DE3228171A1

DE3228171A1 - Verzoegerungsleitung fuer eine wanderfeldroehre

Info

Publication number: DE3228171A1
Application number: DE19823228171
Authority: DE
Inventors: Gary Arthur Sandy Utah Biggs; Arthur Palo Alto Calif. Karp
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1981-07-29
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1983-02-17
Also published as: GB2105103B; JPS5828159A; GB2105103A; US4409518A; FR2510815A1; CA1180809A; IL66452A0; FR2510815B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verzögerungsleitung, z.B. zur Verwendung in einer Wanderfeldröhre. Eine allgemein bekannte Ausführungsform derartiger Leitungen bestellt aus einer metallischen Leiterkonstruktion, deren Sprossen die periodischen Wechselwirkungselemente bilden und mit einer metallischen Hülle verbunden sind.

Mit der Erfindung soll eine Verzögerungsleitung für eine Wanderfeldröhre geschaffen werden, die einen hohen Kopplungswiderstand über ein Frequenznutzband bietet. Außerdem soll mit der Erfindung eine Leitung für sehr hohe Frequenzen geschaffen werden, die unter Einhaltung genauer Toleranzen leicht herzustellen ist.

Es soll auch eine Schaltung für die Fortpflanzung einer Rückwärtsgrundwelle geschaffen werden, die schließlich zu Konstruktionsabmessungen führt, die eine gute Wärmeableitung ermöglichen.

Das wird mit einer metallischen Leiterkonstruktion erreicht, bei der der Hüllenraum neben den Sprossen einen T-förmigen Querschnitt hat, um eine Rückwärtsgrundwelle-Portpflanzungscharakteristik zu erhalten. Beim Einsatz im ersten Vorwärtswellen-Raum- Oberschwingungs zustand haben die Sprossen eine Dicke, die ausreicht, um ihnen mechanische Festigkeit zu geben und sie zu angemessenen Wärmeleitern zu machen. Da die Breite der Sprossen mindestens der Hälfte ihrer Länge entspricht, ergibt sich im untersten Frequenzpaßband ein Impedanzpol an jeder Bandkante, Dadurch wird der Kopplungswiderstand in einem weiteren Bereich von Arbeitefrequenzen auf hohem Niveau gehalten und ist an der Bandkante des nächst höheren Paßbandes niedrig, wodurch in diesem Band Instabilität, vermieden wird.

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematiech dargestellter Ausführungs-

beispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigtι

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Grund^-Leitung vom Leitertyp;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Verzögerungsleitung als Träger einer Vorwärtsgrundwelle;

Fig. 3A und 3B einen Querschnitt und einen Axialschnitt

durch eine bekannte Verzögerungsleitung als Träger einer RUckwärtsgrundwelle}

Fig. k ein U)-Q Brillouin-Diagramm der Leitung gemäß Fig. 3i

Fig. 5A und 5B einen Querschnitt und einen Axialschnitt durch eine Leitung gemäß der Erfindung}

Fig. 6 das W - ß-Diagramm einer gegenüber Fig. 5 abgewandelten Leitung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 das U/ - fi-Diagramm der Leitung gemäfl Fig. 5»

Fig. 8 eine perspektivische Aneicht zur Erläuterung der Herstellung der Leitung geaäfl Fig. 5i

Fig. 9 einen Querschnitt durch ein etwas abgewandeltes -Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Verzögerungsleitung auf Leiterbasis für eine Wanderfeldröhre. Sie hat einen hohlen rechteckigen Wellenleiter IO mit im Abstand voneinander angeordneten zahlreichen Leitersprossen 12, die sich über die ItLttelebene erstrecken. Den Sprossen 12 benachbart wird -axial längs des Wellenleiters ein flacher Elektronenstrahl Ik projiziert, wobei die Sprossen die periodischen Wechselwirkungselemente der Leitung bilden. Diese Leitung ist al· ' "Easitron" bekannt geworden (weil man glaubte, dafi sie einfach herzustellen sei). Allerdings liefert sie eine Bandbreite Null, so daß sie nur für einen Oszillator mit fester Frequenz geeignet ist.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Form der .Leitung gemäß Fig. I₁ die als Variante der als "Ktrp-. Leitung" bezeichneten Leitung anzusehen ist. Durch Anordnen von kapazitiv

belastenden Stegen l6 in der Nähe der Mitte der Sprossen 12· wird eine Leitung mit mäßiger Bandbreite erhalten. Da jedoch die Grundwelle dieser Leitung eine Vorwärtswelle isti muß zum Erzielen einer synchronisierten Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl von fester Geschwindigkeit über einen Frequenzbereich hinweg die Phasenverschiebung, BP pro periodischer Länge im Bereich zwischen 0 und IY Radiant liegen. Wenn sehr hohe Mikrowellenfrequenzen, z.B. 10 bis 100 GHz verstärkt werden sollen, wird aufgrund der notwendigerweise kurzen Periode der Querschnitt der Sprossen so klein, daß die Sprossen nicht mehr viel Leistung bewältigen können und sehr schwer herzustellen sind. Eine Verstärkerauslegung auf der Basis von 2 Tf < ßP < 3Tf wäre stattdessen zu erwägen; dabei ergäben sich wesentlich robustere Sprossen, aber die Verstärkung wäre sehr gering, weil ein Raum-Harmonischen-Bereich hoher Ordnung beteiligt wäre.

Die bekannte Leitung auf Leiterbasis gemäß Fig. 3 ist in entgegengesetztem Sinn belastet. Statt eines oder zweier kapazitiv belastender .Stege· 16 in der Mitte der Sprossen sind paarweise induktiv abschirmende Vorsprünge 18 in der Nähe der äußeren Enden der Sprossen 12" angeordnet, wo die HF-Magnetfelder hoch sind. Dies erzeugt eine Rückwärtsgrundwellencharakteristik gemäß dem (Δ -ß-Diagramm, welches in Fig. k gezeigt ist. Zur synchronisierten Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl konstanter Geschwindigkeit über einen Frequenzbereich hinweg muß die Phasenverschiebung pro Periode P zwischen Tr und 2TT Radiant. liegen. Die größere periodische Länge P erlaubt eine größere Dicke D der Sprossen 12". Tatsächlich ist eine größere Dicke nötig, weil der Strahl mit der ersten Raum-Harmonischen der Leitungswelle in Wechselwirkung steht und infolgedessen, solange er innerhalb der Sprosse ist, gegenüber den Feldern der Welle während desjenigen Teils des Zyklus, bei dem sich die Welle in der falschen Phase befindet, gut abgeschirmt sein sollte. Als Ergebnis bleibt letztendlich übrig, daß die Sprossendicke D viel größer ist als bei der Vorwärtswellen-

leitiing gemäß Fig. 2 allgemein möglich ist. Andererseits ist die Sprosse nicht so dick geworden, daß ein Wechselwirkungszustand mit Raum-Harmonischen sehr hoher Ordnung und infolgedessen eine sehr geringe Verstärkung impliziert ist. Es wird eine größere Wärmeableitfähigkeit und größere Robustheit erhalten. Um die Kopplung zwischen der Welle und dem Strahl zu erzielen, wird ein zylindrischer Strahl durch Löcher 20 in den Sprossen 12" projiziert.

Das 6/-ß-Diagramm gemäß Fig. k zeigt die Phasencharakteristiken der bekannten Leitung gemäß Fig. 3". Die Frequenz Ui is1? vertikal über der Phasenverschiebung pro Periode ßP aufgetragen. Die Neigung der Geraden 22 gibt die konstante Geschwindigkeit des Elektronenstrahl8 wieder. Eine nahezu synchronisierte Wechselwirkung wird bei Frequenzen in der Nähe des Schnittpunktes Zk der Geschwindigkeitslinie 22 mit der Kurve 26 der Phasenverschiebung pro Periode im niedrigsten Paßband erhalten. An den Bandkanten F, und F™ nimmt die Wechselwirkungsimpedanz der Schaltung kritische Werte an. Die Impedanz ist ein Maß der axialen Komponente der elektrischen HP-Feldstärke in Richtung des Elektronenflusses. Am unteren (TT) Ende F_L des Bandes 26 liegt ein Pol äer Wechselwirkungsimpedanz der durch ein Kreuz gekennzeichnet ist. Die elektrischen Felder sind alle axial und auch besonders stark bei gegebenem Kraftfluß im Vergleich zur Situation bei den Frequenzen, die nicht an der Bandkante liegen. Am oberen (2TT ) Ende F« ist die Wechselwirkungsimpedanz Full was durch einen Kreis angezeigt ist. Hier sind die elektrischen Felder stark aber vollkommen quer gerichtet. Die praktische Bedeutung dieser Erscheinung liegt darin, daß bei Frequenzen, die F„, angenähert sind, die Impedanz zunehmend geringer wird und die Verstärkung und der Wirkungsgrad der Wanderfeldröhre leiden. Das durch die Kurve 28 wiedergegebene höherfrequente Paßband hat einen Impedanzpol 3k bei seiner unteren Grenzfrequenz F_n und 2 TT Phasenverschiebung. Die Geschwindigkeitslinie 22 schneidet die Linie der Phasenverschiebung 28 in der Nähe dieses Pols, was eine synchroni-

sierte Wechselwirkung mit der Leitungswelle hoher Impedanz anzeigt. Dies macht unerwünschte Schwingungen an dieser Stelle wahrscheinlich.

Fig. 5A und 5B sind eine Stirnansicht bzw. ein Axialschnitt durch eine Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung. Die Breite T der Leitersprossen 12"' ist erheblich größer als bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. 3. Allerdings liegen die Sprossen 12"' nicht an Wellenleitervorsprüngen 18"' an, sondern es besteht mindestens ein schmaler Schlitz 30 dazwischen. Wäre dieser Schlitz nicht vorhanden, so gäbe es viel mehr Kanten, längs deren ein Hartlöten nötig wäre, was die Wahrscheinlichkeit für Leitungsdefekte aufgrund von zu viel oder zu wenig Lot größer machte. Die Sprossen 12"' werden weiterhin negativ induktiv belastet von den Vorsprüngen 18'" und nicht von ihnen kurzgeschlossen. Die Abmessung S₂ sollte in jedem Fall ein Mehrfaches der Abmessung S₁ sein.

Eine exakte mathematische Analyse der als Verzögerungsleitungen verwendeten komplizierteren Konstruktionen ist meistens nicht möglich. Im allgemeinen werden die Fortpflanzungscharakteristiken durch Messungen an einem "Kalttest" -Modell eines Segmentes der Schaltung bestimmt. Fig. 6 ist ein experimentell gemessenes U) -ß-Diagramm einer Leitung mit einer kritischen Sprossenbreite T zwischen derjenigen der bekannten Leitung gemäß Fig. 3 und derjenigen der Schaltung gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Für diesen kritischen Wert der Dicke wird die höhere Bandkantenfrequenz F™ des unteren Paßbandes 26' gleich der unteren Bandkantenfrequenz Fq des oberen Paßbandes 28'. Dieser Zustand ist als "zusammengeschobene bzw. verschmolzene Paßbänder¹¹ bekannt. Die beiden Zweige des U) -ß-Diagramms scheinen einander am gemeinsamen Bandkantenpunkt F_G = F~ zu kreuzen. Der Zustand verschmolzener Paßbänder ist häufig für Wanderfeldröhren der in Frage stehenden Art nützlich, da die Wechselwirkungsimpedanz bei 2^· hoch bleibt, jedoch am

Verschmelzungspunkt 32 niedrig ist, so daß unerwünschten Schwingungen in der Nähe des Punktes 32 kein Vorschub geleistet wird. Die verschmolzenen Paßbänder werden hier erörtert, um zu zeigen, daß mit der Vergrößerung der Sprossenbreite T eine völlig neue und andersartige Wirkung eingeführt wird. Der beste Nutzbereich der neuen Wirkung wird erhalten, wenn die Sprossenbreite T bis zu dem zum Zusammenschmelzen nötigen kritischen Wert oder darüberhinaus erhöht wird, wie Fig. 6 zeigt. Dieser Nutzwert hat sich als im allgemeinen größer als die Hälfte der Spanne W der Sprossen 12 · · ' erwiesen. Ein mehr allgemeines CU-ß-Diagramm für eine Schaltung mit diesen Abmessungen gemäß der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Die beiden Paßbänder 26·· und 28" haben etwa die gleiche Gestalt wie bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. 4. Allerdings ist eine Art-Änderung aufgetreten, da die Leitung gegenüber dem Verschmelzungspunkt transformiert ist. Der Impedanzpol 3^, der an der unteren Bandkante F^ des höheren Paßbandes 28 lag, wurde zum oberen Bandkantenpunkt 36 des unteren Paßbandes 26·· verlagert. Auch der Nullwert der Kurve 26 wurde zum oberen Paßband 28'· verlagert, alles bei BP = 2 1Γ . Das Ergebnis dieser bemerkenswerten Umwandlung besteht darin, daß die Wechselwirkungsimpedanz nun an beiden Kanten des nützlichen tieferen Paßbandes hoch ist und infolgedessen auch zwischen ihnen höher ist. Damit wird der Wirkungsgrad und die Verstärkung einer Wanderfeldröhre verbessert.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Konstruktion gemäß der Erfindung bezieht sich auf die Stabilität der Wanderfeldröhre. Bei den bekannten Leitungen gemäß Fig. 3 und k kommt die Geschwindigkeitslinie 22 der oberen Paßbandkurve 28 in der Nähe ihres unteren Grenzpunktes 3*f sehr nahe oder schneidet sie sogar. Da dieser Punkt beim Stand der Technik einem Impedanzpol entspricht, besteht die große Wahrscheinlichkeit, daß die Wanderfeldröhre im oberen Paßband 28 in der Nähe der Grenzfrequenz F« schwingt. Mit den erfindungs-

« 10 β

gemäßen Schaltungen gemäß Fig. 5» 6 und 7 entspricht jedoch der Grenzpunkt 34·· des oberen Paßbandes 28·· einem Nullwert der Wechselwirkungsimpedanz, so daß eine Unstabilität bei dieser Frequenz sehr viel weniger wahrscheinlich ist. Gemäß einer Alternative entspricht der Verschmelzungspunkt 32 einem endlichen, niedrigen Wert der Wechselwirkungsimpedanz, was ebenso gut Schutz vor !Instabilität bietet.

Fig. 8 zeigt wie Leitungen gemäß der Erfindung auf Leiterbasis gebaut werden. Die Teile der Leitung bestehen vorzugsweise aus einem sauerstoffreien hochleitfähigen Kupfer. Für sehr hohe Mikrowellenfrequenzen (Millimeterwellen) sind die Schaltungen außerordentlich klein und empfindlich und können z.B. durch Elektroerosion zur Schaffung rechteckiger Perforationen in einem einfachen Kupferbarren hergestellt werden. Gemäß Fig. 8 werden zwei Leiterhälften 40 aus Kupferbarren gebildet, wobei jede Hälfte Kerben 42 enthält, die, wenn sie zusammengesetzt werden, die Öffnungen 20"" für den Durchgang des Strahls bilden. Die Kerben können statt der halbquadratischen Form auch halbrund gestaltet sein; es ist im wesentlichen gleichgültig, ob der Tunnelquerschnitt rund oder quadratisch ist. Die Leiterhälften 40 werden zwischen zwei Kupferplatten 44 zusammengesetzt, die keinen Kontakt herstellende, belastende Vorsprünge 18 ' · · · haben, wobei die Abmessung S₂ mindestens ein Mehrfaches der Abmessung S₁ ist (Fig. 5A). Die vier Stücke werden beispielsweise durch Hartlöten oder Sintern zu der Leitung auf Leiterbasis mit Vakuumhülle zusammengesetzt. Gemäß einer Alternative kann statt der Leiterhälften ein einziger Barren zu der gewünschten Leiterform geschnitten werden, wenn dieser bereits mit einem runden Tunnel im Innern zur Verfügung gestellt wird, weil z.B. Kupferschmelze um einen gestreckten Stahldraht gegossen und später der Draht durch Herausziehen oder mittels Säure entfernt wird.

Bei dem oben erwähnten Hartlöten oder Sintern können sich störende Möglichkeiten für Leitungsfetiler einschleichen. Venn das Metall zu stark fließt werden die Innenabmessung« gestört, fließt es zu wenig, so entsteht Leitungswiderstand (Verlust). Ein wertvoller Beitrag der Erfindung besteht darin, daß die Notwendigkeit zum Hartlöten an irgendeiner der vier Kanten der sahireichen Leitersproseen aufgrund der Konstruktion umgangen wird. Stattdessen sind nur vier Längsnähte aus Hartlot unmittelbar außerhalb des Bereichs der Sprossen/Perforation nötig.

Fig. 9 ist eine Stirnansicht eines etwas abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfindung um zu zeigen, daß die Schaltung die verschiedensten Gestalten haben kann. Die verjüngten Leitersprossen 50 können eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als Sprossen von gleichmäßigem Querschnitt» Die belastenden Vorsprünge 52 sind abgerundet, was einen ungleichmäßigen Abstand von den Sprossen $0 schafft. Es ist nur nötig, daß der Abstand 5b in der Nähe der Sprossenenden 56 bedeutend kleiner ist al« in der Nähe der Mitte 58 der Sprossen.

Es sind weitere vielfältige Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich. So brauchen z.B. die Sprossen keinen gleichmäßigen Querschnitt zu haben, sondern können verjüngt oder abgestuft sein. Die belastenden Voreprünge brauchen nicht rechteckig zu sein sondern können die unterschiedlichste Gestalt haben, sofern der Abstand von den Sprossen in der Nähe der Enden kleiner ist als in der Nahe der Mitten der Sprossen.

Claims

Patentansprüche

Verzögerungsleitung mit einer leitfähigen Hülle, die

in axialer Richtung erstreckt, und einer Reihe paralleler, leitfähiger Sprossen, die in Abständen längs der Länge der Hülle angeordnet sind und von denen jede Sprosse nur an ihren Enden mit zwei entgegengesetzten Seiten der Hülle verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Breite mindestens eines Teils der Sprossen in Richtung rechtwinklig zur Länge der Sprossen und zu der axialen Richtung größer ist als die Hälfte der Länge der Sprossen, wodurch die obere Grenzfrequenz des untersten Paßbandes der Leitung einem Pol der Impedanz der Leitung in axialer Richtung entspricht.
2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wand der Leitung so gestaltet ist, daß der Abstand zwischen der Wand und den Sprossen mindestens in der Nähe eines Endes der Sprossen kleiner ist als der Abstand zwischen der Wand

-z-

und den Sprossen in der Nähe der Mitte der Sprossen, wodurch die Grundwelle des niedrigsten Paßbandes eine Rückwärtswelle ist.
3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der einen Wand und den Sprossen einen T-förmigen Querschnitt rechtwinklig zu der Axialrichtung hat.
4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet» daß ein Satz Öffnungen in den Sprossen ausgerichtet ausgebildet ist,- die einen offenen Kanal in Längsrichtung bilden_s wodurch ein Strahl geladener Teilchen durch die Leitung strömen kann, um mit ihr in Wanderwellen-Wechselwirkung zu treten.
5. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Sprossen durch einen Spalt in der Nähe ihres Mittelpunktes in ein Paar einander gegenüberliegender Pfosten unterteilt ist.
6. Verzögerungsleitung nach Anspruch I₁

dadurch gekenn ζ e i chnet, daß die Breite der Sprossen längs ihrer Länge variiert, und daß die maximale Dicke in der genannten Richtung senkrecht zu ihrer Länge und zu der axialen Richtung in der Nähe der Enden der Sprossen liegt.
7. Verzögerungsleitung mit einer leitfähigen Hülle, die sich in Axialrichtunf, erstreckt, einer Reihe leitfähiger Sprossen, die in Abständen längs der Länge der Hülle vorgesehen sind und von denen jede Sprosse nur an ihren Enden mit zwei entgegengesetzte'; Seiten der Hülle verbunden ist, dadurch gekenn ze \ chnet, daß die Breite mindestens eines Teils der Spr· :;sen in Richtung senkrecht zur

Länge der Sprossen und zu der axialen Richtung mindestens so groß ist wie die zum Verschmelzen der "beiden Paßbänder niedrigster Frequenz der Leitung erforderliche Dicke.
8. Verzögerungsleitung nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wand der Leitung so gestaltet ist, daß der Abstand zwischen der Wand und den Sprossen in der Nähe mindestens eines Endes der Sprossen kleiner ist als der Abstand zwischen der Wand und den Sprossen in der Nähe der Mitte der Sprossen, wodurch die Grundwelle des niedrigsten Paßbandes eine Rückwärtswelle ist.