DE4107550A1 - Hochfrequenz-verstaerkervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Verstärkervorrich­ tung und insbesondere eine Vorrichtung, bei der die Verstär­ kung eines angelegten Hochfrequenzsignals durch Modulieren einen Elektronenstrahls erreicht wird.

Es gibt verschiedene Arten von Geräten, bei denen die Ver­ stärkung eines angelegten Hochfrequenzsignals dadurch er­ reicht werden kann, daß eine Modulierung eines Elektronen­ strahls erfolgt. Beispielsweise wird bei einem Klystron das zu verstärkende Signal in einen Eingangs-Resonanzhohlraum eingekoppelt und erzeugt ein elektrisches Feld, das auf Elek­ tronen des Strahls einwirkt, um ihre Geschwindigkeit zu modi­ fizieren und Bündelung zu erzeugen. Es sind üblicherweise verschiedene Folge-Resonanzhohlräume vorhanden, die es ermög­ lichen, den Bündelungsgrad zu verbessern, und ein End-Reso­ nanzhohlraum, bei dem das verstärkte Signal ausgezogen wird. Nach dem End-Hohlraum werden die Elektronen zu einem Kollek­ torabschnitt gerichtet, wo sie auf eine Oberfläche auftref­ fen.

Eine andere Klasse von Verstärkungsvorrichtungen ist als in­ duktives Ausgangstetrodengerät (IOT) bekannt, beispielsweise eine "KLYSTRODE" (Warenzeichen von Varian Associates). Ein solches Gerät benutzt eine Dichte-Modulation des Elektronen­ strahls und enthält einen Kollektorabschnitt, ähnlich dem bei Klystrons verwendeten.

Die den Kollektor erreichenden Elektronen besitzen relativ hohe Energie und ihr Auftreffen auf die Kollektoroberflächen resultiert in der Erzeugung von Sekundärelektronen. Diese Se­ kundärelektronen können in entgegengesetzter Richtung zu den Strahlelektronen laufen und können weit genug längs des Kly­ strons, IOTs oder anderen Geräten zurückkehren, um deren Be­ trieb zu stören und ihr Verhalten zu verschlechtern.

Der Kollektor kann in einer Weise betrieben werden, die als "Bremsfeld-Modus" (depressed mode) bekannt ist, bei dem der Kollektor auf einem negativen Potential gehalten wird, um die Betriebswirksamkeit des Geräts zu verbessern. Der Kollek­ tor kann ein Mehrstufen-Kollektor sein mit einer Anzahl von Elektroden, die auf jeweils unterschiedlichen negativen Span­ nungen gehalten werden. Da der Kollektor jedoch auf einem ne­ gativen Potential gehalten wird, werden emittierte Sekundär­ elektronen leicht längs der Röhre zu dem abschließenden Reso­ nanzhohlraum hin beschleunigt.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine verbesserte Ver­ stärkungsvorrichtung zu schaffen, bei der der störende Ein­ fluß emittierter Sekundärelektronen vermieden wird.

Durch die Erfindung wird eine Hochfrequenz-Verstärkungsvor­ richtung geschaffen, welche enthält: Mittel zum Modulieren eines Elektronenstrahls, um Verstärkung eines angelegten Hochfrequenzsignals zu erzeugen; einen Resonanz-Hohlraum, von dem das verstärkte Hochfrequenzsignal abgezogen wird; einen Kollektor zum Aufnehmen von Strahlelektronen, nachdem das verstärkte Signal abgezogen wurde; und Mittel zum Erzeu­ gen eines Magnetfelds in einem Bereich zwischen dem Resonanz­ hohlraum und dem Kollektor, wobei sich die Magnetfeldamplitu­ de mit dem Abstand längs des Elektronenstrahlweges ändert. Das Magnetfeld kann dabei z. B. nur in Längsrichtung des Kol­ lektors erzeugt werden, oder es kann soweit wie der Resonanz­ hohlraum reichen oder z. B. vom Resonanzhohlraum zum Anfang des Kollektors.

Durch Benutzung der Erfindung können vom Kollektor zum Reso­ nanzhohlraum hin wandernde Elektronen unterdrückt werden. Das Magnetfeld ist vorzugsweise periodisch, und zwar so, daß seine Amplitude mindestens ein Maximum und ein Minimum er­ reicht. Es kan so ausgelegt werden, daß seine periodische Änderung längs des Elektronenstrahls am Kollektor erzeugte Sekundärelektronen zu den Kollektorflächen hin abzulenken trachtet, so daß ihr Rücklauf zu dem End-Resonanzhohlraum verhindert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Ma­ gnetfeld längs des Elektronenstrahlweges immer in gleicher Richtung gerichtet, so daß sich gute Fokussierung ergibt. Bei einer anderen Ausführung ändert das Magnetfeld seine Richtung mit dem Abstand längs des Strahlweges.

Bevorzugterweise wird der Kollektor als Bremsfeld-Kollektor (in depressed mode) betrieben, um gute Betriebswirksamkeit zu erzielen, und bei einer solchen Anordnung ist die Erfin­ dung besonders nützlich. Der Kollektor kann ein- oder mehr­ stufig ausgebildet sein.

Die Erfindung kann bei allen Arten von Verstärkungsvorrich­ tungen angewendet werden, bei denen ein Elektronenstrahl mo­ duliert und durch einen Kollektor aufgenommen wird, nachdem das verstärkte Signal von einem Resonanzhohlraum ausgekop­ pelt wurde, also z. B. bei Klystrons, IOTs und Wanderwellen­ röhren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä­ ßen Klystrons,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä­ ßen IOTs,

Fig. 2a und 2b Erläuterungsschaubilder, die sich auf den Be­ trieb des IOT nach Fig. 2 beziehen, und

Fig. 3, 4 und 5 schematische Darstellungen weiterer IOTs er­ findungsgemäßer Art.

Nach Fig. 1 enthält ein Klystron einen Elektronenstrahlerzeu­ gungsabschnitt 1, einen Wirkungsabschnitt 2 und einen Kollek­ tor- oder Sammelabschnitt 3, wobei der Kollektor zum Betrieb als Bremsfeldkollektor ausgelegt ist.

Ein Elektronenstrahl wird an einer Katode 4 erzeugt, die von einer Fokussierungselektrode 5 umgeben ist, und mittels einer Modulationselektrode 6 in den Wechselwirkungs- oder Koppelbereich 2 überführt. Ein zu verstärkendes HF-Signal wird in einen ersten Resonanzhohlraum 7 im Koppelbereich 2 eingekoppelt. Das über dem Elektronenstrahl erzeugte elektri­ sche Feld ergibt eine Geschwindigkeitsmodulation der Elektro­ nen und erzeugt eine Bündelung. Nachfolgende Hohlräume 8, 9 und 10 erhöhen die Bündelung der Elektronen. Das verstärkte HF-Signal wird aus dem End-Resonanzhohlraum 10 ausgekoppelt.

Der Elektronenstrahl wird im Kollektorabschnitt 3 aufgenom­ men, wobei die Elektronen des Strahls auf die Metallfläche des Kollektors 11 auftreffen. Der zylindrische Kollektor 11 ist von koaxialen Permanentmagneten 12 umgeben, die so ange­ ordnet sind, daß längs des Kollektorabschnitts ein periodi­ sches Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldrichtung sich mit dem Abstand längs des Strahlweges ändert. Durch das Auftref­ fen hochenergetischer Elektronen des Strahls erzeugte Sekun­ därelektronen sind dem durch die Magnete 12 erzeugten Magnet­ feld ausgesetzt und werden so daran gehindert, längs des Kly­ strons zurückzulaufen.

Nach Fig. 2 enthält ein IOT eine Katode 13 und ein Modula­ tionsgitter 14, die zusammen einen dichtemodulierten Elektro­ nenstrahl erzeugen. Nach Beschleunigung durch eine Elektrode 15 erreichen die Elektronen des Strahls einen Resonanzhohl­ raum 16, von dem ein verstärktes Signal abgezogen wird. Die Elektronen treffen auf Oberflächen eines Kollektors 17 auf, der von Wicklungen 18 umgeben ist. Die Wicklungen 18 sind so angeordnet, daß sie ein Magnetfeld in einem Bereich erzeu­ gen, der sich von dem Hohlraum 18 einen Teil der Länge des Kollektors 17 erstreckt.

Bei einer Betriebsart fließt der Strom durch jede Wicklung 18 in gleicher Richtung, und das sich so ergebende Magnet­ feld ändert auf diese Weise seine Richtung über der Länge des Elektronenstrahlweges nicht. Durch die mittlere der drei vorhandenen Wicklungen wird ein kleinerer Strom gerichtet, so daß das Magnetfeld seine Amplitude periodisch ändert, wie in Fig. 2a gezeigt, in der die Ordinate der Magnetfeldampli­ tude und die Abszisse dem Abstand längs der IOT entspricht.

Bei einer anderen Betriebsweise wird der Strom durch die zen­ trale Spule in umgekehrter Richtung zu der in den anderen Wicklungen geschickt, so daß das sich ergebende Magnetfeld, wie in Fig. 2b dargestellt, seine Richtung ändert.

In Fig. 3 ist eine andere IOT in gleichartiger Weise wie in Fig. 2 dargestellt, jedoch wird bei dieser Vorrichtung in dem Bereich zwischen dem Resonanzhohlraum und dem Anfang des Kollektors durch zwei Wicklungen 19 ein periodisches Magnet­ feld erzeugt.

Fig. 4 stellt eine IOT dar, bei der sich das durch umgebende Wicklungen 20 erzeugte Magnetfeld in den Kollektorbereich hinein erstreckt, und die Endwicklung den Kollektor umgibt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit einer IOT mit einem mehrstufigen Kollektor, bei dem verschiedene Kollekto­ relemente auf jeweils unterschiedlichen Spannungen gehalten werden.

Selbstverständlich kann das Magnetfeld für ein Klystron auch durch Wicklungen und das für eine IOT durch Permanentmagnete erzeugt werden.

Claims (12)

1. Hochfrequenz-Verstärkervorrichtung, welche umfaßt: Mittel zum Modulieren eines Elektronenstrahls, um Verstärkung eines angelegten Hochfrequenzsignals zu erzeugen; einen Resonanzhohlraum, von dem das verstärkte Hochfrequenzsi­ gnal abgezogen wird; einen Kollektor zum Aufnehmen von Strahlelektronen, nachdem das verstärkte Signal abgezogen wurde; und gekennzeichnet durch Mittel (3, 18, 19, 20) zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Bereich zwischen dem Resonanz-Hohlraum (10, 16) und dem Kollektor (11, 17), wobei sich die Magnetfeldamplitude mit dem Abstand längs des Elektronenstrahlweges ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in Längsrichtung des Elektronenstrahlweges immer die gleiche Richtung besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld mit dem Abstand längs des Elektronenstrahl­ weges seine Richtung ändert.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in Richtung des Elektronenstrahlweges periodisch ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetfeld zwischen dem Resonanz­ hohlraum (16) und dem Anfang des Kollektors (17) erzeugt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetfeld nur über der Länge des Kollektors (11) erzeugt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie zur Erzeugung des Magnet­ felds Permanentmagnete (3) enthält, die den Elektronen­ strahlweg umgebend angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Wicklungen (18, 19, 20) zur Erzeugung des Magnetfelds enthält.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (17) zum Be­ trieb in einem Bremsfeldmodus angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kollektor ein Mehrstufen­ kollektor ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche , da­ durch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung ein Klystron ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung ein induk­ tives Ausgangstetrodengerät ist.