre 10 hatte eine Gitteröffnungsanordnung mit zehn Spalten (Reihen in Longitudinalrichtung und achtzehn Reihen in Umfangsrichtung), selbstverständlich handelt es sich hierbei nur um Werte eines vorteilhaften Beispiels und die Anzahl der Spalten und Reihen kann in der Praxis von diesen Werten abweichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

60

65

5"

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hochleistungs-Elektronenröhre mit einer koaxialen Anordnung von einer rohrförmigen, an einem Ende geschlossenen Kathode, mindestens einer rohrförmigen Gitterelektrode aus einem an einem Ende geschlossenen Hohlzylinder mit einer Anzahl durchgehender Öffnungen, und einer rohrförmigen, an einem Ende geschlossenen Außenanode und koaxialen Elektrodenanschlüssen an dem anderen, offenen Ende der Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (30) in Umfangsrichtung langgestreckt sind, wobei die Länge (x) größer als die Breite (y) der öffnungen (30) ist, und daß die Länge (x) der Öffnungen (30) höchstens das 0,55fache des Außendurchmessers (D) der Gitterelektrode (14) beträgt

2. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (30) der Gitterelektrode (14) in bezug aufeinander so ausgerichtet sind, daß sie eine Anordnung von mehreren in Achsrichtung verlaufenden Reihen und mehreren in Umfangsrichtung verlaufenden Reihen bilden.

3. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Gitterelektrode (16), die in Umfangsrichtung langgestreckte öffnungen (32) aufweist, in radialem Abstand und isoliert von der ersten Gitterelektrode (14) koaxial zu dieser angeordnet ist und die in Umfangsrichtung langgestreckten Öffnungen (32) der zweiten Gitterelektrode (16) mit den in Umfangsrichtung langgestreckten öffnungen (30) der ersten Gitterelektrode (14) radial fluchten.

4. Hochleistungs-Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (y) der Öffnungen (30) nicht größer als das 0,1 fache des Außendurchmessers (D)dzr Gitterelektrode (14) ist.