DE3126944A1

DE3126944A1 - Wanderfeldroehre mit koppelhohlraeumen

Info

Publication number: DE3126944A1
Application number: DE19813126944
Authority: DE
Inventors: Takao Tokyo Kageyama; Kunio Tsutaki
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1981-07-08
Publication date: 1982-04-01
Also published as: FR2486710B1; FR2486710A1; JPH027140B2; JPS5719939A; US4414486A

Description

GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER

Nippon Electric Co., Ltd. Sumitomo Mita Building 37-8, Shiba Gochome Minato-ku, Tokyo 108 Japan

X	:'": PATENTANWÄLTE 3 ι ο fi Q A A , EUROPEANRATENTATTORNEYS	KUUSDELFS DIPL-ING.
	richaroglawe or.-ing.	ULRICH MENGDEHL DIPL-CHEM. OR. RER. NAT. HEINRICH NIEBUHR DIPL-PHYS. DR. PHIL HABIL
	WALTER MOLL DIPL-PHYS. DR. RER. NAT. OFF. BEST DOLMETSCHER	2000 HAMBURG 13 POSTFACH 25 70 ROTHEN BAUM CHAUSSEE 58 TEL (040) 4102008 TELEX212921SPE2
	8000 MÜNCHEN 26 POSTFACH 162 ' LISBHERRSTR. 20 TEL. (089)226548 TELEX 522 SOS SPEZ TELECOPIER (089) 223938
	MÜNCHEN
	A 05

Wanderfeldröhre mit Kappelhohlräumen

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlräumen/ und zwar auf die Ausbildung eines nicht-reflektierenden Abschlusses einer Verzögerungsleitung in einer solchen Röhre.

Allgemein besteht eine Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp aus einer Elektronenkanone zum Aussenden und Formen eines Elektronenstrahls, einer von gekoppelten Hohlräumen gebildeten Verzögerungsleitung, in der eine elektromagnetische Welle mit dem Elektronenstrahl

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BANK; DRESDNER BaNK₁HAMBURG, 4030448(BLZ 20080000) ■ POSTSCHECK: HAMSUBO 147807-2001« 2OO1O<12O> ■ Ta TORAMM SP=CHT?IFS

in Wechselwirkung tritt und verstärkt wird, einen nicht-reflektierenden Abschluß zum Unterteilen der Verzögerungsleitung bezüglich einer Hochfrequenzwelle, um Schwingungen zu vermeiden, einem Kollektor zum Auffangen von Elektronen, die in Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl gestanden haben, und zum Ableiten der Wärmeenergie, und einer Fokussiereinrichtung zum Aufrechterhalten eines bestimmten Wertes des Durchmessers des Elektronenstrahls längs der Verzögerungsleitung.

Als Fokussiereinrichtung in Wanderfeldröhren vom Koppelhohlraumtyp wird üblicherweise eine Elektromagnetanordnung oder eine periodische Permanentmagnetanordnung (PPM) verwendet, die aus periodisch angeordneten Permanentmagneten und Polstücken besteht. Eine PPM Anordnung als Fokussiereinrichtung wird häufiger verwendet, da sie geringeren Raumbedarf und Gewicht hat und keine Energiezufuhr für die Erregung, wie ein Elektromagnet benötigt. Jedoch ergeben sich bei der Verwendung einer PPM Anordnung als Fokussiereinrichtung bestimmte Probleme. Das Hauptproblem liegt darin, daß die Magnetfeidstärke, die zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf einen bestimmten Durchmesser erforderlich, hauptsächlich vom Innendurchmesser

der Polstücke der PPM Anordnung abhängt. Falls eine unabhängige PPM Anordnung für ©ine Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp gebildet wird, ist der Innendurchmesser der Polstücke dar PPM Anordnung durch den Durchmesser der die Verzögerungsleitung bildenden Hohlräume begrenzt, und es ist daher schwierig, die für das Fokussieren des Elektronenstrahls not-

wendige Magnetfeldstärke zu erzeugen. Besonders schwierig ist die Erzeugung der erforderlichen Magnetfeidstärke in dem Eingangs-Wellenleiterabschnitt, wo die eintretende elektromagnetische Welle der von Koppelhohlräumen gebildeten Verzögerungsleitung zugeführt wird, im Ausgangs-Wellenleiterabschnitt, wo die elektromagnetische Welle von der von Koppelhohlräumen gebildeten Verzögerungsleitung nach außen abgeleitet wird, und in dem nicht-reflektierenden Abschlußabschnitt , der die von Koppelhohlräumen gebildete Verzögerungsleitung bezüglich einer Hochfrequenzwelle unterteilt, da in diesen Abschnitten einer oder mehrere der Magneten der PPM Anordnung weggelassen werden müssen.

Eine Anordnung mit äer versucht wird, das Weglassen von Magneten einer PPM Anordnung in dem nichtreflektierenden Trennabschnittf und damit eine Verschlechterung der Fokussierung durch die PPM Anordnung

in diesem Abschnitt zu vermeiden, ist in Siemens Review, Vol. 34, Februar 1977, Nr. 2, Seiten 60 bis 68, insb. Fig. 1, beschrieben. Bei dieser Anordnung sind zwei keilförmige Körper aus verlustbehafteter Keramik so angeordnet, daß sie einen nicht-reflektierenden Abschluß für eine vorwärtslaufende Welle bilden, und zwei entsprechende Körper sind so angeordnet, daß sie einen nicht-reflektierenden Abschluß für eine rückwärtslaufende Welle, bilden. Diese keilförmigen verlustbehafteten Keramikkörper sind so angeordnet, daß sie sich über eine Anzahl von Hohlräumen erstrecken, um die Anpassung zu verbessern. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund der Anordnung der verlustbehafteten Keramikkörper innerhalb der Resonanzhohlräume die Impedanz der Verzögerungsleitung stark schwankt bzw. geändert wird und es daher schwierig ist, eine Anpassung zu erzielen.

Gemäß einer anderen Anordnung, die aus US-PS Re 25 329, insb. Fig. 2, bekannt ist, sind zwei verlustbehaftete Körper, die die gleiche Querschnittsform wie die Form der Koppelöffnung in der Verzögerungsleitung haben, in einem Hohlraum angeordnet, der eine für eine vorwärtslaufende und der andere für eine rückwärtslaufende Welle· Auch bei dieser Anordnung ergibt

sich eine abrupte und starke Änderung der Impedanz der Verzögerungsleitung aufgrund der verlustbehafteten Körper, und es ist daher schwierig, eine gute Anpassung zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp -zu schaffen, bei der es nicht erforderlich ist, einen oder mehrere Magneten der PPM Anordnung in einem nicht-reflektierenden Abschlußabschnitt der Verzögerungsleitung wegzulassen, und bei der trotzdem eine verbesserte Anpassung erzielt wird.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei von gekoppelten Hohlräumen gebildete Verzögerungsleitungen voneinander getrennt sind, um dazwischen einen Laufraumabschnitt zu bilden, in welchem über eine bestimmte Länge der Elektronenstrahl und eine elektromagnetische Welle nicht in Wechselwirkung miteinander sind, und in diesem Laufraumabschnitt ist eine reflexionsfreie Abschlußanordnung vom Wellenleitertyp angeordnet, deren Wellenleiterachse mit dem Elektronenstrahl gleichgerichtet ist und die mit den Verzögerungsleitungen bezüglich einer Hochfrequenzwelle gekoppelt ist. Mit einer derartigen Anordnung kann man

eine Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp mit einer PPM-Anordnung als Fokussierungssystem erhalten, die einen reflexionsfreien Abschluß mit guter Impedanzanpassung aufweist.

Die reflexionsfreie Abschlußanordnung vom Wellenleitertyp enthält vorzugsweise ein Wellenleiterelement mit einer Durchlaßöffnung für den Elektronenstrahl und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Durchlaßöffnung ausgebildeten Wellenleitern, wobei ein keramisches Dämpfungsglied für eine vorwärtslaufende Welle in dem einen der beiden Wellenleiter und ein keramisches Dämpfungsglied für eine rückwärtslaufende Welle in dem anderen Wellenleiter angeordnet ist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn jeder der beiden Wellenleiter an einem Ende dicht verschlossen ist und die keilförmigen keramischen· Dämpfungsglieder für die vorwärtslaufende Welle bzw. für die rückwärtslaufende Welle fest an der jeweiligen Wellenleiterwand befestigt sind. Eine elektromagnetische Welle, die in den Wellenleiter an seinem offenen Ende eintritt, wird bei ihrer Ausbreitung von den keramischen Dämpfungsgliedern vollkommen absorbiert. Ein typisches Beispiel für eine verlustbehaftete oder dämpfende Keramik ist kohlenstoffhaltiges Berylliumoxid. Die Länge des keramischen Dämpfungs-

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gliedes hängt von der jei-zeiligen Betriebsbandbreite ab und beträgt vorzugsweise ungefähr eine Wellenlänge. Beispielsweise ist bei einer Wanderfeldröhre für ein 14 GHz-Band die Länge des Dämpfungsgliedes ca. 15 bis 20 mm.

Äusführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert»

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen reflexionsfreien

Abschlußabschnitt in einer Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp gemäß einer Ausführungs

form der Erfindung.

Fig. 2 sind Querschnitte mit der Blickrichtung gemäß und 3

de-n Pfeilen Ä-Ä^g und B-B' von Fig. 1.

Fig. 4 zeigt im Längsschnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung«

Fig. 5 zeigt die Reflexions- bzw. Dämpfungskennlinie eines erfindungsgealB ausgebildeten reflexionsfreien Abschlusses»

Gemäß Fig. 1 ist von einer Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp nur der reflexionsfreie Abschluß-

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oder Übergangsabschnitt, der erfindungsgemäß ausgebildet ist, im Längsschnitt dargestellt. Die übrigen Abschnitte der Wanderfeldröhre sind in konventioneller Weise ausgebildet und werden daher nicht im einzelnen dargestellt und beschrieben. Gemäß Fig. 1 ist eine Vielzahl von Resonanzhohlräumen mit Durchtrittsöffnungen 10 für einen Elektronenstrahl miteinander gekoppelt und in einer vakuumdichten Umhüllung 9 angeordnet und bilden eine Verzögerungsleitung. In der Mitte der Verzögerungsleitung ist ein Wellenleiterelement 8 angeordnet, welches mit Dämpfungsgliedern (verlustbehafteten Keramikkörpern) 6 und 7 für die elektromagnetische Welle versehen ist, um einen nicht-reflektierenden oder reflexionsfreien Abschluß zu bilden. Mit 4 und 5 sind die' Trennwände bzw. äußeren Umfangswände der Resonanzhohlräume 3 bezeichnet. In jeder Trennwand 4 ist eine Koppelöffnung 11 für die elektromagnetische Welle angeordnet, so daß die elektromagnetische WeI-Ie von links nach rechts in Fig. 1 durch die Koppelöffnungen 11 laufen kann. Außen um die vakuumdichte Umhüllung 9 herum ist eine periodische Permanentmagnetanordnung (PPM) mit abwechselnd aneinander gereihten Permanentmagneten 1 und Polstücken 2 vor- .

gesehen, um den Elektronenstrahl 12 zu fokussieren.

Die Struktur des reflexionsfreien Abschlußabschnittes wird näher anhand von Fig. 2 und 3 beschrieben, die Querschnitte längs der Linien A-A' und B-B¹ von Fig. 1 zeigen. Der reflexionsfreie Abschlußabschnitt besteht aus einem Wellenleiterelement 8 und keramischen Dämpfungsgliedern 6 und 7. Das Wellenleiterelement 8 besteht aus einem Kupferteil von kreisförmigem Querschnitt mit einer zentralen Durchgangsöffnung für den Elektronenstrahl, und auf gegenüber- liegenden Seiten längs der Durchgangsöffnung sind darin Wellenleiter 20 und 21 ausgebildet, die sich in Axialrichtung der Röhre erstrecken und im wesentlichen die gleiche Querschnittsform wie die Koppelöffnungen 11 für die elektromagnetische Welle zwischen den Hohlräumen 3 aufweisen. Der eine Wellenleiter 20 für eine vorwärtslaufende Welle in dem Wellenleiterelement 8 ist am rechten Ende geschlossen, und der andere Wellenleiter 21 für eine rückwärtslaufende Welle ist am linken Ende geschlossen. Ferner ist ein keramisches Dämpfungsglied 6 für die rückwärtslaufende Welle in dem Wellenleiter 21 und ein keramisches Dämpfungsglied 7 in dem Wellenleiter 20 angeordnet.

Es sei angenommen, daß bei der Röhre nach Fig. 1 auf der linken Seite der (nicht dargestellte) Elektronenstrahlerzeuger und auf der rechten Seite der (nicht dargestellte) Kollektor angeordnet ist. Der vom Elektronenstrahlerzeuger her durch die Durchlaßöffnungen 10 laufende Elektronenstrahl 12 tritt in Wechselwirkung mit der von links nach rechts durch die Koppelöffnungen 11 zwischen den Hohlräumen 3 laufenden elektromagnetischen Welle, wodurch der Elektronenstrahl 12 moduliert und die elektromagnetische Welle verstärkt wird. Die an dem reflexionsfreien Abschlußabschnitt ankommende elektromagnetische Welle tritt in den Wellenleiter 20 ein und wird vollständig von dem darin angeordneten keramischen Dämpfungsglied 7 für die vorwärtslaufende Welle absorbiert. Obwohl die verstärkte elektromagnetische Welle in diesem reflexionsfreien Abschlußabschnitt vollständig absorbiert wird, induziert der Elektronenstrahl 12, der durch den reflexionsfreien Abschlußabschnitt hindurchtritt und bereits von der verstärkten elektromagnetischen Welle moduliert worden ist, in den hinter dem reflexionsfreien Abschluß liegenden Hohlräumen 3 eine elektromagnetische Welle, und die so erregte elektromagnetische Welle wird wiederum durch Wechselwirkung mit dem Elektronen-

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strahl 12 verstärkt. Die verstärkte elektromagnetische Welle wird schließlich durch einen (nicht dargestellten) Ausgangswellenleiter nach außen abgeleitet.

Wenn am Austrittsende eine schlechte Impedanzanpassung vorliegt, wird eine rückwärts von der Kollektorseite zum Elektronenstrahlerzeuger laufende elektromagnetische Welle erzeugt. Diese rückwärtslaufende, d.h. reflektierte elektromagnetische Welle wird jedoch vollständig von dem keramischen Dämpfungsglied 6 für die rückwärtslaufende Welle in dem Wellenleiter 21 des reflexionsfreien Abschlusses absorbiert. Wie beschrieben, besteht der reflexionsfreie Abschlußanspruch immer aus einem reflexionsfreien Abschluß für eine vorwärtslaufende Welle und einem reflexionsfreien Abschluß für eine rückwärtslaufende Welle. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der aus dem keramischen Dämpfungsglied 7 und dem Wellenleiter 20 bestehende reflexionsfreie Abschluß der Abschluß für die vorwärtslaufende Welle, währendi der von dem keramischen Dämpfungsglied 6 und dem Wellenleiter 21 gebildete reflexionsfreie Abschluß derjenige für die rückwärtslaufende Welle ist. Diese beiden reflexionsfreien Abschlüsse sind an umfangsmäßig gegeneinander versetzten bzw. gegenüberliegenden Stellen angeordnet.

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Das keramische Dämpfungsglied 7 für die vorwärtslaufende Welle und das keramische Dämpfungsglied 6 für die rückwärtslaufende Welle sind mit dem jeweiligen Wellenleiter 20 bzw. 21 an der der vakuumdichten umhüllung 9 zugewandten Seite verbunden, z.B. durch ein Legierungsverfahren, um die von dem reflexionsfreien Abschlußabschnitt erzeugte Wärme nach außen abzuleiten.

Die offenen Enden der Wellenleiter 20 und 21 des reflexionsfreien Abschlußabschnittes sind in Fig. 2 bzw. 3 dargestellt. Wenn die Form des offenen Endes so ausgebildet wird, daß sie mit der Form der Koppelöffnungen 11 in den Trennwänden 4 der Resonanzhohlräume 2 übereinstimmt, dann kann der reflexionsfreie Abschlußabschni'tt von sich aus an die durch ihn getrennten Verzögerungsleitungen impedanzmäßig angepaßt sein. Man erhält somit einen reflexionsfreien Abschluß in einer Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp mit ausgezeichneter Impedanzanpassung, ohne daß die Struktür der Resonanzhohlräume 3 in der Nachbarschaft des reflsxionsfreien Abschlußabschnittes zum Zweck der Impedanzanpassung geändert werden muß. Falls die Querschnittsform der offenen Enden der Wellenleiter 20 und 21 des reflexionsfreien Abschlußabschnittes etwas

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verschieden von der Form der Kopplungsöffnungen 11 in den Trennwänden 4 ist, dann kann man eine Impedanzanpassung dadurch erreichen, daß man die Form der Koppelöffnungen 11 in der Nachbarschaft des reflexionsfreien Abschlußabschnittes etwas ändert.

Als verlustbehaftete bzw. dämpfende Keramik zur Verwendung in dem reflexionsfreien Abschlußabschnitt ist kohlenstoffhaltiges Berylliumoxid besonders wirksam. Die Länge der keramischen Dämpfungsglieder wird etwa gleich einer Wellenlänge gewählt. Deshalb ist die Länge des keramischen Dämpfungsgliedes unterschiedlich, je nach der Frequenz der elektromagnetischen Wellen, bei der die Röhre betrieben werden soll. Bei der dargestellten Wanderfeldröhre, die im 14 GHz-Band betrieben werden soll, ist die Länge zu ca. 15 bis 20mm gewählt. Der wichtigste Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der von den Wellenleitern 20 und 21 mit darin angeordneten keramischen Dämpfungsgliedern 6 und 7 gebildete reflexionsfreie Abschlußabschnitt vollständig innerhalb der vakuumdichten Umhüllung 9 angeordnet werden kann. Somit ist es bei einer Wanderfeldröhre mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten reflexionsfreien Abschlußabschnitt nicht notwendig, einen Teil der Permanentmagneten wegzulassen, und man kann daher

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eine vollkommenere Fokussierung des Elektronenstrahls erzielen. Auch bei einer Wanderfeldröhre mit einem elektromagnetischen Fokussierungssystem kann der erfindungsgemäße reflexionsfreie Abschlußabschnitt mit Vorteil verwendet werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 im Längsschnitt dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind bei 13 Metallstifte für die Impedanzanpassung dargestellt.

Allgemein ist es wünschenswert, die Länge L des reflexionsfreien Abschlußabschnittes in der Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp so klein wie möglich zu machen. Falls jedoch die Länge L zu klein ist, verschlechtert sich die Impedanzanpassung.

Bei der modifizierten Ausführungsform ist ein keramisches Dämpfungsglied 7' für die vorwärtslaufende Welle und ein keramisches Dämpfungsglied 6 für die rückwärtslaufende Welle mit einem Wellenleiterelement 11 an seiner dem Elektronenstrahl 12 zugewandten Wandung befestigt. Metallstifte mit einstellbarer Länge sind in der der vakuumdichten Umhüllung 9 benachbarten Wand

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des Wellenleiterelementes 8 angeordnet. Durch Einstellung der Länge der Metallstifte 13 kann auch bei geringer Länge L des reflexionsfreien Abschlußabschnittes eine gute Impedanzanpassung erzielt werden.

Eine Reflexionskennlinie des refelxionsfreien Abschlußabschnittes gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die Betriebsfrequenz in GHz und auf der Ordinatenachse der Verlust an elektromagnetischer Energie, der durch die Reflexion von der Verzögerungsleitung und dem reflexionsfreien Abschlußabschnitt bewirkt wird, d.h. der sogenannte "Rücklaufverlust" in dB aufgetragen. Wie man aus Fig. 5 erkennt, kann der reflexionsfreie Abschlußabschnitt gemäß der Erfindung über eine ziemlich große Bandbreite mit einem sehr geringen Rücklaufverlust, d.h„ hoher Dämpfung, betrieben werden und bei einer tatsächlich gebauten Ausführungsform ergab sich über einen Bereich von 14 bis 16 GHz ein Rücklaufverlust von nicht mehr als -15 dB und über einen Bereich von 14 bis 15 GHz sogar ein Rücklaufverlust von nicht mehr als -20 dB.

Wie vorstehend beschrieben, erhält man mit der Erfindung eine neuartige Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp mit einem reflexionsfreien Abschluß, der eine ausgezeichnete Impedanzanpassung zu den Verzögerungsleitungen aufweist und die PPM-Fokussierung des Elektronenstrahls erleichtert.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.) Wanderfeldröhre vom Koppelhohlraumtyp, mit einem Elektronenstrahlerzeuger, einem Kollektor„ einem Fokussierungssystem für den Elektronenstrahl und mindestens zwei von gekoppelten Hohlräumen gebildeten Verzögerungsleitungen, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Verzögerungsleitungen voneinander unter Bildung eines Laufraumes für den Elektronenstrahl getrennt sind und daß mindestens ein reflexionsfreier Abschluß (8) mit reflexionsfreien Wellenleitern (20, 21) derart in dem Laufraum angeordnet ist, daß die Achse der Wellenleiter (20, 21) mit der Achse des Elektronenstrahls (12) gleichgerichtet ist, wo-

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bei die reflexionsfreien Wellenleiter (20, 21) mit der einen bzw. anderen Verzögerungsleitung bezüglich der Hochfrequenzwelle gekoppelt sind.

2. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1 , dadurch g e kennzeichnet, daß ein oder mehrere Metallstifte (13) für die Impedanzanpassung an den Wänden der Wellenleiter (20, 21) angeordnet sind.

3. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß zwei Wellenleiter (20, 21) aufeinander.gegenüberliegenden Seiten des Elektronenstrahls ·(12) angeordnet sind und den Elektronenstrahl (12) zwischen sich einschließen, und daß keramische Dämpfungsglieder (6, 7) in den Wellenleitern (20, 21) angeordnet sind.

4. Wanderfeldröhre nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Dämpfungsglieder (6, 7) aus kohlenstoffhaltigem Berylliumoxid bestehen.