DE3228172A1

DE3228172A1 - Verzoegerungsleitung fuer eine wanderfeldroehre

Info

Publication number: DE3228172A1
Application number: DE19823228172
Authority: DE
Inventors: 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: CA1180446A; GB2105104B; IT8222631A1; JPS5828158A; US4409519A; GB2105104A; IT8222631A0; FR2510814B1; FR2510814A1; IT1153120B

Description

Die Erfindung betrifft eine Verzögerungsleitung, die in einer Wanderfeldröhre zur Wechselwirkung mit einem linearen Elektronenstrahl verwendet wird. Eine äußerst nützliche Schaltung zum Erzeugen hoher Leistung bei sehr hohen Frequenzen ( mehrere zehn GHZ ) ist die sogenannte "gefaltete Wellenleiterleitung" bzw. die Leitung mit "versetzt gekoppelten Hohlräumen". Die Erfindung betrifft ein elektrisches Äquivalent dieser Leitung, welches verbesserte strukturelle und elektrische Merkmale hat.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Pig. IA einen Schnitt quer zur Achse durch eine bekannte Verzögerungsleitung ;

Pig. IB einen Axialschnitt durch die Leitung gemäß Fig. IA;

Fig. 2A einen Schnitt quer zur Achse durch eine Leitung . gemäß der Erfindung;

Fig. 2B und 2C Axialschnitte der Schaltung gemäß Fig. 2A;

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Leitung gemäß Fig. 2j

Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer gegenüber Fig. 3 abgewandelten Schaltung.

In Hochleistungs-Wanderfeldröhren massiger Bandbreite wird häufig eine Verzögerungsleitung mit gekoppelten Hohlräumen vorgesehen. Eine derartige Leitung für niedrige Frequenzen, z.B. unterhalb 20 GHz ist in ihrem Aufbau in Fig. 1 gezeigt. Die in Wechselwirkung s-Honlräume 10 sind von Abstandsringen 12 beispielsweise aus Kupfer gebildet, die abwechselnd mit gleichfalls aus Kupfer bestehenden Stirnplatten 14 aufeinander gestapelt sind. Die Anordnung wird durch Hartlöten an Verbindungsstellen 16 unter Verwendung einer Silber-Kupfer oder Gold-Kupfer-Legierung zu einer vakuumdichten Hülle verbunden. Jede Stirnplatte 14 hat ein Achsialloch 18, welches einen hier nicht gezeigten Elektronenstrahl durchläßt, der in

Wechselwirkung steht mit der axialen Komponente des hochfrequenten elektrischen Feldes in den Hohlräumen. Das Achsialloch 18 ist oft in axialer Richtung durch vorstehende Ränder 20 verlängert, die das elektrische Feld auf einen kürzeren axialen Spalt 22 eingrenzen, wodurch die Wechselwirkungsimpedanzund der Strahlkopplungsfaktor des Hohlraums angehoben wird. Einander benachbarte Hohlräume 10 sind durch einen Kopplungsschlitz 24 in jeder Stirnplatte 14 miteinander gekoppelt, wobei die Schlitze in der Nähe des Außenrandes des Hohlraumes 10 angeordnet sind, wo das HF-Magnetfeld am höchsten ist, so daß eine Kopplung durch gegenseitige Induktion geschaffen wird. Die Kopplungsschiltze 24 sind abwechselnd an entgegengesetzten Seiten der Hohlräume 10 gestaffelt. Dadurch ergibt sich die Charakteristik des gefalteten Wellenleiters, der eine große Wechselwirkungsbandbreite hat. Bei dieser Art von Kopplung ist die Grundwelle der Leitung eine Rückwärtswelle. Die Röhre arbeitet im WellenmoduSj der ersten Raum-Harmonisehen, wobei es sich um eine Vorwärtswelle handelt, so daß eine nahezu synchrone Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl von konstanter Geschwindigkeit über ein verhältnismäßig breites Frequenzband erzielt werden kann.

Die bekannte Schaltung gemäß Fig. 1 ist für niedrige Frequenzen zufriedenstellend. Wenn sie aber für Frequenzen von 20 GHz und mehr gebaut wird, entstehen ernste Schwierigkeiten. Die vielen Teile sind äußerst klein, und es ist sehr teuer, sie exakt zu bearbeiten. Hinsichtlich des axialen Abstandes besteht die Gefahr kumulierender Fehler beim Stapeln. Wenn die Fehler beim Aufeinanderstapeln im periodischen Abstand der Stirnplatten 14 bestehen, wird dadurch die Bandpaßcharakteristik und die Impedanz der Leitung verschlechtert. Wenn Fehler bei der axialen Ausrichtung bestehen, können sie zum Abfangen des Strahls führen, was einen Energieverlust oder Versagen der Röhre nach sich zieht.

Auch die hartgelöteten Verbindungsstellen 16 können Schwierigkeiten zweierlei Art verursachen. Wenn die Lötlegierung nicht vollständig fließt, besteht ein Spalt, der einen hohen Widerstand gegenüber dem zirkulierenden Hohlraumstrom darstellt, welcher den Spalt überwinden muß. Wenn andererseits die Lötlegierung an der Innenfläche des Hohlraums ausfließt, wird durch den hohen elektrischen Wideretand der üblichen Lötlegierungen die Dämpfung der Leitung erhöht. Bildet die Legierung eine Kehlnaht in der Ecke, so wird das Volumen des Hohlraums verkleinert und dadurch die Hohlraumresonanz verstimmt und die Leitungsimpedanz und Bandbreite beeinträchtigt. Wenn also die genannten Verbindungsstellen schon nicht ganz vermieden werden können, so sollte man mindestens ihre Anzahl und Länge verkleinern und sie dort anordnen, wo zirkulierender Strom, der über sie hinweg fließt, gering ist.

Fig. 2 zeigt einen Aufbau einer Leitung gemäß der Erfindung, die stark verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften hat und leichter unter Einhaltung exakter Toleranzen hergestellt ■werden kann. Die Struktur bestellt aus einem einheitlichen metallischen Leiterelement 30 auf, das aus einem Paar seitlicher Lärgsteile J2 besteht, welche durch eine Reihe von in Querrichtung verlaufenden Sprossen 3k verbunden sind. In der Mitte jeder Sprosse 3k ist eine axial ausgerichtete Öffnung 36 vorgesehen. Die zwischen den Sprossen 3k gebildeten, sich in Querrichtung erstreckenden Hohlräume 38 entsprechen den Hohlräumen 10 in Fig. 1. Sie stützen die elektromagnetische Welle der !»eitung, die mit dem Strahl geladener Teilchen in Wechselwirkung steht, beispielsweise mit Elektronen, die durch die Öffnung 36 wandern.

Das Wechselwirkungselement 30 bestellt aus einem einheitlichen Metallstück, z.B. aus Kupfer. Die Hohlräume 38 sind beispielsweise durch Elektroerosion geformt. Ihr Abstand läßt sich deshalb genau steuern und hängt nicht vom Aufeinanderstapeln von Teilen ab. Grob gesagt die Hälfte des hochfrequenten Oberfl-ächenstroms, der in den Hohlräumen 38 zirkuliert,

fließt an einheitlichen Metalloberflächen statt über irgendwelche Verbindungsstellen. Die Öffnungen 36 für den Strahl können gleichfalls mittels Elektroerosion unter Verwendung einer langen geraden Elektrode geformt sein.

Die offenen Seiten der Hohlräume 38 sind selektiv dadurch geschlossen, daß ein Paar Leiter-Kopplungselemente 40 mit den Seiten der die Wechselwirkung isleiter 3° verbunden sind. Jedes dieser seitlichen Kopplungselemente 40 ist eine einheitliche metallische Leiste, die eine Leiteranordnung von Kopplungsöffnungen 42 aufweist, deren axialer Abstand doppelt so groß ist wie der zwischen den Sprossen 34 der Wechselwirkungs-Leiter 30. Die Kopplungselemente 40 sind axial so ausgerichtet, daß jede Kopplungsöffnung 42 zwei aufeinanderfolgende Wechsel wirkung s-Hoh.lräume 38 überbrückt. Die Sprossen 44 der Kopplungsieiter 40 sind mit den Sprossen 34 des Wechselwirkungs-Leiter-Elements 30 an einer Seite jeder Sprosse 34 vereinigt. Damit bilden die Kopplungsöffnungen 42 ein Analogon zu den Kopplungsschlitzen 24 bei der bekannten Leitung gemäß Fig. 1.

Die beiden Kopplungselemente 40 sind so ausgerichtet, daß die Kopplungsöffnungen 42 um den Abstand zwischen den Sprossen 34 axial versetzt sind. Damit wechseln sich die Kopplungsöffnungen 42 an den entgegengesetzten Seiten der Hohlräume 38 so ab, daß sie eine gefaltete Wellenleiterstruktur bilden.

Zur Vervollständigung der Vakuumhülle und zum elektrischen Umschließen der Kopplungsöffnungen 42 sind zwei Verschlußleisten 46 an der Außenseite der Kopplungselemente 40 abdichtend angebracht. Alle fünf Teile sind beispielsweise durch Hartlöten oder Sintern miteinander verbunden. Die Hartlotverbindungsstellen fan^gen nur einen Teil des gesamten zirkulierenden hochfrequenten Wandstroms ab, so daß der erhaltene Aufbau eine verhältnismäßig geringe Dämpfung aufweist.

Pig. 3 zeigt eine etwas abgewandelte Form einer Schaltung, die

zu der Leitung gemäß Fig. 2 elektrisch äquivalent ist. Der Hauptunterschied besteht darin, daß das Wechselwirkungs-Leiter-Element 30' aus zwei einheitlichen spiegelbildlichen Hälften 50 besteht. Wie zuvor sind Reihen von Schlitzen, die in Querrichtung Hohlräume 38' bilden, in den Leiterhälften 50 ausgebildet. Jede Strahlöffnung 36' ist von zwei einander gegenüberliegenden Kerben 52 in den miteinander ausgerichteten Sprossen 54 der Leiterhälften 50 gebildet. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, daß die Kerben 52 mit großer Präzision eingearbeitet werden können, was im Falle des langen geraden Lochs gemäß Fig. 2 schwer zu erreichen ist. Die Strahlöffnungen 36' können, wie gezeigt, quadratisch oder auch zylindrisch sein, auch wenn der Strahl in beiden Fällen zylindrisch, ist.

Die zusammengesetzten Bauelemente sind wiederum durch Hartlöten oder Sintern miteinander verbunden. Aufgrund der Spiegelbildsymmetrie der Wechselwirkungsleiter 30' , die nur teilweise durch die versetzten Kopplungsschlitze gestört ist, bestehen nur geringe zirkulierende Ströme über die Verbindung zwischen den beiden Hälften 50 hinweg. Die Qualität dieser Verbindung ist deshalb nicht von entscheidender Bedeutung.

Fig. 4 zeigt ein etwas anderes Ausführungsbeispiel. Die Aufgaben der Kopplungselemente 40' und der Abdeckleisten 46' sind hier in einem Paar geschlossener Kopplungsleitern 60 kombiniert. Die Kopplungsöffnungen sind durch Vertiefungen 62 gebildet, die nur teilweise die Abdeckleisten 46' durchdringen. Sie können z.B. durch Elektroerosion bis auf eine gesteuerte Tiefe, durch Prägen oder durch einen Photoätzvorgang geschaffen sein. Die ganze Leiterkonstruktion wird wie zuvor zusammengesetzt und durch Hartlöten oder Sintern des Leistensatzes vereinigt. Zusammengesetzt ist der Aufbau ein genaues Äquivalent zu dem gemäß Fig. 2 und 3» hat aber weniger Teile und noch weniger Verbindungsstellen.

Die Erfindung wird nicht dadurch eingeschränkt, daß Einschränkungen der Verhältnisse zwischen den Abmessungen F₁ H₁, Hp₁ W₁ Wp, T₁ und Tp in Fig. 3 vorgenommen werden oder nicht. Es kann jedoch beispielsweise gezeigt werden, daß die Wahl von H, c$ P/2 zur Maximierung der Verstärkung der Wanderfeldröhre beitragen kann. Ferner ist experimentell nachgewiesen worden, daß die Wahl von Wp «» W, und Hp » P zur Maximierung der Verstärkungsbandbreite beitragen kann. In diesem Fall sind die Frequenzen, die die Kanten des Leitungspaßbandes bestimmen, leicht zu errechnen, was die Auslegung für einen bestimmten Anwendungsfall erleichtert. Für den

hier gezeigten Fall wurde gefunden, daß es zur Maximierung der Bandbreite beitragen kann, wenn man Tg ^e-bw^as kleiner macht als Τ_χ/2.

Claims

Vl P557 D Varian Ass. Inc., Palo Alto, CaI., U.S.A.

Verzögerungsleitung für eine Wanderfeldröhre

Patentansprüche

l.J Verzögerungsleitung,
gekennzeichnet durch ein erstes einheitliches, metallisches Wechselwirkungselement mit einer Reihe von Hohlraumöffnungen, die um einen periodischen Abstand axial im Abstand voneinander so angeordnet sind, daß sie ein Paar axial kontinuierlicher Seitenglieder bilden, die durch eine Reihe paralleler Sprossen verbunden sind, ein Paar einheitlicher metallischer Seitenkopplungselemente, die jeweils eine Reihe von Ausnehmungen haben, welche axial um das zweifache des genannten Abstandes im Abstand voneinander angeordnet sind, welche mit entgegengesetzten Seiten des Wechselwirkungselements so verbunden sind, daß jede der Ausnehmungen zwei aufeinanderfolgende Hohlraumöffnungen überbrückt und die vorstehenden Ränder die axiale Grenze jeder der genannten Ausnehmungen in Angrenzung an die Sprossen, die die beiden Hohlraumöffnungen begrenzen, bilden, wobei die Ausnehmungen in einem ersten der Seitenkopplungselemente um den genannten Abstand gegenüber den Ausnehmungen in dem zweiten der Seitenkopplungselemente axial versetzt sind, so daß aufeinanderfolgende Hohlraumöffnungen über die Ausnehmungen an abwechselnden Seiten der Hohlraumöffnungen miteinander verbunden sind.
2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sprossen durch axial ausgerichtete Öffnungen für den Durchlaß eines Strahls geladener Teilchen gelocht sind.
3. Verzögerungs leitung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Ausnehmungen die Seitenkopplungselemente durchdringen,und daß ein Paar Verschlußglieder mit den Seitenkopplungsgliedern so verbunden ist, daß die Seiten der Ausnehmungen dem Wechselwirkungselement gegenüber bedeckt sind.
4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß ein zweites einheitliches, metallisches Wechselwirkungselement als Spiegelbild des ersten Wechselwirkungselements ausgebildet ist, und daß eine Anordnung axial ausgerichteter Nuten in einer Seite der Sprossen vorgesehen ist, wobei die Wechselwirkungselemente so angeordnet sind, daß ihre Sprossen axial ausgerichtet sind und die Nuten einander so zugewandt sind, daß sie Öffnungen für den Durchlaß eines Strahls geladener Teilchen bilden.